Lösningsmedel

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 1 maj 2019; kontroller kräver 22 redigeringar .

Ett lösningsmedel  är ett ämne som kan lösa upp andra fasta, flytande eller gasformiga ämnen utan att förändra dem kemiskt. Typiskt, vid atmosfärstryck och rumstemperatur, är lösningsmedlet en vätska. Följaktligen, i lösningar som är blandningar av flytande och fasta eller flytande och gasformiga ämnen, anses den flytande komponenten vara ett lösningsmedel. I blandningar av flytande ämnen anses lösningsmedlet vara den komponent som finns i mycket större mängd, eller på ett godtyckligt sätt [1] [2] .

Det anses att lösningsmedel som används i industriell skala ska ha följande egenskaper: vara färglösa och transparenta, avdunsta utan rester, vara resistenta mot kemikalier, uppvisa en neutral reaktion, ha en lätt eller behaglig lukt, vara vattenfria, ha permanenta fysikaliska egenskaper och låg toxicitet , sönderdelas i miljön, vara så billig som möjligt [3] .

Upplösningsteori

När substans A löses i lösningsmedel B förstörs intermolekylära interaktioner av A-A- och B-B-typerna och intermolekylära interaktioner av A-B-typ uppstår. Ett ämne löser sig väl i ett lösningsmedel om krafterna för intermolekylär interaktion i ett rent ämne och ett rent lösningsmedel är av ungefär samma storleksordning. Tvärtom, om den intermolekylära interaktionen i ett rent ämne är mycket starkare eller svagare än den intermolekylära interaktionen i ett rent lösningsmedel, så löser sig ämnet dåligt i ett sådant lösningsmedel. Kortfattat formuleras denna princip av uttrycket "lika löser sig i lika" ( lat.  similia similibus solvuntur ) [4] .

Följande typer av intermolekylär interaktion särskiljs:

Den intermolekylära interaktionen i rena komponenter A och B kan vara svagare än interaktionen av A-B-typ i lösning. I det här fallet, under upplösning, minskar systemets inre energi , och själva upplösningsprocessen är exoterm . Om den intermolekylära interaktionen i rena komponenter A och B är starkare än i lösning, ökar den inre energin under upplösningen på grund av absorptionen av värme från utsidan, det vill säga upplösningen är endoterm . De flesta upplösningsprocesser är endotermiska och underlättas av en temperaturhöjning [4] .

Klassificering

Lösningsmedel klassificeras efter att de tillhör en eller annan klass av kemikalier [2] :

Kännetecken för lösningsmedelsmolekyler

Dipolmoment

Lösningsmedel klassificeras vanligtvis enligt deras upplösningsförmåga i polära och opolära . Men eftersom lösningsmedelspolaritet inte kan uttryckas i specifika fysikaliska termer, har försök gjorts att uttrycka polaritet i termer av en annan fysisk egenskap. En av dessa egenskaper är lösningsmedelsmolekylens dipolmoment . Dipolmomentet är summan av dipolmomenten för molekylens individuella bindningar, så symmetriska lösningsmedel ( koltetraklorid , bensen , cyklohexan ) har ett dipolmoment noll. Andra aromatiska lösningsmedel, såväl som dioxan , har ett lågt dipolmoment. Mindre symmetriska molekyler med polära bindningar ( alkoholer , estrar ) har ett högre dipolmoment (1,6-1,9 D); glykoler och ketoner har ett ännu högre dipolmoment (2,3-2,9 D); Nitropropan , DMF och DMSO har mycket höga dipolmoment (3,7-5,0 D). Dioxan och DMSO har dock väldigt olika dipolmoment, men liknande upplösningsförmåga, så dipolmomentet speglar inte helt denna förmåga [5] .

Polariserbarhet

Dipol-dipol- och induktionsinteraktioner i lösningar beror på lösningsmedlets molekylvikt. Eftersom denna parameter inte beaktas i dipolmomentet, är lösningsmedlets upplösningsförmåga associerad med en annan parameter - polariserbarhet . Ju högre polariserbarhet, desto fler polära dipoler uppträder under inverkan av ett yttre elektriskt fält. Följaktligen ökar intermolekylära interaktioner också [5] .

Förmågan att bilda vätebindningar

Beroende på styrkan hos de bildade vätebindningarna delas lösningsmedel in i tre klasser:

Lösningsmedlets förmåga att bilda vätebindningar kvantifieras med parametern y. Denna parameter erhålls genom att lösa deuterometanol i det undersökta lösningsmedlet och observera förskjutningen av vibrationsbandet för OD-bindningen i det infraröda spektrumet [5] .

Lösningsmedel är också uppdelade efter deras roll i bildandet av vätebindningar:

Följaktligen, om endast protonacceptorer är närvarande i lösningen, kan en vätebindning inte bildas. Om det finns vätebindningsdonatorer i lösningen så bildas en sådan bindning vilket leder till en ökning av lösligheten [5] .

Lösningskraft

När ett ämne löses i ett lösningsmedel bryts de intermolekylära bindningarna i ämnet, och enskilda molekyler av det lösta ämnet omges av ett lager av lösningsmedelsmolekyler. Denna solvatiseringsprocess uppskattas av graden av solvatisering β - antalet lösningsmedelsmolekyler per löst ämnesmolekyl i solvatiseringskomplexet. Graden av solvatisering beror på storleken på lösningsmedelsmolekylerna, såväl som på alla ovanstående parametrar [5] .

Protiska och aprotiska lösningsmedel

Bland lösningsmedlen kan några vara proton- eller elektrondonatorer eller acceptorer. På grundval av detta särskiljs fyra grupper:

Fysikaliska och kemiska egenskaper

Avdunstning

Enligt kokpunkten delas lösningsmedel vanligtvis in i lågkokande (<100 °C), medelkokande (100-150 °C) och högkokande (>150 °C) [2] . För praktiska ändamål är lösningsmedlets flyktighet under kokpunkten också av intresse. Under dessa förhållanden är det flytande lösningsmedlet i jämvikt med sin ånga, vars tryck beror på den molära förångningsentalpin Δ H V och temperaturen T och uttrycks av Clausius-Clapeyron-ekvationen [6] .

Avdunstningshastigheten är inte direkt relaterad till kokpunkten. Dessa värden kan endast jämföras om lösningsmedlen är lika i kemisk natur. I allmänhet är vätebindande lösningsmedel mindre flyktiga än andra lösningsmedel med samma kokpunkt. Detta beror på de extra energikostnaderna för att förstöra vätebindningar. Eftersom lösningsmedlets flyktighet är relaterad till många parametrar, bestäms den experimentellt under standardmiljöförhållanden och jämförs med flyktigheten hos dietyleter . Flyktigheten uttrycks i form av dimensionslösa avdunstningstal ( eng.  evaporation numbers ), som avser ett värde för dietyleter lika med 1. Lösningsmedel isoleras på denna basis:

I USA har en liknande klassificering baserad på butylacetats flyktighet antagits, som tas som en enhet: snabb avdunstning (> 3,0), måttligt avdunstande (0,8-3,0), långsamt avdunstande lösningsmedel (<0,8) [6 ] .

Hygroskopicitet

Vissa lösningsmedel, särskilt de som innehåller hydroxylgrupper (alkoholer och glykoler), absorberar vatten från luften tills ett jämviktstillstånd upprättas, vilket beror på luftens temperatur och fuktighet [6] .

Densitet

Vanligtvis mäts ett lösningsmedels densitet vid 20 °C och uttrycks som en dimensionslös mängd d20
4, vilket är förhållandet mellan denna densitet och densiteten av vatten vid 4 °C, dvs. . För de flesta organiska lösningsmedel är densiteten d20
4under enhet och den minskar vid uppvärmning. Ett undantag är halokarboner , som är tyngre än vatten. I den homologa serien av estrar och cellosolver minskar densiteten med ökande molekylvikt, medan den för alkoholer och ketoner ökar [6] .

Relativ densitet av lösningsmedel i homologa serier [7]
Ester d20
4		 cellosolve d20
4		 Alkohol d20
4		 Keton d20
4
Metylacetat 0,934 Metylcellosolve 0,966 metanol 0,791 Aceton 0,792
Etylacetat 0,901 etylcellosolve 0,931 etanol 0,789 Metyletylketon 0,805
propylacetat 0,886 propylcellosolve 0,911 Propanol-1 0,804 Metylpropylketon 0,807
Butylacetat 0,876 Butylcellosolve 0,902 Butanol-1 0,810 Amylmetylketon 0,816

Viskositet

I den homologa serien av lösningsmedel ökar viskositeten med ökande molekylvikt. Närvaron av hydroxylgrupper i molekylerna ökar viskositeten på grund av bildandet av vätebindningar. När temperaturen sjunker, minskar viskositeten. Lösningsmedlets viskositet är viktig eftersom det främst bestämmer lösningens viskositet [6] . Lågviskösa lösningsmedel har en viskositet under 2 mPa s vid 20 °C, medelviskösa lösningsmedel - från 2 till 10 mPa s, och högviskösa - över 10 mPa s [2] .

Tändning

Lösningsmedel klassificeras efter deras brännbarhetsparametrar baserat på deras flampunkt  , den temperatur vid vilken en blandning av lösningsmedelsånga och luft antänds med öppen låga. Flampunkten minskar med en ökning av lösningsmedlets mättnadsångtryck, det vill säga med en minskning av dess molekylvikt och kokpunkt. Flampunkten är relaterad till kokpunkten genom en empirisk ekvation, som ger ganska exakta värden för kolväten, ketoner och estrar, men är inte lämplig för alkoholer, glykoler och glykoletrar [6] :

. Flampunkter i homologa serier [8]
Ester Flampunkt, °C Keton Flampunkt, °C
Metylacetat -13 Aceton -19
Etylacetat -12 Metyletylketon -fjorton
propylacetat 12 Metylpropylketon 22
Butylacetat 22 Butylmetylketon 23

Av säkerhetsskäl försöker de öka flampunkten. Azeotropa lösningsmedelsblandningar har dock en lägre flampunkt än de enskilda komponenterna i denna blandning, så deras användning för detta ändamål är problematisk. Flampunkten för toluen kan höjas genom att tillsätta kloralkaner. Flampunkter för blandningar är inte nödvändigtvis lika med flampunkten för den mer brandfarliga komponenten. Om lösningsmedel av olika kemisk natur blandas (till exempel en alkan och en alkohol) reduceras flampunkten kraftigt. Om komponenterna är av liknande karaktär, ligger flampunkten mellan värdena för de rena komponenterna [6] .

Lösningsmedelsångor kan antändas inte bara från öppen låga, utan också spontant när antändningstemperaturen uppnås . Enligt denna parameter klassificeras lösningsmedel i fem grupper: T5 (100-135 ° C), T4 (135-200 ° C), T3 (200-300 ° C), T2 (300-450 ° C) och T1 ( > 450 ° C). C) [6] .

En lösningsmedelsexplosion är en mycket snabb förbränningsprocess som initieras av antändning och fortskrider utan att energi eller luft absorberas utifrån. En explosion kan bara inträffa om lösningsmedelsångan och luften är i ett visst förhållande, vilket bestäms av de övre och nedre brandfarlighetsgränserna [6] .

Kemiska egenskaper

Kemisk tröghet är en av de viktiga förutsättningarna för att en vätska ska användas som lösningsmedel. Alifatiska och aromatiska kolväten uppfyller detta villkor väl. Alkoholer är också mycket stabila, men de reagerar med alkali , jordalkalimetaller och aluminium , omvandlas till karboxylsyror under inverkan av starka oxidationsmedel och reagerar även med isocyanater (därför används de inte för att lösa polyuretanfärgämnen ) [6] .

Etrar , inklusive glykoletrar, bildar peroxider vid långvarig exponering för luft och ljus . Estrar och ketoner är ganska stabila, även om estrar kan hydrolysera till karboxylsyror och alkoholer, speciellt under sura eller alkaliska förhållanden. I ett neutralt medium sker denna process mycket långsammare: på 130 dagar vid 20 °C hydrolyseras cirka 15 g av 44 g etylacetat i 1 liter vatten [6] .

Klorerade lösningsmedel frigör väteklorid i närvaro av baser och metaller , även om stabilisatorer vanligtvis tillsätts för att undvika detta [6] .

Applikation

Färger

Färger använder komplexa lösningsmedelskompositioner som varierar med färgapplicering, temperatur och torktid . Färgtorkning i rumstemperatur innehåller cirka 45 % lättkokande, 45 % medelkokande och 10 % högkokande lösningsmedel. Lågkokande lösningsmedel ger snabb torkning av färgen, och högkokande lösningsmedel ger en slät skiktyta. Om beläggningen torkar vid en förhöjd temperatur, innehåller färgen tvärtom inte lågkokande lösningsmedel, för när de värms upp kommer de att svälla skiktets yta. Bindemedlet spelar också en viktig roll i formuleringen av lösningsmedlens sammansättning [9] .

När man skapar en komposition beaktas också lösningsmedlets viskositet, dess effekt på lackens mekaniska egenskaper och andra parametrar, inklusive användningsegenskaperna [9] . Till exempel bör tryckfärger använda lösningsmedel som lätt löser upp bindemedlet, men samtidigt ska lösningsmedlet inte interagera med kopparvalsar eller gummi i trycksystemet [10] .

Färgborttagningsmedel

Lösningsmedel används för att avlägsna färgskiktet, som antingen löser sig bra eller kan leda till betydande svällning av färgbindemedelskomponenterna. Särskilt ofta används en blandning av diklormetan med lågkokande ketoner eller estrar. Små mängder högkokande lösningsmedel ( tetrahydronaftalen , naftalen , bensylalkohol , etc.) tillsätts till dessa formuleringar för att långsamma avdunstning. Moderna kompositioner innehåller inte kloralkaner: de framställs av högkokande lösningsmedel ( DMF , DMSO , propylenkarbonat och N-metylpyrrolidon ) med tillsats av alkoholer eller aromatiska ämnen [10] .

Fiberproduktion

Vid tillverkning av fibrer framställs lösningar med hjälp av lösningsmedel som är billiga, flyktiga, lätta att återvinna och har så låg viskositet som möjligt. Således används diklormetan och metanol för cellulosatriacetat , aceton används för polyvinylklorid och dimetylsulfoxid eller propylenkarbonat används för polyakrylnitril [10] .

Avfettning

För avfettning av metaller används ketoner och klorkolväten (trikloretylen, tetrakloretylen, diklormetan). Samtidigt stabiliseras de senare så att väteklorid inte frigörs vid kontakt med metaller. Gradvis ersätts organiska lösningsmedel med vattenhaltiga föreningar, vilket är förknippat med miljöskydd [10] .

Extraktion

Lösningsmedel används i stor utsträckning i extraktionsprocesser för industriell separation, isolering eller rening av ämnen. Till exempel avlägsnas omättade komponenter från vegetabiliska oljor med metanol eller furfural . Lösningsmedel används också vid extraktiv destillation: i detta fall tillsätts ett högkokande lösningsmedel till blandningen som ska separeras, vilket interagerar selektivt med en av komponenterna, vilket minskar dess flyktighet. Så till exempel kan cyklohexan (kokpunkt 80,8 °C) och bensen (kokpunkt 80,1 °C) separeras genom destillation efter tillsats av anilin , eftersom det interagerar starkare med bensen än med cyklohexan [10] .

Kromatografi

Lösningsmedlet i kromatografi fungerar som en mobil fas och konkurrerar om det lösta ämnet med en fast sorbent . Fördelningen av ämnen mellan dessa faser beror inte bara på sorptionsmedlets natur utan också på lösningsmedlets egenskaper. Lösningsmedel grupperas i eluotropiska serier, som återspeglar lösningsmedlets elueringsförmåga (som, när det gäller polära sorbenter, ökar med lösningsmedlets polaritet) [10] .

Genomföra kemiska reaktioner

Lösningsmedel fungerar som reaktionsmedium vid organisk syntes. De ger kontakt mellan de reagerande ämnena, skapar en homogen miljö, och påverkar även jämvikten , hastigheten och reaktionsordningen , och interagerar med utgångsmaterial, produkter och mellanliggande partiklar [2] . Beroende på typ av reaktion behövs olika lösningsmedel. Med ackumulering av erfarenhet valdes lämpliga lösningsmedel för några reaktioner:

Toxisk effekt

Akut och kronisk toxicitet

Lösningsmedel har olika effekter på människor, djur och växter. Denna verkan beror både på mängden lösningsmedel och på verkningstiden. Exponering för en stor mängd lösningsmedel på kort tid kan leda till akuta hälsoproblem, och långvarig exponering för låga doser kan leda till kroniska effekter och sensibilisering , samt allergier [11] .

Lösningsmedelstoxicitet kvantifieras som den halvdödliga dosen LD50 eller, eftersom exponering för lösningsmedel ofta sker genom inandning, som den halvdödliga koncentrationen LC50. Vid inandning absorberas lösningsmedel genom lungorna in i blodomloppet och ackumuleras sedan i lipidrika vävnader ( nerver , hjärna , ryggmärg , fettvävnad , lever och njurar ). Lösningsmedel kan också ha en skadlig effekt på celler. I vissa fall kommer lösningsmedel in i kroppen genom huden eller, mer sällan, genom matsmältningskanalen [11] .

Vid akut lösningsmedelsförgiftning förekommer yrsel, dåsighet, huvudvärk, medvetslöshet och tecken på narkotisk verkan. Kronisk verkan är svår att upptäcka i de inledande stadierna, men på grund av det uppstår skador på vissa organ, beroende på det specifika lösningsmedlet [11] .

Lösningsmedel kan antingen lösa upp fettlagret på huden, vilket leder till sprickbildning och ökar risken för infektion, eller direkt orsaka inflammation och blåsor. Anilin , bensen , dimetylacetamid , dimetylformamid , dioxan , metanol , nitrobensen , koltetraklorid och några andra lösningsmedel absorberas mycket lätt genom huden [11] .

Cancerframkallande egenskaper

I Tyskland är vissa lösningsmedel klassificerade som cancerframkallande enligt de tekniska föreskrifterna för farliga ämnen ( tyska:  Technische Regeln für Gefahrstoffe TRG 900 ) . De faller in i avsnitt A (ämnen för vilka en cancerframkallande effekt otvetydigt har påvisats) och avsnitt B (ämnen som med fog anses vara cancerframkallande). Avsnitt A omfattar underavdelning A1 (ämnen som erfarenhetsmässigt kan orsaka maligna tumörer hos människor) och underavdelning A2 (ämnen vars cancerframkallande effekt tydligt har visats i försök med djur). Dessa listor inkluderar följande lösningsmedel:

Teratogenicitet och embryotoxicitet

I Tyskland delas potentiellt teratogena och embryotoxiska ämnen in i fyra grupper: med visade effekter (Grupp A), med sannolika effekter (Grupp B), utan effekter, förutsatt att MPC observeras (Grupp C), ämnen för vilka utvärdering inte är ännu möjligt (Grupp D) . Enligt denna klassificering finns i grupp B dimetylformamid, etylcellosolve, etylcellosolveacetat, metylcellosolve, metylcellosolveacetat, 2-metoxipropanol-1, 2-metoxipropanol-1-acetat, koldisulfid, toluen och kloroform. Ett antal lösningsmedel finns också i grupperna C och D [11] .

Ekonomiska aspekter

Lösningsmedel används i stor utsträckning inom olika industrier, men deras användning förväntas minska på grund av införandet av lagstiftning som syftar till att skydda miljön [12] .

Lösningsmedelsförbrukning i Västeuropa (i % av total förbrukning) [12]
Lösningsmedel 1980 1986 1990 1995 2000*
Syrehaltiga lösningsmedel 36,5 45 51 58 65
Alifatiska kolväten 28,5 22 20.5 19 arton
aromatiska kolväten 20.5 tjugo 19 17 15.5
Klorkolväten 14.5 13 9.5 6 1.5
Total förbrukning, miljoner ton 5.1 4,75 4.7 4.15 3.3

* förutspådda värden

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Ullmann, 2000 , sid. 619.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Chemical Encyclopedia, 1995 .
  3. ↑ Ullmann, 2000 , sid. 620.
  4. ↑ 1 2 3 Ullmann, 2000 , sid. 620–624.
  5. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ullmann, 2000 , sid. 624–630.
  6. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ullmann, 2000 , sid. 630–637.
  7. ↑ Ullmann, 2000 , sid. 632.
  8. ↑ Ullmann, 2000 , sid. 634.
  9. ↑ 12 Ullmann, 2000 , sid. 645–648.
  10. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Ullmann, 2000 , sid. 648–650.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 6 Ullmann, 2000 , sid. 637–640.
  12. ↑ 12 Ullmann, 2000 , sid. 650.

Litteratur