حلال ها

حلال ها

1-مقدمه

حلال (از کلمه لاتین solvō، "شل کردن، باز کردن، حل کردن") ماده ای است که یک املاح (جامد, مایع یا گاز) را در خود حل می کند و در نتیجه یک محلول ایجاد می کند. حلال معمولاً مایع است اما می تواند جامد، گاز یا سیال فوق بحرانی نیز باشد. آب یک حلال برای مولکول های قطبی و رایج ترین حلال مورد استفاده موجودات زنده است. تمام یون ها و پروتئین های یک سلول در آب درون سلول حل می شوند.مقدار ماده حل شده ای که می تواند در حجم خاصی از حلال حل شود با دما متفاوت است. 

2-تاریخچه

از زمان انسان های نخستین و وجود رایج ترین حلال, یعنی آب, حلال ها نقش خود را در زندگی بشر ایفا می کردند اما واژه حلال اولین بار در سال 1630 وارد لغت نامه ها شد.

3-کاربردها

عمده استفاده از حلال ها در رنگ، پاک کننده رنگ و جوهر می باشد. کاربردهای خاص حلال های آلی در تمیز کردن خشک (مانند تتراکلرواتیلن) است. به عنوان رقیق کننده در رنگ ها (تولوئن)؛ به عنوان پاک کننده لاک ناخن و حلال های چسب (استون، متیل استات، اتیل استات). در پاک کننده های لکه (هگزان، بنزن اتر)؛ در مواد شوینده (ترپن)؛ و در عطرها (اتانول) از حلال ها استفاده می شود. حلال ها کاربردهای مختلفی در بسیاری از زمینه های مختلف مانند صنایع شیمیایی، دارویی، پزشکی, نفت و گاز از جمله در سنتزهای شیمیایی و فرآیندهای تصفیه پیدا کرده اند.

4-واکنش ها

 در واکنش‌های شیمیایی، استفاده از حلال‌های پروتیک قطبی به نفع مکانیسم واکنش SN1 است، در حالی که حلال‌های آپروتیک قطبی به نفع مکانیسم واکنش SN2 است. این حلال های قطبی قادر به تشکیل پیوند هیدروژنی با آب برای حل شدن در آب هستند در حالی که حلال های غیر قطبی قادر به ایجاد پیوندهای هیدروژنی قوی نیستند.
برای تشخیص وجود پراکسید در اتر که خطرساز است (به قسمت نگهداری رجوع شود) می توان از تعدادی واکنش استفاده کرد. در یکی از این روش ها با استفاده از ترکیبی از سولفات آهن (II) و تیوسیانات پتاسیم فرایند انجام می شود. پراکسید قادر است یون Fe2+  را به یک یون  Fe3+ اکسید کند، که سپس یک کمپلکس قرمز با تیوسیانات ایجاد می کند.

پراکسیدها ممکن است با شستشو با سولفات آهن اسیدی (II) ، فیلتر کردن از طریق آلومینا، یا تقطیر از سدیم/بنزوفنون حذف شوند. آلومینا پراکسیدها را تجزیه می کند، اما مقداری می تواند در آن دست نخورده باقی بماند، بنابراین باید به درستی دفع شود. در هنگام استفاده از سدیم / بنزوفنون این برتری و مزیت وجود دارد که مولکول های آب که به عنوان رطوبت وجود دارند و مولکول های اکسیين نیز از بین می روند.

5-روش تولید

هر یک از حلال ها روش تولید خود را دارد اما به طور کلی روش هایی مانند جداسازی فیزیکی, تقطیر, استخراج, جداسازی شیمیایی و غیره از روش های تولید حلال ها می باشند.

6-تقسیم بندی ها

1-6-قطبیت

حلال ها را می توان به طور کلی به دو دسته تقسیم کرد: حلال های قطبی و غیر قطبی. یک مورد خاص جیوه است که محلول های آن به عنوان آمالگام شناخته می شود. همچنین محلول های فلزی دیگری نیز وجود دارند که در دمای اتاق مایع هستند.
به طور کلی، ثابت دی الکتریک حلال معیار تقریبی از قطبیت حلال را ارائه می دهد. قطبیت قوی آب با ثابت دی الکتریک بالای آن 88 (در 0 درجه سانتیگراد) نشان داده می شود. حلال هایی با ثابت دی الکتریک کمتر از 15 به طور کلی غیرقطبی در نظر گرفته می شوند. به طور کلی می توان ثابت دی الکتریک یک حلال را پارامتری جها پیش بینی توانایی آن حلال برای حل کردن ترکیبات یونی رایج مانند نمک ها دانست.

2-6-پروتیک و آپروتیک

حلال هایی با ثابت دی الکتریک بیشتر از 15 (به عنوان مثال قطبی) را می توان به پروتیک و آپروتیک تقسیم کرد. حلال های پروتیک آنیون ها (املاح با بار منفی) شدیدا با استفاده از پیوند هیدروژنی حلال پوشی و حل می کنند. آب یک حلال پروتیک است. 
حلال‌های آپروتیک مانند استون یا دی کلرومتان دارای گشتاورهای دوقطبی بالایی هستند (جداسازی بارهای مثبت و جزئی منفی در یک مولکول)  و گونه ‌های دارای بار مثبت را از طریق دوقطبی منفی خود  حلال پوشی و حل می‌کنند.

3-6-نقطه جوش

نقطه جوش یک خاصیت مهم برای حلال است زیرا سرعت تبخیر را تعیین می کند. برای مثال حلال هایی با نقطه جوش پایین مانند دی اتیل اتر یا استون در دمای اتاق در چند دقیقه تبخیر می شوند، در حالی که حلال های با نقطه جوش بالا مانند آب یا دی متیل سولفوکسید برای تبخیر سریع به دمای بالاتر، جریان هوا یا اعمال خلاء نیاز دارند. 
نقطه جوش پایین: نقطه جوش زیر 100 درجه سانتیگراد (نقطه جوش آب)
نقطه جوش متوسط: بین 100 تا 150 درجه سانتیگراد
نقطه جوش بالا: بالای 150 درجه سانتیگراد

4-6-چگالی

اکثر حلال‌های آلی چگالی کمتری نسبت به آب دارند و سبک ‌تر از آن هستند و لایه ‌ای روی آب تشکیل می‌دهند. استثنا های مهم در این زمینه بیشتر حلال های هالوژنه مانند دی کلرومتان یا کلروفرم هستند که از آب سنگین تر اند و لایه ی زیرین آب را ایجاد می کنند. هنگام تقسیم کردن ترکیبات بین حلال ها و آب در یک قیف جداکننده در طول سنتزهای شیمیایی، یادآوری این نکته ضروری است. با وجود اهمیت بالای پارامتر چگالی, اما اغلب، وزن مخصوص به جای چگالی ذکر می شود. وزن مخصوص اصطلاحی است که حاصل چگالی حلال تقسیم بر چگالی آب در همان دما تعریف می شود. به این ترتیب، وزن مخصوص یک مقدار بدون واحد است. این پارامتر به راحتی بیان می کند که آیا یک حلال نامحلول هنگام مخلوط شدن در آب روی آب شناور می شود (SG < 1.0)  یا فرو می رود( SG > 1.0).

7-روش نگهداری

هر یک از حلال ها با توجه بع خاصیت خود دارای یک فرم از نگهداری می باشند. اما نکته ای که کمتر به آن توجه می شود. تشکیل پراکسید انفجاری توسط برخی حلال ها است. اترهایی مانند دی اتیل اتر و تتراهیدروفوران (THF) می توانند پراکسیدهای آلی بسیار منفجرشونده ای را در مواجهه با اکسیژن و نور تشکیل دهند. THF معمولاً بیشتر از دی اتیل اتر احتمال تشکیل چنین پراکسیدهایی را دارد. یکی از حساس ترین حلال ها دی ایزوپروپیل اتر است، اما همه اترها به عنوان منابع پراکسید بالقوه در نظر گرفته می شوند.
هترواتم (اکسیژن) تشکیل یک رادیکال آزاد را تثبیت می کند که با انتزاع یک اتم هیدروژن توسط رادیکال آزاد دیگر ایجاد می شود. ترکیب پراکسید فرآیند تشکیل پراکسید با قرار گرفتن در معرض حتی سطوح کم نور تا حد زیادی تسریع می شود، اما می تواند به آرامی حتی در شرایط تاریک ادامه یابد. برای جلوگیری از تشکیل پراکسید انفجاری، اترها باید در یک ظرف دربسته و دور از نور نگهداری شوند، زیرا هم نور و هم هوا می‌توانند تشکیل پراکسید را تسریع کنند.

8- ایمنی

اکثر حلال های آلی بسته به فراریت آنها قابل اشتعال یا بسیار قابل اشتعال هستند. استثناهایی نیز وجود دارد، که برای مثال حلال های کلردار مانند دی کلرومتان و کلروفرم هستند. مخلوط بخار حلال و هوا می تواند منفجر شود. بخارات حلال سنگین تر از هوا هستند. آنها به پایین فرو می روند و می توانند مسافت های زیادی را تقریباً رقیق نشده طی کنند. بخارات حلال را می‌توان در قوطی‌های ظاهراً خالی نیز یافت که خطر آتش‌سوزی را به همراه دارد. بنابراین ظروف خالی از حلال های فرار باید باز و وارونه نگهداری شوند.
هم دی اتیل اتر و هم دی سولفید کربن دمای خود اشتعال شدیدا پایینی دارند که خطر آتش سوزی مرتبط با این حلال ها را به شدت افزایش می دهد. دمای خود اشتعالی دی سولفید کربن زیر 100 درجه سانتیگراد (212 درجه فارنهایت) است، بنابراین اجسامی مانند لوله‌های بخار، لامپ‌ها، صفحات داغ و مشعل‌های بونزن که تازه خاموش شده‌اند و داغ هستند، می‌توانند بخارات آن را مشتعل کنند.
علاوه بر این، برخی از حلال‌ها، مانند متانول، می‌توانند با شعله‌ای بسیار داغ بسوزند که در برخی شرایط نوری تقریباً نامرئی است. این می تواند تشخیص به موقع یک آتش سوزی خطرناک را تا زمانی که شعله به مواد دیگر سرایت کند، از آن جلوگیری کند.
علاوه بر اشتعال پذیری, برخی حلال ها برای سلامتی انسان بسیار مضر و برای محیط زیست خطرناک هستند. (مانند DMF).