Solventi & acqua

Solventi

Solventi
Un solvente è una sostanza che può dissolvere o diluire gas, liquidi o solidi senza causare reazioni chimiche tra il soluto e la sostanza dissolvente. Di solito, i liquidi come l'acqua e le sostanze organiche liquide sono usati per dissolvere altre sostanze. Tuttavia, anche i solidi possono dissolvere altre sostanze. Per esempio, nei serbatoi di idrogeno delle automobili alimentate da celle a combustibile, l'idrogeno gassoso è dissolto in materiale solido (composti di quadro metallorganico, o MOF).

Chimica
Anche se il solvente non partecipa alla reazione chimica, è molto importante per le reazioni chimiche. Gli effetti del solvente variano e dipendono dalla reazione. Sciogliendo i reagenti in un solvente, le reazioni diventano termicamente controllabili. I dati di concentrazione delle sostanze dissolte in un solvente sono validi solo per una certa temperatura a causa della dipendenza dalla temperatura.
I compiti più importanti del solvente nelle reazioni chimiche sono:

Trasferimento convettivo di calore e massa
Stabilizzazione degli stati di transizione della reazione
Diluizione per evitare reazioni collaterali

I solventi giocano anche un ruolo importante nella purificazione e nel trattamento delle miscele di reazione (processo a valle). Ecco alcuni esempi di processi importanti:

Precipitazione
Cristallizzazione
Ricristallizzazione
Estrazione
Cromatografia

Proprietà di dissoluzione
La previsione quantitativa delle proprietà di dissoluzione è difficile e spesso sfida l'intuizione. Si possono stabilire delle regole generali, ma queste possono essere usate solo come una guida approssimativa.

Le sostanze polari generalmente si dissolvono bene in solventi polari (ad esempio, sali in acqua). Le sostanze non polari generalmente si dissolvono bene in solventi non polari (ad esempio, sostanze organiche non polari in benzene o etere).
I solventi sono solitamente divisi in classi in base alle loro proprietà fisiche. Tali criteri di classificazione includono:

Punto di ebollizione
Permittività
Punto di infiammabilità
Volatilità
Viscosità
Polarità
Acidità CH

Solvente aprotico
Se una molecola non ha un gruppo funzionale da cui gli atomi di idrogeno della molecola possono essere scissi come protoni (dissociazione), si chiama solvente aprotico. Questi sono opposti ai solventi protici.

Aprotico-unpolare
Gli alcani sono non polari a causa della piccola differenza di elettronegatività tra carbonio e idrogeno. Questo rende tutte le sostanze di questi gruppi facilmente solubili tra loro; sono molto lipofili (in realtà ancora più lipofili dei grassi debolmente polari, omonimi) e molto idrofobici (idrorepellenti). Tuttavia, non solo l'acqua non può dissolverli, ma anche tutte le altre sostanze fortemente polari, come alcoli a catena corta, cloruro di idrogeno o sali. Nel liquido, le particelle sono tenute insieme solo dalle forze di van der Waals. Per questo motivo, le temperature di ebollizione per questo gruppo di sostanze sono molto più basse di quelle dei dipoli permanenti, rispetto alle dimensioni e alla massa della molecola. Poiché l'eliminazione dei protoni per formare carbanioni è possibile solo con basi estremamente forti, sono aprotiche. Nel gruppo dei solventi aprotici-non polari sono inclusi anche composti come gli esteri o gli eteri degli acidi carbossilici, che contengono legami polari ma non sono in grado di dissolvere i composti ionici a causa della loro bassa permittività.

I rappresentanti di questo gruppo sono:

Alcani (cheroseni)
Alcheni (olefine), alchini
Benzene e altri aromatici con sostituenti alifatici e aromatici
Esteri di acidi carbossilici
Eteri, per esempio l'etere dietilico
Molecole completamente simmetriche come il tetrametilsilano o il tetracloruro di carbonio
Disolfuro di carbonio, ad alta pressione anche l'anidride carbonica
Idrocarburi alogenati che sono o completamente non polari (come il tetracloruro di carbonio) o solo leggermente polari (cloruro di metilene) nonostante l'alta elettronegatività dell'alogeno in questione, per esempio il cloro.
Un sottogruppo speciale di idrocarburi alogenati è formato dagli idrocarburi perfluorati (per esempio l'esafluorobenzene), che non solo sono essi stessi non polari, ma anche molto poco polarizzabili dall'esterno e quindi tendono anche ad essere poco compatibili con gli altri solventi non polari.

Aprotico-polare
Tuttavia, se la molecola viene sostituita con gruppi funzionali fortemente polari come il gruppo carbonile, il gruppo nitro o il gruppo nitrile, la molecola esibisce un momento di dipolo, quindi l'attrazione elettrostatica intermolecolare dei dipoli permanenti si aggiunge ora alle forze di van der Waals ancora esistenti (ma molto più deboli). Questo si traduce in un aumento sostanziale del punto di ebollizione e, in molti casi, un deterioramento della miscibilità con solventi non polari e un miglioramento della solubilità di e in sostanze polari. I tipici solventi polari aprotici hanno una permittività superiore a 15 e sono in grado di solvatare i cationi. Poiché gli anioni sono difficilmente solvibili (anioni nudi), presentano un'alta reattività SN2. Tali solventi sono eccellenti per eseguire sostituzioni nucleofile in condizioni blande. Questi includono:

Chetoni, ad esempio l'acetone.
Lattoni come il γ-butirrolattone
Lattami come l'N-metil-2-pirrolidone
Nitrili come l'acetonitrile
Nitrocomposti come il nitrometano
Ammidi di acidi carbossilici terziari come la dimetilformammide
Derivati dell'urea come la tetrametilurea o la dimetilpropileneurea (DMPU)
Solfossidi come il dimetilsolfossido (DMSO)
Solfoni come il sulfolano
Esteri dell'acido carbonico come il carbonato di dimetile o il carbonato di etilene

Solventi protici
Non appena una molecola ha un gruppo funzionale da cui gli atomi di idrogeno della molecola possono essere scissi come protoni (dissociazione), è chiamata solvente protico. Questi si oppongono ai solventi aprotici.
Il solvente protico più importante è l'acqua, che (semplificando) si dissocia in un protone e uno ione idrossido.

Altri solventi protici sono, per esempio, gli alcoli e gli acidi carbossilici. Qui, la scissione del protone avviene sempre al gruppo OH, poiché l'ossigeno elettronegativo può assorbire facilmente la carica negativa risultante.

La misura in cui il rispettivo solvente si dissocia è determinata dall'acidità (secondo il concetto di acido-base di Brønsted e Lowry). Va notato che gli atomi di idrogeno legati al carbonio possono anche essere scissi come protoni (acidità CH), ma l'acidità di questi composti è solitamente troppo bassa per permettere una dissociazione apprezzabile in mezzo neutro. La liberazione di questi protoni è possibile solo con basi molto forti.

I solventi protici polari dissolvono i sali e i composti polari, mentre la solubilità dei composti non polari è bassa.

I solventi protici sono:

Acqua, il solvente più importante di tutti, soprattutto nella natura animata.
Metanolo, etanolo e altri alcoli a catena corta (più grande è lo scafandro C, meno pronunciato è il carattere polare; il colesterolo, per esempio, è un alcool, ma ancora altamente lipofilo)
Ammine primarie e secondarie
Acidi carbossilici (acido formico, acido acetico)
Ammidi primarie e secondarie come la formammide
Acidi minerali (acido solforico, alogenuri o acidi idroalcolici)

Scale di polarità

Tintura di Reichardt
Una scala ben nota per la polarità di un solvente è la scala ET(30) o ETN. È derivata da misure spettroscopiche empiriche. Il valore ET(30) è definito come l'energia di transizione della banda di assorbimento Vis/NIR di lunghezza d'onda più lunga in una soluzione contenente il colorante Reichardt solvatocromico negativo (betaina 30) in condizioni normali, in kcal-mol-1. Il valore ETN è il valore ET(30) normalizzato agli estremi di polarità del tetrametilsilano (=0) e dell'acqua (=1).

Tabella con i solventi e i loro dati

Solvente	Punto di fusione [°C]	Punto di ebollizione [°C]	Punto di infiammabilità [°C]	Densità [g/cm³] a 20 °C	Permittività a 25 °C	Momento di dipolo [· 10^-30 Cm]	Indice di rifrazione nD20	E τ ( 30 ) [kJ/mol]	Comprimibilità [10^-6 /bar]
Acetato di etile	−83.6	77.06	−2	0.9003	6.02	6.27	1.3723	159.3	104
Acetone	−95.4	56.2	−19	0.7889	20.70	9.54	1.3588	176.4	126
Acetonitrile	−45.7	81.6	13	0.7857	37.5 (20 °C)	11.48	1.3442	192.3	115
Acido acetico glaciale	16.6	117.9	42	10492	6.15 (20 °C)	5.60	1.3716	214.0	-
Acqua	0.0	100	–	0.9982	78.39	6.07	1.3330	263.8	46
Anidride acetica	−73.1	139.5	49	10820	20.7 (19 °C)	9.41	1.3900	183.5	-
Anilina	−6.3	184	76	10217	6.89 (20 °C)	5.04	1.5863	185.2	-
Anisolo	−37.5	155.4	41	0.9961	4.33	4.17	1.5179	155.5	-
Benzene	5.5	80.1	−8	0.87565	2.28	0.0	1.5011	142.2	95
Benzonitrile	−13	190.7	70	1.0102 (15 °C)	25.20	13.51	1.5289	175.6	-
Brombenzene	−30.8	156	51	14950	5.40	5.17	1.5597	156.8	-
1-Butanolo	−89.8	117.3	34	0.8098	17.51	5.84	1.3993	209.8	-
terz-Butil metil etere (MTBE)	−108.6	55.3	−28	0.74	-	-	1.3690	145.2	-
γ-Butirrolattone	−44	204–206	101	1.13	39.1	4.12	1.4360	–	-
Carbonato di propilene (4-Methyl-1,3-Dioxol-2-one)	−48.8	241.7	130	12069	65.1	16.7	1.4209	195.6	-
Chinolina	−15.6	238	101	10929	9.00	7.27	1.6268	164.7	-
Cicloesano	6.5	80.7	4.5	0.7785	2.02 (20 °C)	0.0	1.4266	130.4	118
Clorbenzene	−45.6	132	28	11058	5.62	5.14	1.5241	156.8	-
Cloroformio	−63.5	61.7	–	14832	4.81 (20 °C)	3.84	1.4459	163.4	100
Cloruro di metilene (diclorometano, DCM)	−95.1	40	–	13266	8.93	5.17	1.4242	171.8	-
1,2-dicloroetano (etilendicloruro)	−35.3	83.5	13	12351	10.36	6.2	1.4448	175.1	-
Dietilenglicole	−6.5	244.3	124	1.1197 (15 °C)	7.71	7.71	1.4475	224.9	-
Dimetilacetammide	−20	165	66	0.9366 (25 °C)	37.78	12.41	1.4380	182.7	-
Dimetilformammide	−60.5	153	67	0.9487	37.0	12.88	1.4305	183.1	-
Dimetil solfossido	18.4	189	88	11014	46.68	13.00	1.4770	188.1	-
1,4-diossano	11.8	101	12	10337	2.21	1.5	1.4224	150.0	-
Disolfuro di carbonio	−110.8	46.3	−30	12632	2.64 (20 °C)	0.0	1.6319	136.3	-
n-Eptano	−91	98	−4	0.684	1.97	0.0	1.3870	130.1	120
n-Esano	−95	68	−20	0.6603	1.88	0.0	1.3748	129.2	150
Etanolo	−114.5	78.3	18	0.7893	24.55	5.77	1.3614	216.9	114
Etere di petrolio	–	25–80	-26	0.63–0.83	–	–	–	–	–
Etere dibutilico	−98	142.5	25	0.764	4.34 (20 °C)	3.9	1.3990	187.6	-
Etere dietilico	−116.2	34.5	−40	0.7138	4.34 (20 °C)	4.34	1.3526	144.6	-
Etere dimetilico di etilenglicole	−58	84	−6	0.8628	7.20	5.70	1.3796	159.7	-
Etilenglicole	−13	197	117	11088	37.7	7.61	1.4313	235.3	-
Formammide	2.5	210.5	175	11334	111.0 (20 °C)	11.24	1.4472	236.6	-
Glicole trietilenico	−5	278.3	166	1.1274 (15 °C)	23.69 (20 °C)	9.97	1.4531	223.6	-
Metanolo	−97.8	64.7	6.5	0.7914	32.70	5.67	1.3287	232.0	120
3-Metil-1-Butanolo (alcool isoamilico)	−117.2	130.5	42	0.8092	14.7	6.07	1.4053	196.5	-
N-Metil-2-Pirrolidone (NMP)	−24	202	245	1.03	32.2	4.09	1.4684	–	-
2-Metil-2-Propanolo (tert-Butanolo)	25.5	82.5	9	0.7887	12.47	5.54	1.3878	183.1	-
Metiletilchetone (Butanone)	−86.3	79.6	−4	0.8054	18.51 (20 °C)	9.21	1.3788	172.6	-
N-Metilformammide	−3.8	183	111	1.011 (19 °C)	182.4	12.88	1.4319	226.1	-
Nitrobenzene	5.76	210.8	81	12037	34.82	13.44	1.5562	175.6	-
Nitrometano	−28.5	100.8	35	11371	35.87 (30 °C)	11.88	1.3817	193.5	-
n-Pentano	−130	36	−49	0.6262	–	–	1.3580	129.7	-
Piperidina	−9	106	4	0.8606	5.8 (20 °C)	3.97	1.4530	148.4	-
Piridina	−42	115.5	23	0.9819	12.4 (21 °C)	7.91	1.5095	168.0	-
Propanolo	−126.1	97.2	24	0.8035	20.33	5.54	1.3850	211.9	100
2-Propanolo (alcool isopropilico)	−89.5	82.3	16	0.7855	19.92	5.54	1.3776	203.1	100
Sulfolano	27	285	177	1.261 (25 °C)	43.3 (30 °C)	16.05	1.4840	183.9	-
Tetracloro Etilene	−19	121	–	16227	2.30	0.0	1.5053	133.3	-
Tetracloruro di carbonio	−23	76.5	–	15940	2.24 (20 °C)	0.0	1.4601	135.9	110
Tetraidrofurano (THF)	−108.5	66	−22.5	0.8892	7.58	5.84	1.4070	156.3	-
Toluene	−95	110.6	7	0.8669	2.38	1.43	1.4961	141.7	87
1,1,1-Tricloro etano	−30.4	74.1	–	13390	7.53 (20 °C)	5.24	1.4379	151.3	-
Tricloroetilene	−73	87	–	14642	3.42 (16 °C)	2.7	1.4773	150.1	-
Trietilammina	−114.7	89.3	−7	0.7275	2.42	2.90	1.4010	139.2	-
Trietilenglicole Dimetil Etere (Triglyme)	–	222	113	0.98	7.5	–	1.4233	161.3	-

Tabella dei solventi alcolici e dei loro tassi di evaporazione relativi all'estere n-butilico dell'acido acetico (= 1)

Solvente	Punto di ebollizione [°C]	Tasso di evaporazione
Alcool tert-amilico	102	0.93
Alcool benzilico	205	0.007
Alcool diacetone	166	0.14
Alcool tetraidrofurfurilico	178	0.03
1-Butanolo	118	0.44
2-Butanolo	100	0.81
tert-Butanolo	83	0.95
Cicloesanolo	161	0.05
1-Decanolo	231	0.001
Esanolo	148	0.096
Etanolo	78	1.6
2-Etil-1-Butanolo	146	0.11
2-Etilesanolo	185	0.02
Metanolo	65	2.1
4-Metil-2-pentanolo (MIBC)	132	0.3
2-Metil-1-Propanolo	108	0.62
1-Ottanolo	196	0.007
2-Ottanolo	177	0.018
1-Pentanolo (alcool amilico)	137	0.2
1-Propanolo	97	0.86
2-Propanolo	82	1.4