Az oldószer olyan anyag, amely egy kémiailag eltérő (szilárd, folyadék vagy gáz halmazállapotú) anyagot – az oldott anyagot – oldat keletkezése közben feloldja. Az oldószerek többnyire folyadékok, de lehet szilárdak vagy gáz halmazállapotúak is. Az, hogy adott térfogatú oldószer egy anyag mekkora mennyiségét képes feloldani, a hőmérséklettől függ. Az oldószerek jellemző felhasználása a vegytisztítás (pl. tetraklóretilénnel), a festékhígítókban (pl. toluol, terpentin), körömlakklemosóban és ragasztók oldószerében történő alkalmazás (aceton, metil-acetát, etil-acetát), de folttisztító (pl. hexán, petroléter), mosószer (pl. citrus terpének), parfüm (etanol) és körömlakk összetevőjeként, valamint a kémiai szintézisekben is alkalmazzák őket. A szervetlen oldószereket (a vizet leszámítva) jellemzően a kémiai kutatásokban és egyes technológiai folyamatok során használják.
Egy 2012-ben publikált felmérés szerint az oldószerek világpiaci forgalma 2019-ben elérheti a 33 milliárd USA dollárt. A feltörekvő piacok – például Kína, India, Brazília vagy Oroszország – dinamikusan fejlődő gazdasága különösen hozzájárul az egyre növekvő oldószerigényhez. Szakértők szerint a világ oldószer felhasználása a következő években átlagosan évi 2,5%-kal fog nőni, ami felülmúlja az elmúlt 8 év növekedési ütemét.Market Study on Solvents. Ceresana Research
Oldatok és szolvatáció Amikor egy anyag egy másikban oldódik, oldat keletkezik.Tinoco, Sauer, Wang & Puglisi, Physical ChemistryPrentice Hall 2002 p. 134 Ennek ellentéte, amikor egy anyag nem oldódik a másikban: például a homok nem oldódik a vízben. Az oldatokban az oldat alkotói egyenletesen oszlanak el molekuláris szinten, és nem marad vissza anyag. Két anyag egymással való keveredésének képességét elegyíthetőségnek nevezzük, míg egy anyag másikban való oldódásának képességét oldhatóságnak hívjuk. Az oldatban a két anyag nemcsak össze van keveredve, hanem kölcsönhatásban is van egymással. Amikor valami oldódik, az oldószer molekulái körbeveszik az oldott anyag részecskéit. A folyamat során hőváltozás is jelentkezik, és a rendszer entrópiája nő, ezáltal az oldat termodinamikailag stabilabb, mint a csak önmagában levő oldandó anyag. Ezt az elrendeződést az oldószer és az oldott anyag megfelelő kémiai tulajdonságai – például a hidrogénkötés, dipólusmomentum és polarizálhatóság – határozzák meg.Lowery and Richardson, pp. 181–183
Az oldószerek csoportosítása Az oldószerek két csoportba sorolhatók: poláris és nem poláris oldószerek. Az oldószer dielektromos állandója általában jó becslést ad az oldószer polaritásáról. A víz nagyfokú polaritását jelzi a dielektromos állandójának 20 °C-on mért 80,10-es értéke. A 15-nél kisebb dielektromos állandójú oldószereket általában nem polárisnak tekintik.Lowery and Richardson, p. 177. Technikailag a dielektromos állandó az oldószernek azt a sajátságát méri, hogy mennyire képes lecsökkenteni a belehelyezett töltött részecske körüli elektromos térerősséget. Ezt a csökkent értéket utána a vákuumban levő részecske körüli térerősséghez hasonlítják. A laikusok nyelvén szólva az oldószer dielektromos állandója úgy tekinthető, mint az oldószernek az oldott anyag belső töltését csökkentő képessége.
További polaritási skálák A polaritás nem csak a dielektromos állandóval mérhető. Mivel az oldószereket a kémikusok reakciók végrehajtására, valamint kémiai és biológiai jelenségek megfigyelésére használják, a polaritás megadásának pontosabb módja szükséges.
A Grunwald Winstein-féle mY skála a polaritást úgy méri, mint az oldószer hatása a pozitív töltés felhalmozódására az oldott anyagon kémiai reakció közben.
A Kosower-féle Z-skála a polaritást az oldószernek egy só, rendszerint a piridínium-jodid vagy a piridínium ikerion UV abszorpciós maximumának helyére gyakorolt hatásával jellemzi.Kosower, E.M. "An introduction to Physical Organic Chemistry" Wiley: New York, 1969 p. 293
A donorszám és a donor–akceptor-skála az oldószer bizonyos anyagokkal, például erős Lewis-savakkal vagy Lewis-bázisokkal történő kölcsönhatása alapján határozza meg a polaritást.
Az oldószerek polaritása, dipólusmomentuma, polarizálhatósága és hidrogénkötései meghatározzák, hogy milyen típusú vegyületeket képes oldani, és milyen más oldószerekkel vagy folyékony vegyületekkel képes elegyedni. Általában a poláris oldószerek legjobban a poláris vegyületeket oldják, a nem poláris oldószerek pedig a nem poláris vegyületeket oldják a legjobban: „hasonló a hasonlóban oldódik”. Az erősen poláris vegyületek, mint a cukrok (például szacharóz) vagy az ionos kötésű vegyületek, mint a szervetlen sók (például konyhasó) csak nagyon poláris oldószerekben – ilyen például a víz – oldódnak, míg a nem vagy alig poláris vegyületek, mint az olajok vagy viaszok csak erősen nem poláris szerves oldószerekben, például hexánban oldódnak. Hasonló módon a víz és hexán (vagy ecet és növényi olaj) sem elegyednek egymással, és még alapos összerázás után is gyorsan szétválnak és két külön folyadékréteget alkotnak.
Poláris protikus és poláris aprotikus oldószerek A 15-nél nagyobb relatív statikus permittivitású oldószerek tovább bonthatók protikus és aprotikus csoportokra. A protikus oldószerek – hidrogénkötések révén – erősen szolvatálják az anionokat (negatív töltésű oldott anyagokat). A víz protikus oldószer. Az aprotikus oldószerek, mint az aceton vagy diklórmetán jellemzően nagy dipólusmomentummal (a részleges pozitív és negatív töltések ugyanazon molekulán belüli szétválása) rendelkeznek, és negatív pólusukkal a pozitív töltésű részecskéket szolvatálják.Lowery, T.H. and Richardson, K.S., Mechanism and Theory in Organic Chemistry, Harper Collins Publishers 3rd ed. 1987 p. 183. A kémiai reakciókban a poláris protikus oldószerek alkalmazása az SN1 reakcióknak kedvez, míg a poláris aprotikus oldószerek az SN2 reakciómechanizmust részesítik előnyben.
A gyakori oldószerek fizikai tulajdonságai A leggyakoribb oldószerek tulajdonságainak táblázata A táblázat az oldószereket apoláris, poláris aprotikus és poláris protikus csoportokba osztva tartalmazza, és növekvő polaritás szerint rendezve tartalmazza. A polaritást a dielektromos állandóval adjuk meg. A víz megfelelő tulajdonsággal magasabb értékkel rendelkező oldószerek félkövérrel vannak kiemelve.
Oldószer Kémiai képlet ForráspontSolvent Properties – Boiling Point . Xydatasource.com. Hozzáférés ideje: 2013-01-26. Dielektromos állandóDielectric Constant . Macro.lsu.edu. Hozzáférés ideje: 2013-01-26. Sűrűség DipólusmomentumApoláris oldószerek pentán CH3−CH2−CH2−CH2−CH3 36 °C 1,84 0,626 g/ml 0,00 D ciklopentán C5H10 40 °C 1,97 0,751 g/ml 0,00 D hexán CH3−CH2−CH2−CH2−CH2−CH3 69 °C 1,88 0,655 g/ml 0,00 D ciklohexán C6H12 81 °C 2,02 0,779 g/ml 0,00 D benzol C6H6 80 °C 2,3 0,879 g/ml 0,00 D toluol C6H5−CH3 111 °C 2,38 0,867 g/ml 0,36 D 1,4-dioxán /−CH2−CH2−O−CH2−CH2−O−\ 101 °C 2,3 1,033 g/ml 0,45 D kloroform CHCl3 61 °C 4,81 1,498 g/ml 1,04 D dietil-éter CH3−CH2−O−CH2−CH3 35 °C 4,3 0,713 g/ml 1,15 DPoláris aprotikus oldószerek diklórmetán (DCM) CH2Cl2 40 °C 9,1 1,3266 g/ml 1,60 D tetrahidrofurán (THF) /−CH2−CH2−O−CH2−CH2−\ 66 °C 7,5 0,886 g/ml 1,75 D etil-acetát CH3−C(=O)−O−CH2−CH3 77 °C 6,02 0,894 g/ml 1,78 D aceton CH3−C(=O)−CH3 56 °C 21 0,786 g/ml 2,88 D dimetilformamid (DMF) H−C(=O)N(CH3)2 153 °C 38 0,944 g/ml 3,82 D acetonitril (MeCN) CH3−C≡N 82 °C 37,5 0,786 g/ml 3,92 D dimetil-szulfoxid (DMSO) CH3−S(=O)−CH3 189 °C 46,7 1,092 g/ml 3,96 D propilén-karbonát C4H6O3 240 °C 64,0 1,205 g/ml 4,9 DPoláris protikus oldószerek hangyasav H−C(=O)OH 101 °C 58 1,21 g/ml 1,41 D n-butanol CH3−CH2−CH2−CH2−OH 118 °C 18 0,810 g/ml 1,63 D izopropanol (IPA) CH3−CH(−OH)−CH3 82 °C 18 0,785 g/ml 1,66 D n-propanol CH3−CH2−CH2−OH 97 °C 20 0,803 g/ml 1,68 D etanol CH3−CH2−OH 79 °C 24,55 0,789 g/ml 1,69 D metanol CH3−OH 65 °C 33 0,791 g/ml 1,70 D ecetsav CH3−C(=O)OH 118 °C 6,2 1,049 g/ml 1,74 D nitrometán CH3−NO2 100–103 °C 35,87 1,1371 g/ml 3,56 D víz H−O−H 100 °C 80 1,000 g/ml 1,85 D
A Hansen-féle oldhatósági paraméterek értékei (HSPiP) Ugyanezen oldószerek hatékony vizsgálatára egy másik módszer is létezik. A Hansen-féle oldhatósági paraméter értékének ismeretében – mely a δD=diszperziós, δP=poláris és δH=hidrogénkötéseken alapul – fontos dolgokat lehet megtudni a más oldószerek molekuláival, de akár polimerekkel, színezékekkel, nanorészecskékkel stb. való kölcsönhatásról, ami alapján két dolgot is meg lehet tenni. Az egyik, hogy racionális szabályokat lehet alkotni tudván, hogy például egy oldószer és egy polimer között jó HSP illeszkedés van. Másodsorban pedig a „jó” (mely az anyagokat jól oldja), de más besorolás (pl. környezeti, egészségi hatásában, vagy akár költségében) „rossz” oldószerek helyett észszerű alternatíva választható. Az alábbi táblázat az intuitív „nem poláris”, „poláris aprotikus” és „poláris protikus” kategóriákat számszerűsítve tartalmazza – a „poláris” molekulák nagyobb δP értékkel rendelkeznek, a protikus oldószerek esetén pedig δH a nagyobb. Mivel számszerű értékekről van szó, az oldószerek összehasonlítása észszerűen, számok összehasonlításával történhet. Ezek alapján az acetonitril az acetonnál jóval polárisabb, de valamivel kevésbé hajlamos hidrogénkötések kialakítására.
Oldószer Kémiai képlet δD Diszperziós δP Poláris δH HidrogénkötésApoláris oldószerek hexán CH3−CH2−CH2−CH2−CH2−CH3 14,9 0,0 0,0 benzol C6H6 18,4 0,0 2,0 toluol C6H5−CH3 18,0 1,4 2,0 dietil-éter CH3CH2−O−CH2−CH3 14,5 2,9 4,6 kloroform CHCl3 17,8 3,1 5,7 1,4-dioxán /−CH2−CH2−O−CH2−CH2−O−\ 17,5 1,8 9,0Poláris aprotikus oldószerek etil-acetát CH3−C(=O)−O−CH2−CH3 15,8 5,3 7,2 tetrahidrofurán (THF) /−CH2−CH2−O−CH2−CH2−\ 16,8 5,7 8,0 diklórmetán CH2Cl2 17,0 7,3 7,1 aceton CH3−C(=O)−CH3 15,5 10,4 7,0 acetonitril (MeCN) CH3−C≡N 15,3 18,0 6,1 dimetilformamid (DMF) H−C(=O)N(CH3)2 17,4 13,7 11,3 dimetil-szulfoxid (DMSO) CH3−S(=O)−CH3 18,4 16,4 10,2Poláris protikus oldószerek ecetsav CH3−C(=O)OH 14,5 8,0 13,5 n-butanol CH3−CH2−CH2−CH2−OH 16,0 5,7 15,8 izopropanol CH3−CH(−OH)−CH3 15,8 6,1 16,4 n-propanol CH3−CH2−CH2−OH 16,0 6,8 17,4 etanol CH3−CH2−OH 15,8 8,8 19,4 metanol CH3−OH 14,7 12,3 22,3 hangyasav H−C(=O)OH 14,6 10,0 14,0 víz H−O−H 15,5 16,0 42,3
Tekintsünk egy egyszerű példát a racionális oldószercserére. Tegyük fel, hogy környezetvédelmi okokból le kell cserélnünk a klórozott oldószert, a kloroformot egy azonos oldóképességű, a táblázatban szereplő nem klórozott két komponensű oldószer(keverék)re. Próbálkozásokkal, táblázatkezelővel vagy valamilyen szoftver, például a HSPiPAbbott, Steven and Hansen, Charles M. (2008) Hansen Hansen Solubility Parameters in Practice, Hansen, Charles M. (2007) Hansen solubility parameters: a user's handbook CRC Press, segítségével azt találjuk, hogy toluol és 1,4-dioxán 1:1 arányú elegye szinte azonos eredményt ad. Az oldószerkeverék δD értéke a két oldószer 18,0 és 17,5 értékének az átlaga, azaz 17,8. δP-re 1,4 és 1,8 átlaga, azaz 1,6 adódik, δH pedig 2,0 és 9,0 középértéke, azaz 5,5. Az oldószerkeverékre tehát 17,8; 1,6 és 5,5 adódik, szemben a kloroform 17,8; 3,1 és 5,7 értékeivel. Mivel magának a toluolnak a használata is számos egészségi kockázattal jár, teljes Hansen-féle oldhatósági paraméter adatbázisok felhasználásával további oldószerkeverékek is kereshetők.
Forráspont Oldószer Forráspont (°C) etilén-diklorid 83,48 piridin 115,25 metil-izobutil-keton 116,5 metilén-klorid 39,75 izooktán 99,24 szén-diszulfid 46,3 szén-tetraklorid 76,75 o-xilol 144,42
A forráspont az oldószerek egyik fontos tulajdonsága. Ez meghatározza a párolgás sebességét. Kis mennyiségű, alacsony forráspontú oldószer – mint amilyen a dietil-éter, diklórmetán vagy aceton – szobahőmérsékleten néhány másodperc alatt elpárolog, míg a magas forráspontú oldószerek esetén – mint a víz vagy a dimetil-szulfoxid – a gyors párolgáshoz magasabb hőmérséklet, légáram vagy vákuum alkalmazása szükséges. alacsony forráspontúak: forráspontjuk 100 °C (a víz forráspontja) alatt van közepes forráspontúak: 100 °C és 150 °C között magas forráspontúak: 150 °C felett