vignette|Schéma moléculaire de la dissolution du chlorure de sodium dans l'eau : le sel est le soluté, l'eau le solvant.
Un solvant est une substance, liquide ou supercritique à sa température d'utilisation, qui a la propriété de dissoudre, de diluer ou d'extraire d’autres substances sans les modifier chimiquement et sans lui-même se modifier.
Les solvants ont de nombreuses applications domestiques et industrielles : dégraissage et détergents, supports de pigments dans les peintures et les encres, procédés d’extraction ou de synthèse chimique en phase liquide… Leur fabrication, transport et commercialisation représentent des quantités considérables en masse, volume et valeur.
L'eau est le solvant le plus courant, la solution étant alors qualifiée de solution aqueuse.
Généralités Le terme « solvant organique » se réfère aux solvants qui sont des composés organiques qui contiennent des atomes de carbone. Habituellement, les solvants ont un point de fusion faible et s'évaporent facilement. Les solvants permettent de dissoudre les réactifs et d'amener les réactifs en contact. Ils ne réagissent pas chimiquement avec le composé dissous : ils sont inertes. Les solvants peuvent aussi être utilisés pour extraire les composés solubles d'un mélange, l'exemple le plus commun étant l'infusion de thé dans de l'eau chaude. Les solvants sont souvent des liquides transparents avec une odeur caractéristique. La concentration d'une solution est la quantité de soluté dans un certain volume de solvant.
Pour les solutions liquides (phase uniforme liquide contenant plusieurs espèces chimiques), si l'une des espèces est très largement majoritaire (au moins un facteur 100), on l'appelle le « solvant ». C'est le cas de l'eau pour les solutions aqueuses (par exemple une solution aqueuse de sulfate de cuivre : l'eau est le solvant et les ions sulfate et cuivre(II) les solutés).
En règle générale, les atomes ou molécules de même nature s'assemblent pour former un liquide ou un solide (un cristal ou un solide amorphe). Dans le cas d'une solution, le solvant empêche les atomes ou molécules de s'assembler, il les disperse. Dans le cas de l'eau, cela se produit selon deux phénomènes : une diminution des interactions électriques (forces de van der Waals) : l'eau a une permittivité diélectrique d'environ 80, ce qui signifie qu'elle divise les forces de Coulomb par 80 ; une solvatation (pour l'eau une hydratation) : si les molécules du solvant sont polaires, elles peuvent entourer les espèces dissoutes et former un « bouclier ».
Classification Il existe de nombreuses classifications des solvants : en fonction de la nature chimique du composé, de sa polarité, de ses propriétés physico-chimiquesM. Durand, V. Molinier, W. Kunz et J.-M. Aubry, Classification of Organic Solvents Revisited by Using the COSMO-RS Approach, Chem. Eur. J., 2011, 17, 5155–5164. ., de son secteur d'utilisation, de sa toxicité, de son origine (pétrolière ou agrosourcée)
Selon leur polarité Les solvants polaires : Les solvants protiques polaires (appelés aussi solvants protogènes) possèdent un ou plusieurs atomes d'hydrogène susceptibles de former des liaisons hydrogène. Exemples : eau, méthanol, éthanol. Les solvants polaires aprotiques possèdent un moment dipolaire électrique non nul et sont dénués d'atomes d'hydrogène susceptibles de former des liaisons hydrogène. Exemples : acétonitrile (CH3CN), diméthylsulfoxyde (DMSO, (CH3)2SO), tétrahydrofurane (THF, C4H8O). Les solvants apolaires aprotiques possèdent un moment dipolaire permanent nul. Par exemple, les hydrocarbures : benzène, alcanes linéaires, ramifiés ou cycliques, alcènes.
Le tableau suivant compare ces différentes famillesNicolas Rabasso, Chimie organique: hétéroéléments, stratégies de synthèse et chimie organométallique, De Boeck Supérieur, 2009 :
Solvants Constante diélectrique Moment dipolaire électrique Atomes d'hydrogène Liaisons hydrogène Pouvoir ionisant Pouvoir de solvatation Effet sur les réactions organiques Aprotiques apolaires Faible Faible Tous sont liés à des atomes de carbone Non Faible Faible Aprotiques polaires Élevée Élevée Tous sont liés à des atomes de carbone Accepteur uniquement Solvatent très bien les cations et peu les anions Favorisent les mécanismes SN2 par rapport au SN1 et favorisent la substitution par rapport à l’élimination Protiques polaires Élevée Élevée Au moins un est lié à un hétéroatome Accepteur et donneur Élevé Élevé Favorisent les mécanismes SN1 par rapport au SN2
Selon leur nature chimique Les solvants inorganiques ne contiennent pas d'atomes de carbone. L'eau, les solutions aqueuses contenant des additifs (tensioactifs, solution tampon...), l'acide sulfurique concentré, l'ammoniaque sont des solvants inorganiques classiques.
Les solvants organiques contiennent des atomes de carbone. Ils sont classés en trois familles : solvants hydrocarbonés : aliphatiques : alcanes, alcènes, aromatiques : benzène, toluène, xylène ; solvants oxygénés : alcools : éthanol, méthanol, cétones : acétone, MiBK, acides : acide acétique, esters : acétate d'éthyle, éthers : éther, éthers de glycol, autres : DMF, DMSO et HMPT ; solvants halogénés : hydrocarbures halogénés (fluorés, chlorés, bromés ou iodés) : perchloroéthylène, trichloréthylène, dichlorométhane, chloroforme, tétrachlorométhane.
Selon leur charge Espèces non ioniques : la majorité des solvants actuels sont des espèces non ioniques.
Espèces ioniques : tandis que la plupart des solvants sont de nature moléculaire (formés d'une seule espèce neutre), il existe une nouvelle classe de solvants, appelés liquides ioniques, constitués d'anions et de cations. Les liquides ioniques sont des sels fondus possédant un point de fusion inférieur à et une tension de vapeur quasiment nulle (ils sont non-volatils). Ils constituent une alternative de plus en plus sérieuse aux solvants moléculaires classiques et sont désormais très utilisés en électrochimie. De nombreuses recherches actuelles s'intéressent à leur utilisation pour la séparation des métaux radioactifs et pourraient aboutir à des solutions particulièrement écologiques pour le retraitement des déchets radioactifs.
Selon leur origine Il est important de préciser que l'origine du solvant n'a pas de conséquence sur sa toxicité ; un solvant agrosourcé peut être néfaste pour l'homme ou l'environnement (cas du furfural).
Les solvants pétrochimiques proviennent du pétrole et donc de la pétrochimie. La plupart des solvants actuellement utilisés sont d'origine pétrochimique (hexane, benzène, acétate d'éthyle, dichlorométhane).
Les solvants agrosourcés (appelés aussi biosolvants) proviennent de la valorisation de la biomasse végétale (bois, sucre, huiles végétales, huiles essentielles). Les exemples les plus connus sont les alcools (méthanol, éthanol, etc.), le furfural, le glycérol ou encore des esters comme le lactate d'éthyle.
Propriétés physiques de solvants communs
Les solvants les plus couramment utilisés peuvent être caractérisés par les propriétés physiques suivantes : point de fusion, point d'ébullition, pression de vapeur saturante, solubilité dans l'eau, miscibilité avec d'autres solvants, constante diélectrique, densité, viscosité, pouvoir solvant (indice kauri-butanol et point d'aniline), .
Les solvants ci-dessous sont groupés en solvants apolaires, polaires aprotiques et polaires protiques, classés par polarité croissante.
Solvant Formule chimique Pointd'ébullition Point d'ébullition. Constantediélectrique Constantes diélectriques. Massevolumique(g/ml) Momentdipolaire(D) Solvants apolaires Pentane CH3-CH2-CH2-CH2-CH3 1,84 0,626 0,00 Cyclopentane C5H10 1,97 0,751 0,00 Hexane CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 1,88 0,655 0,00 Cyclohexane C6H12 2,02 0,7786 0,00 Benzène C6H6 2,3 0,879 0,00 Toluène C6H5-CH3 2,4 0,867 0,36 1,4-Dioxane 2,3 1,033 0,45 Chloroforme CHCl3 4,8 1,48 1,04 Éther diéthylique CH3CH2-O-CH2-CH3 4,3 0,713 1,15 Solvants polaires aprotiques Dichlorométhane (DCM) CH2Cl2 9,1 1,326 1,60 Tétrahydrofurane (THF) 7,5 0,886 1,75 Acétate d'éthyle CH3-C(=O)-O-CH2-CH3 6,0 0,894 1,78 Acétone CH3-C(=O)-CH3 21 0,786 2,88 N,N-Diméthylformamide (DMF) H-C(=O)N(CH3)2 38 0,944 3,82 Acétonitrile (MeCN) CH3-C≡N 37 0,786 3,92 Diméthylsulfoxyde (DMSO) CH3-S(=O)-CH3 47 1,092 3,96 Carbonate de propylène C4H6O3 64,0 1,205 4,9 Solvants polaires protiques Acide formique H-C(=O)OH 58 1,21 1,41 Butan-1-ol CH3-CH2-CH2-CH2-OH 18 0,810 1,63 Isopropanol (IPA) CH3-CH(-OH)-CH3 18 0,785 1,66 Propan-1-ol CH3-CH2-CH2-OH 20 0,803 1,68 Éthanol CH3-CH2-OH 24 0,789 1,69 Méthanol CH3-OH 33 0,791 1,70 Acide acétique CH3-C(=O)OH 6,2 1,049 1,74 Eau H-O-H 80 1,000 1,85
Dissolution Dissolution acide La dissolution peut se faire par réaction chimique entre des espèces du solvant (en général des ions) et le solide. Le cas le plus fréquent est celui de la dissolution par un acide : les protons H+ (ou dans l'eau, les ions oxonium H3O+) provoquent une oxydation du solide
(l'atome de solide M cède un électron à l'ion H+ qui peut alors former une molécule de dihydrogène), l'ion M+ étant alors soluble dans le solvant.
Dissolution dans un verre À haute température (au-delà de ), le verre (dioxyde de silicium ) est liquide. On peut donc y dissoudre un certain nombre de produits qui sont, eux, solides à cette température.
On peut aussi dissoudre les solides dans d'autres types de verre, par exemple le métaborate de lithium ou le tétraborate de lithium, utilisés pour diluer les matériaux à analyser en spectrométrie de fluorescence X (technique de préparation dite de la « perle fondue »).
Bien qu'ayant lieu à haute température et avec un solvant différent, le principe est similaire à la dissolution dans l'eau (dispersion solvatation, dissolution acide).
Solvants alternatifs Plusieurs raisons (telles que la raréfaction des ressources pétrolières, la réglementation de plus en plus stricte sur l'utilisation de composés volatils, toxiques ou reprotoxiques) incitent les industriels et académiques à se tourner vers de nouveaux solvants alternatifs, souvent appelés « solvants verts »L. Moity, M. Durand, A. Benazzouz, C. Pierlot, V. Molinier et J.-M. Aubry, Green Chemistry, 2012, 14, 1132-1145. Il n'existe pas de définition officielle d'un solvant vert mais plusieurs définitions peuvent être mentionnées : l'adjectif « vert » peut faire référence aux 12 principes de la chimie verte Les douze principes de la Chimie Verte sur www.cnrs.fr dans le cas où le solvant rempli un ou plusieurs de ces principes (synthèse avec économie d'atomes, issu de matières premières renouvelables...). Cependant, le terme « solvant vert » peut être employé dans différents cas, comme dans le cas où le solvant n'est pas toxique, ou bien qu'il est biodégradable ou encore qu'il provient de ressources renouvelables. Ainsi, le terme « vert » peut correspondre à différentes définitions. C'est pourquoi différentes familles de solvants sont qualifiées de « solvants verts » : les solvants agrosourcésP. De Caro et S. Thiébaud-Roux, Biosolvants, Éditions techniques de l'ingénieur, IN 102, 2008, les liquides ioniques, les fluides supercritiques, les polymères liquides.
Les solvants agrosourcés sont, comme leur nom l'indique, issus d'agro-synthons (petites molécules d'origine renouvelable pouvant être obtenues à partir de cellulose, d'hémicellulose, de lignine, d'huile végétale) Le glycérol et le lactate d'éthyle sont deux exemples représentatifs de cette famille de solvants. Leur origine non pétrolière les classe parmi les solvants verts.
Les liquides ioniques sont classés parmi les solvants verts du fait de leur non volatilité. Cependant, de nombreux doutes subsistent sur la toxicité de ces composés. Les liquides ioniques les plus étudiés sont les dérivés imidazolium, mais leur toxicité prouvée tend les académiques à se tourner vers des structures moins toxiques pouvant même parfois être issues de ressources renouvelables. C'est par exemple le cas de l'acétate de choline.