Dung môi

Dung dịch và sự hòa tan

Khi một chất được hòa tan vào chất khác, sẽ tạo thành một dung dịch. Điều này trái ngược với sự hình thành một hỗn hợp, khi mà một hợp chất được thêm vào một hợp chất khác và không có sự liên kết hóa học; một cách đơn giản để phân biệt hỗn hợp và dung dịch là so sánh một ly nước được trộn cát với một ly soda, trong đó tất cả các thành phần được đồng nhất để tạo ra một chất mới. Không có dư lượng còn lại ở dưới đáy. Sự pha trộn được gọi là khả năng có thể trộn lẫn, trong khi sự hòa tan một hợp chất thành một chất khác được gọi là khả năng hòa tan. Tuy nhiên, ngoài sự pha trộn, cả hai chất trong dung dịch có thể tương tác với nhau theo những cách riêng. Sự hòa tan mô tả những tương tác này. Khi một chất được hòa tan, các phân tử của dung môi tự sắp xếp xung quanh các phân tử của chất tan. Nhiệt độ sẽ tăng lên, do đó entropy được tăng lên làm cho các dung dịch có tính ổn định nhiệt động cao hơn so với bản thân chất tan. Sự sắp xếp này được hỗ trợ bởi các tính chất hóa học tương ứng của dung môi và chất tan, chẳng hạn như liên kết hydro, moment lưỡng cực và khả năng phân cực.

Phân loại dung môi

Dung môi có thể được chia thành hai loại: phân cực và không phân cực. Nói chung, các hằng số điện môi của dung môi phản ánh sơ bộ tính phân cực của dung môi. Tính phân cực mạnh của nước được lấy làm chuẩn, ở 20 °C, hằng số điện môi là 80,10. Các dung môi có hằng số điện môi nhỏ hơn 15 thường được coi là không phân cực. Về mặt kỹ thuật, hằng số điện môi phản ánh khả năng làm giảm cường độ trường điện của điện trường xung quanh một hạt tích điện nằm trong đó. Sự giảm đi này sau đó được so sánh với cường độ trường điện của các hạt tích điện trong chân không. Theo cách hiểu thông thường, hằng số điện môi của một dung môi có thể được hiểu là khả năng làm giảm sự tích điện nội bộ của chất tan.

Các thang đo độ phân cực khác

Hằng số điện môi không phải là thước đo duy nhất của tính phân cực. Do các nhà hóa học thường sử dụng dung môi để thực hiện các phản ứng hóa học hoặc nghiên cứu các hiện tượng hóa học và sinh học, nên cần có các biện pháp cụ thể hơn để đo tính phân cực.
Thang Grunwald Winstein mY đo độ phân cực theo phương diện ảnh hưởng của dung môi đến sự tích tụ điện tích dương của chất tan trong một phản ứng hóa học.
Thang Kosower's Z đo độ phân cực theo phương diện ảnh hưởng của dung môi đến khả năng hấp thụ uv tối đa của một muối, thường là muối pyridinium iodide hoặc pyridinium zwitterion.
Thang "Donor number and donor acceptor" đo độ phân cực theo phương diện cách thức một dung môi tương tác với các chất cụ thể, ví dụ như axit Lewis mạnh hoặc bazơ Lewis mạnh.
Độ phân cực, moment lưỡng cực, hệ số phân cực và liên kết hydro của một dung môi quyết định dung môi đó có thể được hòa tan với những loại hợp chất nào và có thể được trộn lẫn với những dung môi hoặc hợp chất dạng lỏng nào khác. Quy tắc chung là: các dung môi phân cực hoà tan các hợp chất phân cực tốt nhất và các dung môi không phân cực hòa tan các hợp chất không phân cực tốt nhất. Các hợp chất phân cực mạnh như các loại đường (ví dụ như đường mía) hoặc các hợp chất ion, như các muối vô cơ (ví dụ như muối ăn) chỉ hòa tan trong các dung môi phân cực mạnh như nước, trong khi các hợp chất không phân cực mạnh như dầu hoặc sáp chỉ tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực mạnh như hexane. Tương tự, nước và hexan (hoặc giấm và dầu thực vật) không thể trộn lẫn với nhau và sẽ nhanh chóng phân chia thành hai lớp, ngay cả sau khi được trộn kỹ.

Cực protic và cực aprotic

Các dung môi có hằng số điện môi tĩnh tương đối lớn hơn 15 có thể được chia thành protic và aprotic. Dung môi protic hòa tan anion (các chất tan mang điện tích âm) rất mạnh nhờ liên kết hydro. Nước là một dung môi protic. Các dung môi aprotic như acetone hoặc dichloromethane có xu hướng mang moment lưỡng cực lớn (tách một phần điện tích dương và một phần điện tích âm trong cùng một phân tử) và hòa tan các dạng mang điện tích dương thông qua lưỡng cực âm. Trong các phản ứng hóa học, việc sử dụng các dung môi protic phân cực sẽ tạo điều kiện cho cơ chế phản ứng SN1, trong khi các dung môi aprotic phân cực sẽ tạo điều kiện cho cơ chế phản ứng SN2.

Tính dễ cháy

Hầu hết các dung môi hữu cơ đều dễ cháy hoặc rất dễ cháy, tùy thuộc vào tính dễ bay hơi của chúng. Trường hợp ngoại lệ là một số dung môi clo hóa như dichloromethane và chloroform. Hỗn hợp của hơi dung môi và không khí có thể phát nổ. Hơi dung môi nặng hơn không khí, chúng sẽ chìm xuống đáy và có thể di chuyển trong một khoảng cách lớn mà gần như không bị pha loãng. Hơi dung môi cũng có thể được tìm thấy trong các thùng, lon được cho là trống rỗng, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ, vì vậy các thùng chứa dung môi dễ bay hơi đã hết nên được bảo quản trong tình trạng mở nắp và lộn ngược. Cả diethy ether và carbon disulfide đều có nhiệt độ tự cháy rất thấp, điều này làm tăng đáng kể nguy cơ cháy. Nhiệt độ tự cháy của carbon disulfide là dưới 100ᵒC (212ᵒF), do đó những vật như đường ống hơi nước, bóng đèn, tấm sưởi và mỏ đốt Bunsen mới tắt đều có khả năng làm cho hơi của những dung môi này bắt cháy.

Sự hình thành peroxide (ôxi già) dễ nổ

Các Ête như ête diethyl và tetrahudrofuran (THF) đều có khả năng tạo ra các peroxide hữu cơ rất dễ nổ khi tiếp xúc với ôxy và ánh sáng, thông thường THF có khả năng tạo ra peroxide cao hơn ête diethyl. Diisopropyl ether là một trong số các dung môi dễ bắt nổ nhất.
Dị nguyên tử (ôxy) ổn định sự hình thành một nguyên tố tự do được tạo thành bằng cách chiết tách một nguyên tử hydro bằng một nguyên tố tự do khác. Từ đó tạo ra nguyên tố tự do có cacbon làm trung tâm, nguyên tố này có thể phản ứng với một phân tử ôxy để tạo thành hợp chất peroxide. Có thể sử dụng một chuỗi các thí nghiệm để phát hiện sự tồn tại của peroxide trong ête; một trong số đó là sử dụng hỗn hợp iron sulfate và potassium thiocyanate. Peroxide có khả năng ôxy hoá ion Fe²⁺ đến ion Fe³⁺ để tạo thành phức chất phối vị cùng với thiocyanate. Trong trường hợp đặc biệt, các peroxide có thể tạo thành các chất rắn kết tinh trong lòng bình chứa ête.
Nếu chất hút ẩm được sử dụng không thể khử các peroxide thì chúng sẽ kết tủa trong quá trình chưng cất do chúng có điểm sôi cao hơn. Khi hình thành một lượng vừa đủ các peroxide, chúng có thể tạo ra một tinh thể và kích thích chất rắn nhạy cảm bay hơi. Khi chất rắn này được tạo thành tại miệng chai, thì việc xoáy nắp có thể cung cấp một lượng năng lượng vừa đủ để peroxide phát nổ. Sự hình thành peroxide không phải là vấn đề quan trọng khi các dung môi được sử dụng hết một cách nhanh chóng; tuy nhiên chúng sẽ thực sự trở thành vấn đề khi các phòng thí nghiệm sử dụng một chai dung môi trong hàng năm trời. Ête phải được bảo quản trong bóng tối trong các hộp kín có chứa các chất ổn định như butylated hydroxytoluene (BHT) hoặc sodium hydroxide.
Có thể loại bỏ các peroxide bằng cách rửa bằng acidic iron (II) sulfate, lọc qua nhôm hoặc chưng cất từ sodium/benzophenone. Nhôm không khử các peroxide mà chỉ giữ chúng lại. Lợi ích của việc sử dụng sodium/benzophenone là đồng thời tách được cả hơi ẩm và ôxy.

Các tác động đến sức khỏe

Các mối nguy hiểm đối với sức khoẻ nói chung liên quan đến dung môi bao gồm nhiễm độc hệ thần kinh, tổn hại khả năng sinh sản, tổn hại gan và thận, suy hô hấp, ung thư và viêm da.
Nhiều dung môi có thể gây ra bất tỉnh đột ngột nếu hít phải một lượng lớn.Các dung môi như diethyl ether và chloroform đã được sử dụng trong lĩnh vực y tế dưới dạng chất gây mê, thuốc giảm đau và thuốc ngủ trong một thời gian dài. Ethanol (rượu ngũ cốc) là dược phẩm an thần được sử dụng và lạm dụng một cách rộng rãi. Diethyl ether, chloroform và nhiều loại dung môi khác (ví dụ: có nguồn gốc từ xăng hoặc keo dán) được sử dụng để tiêu khiển được biết đến như trò "hít keo", thường dẫn đến những tác động nguy hiểm và lâu dài đến sức khỏe như nhiễm độc thần kinh hoặc ung thư. Methanol có thể gây mù vĩnh viễn và tử vong. Nó cũng rất nguy hiểm bởi nó cháy với ngọn lửa không nhìn thấy. Cần lưu ý rằng ethanol có hiệu ứng đồng vận khi được kết hợp với nhiều loại dung môi. Ví dụ như một hỗn hợp toluene/benzene và ethanol gây triệu chứng nôn mửa mạnh hơn một chất riêng lẻ.
Một số dung môi trong đó có chloroform và benzene (một thành phần của xăng) là chất gây ung thư. Một số khác có thể gây tổn hại đến các cơ quan nội tạng như gan, thận hoặc não bộ.
Việc thường xuyên tiếp xúc với các dung môi hữu cơ trong môi trường làm việc có thể gây ra một số các phản ứng thần kinh và sự tiếp xúc do đặc điểm nghề nghiệp với các dung môi hưu cơ đã được liên hệ đến rất nhiều các hoạ sĩ thường xuyên tiếp xúc với lượng lớn các dung môi hưu cơ mắc do phải chứng nghiện rượu.

Ô nhiễm môi trường

Một mối hiểm họa rất lớn ảnh hưởng đến sức khỏe là sự cố tràn hoặc rò rỉ các dung môi và ngấm vào lòng đất. Vì dung môi dễ dàng di chuyển trong một khoảng cách đáng kể, nên sự ô nhiễm đất là khó tránh khỏi. Có thể có khoảng 5000 khu vực trên toàn thế giới đã bị ô nhiễm dung môi dưới bề mặt, điều này đặc biệt nguy hại cho sức khỏe nếu tầng chứa nước bị ảnh hưởng.