Lösungsmittel

Ein Lösungsmittel (auch Lösemittel oder Solvens) ist ein Stoff, der Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe lösen oder verdünnen kann, ohne dass es dabei zu chemischen Reaktionen zwischen gelöstem Stoff und lösendem Stoff kommt. In der Regel werden Flüssigkeiten wie Wasser und flüssige organische Stoffe zum Lösen anderer Stoffe eingesetzt. Aber auch Feststoffe können andere Stoffe lösen. Beispielsweise wird in Wasserstofftanks Brennstoffzell-betriebener Autos gasförmiger Wasserstoff in festem Material (Metall-organische Gerüstverbindungen, kurz MOFs) gelöst.

Lösungsmittel oder Lösemittel

Beide Bezeichnungen finden sich seit über 200 Jahren in der Literatur. Im Forschungs- und Laborbereich hat sich Lösungsmittel etabliert, in der industriellen und technischen Großchemie dagegen Lösemittel. Beispielsweise spricht das Römpp Lexikon Chemie von Lösungsmittel, während die TRGS Lösemittel bevorzugen.

Definition im Alltag

Das meistverwendete Lösungsmittel ist Wasser. Im Hinblick auf Farben, Lacke, Klebstoffe usw. denkt man jedoch bei dem Begriff „Lösungsmittel“ an Stoffe, die unangenehme Gerüche, Gesundheits- und Umweltschäden sowie explosive Dämpfe verursachen können. Gemeint sind hierbei Lösemittel im Sinne der TRGS (Technische Regeln für Gefahrstoffe) 610, nach der nur flüchtige organische Lösemittel mit einem Siedepunkt bis 200 °C als Lösemittel bezeichnet werden.

Die „Hochsieder“, wenig flüchtige Substanzen mit Siedepunkten über 200 °C, gelten daher rechtlich nicht als Lösemittel. Während klassische Lösemittel aufgrund ihrer Flüchtigkeit schon wenige Stunden bis Tage nach der Verarbeitung vollständig verdunstet sind, können die in manchen „lösemittelfreien“ Produkten ersatzweise enthaltenen Hochsieder unter Umständen noch über Monate oder Jahre an die Raumluft abgegeben werden und werden daher teils sogar deutlich kritischer beurteilt als Produkte mit klassischen Lösemitteln.

Die Vermeidung von giftigen und umweltschädlichen Substanzen ist Bestandteil der Grünen Chemie.

Chemie

Obwohl das Lösungsmittel nicht selbst an der chemischen Reaktion teilnimmt, ist es für chemische Reaktionen sehr wichtig. Die Wirkungen des Lösungsmittels sind unterschiedlich und hängen von der Reaktion ab. Durch die Lösung von Reaktionspartnern in einem Lösungsmittel werden Reaktionen thermisch kontrollierbar. Konzentrationsangaben von Stoffen, die in einem Lösungsmittel gelöst sind, gelten wegen Temperaturabhängigkeit nur für eine bestimmte Temperatur.

Die wichtigsten Aufgaben des Lösemittels bei chemischen Reaktionen sind

Für die Reinigung und Prozessierung von Reaktionsgemischen (Downstream-Prozess) spielen Lösungsmittel eine weitere wichtige Rolle. Hier seien exemplarisch einige wichtige Verfahrensweisen benannt:

Marktwirtschaftliche Aspekte

Die wichtigste Lösungsmittel-Gruppe sind Alkohole, wie Ethanol, n-Butanol, Isopropanol und Methanol. Im Jahr 2011 wurden hiervon weltweit ca. 6,4 Mio. Tonnen nachgefragt. Ein überdurchschnittlicher Verbrauchsanstieg von jährlich mehr als 3 % wird in der Periode 2011 bis 2019 bei Ethanol sowie bei den Ethern erwartet. Neben den halogenierten Lösungsmitteln, die in Westeuropa und Nordamerika ihren Abwärtstrend fortsetzen, werden auch Aromaten und reine Kohlenwasserstoffe langfristig weiter an Bedeutung verlieren.

Löseeigenschaften

Die quantitative Vorhersage von Löseeigenschaften ist schwierig und entzieht sich oft der Intuition. Es lassen sich generelle Regeln aufstellen, die jedoch nur als grobe Richtschnur gelten können.

Polare Stoffe lösen sich im Allgemeinen gut in polaren Lösemitteln (z.B. Salze in Wasser). Unpolare Stoffe lösen sich im Allgemeinen gut in unpolaren Lösemitteln (z.B. unpolare organische Stoffe in Benzol oder Ether).

Lösungsmittel werden meist nach ihren physikalischen Eigenschaften in Klassen eingeteilt. Solche Einteilungskriterien sind z.B.:

Aprotische Lösungsmittel

Verfügt ein Molekül nicht über eine funktionelle Gruppe, aus der Wasserstoffatome im Molekül als Protonen abgespalten werden können (Dissoziation), spricht man von einem aprotischen Lösungsmittel. Diese stehen den protischen Lösungsmitteln gegenüber.

aprotisch-unpolar

Alkane sind wegen des geringen Unterschieds in der Elektronegativität zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff unpolar. Dies macht alle Stoffe dieser Gruppen ineinander leicht löslich; sie sind sehr lipophil (eigentlich noch lipophiler als die sehr schwach polaren, namensgebenden Fette) und sehr hydrophob (wasserabweisend). Aber nicht nur Wasser kann sich nicht lösen, sondern alle anderen stark polaren Stoffe auch nicht, wie z.B. kurzkettige Alkohole, Chlorwasserstoff oder Salze. In der Flüssigkeit werden die Teilchen lediglich von Van-der-Waals-Kräften zusammengehalten. Deshalb fallen bei dieser Stoffgruppe die Siedetemperaturen im Vergleich zu Molekülgröße und -masse wesentlich niedriger aus als bei permanenten Dipolen. Da eine Abspaltung von Protonen unter Bildung von Carbanionen nur mit extrem starken Basen möglich ist, sind sie aprotisch. Ebenfalls zur Gruppe der aprotisch-unpolaren Lösungsmittel gezählt werden außerdem Verbindungen wie etwa Carbonsäureester oder Ether, die zwar polare Bindungen enthalten, aufgrund ihrer niedrigen Permittivität jedoch nicht in der Lage sind, ionische Verbindungen aufzulösen.

Vertreter dieser Gruppe sind:

aprotisch-polar

Ist das Molekül jedoch mit stark polaren funktionellen Gruppen wie der Carbonylgruppe, der Nitrogruppe oder der Nitrilgruppe substituiert, so weist das Molekül ein Dipolmoment auf, zwischenmolekular tritt nun also elektrostatische Anziehung dauerhafter Dipole zu den immer noch vorhandenen (aber viel schwächeren) Van-der-Waals-Kräften hinzu. Dies hat eine wesentliche Erhöhung des Siedepunktes zur Folge und in vielen Fällen eine Verschlechterung der Mischbarkeit mit unpolaren Lösungsmitteln sowie eine Verbesserung der Löslichkeit von und in polaren Stoffen. Typische aprotisch-polare Lösungsmittel weisen eine Permittivität über 15 auf und sind in der Lage, Kationen zu solvatisieren. Da die Anionen kaum solvatisiert werden (nackte Anionen), zeigen sie eine hohe SN2-Reaktivität. Derartige Lösungsmittel sind hervorragend geeignet, um nukleophile Substitutionen unter milden Bedingungen durchzuführen. Dazu gehören:

Protische Lösungsmittel

Sobald ein Molekül über eine funktionelle Gruppe verfügt, aus der Wasserstoffatome im Molekül als Protonen abgespalten werden können (Dissoziation), spricht man von einem protischen Lösungsmittel. Diese stehen den aprotischen Lösungsmitteln gegenüber.

Das wichtigste protische Lösungsmittel ist Wasser, das (vereinfacht) in ein Proton und ein Hydroxid-Ion dissoziiert.

Weitere protische Lösungsmittel stellen z.B. Alkohole und Carbonsäuren dar. Hier erfolgt die Abspaltung des Protons immer an der OH-Gruppe, da der elektronegative Sauerstoff die entstehende negative Ladung gut aufnehmen kann.

Das Maß, in dem das jeweilige Lösungsmittel dissoziiert, wird durch die Acidität (nach dem Säure-Base-Konzept von Brønsted und Lowry) bestimmt. Es ist zu beachten, dass auch an Kohlenstoff gebundene Wasserstoff-Atome als Protonen abgespalten werden können (CH-Acidität), die Acidität dieser Verbindungen aber meist zu gering ist, um eine nennenswerte Dissoziation in neutralem Medium zu erlauben. Die Freisetzung dieser Protonen ist nur durch sehr starke Basen möglich.

Polar protische Lösungsmittel lösen Salze und polare Verbindungen, dagegen ist die Löslichkeit unpolarer Verbindungen gering.

Protische Lösungsmittel sind:

Polaritätsskalen

Reichardt-Farbstoff

Eine bekannte Skala für die Polarität eines Lösungsmittels ist die ET(30)- oder ETN-Skala. Sie leitet sich von empirischen spektroskopischen Messungen ab. Der ET(30)-Wert ist als Übergangsenergie der längstwelligen Vis/NIR-Absorptionsbande in einer Lösung mit dem negativ solvatochromen Reichardt-Farbstoff (Betain 30) bei Normalbedingungen in kcal·mol−1 definiert. Der ETN-Wert ist der auf die Polaritätsextrema Tetramethylsilan (=0) und Wasser (=1) normalisierte ET(30)-Wert.

Tabelle mit Lösungsmitteln und ihren Daten

Lösungsmittel Schmelzp.
[°C]
Siedep.
[°C]
Flammp.
[°C]
Dichte
[g/cm3]
bei 20 °C
Permittivität
bei 25 °C
Dipolmoment
[· 10−30 Cm]
Brechungsindex
n_\mathrm{D}^{20}
E_{\tau}(30)
[kJ/mol]
Kompressibilität
[10−6 /bar]
Aceton −95,35 56,2 −19 0,7889 20,70 9,54 1,3588 176,4 126
Benzol 5,5 80,1 −8 0,87565 2,28 0,0 1,5011 142,2 95
1-Butanol −89,8 117,3 34 0,8098 17,51 5,84 1,3993 209,8 -
Chlorbenzol −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
Cyclohexan 6,5 80,7 4,5 0,7785 2,02 (20 °C) 0,0 1,4266 130,4 118
Diethylether −116,2 34,5 −40 0,7138 4,34 (20 °C) 4,34 1,3526 144,6 -
Essigsäureethylester −83,6 77,06 −2 0,9003 6,02 6,27 1,3723 159,3 104
Ethanol −114,5 78,3 18 0,7893 24,55 5,77 1,3614 216,9 114
2-Propanol (Isopropylalkohol) −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
Methylenchlorid (Dichlormethan, DCM) −95,1 40 1,3266 8,93 5,17 1,4242 171,8 -
Methylethylketon (Butanon) −86,3 79,6 0,8054 18,51 (20 °C) 9,21 1,3788 172,6 -
Nitrobenzol 5,76 210,8 81 1,2037 34,82 13,44 1,5562 175,6 -
Nitromethan −28,5 100,8 35 1,1371 35,87 (30 °C) 11,88 1,3817 193,5 -
Pyridin −42 115,5 23 0,9819 12,4 (21 °C) 7,91 1,5095 168,0 -
Tetrachlorkohlenstoff −23 76,5 1,5940 2,24 (20 °C) 0,0 1,4601 135,9 110
Toluol −95 110,6 7 0,8669 2,38 1,43 1,4961 141,7 87
Wasser 0,0 100 0,9982 78,39 6,07 1,3330 263,8 46

Tabelle mit alkoholischen Lösungsmitteln und ihren Verdunstungsraten

relativ zu Essigsäure-n-butylester (= 1)

Lösungsmittel Siedep.
[°C]
Verdunstungsrate
Methanol 65 2,1
Ethanol 78 1,6
2-Propanol 82 1,4
1-Butanol 118 0,44
1-Octanol 196 0,007

Indifferente Lösungsmittel

Unter einem indifferenten bzw. neutralen Lösungsmittel wird in der Polymerchemie ein Medium verstanden, das

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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 25.04. 2019