Un disolvente (del latín solvō , "aflojar, desatar, resolver") es una sustancia que disuelve un soluto, dando lugar a una solución . Un disolvente suele ser un líquido, pero también puede ser un sólido, un gas o un fluido supercrítico . El agua es un disolvente para las moléculas polares y el disolvente más común utilizado por los seres vivos; todos los iones y proteínas de una célula se disuelven en agua dentro de la célula.
Los disolventes se utilizan principalmente en pinturas, decapantes, tintas y limpieza en seco. [2] Los disolventes orgánicos se utilizan específicamente en la limpieza en seco (p. ej. , tetracloroetileno ); como diluyentes de pintura ( tolueno , trementina ); como quitaesmaltes y disolventes de pegamento ( acetona , acetato de metilo , acetato de etilo ); en quitamanchas ( hexano , éter de petróleo); en detergentes ( terpenos cítricos ); y en perfumes ( etanol ). Los disolventes encuentran diversas aplicaciones en las industrias química, farmacéutica , petrolera y de gas, incluidas las síntesis químicas y los procesos de purificación.
Cuando una sustancia se disuelve en otra, se forma una solución . [3] Esto se opone a la situación en la que los compuestos son insolubles como la arena en el agua. En una solución, todos los ingredientes se distribuyen uniformemente a nivel molecular y no quedan residuos. Una mezcla de disolvente-soluto consta de una sola fase en la que todas las moléculas de soluto se presentan como solvatos ( complejos disolvente-soluto ), a diferencia de las fases continuas separadas como en las suspensiones, emulsiones y otros tipos de mezclas no disueltas. La capacidad de un compuesto de disolverse en otro se conoce como solubilidad; si esto ocurre en todas las proporciones, se llama miscible .
Además de mezclarse, las sustancias en una solución interactúan entre sí a nivel molecular. Cuando algo se disuelve, las moléculas del solvente se organizan alrededor de las moléculas del soluto. Se involucra la transferencia de calor y se aumenta la entropía , lo que hace que la solución sea más estable termodinámicamente que el soluto y el solvente por separado. Esta disposición está mediada por las respectivas propiedades químicas del solvente y el soluto, como el enlace de hidrógeno , el momento dipolar y la polarizabilidad . [4] La solvatación no causa una reacción química o cambios de configuración química en el soluto. Sin embargo, la solvatación se asemeja a una reacción de formación de complejos de coordinación , a menudo con una energía considerable (calor de solvatación y entropía de solvatación) y, por lo tanto, está lejos de ser un proceso neutral.
Cuando una sustancia se disuelve en otra, se forma una solución. Una solución es una mezcla homogénea que consiste en un soluto disuelto en un solvente. El soluto es la sustancia que se disuelve, mientras que el solvente es el medio de disolución. Las soluciones se pueden formar con muchos tipos y formas diferentes de solutos y solventes.
Los disolventes pueden clasificarse en dos grandes categorías: polares y no polares . Un caso especial es el mercurio elemental , cuyas soluciones se conocen como amalgamas ; también existen otras soluciones metálicas que son líquidas a temperatura ambiente.
En general, la constante dieléctrica del disolvente proporciona una medida aproximada de la polaridad del mismo. La fuerte polaridad del agua se indica por su elevada constante dieléctrica de 88 (a 0 °C). [5] Los disolventes con una constante dieléctrica inferior a 15 se consideran generalmente no polares. [6]
La constante dieléctrica mide la tendencia del solvente a cancelar parcialmente la intensidad del campo eléctrico de una partícula cargada inmersa en él. Esta reducción se compara luego con la intensidad del campo de la partícula cargada en el vacío. [6] Heurísticamente, la constante dieléctrica de un solvente puede considerarse como su capacidad para reducir la carga interna efectiva del soluto . En general, la constante dieléctrica de un solvente es un predictor aceptable de la capacidad del solvente para disolver compuestos iónicos comunes , como las sales.
Las constantes dieléctricas no son la única medida de polaridad. Debido a que los químicos utilizan disolventes para llevar a cabo reacciones químicas u observar fenómenos químicos y biológicos, se requieren medidas de polaridad más específicas. La mayoría de estas medidas son sensibles a la estructura química.
La escala m Y de Grunwald–Winstein mide la polaridad en términos de la influencia del solvente en la acumulación de carga positiva de un soluto durante una reacción química.
La escala Z de Kosower mide la polaridad en términos de la influencia del solvente en los máximos de absorción UV de una sal, generalmente yoduro de piridinio o el zwitterión de piridinio . [7]
El número de donantes y la escala de aceptores de donantes miden la polaridad en términos de cómo un solvente interactúa con sustancias específicas, como un ácido de Lewis fuerte o una base de Lewis fuerte. [8]
El parámetro de Hildebrand es la raíz cuadrada de la densidad de energía cohesiva . Puede utilizarse con compuestos no polares, pero no puede adaptarse a la química compleja.
El colorante de Reichardt, un colorante solvatocrómico que cambia de color en respuesta a la polaridad, proporciona una escala de valores de E T (30). E T es la energía de transición entre el estado fundamental y el estado excitado más bajo en kcal/mol, y (30) identifica el colorante. Otra escala aproximadamente correlacionada ( E T (33)) se puede definir con el rojo Nilo .
El parámetro ϸ del disolvente de Gregory es un parámetro de densidad de carga derivado de la química cuántica. [9] Este parámetro parece reproducir muchos de los parámetros experimentales del disolvente (especialmente los números de donante y aceptor) utilizando este enfoque de análisis de descomposición de carga, con una base electrostática. El parámetro ϸ se desarrolló originalmente para cuantificar y explicar la serie de Hofmeister cuantificando los iones poliatómicos y los iones monoatómicos de manera unificada.
La polaridad, el momento dipolar, la polarizabilidad y los enlaces de hidrógeno de un disolvente determinan qué tipo de compuestos es capaz de disolver y con qué otros disolventes o compuestos líquidos es miscible . En general, los disolventes polares disuelven mejor los compuestos polares y los disolventes no polares disuelven mejor los compuestos no polares; de ahí el dicho " lo similar disuelve a lo similar ". Los compuestos fuertemente polares como los azúcares (p. ej., sacarosa ) o los compuestos iónicos, como las sales inorgánicas (p. ej., la sal de mesa ) se disuelven solo en disolventes muy polares como el agua, mientras que los compuestos fuertemente no polares como los aceites o las ceras se disuelven solo en disolventes orgánicos muy no polares como el hexano . De manera similar, el agua y el hexano (o el vinagre y el aceite vegetal) no son miscibles entre sí y se separarán rápidamente en dos capas incluso después de agitarlos bien.
La polaridad se puede separar en diferentes contribuciones. Por ejemplo, los parámetros de Kamlet-Taft son dipolaridad/polarizabilidad ( π* ), acidez de unión por puentes de hidrógeno ( α ) y basicidad de unión por puentes de hidrógeno ( β ). Estos se pueden calcular a partir de los cambios de longitud de onda de 3 a 6 colorantes solvatocrómicos diferentes en el disolvente, que suelen incluir el colorante de Reichardt , la nitroanilina y la dietilnitroanilina. Otra opción, los parámetros de solubilidad de Hansen , separa la densidad de energía cohesiva en contribuciones de dispersión, polares y de unión por puentes de hidrógeno.
Los disolventes con una constante dieléctrica (más exactamente, permitividad estática relativa ) mayor que 15 (es decir, polares o polarizables) se pueden dividir en próticos y apróticos. Los disolventes próticos, como el agua , solvatan aniones (solutos cargados negativamente) fuertemente a través de enlaces de hidrógeno . Los disolventes apróticos polares , como la acetona o el diclorometano , tienden a tener grandes momentos dipolares (separación de cargas parciales positivas y parciales negativas dentro de la misma molécula) y solvatan especies cargadas positivamente a través de su dipolo negativo. [10] En las reacciones químicas, el uso de disolventes próticos polares favorece el mecanismo de reacción S N 1 , mientras que los disolventes apróticos polares favorecen el mecanismo de reacción S N 2. Estos disolventes polares son capaces de formar enlaces de hidrógeno con agua para disolverse en agua, mientras que los disolventes apolares no son capaces de formar fuertes enlaces de hidrógeno.
Los disolventes se agrupan en disolventes no polares , apróticos polares y próticos polares, y cada grupo está ordenado por polaridad creciente. Las propiedades de los disolventes que superan las del agua están en negrita.
El Instituto de Química Verde de la ACS mantiene una herramienta para la selección de solventes basada en un análisis de componentes principales de las propiedades del solvente. [13]
Los valores del parámetro de solubilidad de Hansen (HSP) [14] [15] se basan en enlaces de dispersión (δD), enlaces polares (δP) y enlaces de hidrógeno (δH). Estos contienen información sobre las interacciones intermoleculares con otros solventes y también con polímeros, pigmentos, nanopartículas , etc. Esto permite formulaciones racionales sabiendo, por ejemplo, que existe una buena coincidencia de HSP entre un solvente y un polímero. También se pueden hacer sustituciones racionales para solventes "buenos" (eficaces para disolver el soluto) que son "malos" (caros o peligrosos para la salud o el medio ambiente). La siguiente tabla muestra que las intuiciones de "no polar", "aprótico polar" y "prótico polar" se expresan numéricamente: las moléculas "polares" tienen niveles más altos de δP y los solventes próticos tienen niveles más altos de δH. Debido a que se utilizan valores numéricos, se pueden hacer comparaciones racionalmente comparando números. Por ejemplo, el acetonitrilo es mucho más polar que la acetona, pero presenta ligeramente menos enlaces de hidrógeno.
Si, por razones ambientales o de otro tipo, se requiere un disolvente o una mezcla de disolventes para reemplazar a otro de solvencia equivalente, la sustitución se puede hacer sobre la base de los parámetros de solubilidad de Hansen de cada uno. Los valores de las mezclas se toman como promedios ponderados de los valores de los disolventes puros. Esto se puede calcular por ensayo y error , una hoja de cálculo de valores o un software HSP. [14] [15] Una mezcla 1:1 de tolueno y 1,4 dioxano tiene valores δD, δP y δH de 17,8, 1,6 y 5,5, comparables a los del cloroformo de 17,8, 3,1 y 5,7 respectivamente. Debido a los riesgos para la salud asociados con el propio tolueno, se pueden encontrar otras mezclas de disolventes utilizando un conjunto de datos HSP completo.
El punto de ebullición es una propiedad importante porque determina la velocidad de evaporación. Pequeñas cantidades de disolventes con un punto de ebullición bajo, como el éter dietílico , el diclorometano o la acetona, se evaporarán en segundos a temperatura ambiente, mientras que los disolventes con un punto de ebullición alto, como el agua o el dimetilsulfóxido, necesitan temperaturas más altas, un flujo de aire o la aplicación de vacío para una evaporación rápida.
La mayoría de los disolventes orgánicos tienen una densidad menor que el agua, lo que significa que son más ligeros y forman una capa sobre el agua. Las excepciones importantes son la mayoría de los disolventes halogenados , como el diclorometano o el cloroformo, que se hunden hasta el fondo del recipiente y dejan agua como capa superior. Es fundamental recordar esto al dividir los compuestos entre disolventes y agua en un embudo de decantación durante las síntesis químicas.
A menudo, se cita la gravedad específica en lugar de la densidad. La gravedad específica se define como la densidad del solvente dividida por la densidad del agua a la misma temperatura. Como tal, la gravedad específica es un valor sin unidades. Comunica fácilmente si un solvente insoluble en agua flotará (GE < 1,0) o se hundirá (GE > 1,0) cuando se mezcle con agua.
Los disolventes multicomponentes aparecieron después de la Segunda Guerra Mundial en la URSS y siguen utilizándose y produciéndose en los estados postsoviéticos. Estos disolventes pueden tener una o más aplicaciones, pero no son preparados universales.
La mayoría de los disolventes orgánicos son inflamables o altamente inflamables, dependiendo de su volatilidad . Las excepciones son algunos disolventes clorados como el diclorometano y el cloroformo . Las mezclas de vapores de disolventes y aire pueden explotar . Los vapores de disolventes son más pesados que el aire; se hundirán hasta el fondo y pueden viajar grandes distancias casi sin diluir. Los vapores de disolventes también se pueden encontrar en bidones y latas supuestamente vacíos, lo que supone un peligro de incendio repentino ; por lo tanto, los contenedores vacíos de disolventes volátiles deben almacenarse abiertos y boca abajo.
Tanto el éter dietílico como el disulfuro de carbono tienen temperaturas de autoignición excepcionalmente bajas , lo que aumenta considerablemente el riesgo de incendio asociado con estos disolventes. La temperatura de autoignición del disulfuro de carbono es inferior a 100 °C (212 °F), por lo que objetos como tuberías de vapor , bombillas , hornillas y mecheros Bunsen recientemente apagados pueden encender sus vapores.
Además, algunos disolventes, como el metanol, pueden arder con una llama muy caliente que puede ser casi invisible en algunas condiciones de iluminación. [21] [22] Esto puede retrasar o impedir el reconocimiento oportuno de un incendio peligroso, hasta que las llamas se propaguen a otros materiales.
Los éteres como el éter dietílico y el tetrahidrofurano (THF) pueden formar peróxidos orgánicos altamente explosivos al exponerlos al oxígeno y la luz. Normalmente, es más probable que el THF forme dichos peróxidos que el éter dietílico. Uno de los disolventes más susceptibles es el éter diisopropílico , pero todos los éteres se consideran fuentes potenciales de peróxido.
El heteroátomo ( oxígeno ) estabiliza la formación de un radical libre que se forma mediante la abstracción de un átomo de hidrógeno por otro radical libre. [ Aclaración necesaria ] El radical libre centrado en el carbono así formado es capaz de reaccionar con una molécula de oxígeno para formar un compuesto de peróxido. El proceso de formación de peróxido se acelera en gran medida con la exposición a niveles incluso bajos de luz, pero puede avanzar lentamente incluso en condiciones de oscuridad.
A menos que se utilice un desecante que pueda destruir los peróxidos, estos se concentrarán durante la destilación , debido a su punto de ebullición más alto . Cuando se han formado suficientes peróxidos, pueden formar un precipitado sólido cristalino , sensible a los golpes, en la boca de un recipiente o botella. Pequeñas perturbaciones mecánicas, como raspar el interior de un recipiente o desalojar un depósito, simplemente girando la tapa, pueden proporcionar suficiente energía para que el peróxido explote o detone . La formación de peróxido no es un problema significativo cuando los disolventes nuevos se consumen rápidamente; son más un problema en los laboratorios, donde puede llevar años terminar una sola botella. Los usuarios de bajo volumen deben adquirir solo pequeñas cantidades de disolventes propensos al peróxido y desechar los disolventes viejos en un programa periódico regular.
Para evitar la formación explosiva de peróxido, los éteres deben almacenarse en un recipiente hermético, lejos de la luz, porque tanto la luz como el aire pueden favorecer la formación de peróxido. [23]
Se pueden utilizar varias pruebas para detectar la presencia de un peróxido en un éter; una de ellas consiste en utilizar una combinación de sulfato de hierro (II) y tiocianato de potasio . El peróxido es capaz de oxidar el ion Fe 2+ a un ion Fe 3+ , que luego forma un complejo de coordinación de color rojo oscuro con el tiocianato .
Los peróxidos se pueden eliminar mediante lavado con sulfato de hierro(II) ácido, filtrado a través de alúmina o destilación a partir de sodio / benzofenona . La alúmina degrada los peróxidos, pero algunos pueden permanecer intactos en ella, por lo que se deben desechar de forma adecuada. [24] La ventaja de utilizar sodio/benzofenona es que también se elimina la humedad y el oxígeno. [25]
Los riesgos generales para la salud asociados con la exposición a solventes incluyen toxicidad para el sistema nervioso, daño reproductivo, daño hepático y renal, deterioro respiratorio, cáncer, pérdida de audición, [26] [27] y dermatitis . [28]
Muchos disolventes [¿ cuáles? ] pueden provocar una pérdida repentina de la conciencia si se inhalan en grandes cantidades. [ cita requerida ] Los disolventes como el éter dietílico y el cloroformo se han utilizado en medicina como anestésicos , sedantes e hipnóticos durante mucho tiempo. [ ¿cuándo? ] Muchos disolventes (por ejemplo, de gasolina o pegamentos a base de disolventes) se abusan de forma recreativa al esnifar pegamento , a menudo con efectos perjudiciales para la salud a largo plazo, como neurotoxicidad o cáncer . La sustitución fraudulenta de 1,5-pentanodiol por el psicoactivo 1,4-butanodiol por parte de un subcontratista provocó la retirada del producto Bindeez . [29]
El etanol (alcohol de grano) es una droga psicoactiva ampliamente utilizada y abusada . Si se ingieren, los llamados "alcoholes tóxicos" (distintos del etanol), como el metanol , el 1-propanol y el etilenglicol , se metabolizan en aldehídos y ácidos tóxicos, que causan acidosis metabólica potencialmente mortal . [30] El metanol, un disolvente alcohólico comúnmente disponible, puede causar ceguera permanente o la muerte si se ingiere. El disolvente 2-butoxietanol , utilizado en los fluidos de fracturación hidráulica , puede causar hipotensión y acidosis metabólica. [31]
Las exposiciones crónicas a disolventes suelen ser causadas por la inhalación de vapores de disolventes o la ingestión de disolventes diluidos, repetidas a lo largo de un período prolongado.
Algunos disolventes pueden dañar órganos internos como el hígado , los riñones , el sistema nervioso o el cerebro . Los efectos acumulativos en el cerebro de la exposición prolongada o repetida a algunos disolventes se denominan encefalopatía crónica inducida por disolventes (CSE). [32]
La exposición crónica a disolventes orgánicos en el entorno laboral puede producir una serie de efectos neuropsiquiátricos adversos. Por ejemplo, la exposición ocupacional a disolventes orgánicos se ha asociado con un mayor número de pintores que sufren de alcoholismo . [33] El etanol tiene un efecto sinérgico cuando se toma en combinación con muchos disolventes; por ejemplo, una combinación de tolueno / benceno y etanol causa más náuseas / vómitos que cualquiera de las sustancias por separado.
Se sabe o se sospecha que algunos disolventes orgánicos son cataratógenos. Se ha descubierto que una mezcla de hidrocarburos aromáticos , hidrocarburos alifáticos , alcoholes , ésteres , cetonas y terpenos aumenta considerablemente el riesgo de desarrollar cataratas en el cristalino del ojo. [34]
Una vía importante de efectos inducidos sobre la salud surge de derrames o fugas de disolventes, especialmente disolventes clorados , que llegan al suelo subyacente. Dado que los disolventes migran fácilmente a distancias considerables, la creación de una contaminación generalizada del suelo no es infrecuente; esto es particularmente un riesgo para la salud si se ven afectados los acuíferos . [35] La intrusión de vapor puede ocurrir desde sitios con una extensa contaminación del subsuelo por disolventes. [36]
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