Un disolvente (del latín solvō , "aflojar, desatar, resolver") es una sustancia que disuelve un soluto, dando como resultado 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 de 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 principales usos de los disolventes son pinturas, removedores de pintura, tintas y limpieza en seco. [2] Los usos específicos de los disolventes orgánicos son la limpieza en seco (por ejemplo, tetracloroetileno ); como diluyentes de pintura ( tolueno , trementina ); como quitaesmalte y disolventes de colas ( 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 , de petróleo 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 agua. En una solución, todos los ingredientes se distribuyen uniformemente a nivel molecular y no quedan residuos. Una mezcla de disolvente y soluto consta de una sola fase en la que todas las moléculas de soluto se presentan como solvatos ( complejos de disolvente y soluto ), a diferencia de fases continuas separadas como en suspensiones, emulsiones y otros tipos de mezclas que no son solución. La capacidad de un compuesto para disolverse en otro se conoce como solubilidad; si esto se da 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 disolvente se disponen alrededor de las moléculas del soluto. Está involucrada la transferencia de calor y la entropía aumenta, lo que hace que la solución sea más termodinámicamente estable que el soluto y el disolvente por separado. Esta disposición está mediada por las respectivas propiedades químicas del disolvente y del soluto, como el enlace de hidrógeno , el momento dipolar y la polarizabilidad . [4] La solvatación no provoca una reacción química ni 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 formada por un soluto disuelto en un disolvente. El soluto es la sustancia que se disuelve, mientras que el disolvente es el medio de disolución. Se pueden formar soluciones con muchos tipos y formas diferentes de solutos y disolventes.
Los disolventes se pueden clasificar en términos generales en dos categorías: polares y no polares . Un caso especial es el mercurio elemental , cuyas soluciones se conocen como amalgamas ; además existen otras soluciones metálicas que son líquidas a temperatura ambiente.
Generalmente, la constante dieléctrica del disolvente proporciona una medida aproximada de la polaridad de un disolvente. La fuerte polaridad del agua está indicada por su alta constante dieléctrica de 88 (a 0 °C). [5] Los disolventes con una constante dieléctrica inferior a 15 generalmente se consideran no polares. [6]
La constante dieléctrica mide la tendencia del disolvente a cancelar parcialmente la intensidad del campo eléctrico de una partícula cargada sumergida en él. Luego, esta reducción se compara con la intensidad del campo de la partícula cargada en el vacío. [6] Heurísticamente, la constante dieléctrica de un disolvente puede considerarse como su capacidad para reducir la carga interna efectiva del soluto . Generalmente, la constante dieléctrica de un disolvente es un predictor aceptable de la capacidad del disolvente 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 disolvente 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 disolvente en los máximos de absorción de rayos UV de una sal, generalmente yoduro de piridinio o piridinio zwitterion . [7]
El número de donante y la escala de aceptor de donante miden la polaridad en términos de cómo interactúa un disolvente 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 usarse con compuestos no polares, pero no puede adaptarse a una química compleja.
El tinte de Reichardt , un tinte solvatocrómico que cambia de color en respuesta a la polaridad, proporciona una escala de valores ET (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 tinte. Otra escala aproximadamente correlacionada ( ET (33)) se puede definir con el rojo del Nilo .
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 . Generalmente, los disolventes polares disuelven mejor los compuestos polares y los disolventes no polares disuelven mejor los compuestos no polares; por lo tanto, " lo similar se disuelve como ". Los compuestos fuertemente polares como los azúcares (p. ej., la sacarosa ) o los compuestos iónicos, como las sales inorgánicas (p. ej., la sal de mesa ), se disuelven sólo en disolventes muy polares, como el agua, mientras que los compuestos fuertemente apolares, como los aceites o las ceras , se disuelven sólo en disolventes orgánicos muy apolares, como 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 los enlaces de hidrógeno ( α ) y basicidad de los enlaces de hidrógeno ( β ). Estos se pueden calcular a partir de los cambios de longitud de onda de 3 a 6 tintes solvatocrómicos diferentes en el disolvente, que generalmente incluyen el tinte 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 enlaces de hidrógeno.
Los disolventes con una constante dieléctrica (más exactamente, permitividad estática relativa ) superior a 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 mediante 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. [9] En 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 no polares no son capaces de formar enlaces de hidrógeno fuertes.
Los disolventes se agrupan en disolventes no polares , apróticos polares y próticos polares , y cada grupo se ordena según su polaridad creciente. Las propiedades de los disolventes que superan las del agua están en negrita.
El ACS Green Chemistry Institute mantiene una herramienta para la selección de disolventes basada en un análisis de componentes principales de las propiedades de los disolventes. [12]
Los valores del parámetro de solubilidad de Hansen (HSP) [13] [14] se basan en enlaces de dispersión (δD), enlaces polares (δP) y enlaces de hidrógeno (δH). Estos contienen información sobre las interacciones intermoleculares con otros disolventes y también con polímeros, pigmentos, nanopartículas , etc. Esto permite formulaciones racionales sabiendo, por ejemplo, que existe una buena coincidencia de HSP entre un disolvente y un polímero. También se pueden hacer sustituciones racionales de disolventes "buenos" (eficaces para disolver el soluto) que sean "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 disolventes próticos tienen niveles más altos de δH. Debido a que se utilizan valores numéricos, las comparaciones se pueden hacer 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 solvente o mezcla de solventes para reemplazar otro de solvencia equivalente, la sustitución se puede realizar en base a 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 mediante prueba y error , una hoja de cálculo de valores o un software HSP. [13] [14] Una mezcla 1:1 de tolueno y 1,4 dioxano tiene valores de δD, δP y δH de 17,8, 1,6 y 5,5, comparables a los del cloroformo con 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 completo de HSP.
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 sulfóxido de dimetilo , necesitan temperaturas más altas, un flujo de aire o la aplicación de vacío. para una rápida evaporación.
La mayoría de los disolventes orgánicos tienen una densidad menor que el agua, lo que significa que son más ligeros y formarán una capa sobre el agua. Las excepciones importantes son la mayoría de los disolventes halogenados , como el diclorometano o el cloroformo , que se hunden en el fondo del recipiente, dejando agua como capa superior. Es fundamental recordar esto al dividir 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 disolvente dividida por la densidad del agua a la misma temperatura. Como tal, la gravedad específica es un valor sin unidades. Comunica fácilmente si un disolvente insoluble en agua flotará (SG < 1,0) o se hundirá (SG > 1,0) cuando se mezcla con agua.
Los disolventes multicomponente 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 preparaciones 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 solventes también se pueden encontrar en tambores y latas supuestamente vacíos, lo que representa un peligro de incendio repentino ; por lo tanto, los recipientes 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 que aumentan en gran medida 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 , hornillos y mecheros Bunsen recientemente apagados pueden encender sus vapores.
Además, algunos disolventes, como el metanol, pueden arder con una llama muy caliente que puede resultar casi invisible en determinadas condiciones de iluminación. [20] [21] 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 exponerse al oxígeno y la luz. Normalmente, es más probable que el THF forme tales 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 por la abstracción de un átomo de hidrógeno por otro radical libre. [ aclaración necesaria ] El radical libre centrado en 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 enormemente con la exposición incluso a niveles 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 mayor punto de ebullición . Cuando se han formado suficientes peróxidos, pueden formar un precipitado sólido cristalino , sensible a los golpes, en la boca de un recipiente o botella. Alteraciones mecánicas menores, como raspar el interior de un recipiente o desalojar un depósito, simplemente girar la tapa pueden proporcionar energía suficiente para que el peróxido explote o detone . La formación de peróxido no es un problema importante cuando los disolventes nuevos se agotan rápidamente; son un problema mayor en los laboratorios, que pueden tardar años en terminar una sola botella. Los usuarios de bajo volumen deben adquirir sólo pequeñas cantidades de solventes propensos a peróxido y desechar los solventes 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 fomentar la formación de peróxido. [22]
Se pueden utilizar varias pruebas para detectar la presencia de un peróxido en un éter; Una es 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 intenso con el tiocianato .
Los peróxidos se pueden eliminar lavando con sulfato de hierro (II) ácido, filtrando a través de alúmina o destilando en sodio / benzofenona . La alúmina degrada los peróxidos pero algunos podrían quedar intactos en ella, por lo que hay que eliminarla adecuadamente. [23] La ventaja de usar sodio/benzofenona es que también se eliminan la humedad y el oxígeno. [24]
Los riesgos generales para la salud asociados con la exposición a solventes incluyen toxicidad para el sistema nervioso, daño reproductivo, daño hepático y renal, insuficiencia respiratoria, cáncer y dermatitis . [25]
Muchos disolventes [ ¿cuáles? ] puede provocar una pérdida repentina del conocimiento si se inhala en grandes cantidades. [ cita necesaria ] Los disolventes como el éter dietílico y el cloroformo se han utilizado en medicina como anestésicos , sedantes e hipnóticos durante mucho tiempo. Se abusa de muchos disolventes (por ejemplo, de gasolina o pegamentos a base de disolventes) de forma recreativa al inhalar pegamento , a menudo con efectos nocivos a largo plazo para la salud, como neurotoxicidad o cáncer . La sustitución fraudulenta del 1,5-pentanodiol por el psicoactivo 1,4-butanodiol por parte de un subcontratista provocó la retirada del producto Bindeez . [26]
El etanol (alcohol de grano) es una droga psicoactiva de amplio uso y abuso . 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 provocan una acidosis metabólica potencialmente mortal . [27] El disolvente alcohólico comúnmente disponible, el metanol, puede causar ceguera permanente o la muerte si se ingiere. El disolvente 2-butoxietanol , utilizado en los fluidos de fracking , puede provocar hipotensión y acidosis metabólica. [28]
La exposición crónica a disolventes suele ser causada por la inhalación de vapores de disolventes o la ingestión de disolventes diluidos, repetida durante un período prolongado.
Algunos disolventes pueden dañar órganos internos como el hígado , los riñones , el sistema nervioso o el cerebro . Los efectos cerebrales acumulativos de la exposición prolongada o repetida a algunos solventes se denominan encefalopatía crónica inducida por solventes (EEC). [29]
La exposición crónica a disolventes orgánicos en el entorno laboral puede producir una variedad de efectos neuropsiquiátricos adversos. Por ejemplo, la exposición ocupacional a disolventes orgánicos se ha asociado con un mayor número de pintores que padecen alcoholismo . [30] El etanol tiene un efecto sinérgico cuando se toma en combinación con muchos solventes; por ejemplo, una combinación de tolueno / benceno y etanol provoca mayores náuseas / vómitos que cualquiera de las sustancias por separado.
Se sabe o se sospecha que algunos disolventes orgánicos son cataractogénicos. Se descubrió que una mezcla de hidrocarburos aromáticos , hidrocarburos alifáticos , alcoholes , ésteres , cetonas y terpenos aumenta en gran medida el riesgo de desarrollar cataratas en el cristalino del ojo. [31]
Una vía importante de efectos inducidos sobre la salud surge de los derrames o fugas de solventes, especialmente clorados , que llegan al suelo subyacente. Dado que los solventes migran fácilmente distancias considerables, la creación de una contaminación generalizada del suelo no es infrecuente; Esto es particularmente un riesgo para la salud si los acuíferos se ven afectados. [32] La intrusión de vapor puede ocurrir desde sitios con una extensa contaminación de solventes en el subsuelo. [33]
