oplosmiddel

Een oplosmiddel (ook wel oplosmiddel of oplosmiddel , ook menstruatie ) is een stof die gassen , vloeistoffen of vaste stoffen kan oplossen of verdunnen zonder chemische reacties te veroorzaken tussen de opgeloste stof en het oplosmiddel (zie ook: oplossing (chemie) ). In de regel worden vloeistoffen zoals water en vloeibare organische stoffen gebruikt om andere stoffen op te lossen. Maar vaste stoffen kunnen ook andere stoffen oplossen. In de waterstoftanks van brandstofcelaangedreven auto's wordt bijvoorbeeld gasvormige waterstof opgelost in vaste stof (metaal-organische raamwerkverbindingen , kortweg MOF's ).

"Oplosmiddel" of "Oplosmiddel"

Beide termen worden al meer dan 200 jaar in de literatuur gebruikt. In onderzoek en laboratoria zijn oplosmiddelen vastgesteld in de industriële en technische chemische industrie, hoe oplosmiddelen ook. Zo spreekt de Römpp Lexikon Chemie van oplosmiddelen , terwijl de TRGS (Technische Regels voor Gevaarlijke Stoffen) de voorkeur geeft aan oplosmiddelen .

Definitie in het dagelijks leven

Het bekendste oplosmiddel is waarschijnlijk water. Als het echter om verven, lakken, lijmen, enz. gaat, wordt de term “oplosmiddel” gebruikt om te verwijzen naar stoffen die onaangename geuren, schade aan de gezondheid en het milieu en explosieve dampen kunnen veroorzaken. Hiermee worden oplosmiddelen bedoeld in de zin van TRGS (Technische Regels voor Gevaarlijke Stoffen) 610, ^[1] volgens welke alleen vluchtige organische oplosmiddelen met een kookpunt tot 200 °C oplosmiddel worden genoemd.

Producten worden als oplosmiddelvrij beschouwd als het oplosmiddelgehalte van het gebruiksklare product lager is dan 0,5%.

De "hoogkokende stoffen", minder vluchtige stoffen met kookpunten boven 200°C, worden daarom wettelijk niet als oplosmiddelen beschouwd. Terwijl klassieke oplosmiddelen vanwege hun vluchtigheid enkele uren tot dagen na verwerking volledig zijn verdampt, kunnen de hoogkokende stoffen in sommige "oplosmiddelvrije" producten nog maanden of jaren in de kamerlucht vrijkomen en worden daarom soms zelfs beoordeeld aanzienlijk kritischer zijn dan producten met klassieke oplosmiddelen. ^[2]

Het vermijden van giftige en milieubelastende stoffen maakt deel uit van groene chemie .

chemie

Hoewel het oplosmiddel zelf niet deelneemt aan de chemische reactie, is het erg belangrijk voor chemische reacties. De effecten van het oplosmiddel zijn verschillend en afhankelijk van de reactie. Door reactanten in een oplosmiddel op te lossen , kunnen reacties thermisch worden gecontroleerd. Concentraties van stoffen die in een oplosmiddel zijn opgelost, gelden vanwege de temperatuurafhankelijkheid alleen bij een bepaalde temperatuur.

De belangrijkste taken van het oplosmiddel bij chemische reacties zijn:

• convectiewarmte en massaoverdracht
• Stabilisatie van overgangstoestanden van de reactie
• Verdunning om nevenreacties te voorkomen

Oplosmiddelen spelen nog een belangrijke rol bij de zuivering en verwerking van reactiemengsels ( stroomafwaarts proces ). Enkele belangrijke procedures worden hier als voorbeeld genoemd:

• neerslag
• Kristallisatie
• herkristallisatie
• extractie
• chromatografie

Markteconomie aspecten

De belangrijkste groep oplosmiddelen zijn alcoholen zoals ethanol, n- butanol, isopropanol en methanol. Hiervan was in 2011 wereldwijd zo'n 6,4 miljoen ton in trek. Voor ethanol en ethers wordt in de periode 2011 tot 2019 een bovengemiddelde stijging van het verbruik van meer dan 3% per jaar verwacht. Naast gehalogeneerde oplosmiddelen, die hun neerwaartse trend in West-Europa en Noord-Amerika voortzetten, zullen ook aromaten en zuivere koolwaterstoffen op lange termijn aan belang blijven inboeten. ^[3]

Oplossende eigenschappen

De kwantitatieve voorspelling van oplossende eigenschappen is moeilijk en tart vaak de intuïtie . Er kunnen algemene regels worden opgesteld, maar deze kunnen slechts als globale richtlijn worden gebruikt.

Polaire stoffen lossen over het algemeen goed op in polaire oplosmiddelen (bijvoorbeeld zouten in water). Apolaire stoffen lossen over het algemeen goed op in apolaire oplosmiddelen (bijvoorbeeld apolaire organische stoffen in benzeen of ether).

Oplosmiddelen worden gewoonlijk ingedeeld in klassen op basis van hun fysische eigenschappen. Dergelijke classificatiecriteria zijn z. B .:

• kookpunt
• Permittiviteit
• Vlampunt
• wisselvalligheid
• viscositeit:
• polariteit
• CH zuurgraad

Aprotische oplosmiddelen

Als een molecuul geen functionele groep heeft waaruit waterstofatomen in het molecuul als protonen kunnen worden afgesplitst (dissociatie), wordt dit een aprotisch oplosmiddel genoemd. Deze zijn in tegenstelling tot de protische oplosmiddelen .

Aprotisch niet-polair

Alkanen zijn niet-polair vanwege het kleine verschil in elektronegativiteit tussen koolstof en waterstof. Hierdoor zijn alle stoffen van deze groepen goed in elkaar oplosbaar; ze zijn zeer lipofiel (eigenlijk zelfs meer lipofiel dan de zeer zwak polaire, gelijknamige vetten) en zeer hydrofoob (waterafstotend). Maar niet alleen water kan niet oplossen, ook alle andere sterk polaire stoffen kunnen niet oplossen, b.v. B. alcoholen met een korte keten, waterstofchloride of zouten . In de vloeistof worden de deeltjes alleen bij elkaar gehouden door van der Waals-krachten . Daarom zijn de kooktemperaturen van deze groep stoffen aanzienlijk lager in vergelijking met de molecuulgrootte en massa dan bij permanente dipolen . Omdat protonen alleen kunnen worden afgesplitst met de vorming van carbanionen met extreem sterke basen, zijn ze aprotisch . De groep van aprotisch-apolaire oplosmiddelen omvat ook verbindingen zoals carbonzuuresters of ethers die, hoewel ze polaire bindingen bevatten, niet in staat zijn om ionische verbindingen op te lossen vanwege hun lage permittiviteit .

Vertegenwoordigers van deze groep zijn:

• Alkanen (paraffinen)
• Alkenen (olefinen), alkynen
• Benzeen en andere aromaten met alifatische en aromatische substituenten
• Carbonzuurester
• Ethers , b.v. B. diethylether
• volledig symmetrisch opgebouwde moleculen zoals tetramethylsilaan of tetrachloorkoolstof
• Koolstofdisulfide , bij hoge druk ook kooldioxide

• gehalogeneerde koolwaterstoffen die ofwel volledig niet-polair zijn (zoals tetrachloorkoolstof) of ondanks de hoge elektronegativiteit van het halogeen in kwestie, b.v. B. chloor, zijn slechts licht polair ( methyleenchloride )

• Een speciale subgroep van gehalogeneerde koolwaterstoffen zijn de geperfluoreerde koolwaterstoffen (bijv. hexafluorbenzeen ), die niet alleen zelf niet-polair zijn, maar ook zeer slecht polariseerbaar van buitenaf en daarom ook slecht verenigbaar zijn met de andere niet-polaire oplosmiddelen.

aprotisch polair

Als het molecuul echter wordt gesubstitueerd met sterk polaire functionele groepen zoals de carbonylgroep , de nitrogroep of de nitrilgroep , heeft het molecuul een dipoolmoment , dus tussen de moleculen is er nu eenelektrostatische aantrekking van permanente dipolen naar de nog aanwezige (maar veel zwakker) van der Waals-troepen toegevoegd. Dit resulteert in een significante verhoging van het kookpunt en in veel gevallen een verslechtering van de mengbaarheid met niet-polaire oplosmiddelen en een verbetering van de oplosbaarheid van en in polaire stoffen. Typische aprotische polaire oplosmiddelen hebben een permittiviteit van meer dan 15 ^[4] en zijn in staat om kationen te solvateren . Aangezien de anionen nauwelijks worden gesolvateerd ( naakte anionen ), vertonen ze een hoge S _N2- reactiviteit. Dergelijke oplosmiddelen zijn bij uitstek geschikt om onder milde omstandigheden nucleofiele substituties uit te voeren. Dit bevat:

• ketonen b.v. B. aceton
• Lactonen zoals γ-butyrolacton
• Lactams zoals N- methyl-2-pyrrolidon
• Nitrillen zoals acetonitril
• Nitroverbindingen zoals nitromethaan
• tertiaire carboxamiden zoals dimethylformamide
• Ureum derivaten zoals tetramethylureum of dimethylpropyleenureum (DMPU)
• Sulfoxiden zoals dimethylsulfoxide (DMSO)
• Sulfonen zoals sulfolaan
• Koolzuuresters zoals dimethylcarbonaat of ethyleencarbonaat

Protische oplosmiddelen

Zodra een molecuul een functionele groep heeft waarvan waterstofatomen in het molecuul als protonen kunnen worden afgesplitst ( dissociatie ), spreekt men van een protisch oplosmiddel. Deze zijn in tegenstelling tot de aprotische oplosmiddelen .

Het belangrijkste protische oplosmiddel is water , dat (in eenvoudige bewoordingen) uiteenvalt in een proton en een hydroxide- ion.

Andere protische oplosmiddelen zijn b.v. B. Alcoholen en carbonzuren Hierbij wordt het proton altijd afgesplitst bij de OH-groep, aangezien de elektronegatieve zuurstof de ontstane negatieve lading gemakkelijk kan opnemen.

De mate waarin het betreffende oplosmiddel dissocieert wordt bepaald door de zuurgraad (volgens het zuur-base concept van Brønsted en Lowry ). Opgemerkt moet worden dat waterstofatomen gebonden aan koolstof ook kunnen worden afgesplitst als protonen ( CH-zuurgraad ), maar de zuurgraad van deze verbindingen is meestal te laag om significante dissociatie in een neutraal medium mogelijk te maken. Het vrijkomen van deze protonen is alleen mogelijk met zeer sterke basen.

Polaire protische oplosmiddelen lossen zouten en polaire verbindingen op, terwijl de oplosbaarheid van niet-polaire verbindingen laag is.

Protische oplosmiddelen zijn:

• Water , het belangrijkste oplosmiddel van allemaal, vooral in de levende natuur
• Methanol , ethanol en andere alcoholen met een korte keten (hoe groter de koolstofstructuur, hoe minder uitgesproken het polaire karakter, bijv. cholesterol is een alcohol, maar is niettemin zeer lipofiel)
• primaire en secundaire aminen
• Carbonzuren ( mierenzuur , azijnzuur )
• primaire en secundaire amiden zoals formamide
• Minerale zuren ( zwavelzuur , waterstofhalogeniden of waterstofhalogeniden)

Polariteitsschalen

Reichardt kleurstof

Een bekende schaal voor de polariteit van een oplosmiddel is de E _T (30) of E _T ^N schaal . Het is afgeleid van empirische spectroscopische metingen. De waarde _ET (30) wordt gedefinieerd als overgangsenergie van de langste golf Vis / NIR absorptieband in een oplossing met de negatieve solvatochrome Reichardt kleurstof (betaïne 30) onder normale omstandigheden kcal · mol ^-1. De E _T ^N- waarde is de E _T (30)-waarde genormaliseerd naar de polariteitsextremen tetramethylsilaan (= 0) en water (= 1). ^{[5] [6]}

Tabel met oplosmiddelen en hun gegevens

oplosmiddel	Smeltpunt [°C]	Siedep. [°C]	vlam. [°C]	dichtheid [g / cm3] bij 20°C	permittiviteit bij 25°C	dipool moment [· 10 −30 cm]	Brekingsindex ${\displaystyle {\mathrm{<b><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">N</span></span></b>}}_{\mathrm{<b><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">NS.</span></span></b>}}^{\mathrm{<b><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">20ste</span></span></b>}}}${\ displaystyle n _ {\ mathrm {D}} ^ {20}}	${\displaystyle {\mathrm{<b><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">e.</span></span></b>}}_{\mathrm{<b><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">\tau </span></span></b>}}<b><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">(</span></span></b>\mathrm{<b><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">30ste</span></span></b>}<b><span\; class="mwe-math-element"><span\; class="mwe-math-mathml-inline\; mwe-math-mathml-a11y"\; style="display:\; none;">)</span></span></b>}${\ displaystyle E _ {\ tau} (30)} [kJ/mol] [7]	Samendrukbaarheid [10 −6 / staaf] [8]
aceton	−95,35	56.2	−19	0.7889	20.70	9,54	1.3588	176,4	126
Acetonitril	−45.7	81.6	13	0,7857	37,5 (20 °C)	11.48	1.3442	192.3	115
aniline	−6.3	184	76	1.0217	6,89 (20 ° C)	5.04	1.5863	185,2	-
Anisool	−37.5	155,4	41	0,9961	4.33	4.17	1.5179	155,5	-
benzeen	5.5	80.1	−8	0,87565	2.28	0.0	1.5011	142.2	95
benzonitril	−13	190.7	70	1.0102 (15°C)	25.20	13.51	1.5289	175,6	-
Broombenzeen	−30.8	156	51	1.4950	5.40	5.17	1.5597	156,8	-
1-butanol	−89.8	117.3	34	0,8098	17.51	5.84	1.3993	209.8	-
tert -butylmethylether (MTBE)	−108.6	55,3	−28	0,74	?	?	1.3690	145,2	-
γ-butyrolacton	−44	204-206	101	1.13	39.1	4.12	1,436	-	-
Chinoline	−15.6	238	101	1.0929	9.00	7.27	1.6268	164,7	-
Chloorbenzeen	−45.6	132	28	1.1058	5.62	5.14	1.5241	156,8	-
chloroform	−63.5	61,7	-	1.4832	4,81 (20 °C)	3.84	1.4459	163.4	100
Cyclohexaan	6.5	80,7	4.5	0,7785	2,02 (20 ° C)	0.0	1.4266	130,4	118
Dibutylether	−98	142.5	25ste	0,764	4,34 (20 °C)	3.9	1,399	187.6	-
Diethyleenglycol	−6.5	244.3	124	1.1197 (15°C)	7.71	7.71	1.4475	224,9	-
Diethyl ether	−116.2	34,5	−40	0,7138	4,34 (20 ° C)	4.34	1.3526	144.6	-
Dimethylaceetamide	−20	165	66	0,9366 (25°C)	37,78	12.41	1.4380	182.7	-
Dimethylformamide	−60.5	153	67	0.9487	37.0	12,88	1.4305	183.1	-
Dimethylsulfoxide	18.4	189	88	1.1014	46,68	13.00	1.4770	188.1	-
1,4-dioxaan	11.8	101	12e	1.0337	2.21	1.5	1.4224	150,0	-
Ijsazijn	16.6	117,9	42	1.0492	6.15 (20 ° C)	5.60	1.3716	214.0	-
azijnzuuranhydride	−73.1	139.5	49	1.0820	20,7 (19°C)	9.41	1.3900	183.5	-
Ethylacetaat	−83.6	77.06	−2	0,9003	6.02	6.27	1.3723	159,3	104
ethanol	−114.5	78.3	18e	0,7893	24.55	5.77	1.3614	216,9	114
1,2-dichloorethaan (ethyleendichloride)	−35.3	83.5	13	1.2351	10.36	6.2	1.4448	175.1	-
Ethyleenglycol	−13	197	117	1.1088	37,7	7.61	1.4313	235,3	-
Ethyleenglycol dimethylether	−58	84	−6	0,8628	7.20	5.70	1.3796	159,7	-
Formamide	2,5	210.5	175	1.1334	111,0 (20 ° C)	11.24	1.4472	236,6	-
n -hexaan	−95	68	−20	0,6603	1.88	0.0	1.3748	129.2	150
n -heptaan	−91	98	−4	0,684	1.97	0.0	1.387	130.1	120
2-propanol (isopropylalcohol)	−89.5	82.3	16	0.7855	19.92	5.54	1.3776	203.1	100
Methanol	−97,8	64,7	6.5	0,7914	32,70	5.67	1.3287	232.0	120
3-methyl-1-butanol (isoamylalcohol)	−117.2	130.5	42	0,8092	14.7	6.07	1.4053	196.5	-
2-methyl-2-propanol ( tert- butanol)	25.5	82,5	9	0.7887	12.47	5.54	1.3878	183.1	-
Methyleenchloride (dichloormethaan, DCM)	−95,1	40	-	1.3266	8.93	5.17	1.4242	171.8	-
Methylethylketon (butanon)	−86,3	79,6	−4	0,8054	18.51 (20 ° C)	9.21	1.3788	172.6	-
N- Methyl-2-pyrrolidon (NMP)	−24	202	245	1.03	32.2	4.09	1.47	-	-
N- methylformamide	−3.8	183	111	1.011 (19°C)	182.4	12,88	1.4319	226.1	-
Nitrobenzeen	5.76	210.8	81	1.2037	34.82	13.44	1.5562	175,6	-
nitromethaan	−28.5	100,8	35	1.1371	35,87 (30°C)	11.88	1.3817	193.5	-
n -pentaan	−130	36	−49	0,6262	-	-	1.358	129,7	-
Petroleumether / lichte benzine	-	25-80	-26	0,63-0,83	-	-	-	-	-
piperidine	−9	106	4e	0,8606	5,8 (20 ° C)	3.97	1.4530	148.4	-
Propanol	−126.1	97,2	24	0,8035	20.33	5.54	1.3850	211,9	100
Propyleencarbonaat (4-methyl-1,3-dioxol-2-on)	−48.8	241.7	130	1.2069	65.1	16.7	1.4209	195,6	-
Pyridine	−42	115.5	23	0,9819	12,4 (21°C)	7.91	1.5095	168,0	-
koolstofdisulfide	−110.8	46.3	−30	1.2632	2,64 (20 °C)	0.0	1.6319	136,3	-
Sulfolaan	27	285	177	1.261 (25°C)	43,3 (30°C)	16.05	1.4840	183.9	-
tetrachloorethyleen	−19	121	-	1.6227	2.30	0.0	1.5053	133,3	-
tetrachloorkoolstof	−23	76.5	-	1.5940	2,24 (20 ° C)	0.0	1.4601	135,9	110
Tetrahydrofuran	−108.5	66	−22.5	0,8892	7.58	5.84	1.4070	156,3	-
tolueen	−95	110.6	7e	0,8669	2.38	1.43	1.4961	141,7	87
1,1,1-trichloorethaan	−30.4	74.1	-	1.3390	7,53 (20 ° C)	5.24	1.4379	151.3	-
Trichloorethyleen	−73	87	-	1.4642	3.42 (16°C)	2.7	1.4773	150.1	-
triëthylamine	−114.7	89,3	−7	0,7275	2,42	2.90	1.4010	139,2	-
Triethyleenglycol	−5	278,3	166	1.1274 (15°C)	23,69 (20 ° C)	9,97	1.4531	223.6	-
Triethyleenglycol dimethylether (triglyme)	-	222	113	0,98	7,5	-	1.4233	161.3	-
water	0.0	100	-	0,9982	78.39	6.07	1.3330	263.8	46

Tabel met alcoholische oplosmiddelen en hun verdampingssnelheden

ten opzichte van azijnzuur n- butylester (= 1) ^[9]

Onverschillige oplosmiddelen

In de polymeerchemie wordt onder een inert of neutraal oplosmiddel verstaan ​​een medium dat

• Beëindigings- en overdrachtsreacties van polymerisaties en dus ook de snelheid en mate van polymerisatie hebben weinig of geen invloed. ^[10]
• heeft dezelfde oplossingseigenschappen voor alle domeinen van een blokcopolymeer (het tegenovergestelde is een selectief oplosmiddel). ^[11]

"Zware" en "lichte" oplosmiddelen

Met name bij extracties met of uit water wordt onderscheid gemaakt tussen zware en lichte oplosmiddelen omdat, afhankelijk van de dichtheid van het oplosmiddel, andere methoden of andere apparatuur nodig kan zijn. De term zwaar of licht verwijst naar de dichtheid van water. Oplosmiddelen worden zwaar genoemd als hun dichtheid groter is dan die van water en licht als ze lager zijn.

Zie ook

• Vluchtige organische stoffen
• Invloed van oplosmiddelen
• Sterk eutectisch oplosmiddel
• Ionische vloeistof

literatuur

• C. Reichardt: Oplosmiddelen en oplosmiddeleffecten in de organische chemie . Wiley-VCH Verlag, Weinheim 1979 (1e druk), 1988 (2e druk), 2003 (3e druk), 2010 (4e druk; met T. Welton).

web links

• Eigenschappen van oplosmiddelen

WikiWoordenboek: Oplosmiddelen - uitleg van betekenissen, woordoorsprong, synoniemen, vertalingen

Commons : Oplosmiddel - verzameling afbeeldingen, video's en audiobestanden

Individueel bewijs

1. ↑ TRGS (baua.de) .
2. ↑ Productgroep lijmen (lga.de) ( Memento van 16 september 2010 in het internetarchief )
3. ↑ Ceresana-marktonderzoek voor oplosmiddelen .
4. ↑ Vermelding op aprotische oplosmiddelen. In: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, geraadpleegd op 3 juni 2014.
5. ^ Alan R. Katritzky, Dan C. Fara, Hongfang Yang, Kaido Tämm et al.: Kwantitatieve metingen van oplosmiddelpolariteit , blz. 183 spectroscopische metingen .
6. ^ Karl Dimroth , Christian Reichardt , Theodor Siepmann, Ferdinand Bohlmann : Over pyridinium- N- fenol-betaïne en hun gebruik om de polariteit van oplosmiddelen te karakteriseren . In: Justus Liebig's Annals of Chemistry . plakband   661 , nee.   1 , 18 februari 1963, p.   1-37 , doi : 10.1002 / jlac.19636610102 ( PDF ).  
7. ^ AG Reichardt: _ET (30) waarden van alifatische, cycloalifatische, aromatische ethers, thioethers en acetalen en alkanen
8. ↑ Agilent Technologies : Tabel 9: Samendrukbaarheid van oplosmiddelen. (PDF; 5,1 MB) Februari 2009, gearchiveerd van het origineel op 31 juli 2013 ; Ontvangen 31 juli 2013 .  
9. ^ Nicholas P. Cheremisinoff: Handboek voor industriële oplosmiddelen . 2e editie. Marcel Dekker, 2003, ISBN 0-8247-4033-5 , p.   6e  
10. ^ MD Lechner, K. Gehrke, EH Nordmeier, Makromolekulare Chemie, 4e editie, Basel 2010, blz. 160.
11. ↑ H.-G. Elias, Makromoleküle Deel 1, 5e druk, Bazel 1990, blz. 797.