Los secretos de la solvatación
«Pequeñas lecciones de química» Para todos los actores de prevención en empresa
Introducción
¿Por qué interesarse por la solvatación? Comprender mejor las propiedades de los solventes es dominar mejor su utilización técnica y adoptar óptimamente las medidas de prevención obligatorias o sencillamente necesarias.
La «magia» del fenómeno físico de la solvatación
¿Qué es la solvatación? ¿Por qué se debe utilizar diferentes familias de solventes? ¿Íntimamente, en el interior de la materia, cómo se desarrolla la disolución?
La acción de disolver una substancia o un líquido en otro es simplemente repartir las moléculas que constituyen cada una de las dos partes, de forma totalmente homogénea.
El líquido que recibe es el solvente, la substancia que disolvemos es el soluto, la mezcla que se obtiene es la solución, la operación lleva el nombre técnico de solvatación.
Podemos poner vino en el agua o agua en el vino ¿soluto o solvente, solvente o soluto? El solvente es simplemente el componente mayoritario. ¿Existe una reacción química posible entre el solvente y el soluto? Por principio, no, está excluido. Siempre se puede encontrar cada componte de la mezcla en su forma original.
La disolución de sal en el agua permite por evaporación, regenerar agua (fábrica de desalación) o la sal (salinas).
Las tres diferentes clases de solventes
Todo no se disuelve en todo, eso se sabe. Piense en el aceite y el vinagre. En la grasa y el agua. Sin embargo, existen los solventes para desengrasar. Se debe entonces abrir la familia de los solventes y entender que existen varios tipos.
Los solventes petroleros, los compuestos orgánicos oxigenados (acetona, metiletil cetona, los alcoholes… sin olvidar los éteres de glicol… Moléculas de nitrógeno o de sulfuro DMF (dimetilformamida), DMSO (dimetilsulfóxido)…y el agua que por excelencia es el solvente de los organismos vivos en la que se realizan reacciones bioquímicas tan preciosas para nuestro metabolismo.
¿Cómo entenderlo?
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Solventes apolares
La clave de la comprensión de las clases de solventes es el reconocimiento de los mecanismos íntimos de la solvatación. ¿Qué es lo que permite una mezcla tan homogénea y tan estable del soluto en el solvente? Simplemente, el comportamiento, la atracción de moléculas químicas entre ellas por la aplicación de fuerzas físicas intermoleculares. Dichas fuerzas son de naturaleza electromagnética, un poco como los polos de los imanes. Se generan por la nube electrónica que «zumba» alrededor de los átomos constitutivos de las moléculas. (La molécula se constituye por la conexión de átomos entre ellos).
Esta es la estructura del n-hexano (n para «normal», es decir, linear y no ramificado…) con sus seis átomos de carbono y 14 átomos de hidrógeno. Se puede simbolizar al extremo en forma de línea quebrada, cada átomo de carbono situado en una «articulación».
Si representamos ahora el volumen de los orbitales electrónicos de todos estos átomos, se entiende mejor el reparto homogéneo de las cargas «eléctricas» a lo largo de la estructura molecular. Se dice que la molécula es no polarizada o apolar.
Una estructura así (cadena hidrocarbonada o hidrocarburada) será compatible con otras cadenas, en particular los aceites o las grasas (cuanto más larga es la cadena carbonada, más viscoso se vuelve el producto).
¿Por qué el hexano es capaz de disolver las moléculas de grasa? La grasa: el soluto y el solvente: aquí el hexano
Porque los dos tipos de moléculas presentan un «caparazón» electrónico de igual naturaleza apolar.
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Solventes polares y próticos
El agua, contrariamente, es una molécula cuyo reparto de las cargas electrónicas es altamente irregular. El oxígeno atrae el electrón único de cada uno de los dos hidrógenos que están ligados a él: H2O
Las moléculas polarizadas se atraen las unas a las otras presentando a sus vecinas sus polos eléctricos opuestos: los más atraen a los menos y viceversa.
Un «acervo» así de moléculas estrechamente ligadas en «red» tridimensional no puede acoger grandes estructuras apolares como las grasas. Cuando se las pone en contacto, cada entidad se queda en su lado y realizan dos fases no miscibles.
Las fuerzas polares que ponen en juego una unión entre un oxígeno y un hidrocarburo se llaman
«uniones hidrógeno».
Se habla de solventes polares y próticos (prótico de protón que es la partícula única del núcleo del átomo hidrógeno).
Los alcoholes (por ejemplo el metanol, etanol, propanol, 1, 2 o 3 átomos de carbono para la cadena) son otros solventes polares y próticos. Son miscibles entre ellos y miscibles con el agua en cualquier proporción…
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Solventes polares y apróticos
Hemos descrito hasta ahora dos tipos de solventes: los apolares y los polares próticos.
Pero, para ser totalmente exhaustivo se debe distinguir en la familia de los solventes polares, otra subcategoría: moléculas que son polares pero carecen de carácter prótico. Es decir que su polaridad no provoca las uniones de tipo hidrógeno.
Presentamos aquí tres ejemplos entre los solventes frecuentes en entornos de trabajo: el triclorometano, la DMF (dimetilformamida) el DMSO (dimetilsulfóxido)…
Esto es lo que explica las compatibilidades y las incompatibilidades en la «clase» de las moléculas solventes y soluto.
Entre todos los solventes utilizados frecuentemente, existe una familia «original» que merece que le dediquemos más atención: los éteres de glicol.
¿Por qué tan ubicuo? ¡Porque es fundamentalmente original! En efecto, en el seno de una misma molécula se encuentran concomitantemente los 3 tipos de solvatación.
1. Una parte de la molécula (estructura carbonatada más o menos larga o cíclica) muestra un carácter apolar más o menos fuerte.
2. Uno o varios puentes oxígeno (función éter en el sentido propio del término) presentan un carácter polar y aprótico.
3. Una función alcohol Terminal afirma un carácter polar y prótico.
¡Es casi la cuadratura del círculo!
Este es el ejemplo del propil éter del etileno glicol
En el trietileno glicol butil éter (TEGBE), verá inmediatamente que se aumenta la cantidad de las fuerzas apolares y que los centros polares apróticos se multiplican por tres (3 puentes éter para ese trietileno). El carácter polar prótico permanece idéntico y aislado.
De esta forma, podemos concebir o elegir de forma precisa el peso de cada componente de solvatación en función de especificidad del o los solutos a disolver.
En la práctica, se debe elegir en función de la naturaleza del soluto que se quiere disolver (limpieza, extracción…) un soluto que tenga características físicas de la misma naturaleza. Estos conocimientos básicos muestran que muchas propiedades usuales indispensables para la utilización de los solventes se explican fácilmente con un mínimo de bagaje teórico.
Vemos que la solvatación es un fenómeno puramente físico. No tiene nada que ver con cualquier reactividad química.
Algunos enlaces interesantes de Internet
En francés:
En inglés:
Acción de solvatación de las estructuras biológicas lipídicas
Esta dimensión física del solvente explica tres consecuencias en el humano, comunes para todos los solventes de las grasas:
- la deslipidización (pérdida de grasa) de las capas superficiales de la epidermis con piel seca, agrietada…
- los efectos agudos ebrio-narcóticos con, como para el alcohol etílico, una fase de excitación y después una sedación pudiendo conducir a un coma y a la muerte.
- efectos crónicos: psicosíndromes orgánicos que asocian alteraciones de memoria, de humor y otras diversas anomalías del sistema nervioso central.
Referencia INRS citando este término.
Estos efectos comunes se explican por la solvatación de las grasas del organismo y por la acción de los solventes sobre la conducción de los influjos nerviosos.
Toxicología química de los solventes
¡Pero es que esto no es todo! Las moléculas de solvente también son, bajo otro ángulo, entidades químicas que, respecto al organismo, pueden revelar su potencial de reactividad específica contra las entidades bioquímicas que constituyen el organismo humano.
Las moléculas de solvente pueden entonces, independientemente de sus propiedades físicas de solvatación, desarrollar propiedades químicas responsables de una toxicidad humana. Algunos solventes clorados son tóxicos para el hígado, otros para el riñón.
Pero esto es otra historia continuará próximamente en nuestras columnas.
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En francés : En el índice del libro la magia de los solventes
Proponemos también una formación internacional sobre el riesgo químico y la toxicología, coorganizada por el CNAM (Conservatoire National des Arts et Métiers de Paris) y el laboratorio PREVOR.
