Die Geheimnisse der Solvatation

Einführung

Warum sind Grundkenntnisse zum Thema Solvatation empfehlenswert? Wenn man die Eigenschaften von Lösungsmitteln besser versteht, kann ihr technischer Einsatz besser gesteuert werden und die vorgeschriebenen oder notwendigen Präventionsmaßnahmen können optimal umgesetzt werden.

Die „magische Wirkweise“ der Solvatation – ein physikalisches Phänomen

Was ist Solvatation? Warum müssen unterschiedliche Arten von Lösungsmitteln verwendet werden? Wie findet die Lösung von Stoffen auf Ebene der Moleküle statt?

Beim Lösen einer Substanz oder einer Flüssigkeit in einer anderen werden die Moleküle, aus denen die beiden Teile bestehen, ganz einfach völlig homogen verteilt.

Die aufnehmende Flüssigkeit ist das Lösungsmittel, der Stoff, der darin gelöst wird, ist der gelöste Stoff, das erhaltene Gemisch bezeichnet man als Lösung und den Vorgang selbst nennt man Solvatation.

Man kann Wein in Wasser oder Wasser in Wein gießen. Doch was ist dann der gelöste Stoff und was das Lösungsmittel? Ganz einfach: Das Lösungsmittel bildet den Hauptbestandteil. Ist eine chemische Reaktion des Lösungsmittels mit dem gelösten Stoff möglich? Nein, das ist prinzipiell ausgeschlossen. Jeder Bestandteil des Gemischs kann jederzeit seine ursprüngliche Form wieder annehmen.

Aus einer wässrigen Salzlösung entsteht durch Verdunstung Wasser (in einer Entsalzungsanlage) oder Salz (auf Salzwiesen).

Die drei verschiedenen Klassen von Lösungsmitteln

Bekanntlich löst sich nicht alles in allem auf. Denken Sie an Öl und Essig. Oder an Fett und Wasser. Es gibt jedoch Lösungsmittel zum Entfetten. Wenn man sich mit Lösungsmitteln näher beschäftigt, entdeckt man, dass es verschiedene Arten gibt:

Lösungsmittel auf Erdölbasis, sauerstoffhaltige, organische Verbindungen (Aceton, Methylethylketon, Alkohole…) und nicht zuletzt Glykolether. Die stickstoff- oder schwefelhaltigen Moleküle DMF (Dimethylformamid), DMSO (Dimethylsulfoxid)) und natürlich Wasser: Wasser ist das Lösungsmittel lebender Organismen schlechthin, denn in Wasser laufen die für unseren Stoffwechsel so wichtigen biochemischen Reaktionen ab.

Wie finde ich mich unter all den Lösungsmitteln zurecht?

• Unpolare Lösungsmittel

Der Schlüssel zum Verständnis der Lösungsmittelklassen liegt in der Kenntnis der Wirkmechanismen der Solvatation. Was ermöglicht eine derart homogene und stabile Auflösung des gelösten Stoffes im Lösungsmittel? Es ist schlichtweg das Verhalten bzw. die Anziehung chemischer Moleküle zueinander durch den Einsatz zwischenmolekularer Kräfte. Diese Kräfte sind elektromagnetischer Natur, ähnlich denjenigen von Magnetpolen. Sie werden durch die elektronische Wolke erzeugt, die um die Atome „herum schwirrt“, aus denen die Moleküle bestehen. (Ein Molekül besteht aus miteinander verknüpften Atomen.)

So sieht die Struktur von n-Hexan aus („n“ steht für „normal“, d. h. gerade und unverzweigt) mit seinen sechs Kohlenstoffatomen und seinen 14 Wasserstoffatomen. Sie kann stilisiert als gestrichelte Linie dargestellt werden, wobei jedes Kohlenstoffatom an einem „Gelenk“ liegt.

Wenn wir nun die räumliche Anordnung der elektronischen Orbitale all dieser Atome darstellen, ist die homogene Verteilung der „elektrischen“ Ladungen in der gesamten Molekülstruktur besser zu verstehen. Das Molekül wird als unpolar oder apolar bezeichnet.

Eine solche Struktur (Kohlenwasserstoffkette oder Kohlenwasserstoff) ist mit anderen Ketten, insbesondere Ölen oder Fetten, kompatibel (je länger die Kohlenstoffkette ist, desto zähflüssiger wird das Produkt).

Warum ist Hexan in der Lage, Fettmoleküle aufzulösen?

Fett ist in diesem Beispiel der gelöste Stoff und Hexan das Lösungsmittel.

Die Antwort auf die Frage lautet: Da beide Arten von Molekülen eine elektronische „Hülle“ derselben unpolaren Natur besitzen.

• Polare und protische Lösungsmittel

Wasser hingegen ist ein Molekül, dessen elektronische Ladungsverteilung sehr unregelmäßig ist. Sauerstoff zieht jeweils das einzelne Elektron der beiden an ihn gebundenen Wasserstoffe an sich: H₂O

Polarisierte Moleküle ziehen sich gegenseitig an, indem sie ihren Nachbarn ihre entgegengesetzten elektrischen Pole präsentieren: die positiv polarisierte Seite des einen Moleküls zieht die negativ polarisierte Seite des anderen Moleküls an und umgekehrt.

Ein solches „Cluster“ von Molekülen, die eng in einem dreidimensionalen „Netzwerk“ gebunden sind, kann keine großen unpolaren Strukturen wie z. B. Fette aufnehmen. Wenn sie in Kontakt gebracht werden, bleibt jede Einheit auf ihrer eigenen Seite, wodurch zwei nicht mischbare Phasen entstehen.

Nicht mischbare polare und unpolare Strukturen

Die polaren Kräfte, die eine Bindung zwischen einem Sauerstoffatom und einem Wasserstoffatom hervorrufen, nennt man „Wasserstoffbrücken“.

Man spricht von polaren und protischen Lösungsmitteln („protisch“ leitet sich von Proton ab, dem einzelnen Teilchen des Kerns eines Wasserstoffatoms).

Weitere polare und protische Lösungsmittel sind Alkohole (z. B. Methanol, Ethanol und Propanol (mit 1, 2 oder 3 Kohlenstoffatomen in der Kette). Sie sind untereinander und in jedem Verhältnis mit Wasser mischbar.

• Polare und aprotische Lösungsmittel

Bisher haben wir zwei Arten von Lösungsmitteln vorgestellt: unpolare und polare protische Lösungsmittel.

Damit unsere Darstellung jedoch ganz „vollständig“ ist, muss in der Kategorie der polaren Lösungsmittel eine weitere Unterkategorie ausgewiesen werden: Polare Moleküle, die allerdings keinen protischen Charakter haben. Das bedeutet, dass durch ihre Polarität keine Wasserstoffbrücken gebildet werden. Drei Beispiele für Lösungsmittel, die in der Arbeitswelt häufig vorkommen: Trichlormethan, DMF (Dimethylformamid) und DMSO (Dimethylsulfoxid).

Dies erklärt die Kompatibilitäten und Inkompatibilitäten in der „Gattung“ der lösenden und der gelösten Moleküle.

Unter all den häufig verwendeten Lösungsmitteln verdient eine „besondere“ Kategorie spezielle Beachtung: die Glykolether.

Warum ist dieses Lösungsmittel allgegenwärtig? Weil es so besonders ist! In der Tat bietet ein und dasselbe Molekül alle 3 Arten der Solvatation!

1. Ein Teil des Moleküls (eine mehr oder weniger lange oder zyklische Kohlenstoffstruktur) hat einen mehr oder weniger starken unpolaren Charakter.
2. Eine oder mehrere Sauerstoffbrücken (Ethergruppe im wahrsten Sinne des Wortes) haben einen polaren und aprotischen Charakter.
3. Eine Alkohol-Endgruppe weist einen polaren und protischen Charakter auf.

Es gleicht der Quadratur des Kreises!

Hier das Beispiel von Ethylenglykol-Propylether

Bei Triethylenglykolbutylether (TEGBE) fällt sofort auf, dass die Menge der unpolaren Kräfte höher ist und dass die aprotischen polaren Zentren verdreifacht wurden (3 Etherbrücken für dieses Triethylen). Der polare protische Charakter ist weiterhin identisch und isoliert.

Demnach kann man das Gewicht jeder Solvatationskomponente entsprechend der Spezifität des/der zu lösenden Stoffes/Stoffe sehr genau nachvollziehen bzw. wählen.

In der Praxis ist es daher notwendig, je nach Art des zu lösenden Stoffes (Reinigung, Extraktion usw.) ein Lösungsmittel mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften zu wählen. Dieses Hintergrundwissen zeigt, dass viele der üblichen Eigenschaften, die für die Verwendung von Lösungsmitteln unerlässlich sind, leicht mit einem Minimum an theoretischem Wissen erklärt werden können.

Es wird deutlich, dass die Solvatation ein rein physikalisches Phänomen ist und nichts mit chemischer Reaktivität zu tun hat.

Einige interessante Internet-Links zum Thema:
Lösungsmittel

Auf Englisch
Protic solvent

Solvatation von biologischen Lipidstrukturen

Diese physikalische Dimension von Lösungsmitteln verdeutlicht drei Wirkweisen beim Menschen, die allen Fettlösern gemein sind:

• das Entfetten der oberflächlichen Schichten der Epidermis, was zu trockener, rissiger Haut führt;
• eine akute ebrionarkotische Wirkung, die genau wie Ethylalkohol mit einer Phase der Erregung und einer darauffolgenden Sedierung einhergeht, die zu Koma und Tod führen kann;
• chronische Auswirkungen: psycho-organische Syndrome, die mit Gedächtnisstörungen, Stimmungsschwankungen und unterschiedlichen anderen Störungen des zentralen Nervensystems einhergehen.

Referenz des „Institut National de Recherche et de Sécurité” (INRS), in der dieser Begriff zitiert wird:
INRS
NCBI-NLM-NIH

Diese Auswirkungen lassen sich durch die Solvatation von Fetten im Körper und durch die Wirkung von Lösungsmitteln auf die Leitung von Nervenimpulsen erklären.

Chemische Toxikologie von Lösungsmitteln

Aber das ist noch nicht alles! Lösungsmittelmoleküle sind – unter einem anderen Gesichtspunkt betrachtet – auch chemische Stoffe, die bei Kontakt mit dem menschlichen Organismus ihr Potenzial für spezifische Reaktivität gegenüber biochemischen Einheiten (aus denen der menschliche Körper besteht) offenbaren können.

Lösungsmittelmoleküle können daher, unabhängig von ihren physikalischen Eigenschaften der Solvatation, chemische Eigenschaften entwickeln, die für den Menschen giftig sind. Einige chlorierte Lösungsmittel sind giftig für die Leber, andere für die Nieren usw.

Aber das ist eine andere Geschichte…

Zum Inhalt des Buches „La magie des solvants“ (Die magische Wirkweise von Lösungsmitteln) (auf Französisch)

Wir bieten internationale Schulungen zum chemischen Risiko und zur Toxikologie als Kooperation der CNAM (Hochschule für Forschung und Entwicklung) mit dem PREVOR-Labor an.