miniatura|Um solvente dissolve um soluto e forma uma solução. miniatura|Acetato de etila, solvente usado em removedores de esmalte.
Um solvente (do latim solvō, "soltar, desatar, resolver") é uma substância que dissolve um soluto e forma uma solução. Um solvente costuma ser líquido, mas também pode ser sólido, gasoso ou um fluido supercrítico. Em soluções formadas por componentes no mesmo estado físico, costuma-se chamar de solvente o componente presente em maior proporção, embora essa seja uma convenção e não uma regra universal. A água é solvente de muitas substâncias polares e o solvente mais comum nos sistemas biológicos. Íons, proteínas e muitas outras substâncias celulares encontram-se dissolvidos ou dispersos no meio aquoso das células.
Os solventes são usados em tintas, removedores de tinta, tintas de impressão e lavagem a seco. Entre os usos de solventes orgânicos estão a lavagem a seco, com percloroetileno, os tíneres, como tolueno e terebintina, removedores de esmalte e solventes de cola, como acetona, acetato de metila e acetato de etila, removedores de manchas, com hexano e éter de petróleo, detergentes, com terpenos cítricos, e perfumes, com etanol. Solventes também são empregados nas indústrias química, farmacêutica, petrolífera e de gás, entre elas em processos de síntese química, extração e purificação.
Solventes de base biológica podem ser obtidos de matérias-primas renováveis e resíduos, entre eles açúcares, biomassa lignocelulósica, óleos vegetais, glicerol e terpenos. A origem renovável, por si só, não determina a toxicidade, a biodegradabilidade ou o desempenho ambiental de um solvente. Alguns biossolventes exigem processos de produção intensivos em energia, apresentam toxicidade ou têm biodegradação limitada, de modo que sua avaliação pode exigir dados de todo o ciclo de vida.
Soluções e solvatação
miniatura|Solvatação de um íon sódio por moléculas de água. Os átomos de oxigênio, com carga parcial negativa, orientam-se em direção ao cátion.
Quando uma substância é dissolvida em outra, forma-se uma solução. Isso difere do que ocorre quando os componentes são insolúveis, como a areia em água. Em uma solução, os componentes ficam distribuídos uniformemente em escala molecular e não formam fases contínuas separadas. As partículas do soluto ficam dispersas entre as moléculas do solvente e podem ser envolvidas por elas em estruturas de solvatação. Suspensões e emulsões apresentam fases distintas. A capacidade de uma substância dissolver-se em outra recebe o nome de solubilidade. Quando duas substâncias podem ser misturadas em todas as proporções, elas são miscíveis.
Na dissolução, parte das interações soluto-soluto e solvente-solvente precisa ser vencida, enquanto novas interações soluto-solvente são formadas. A separação das partículas do soluto e do solvente requer energia, enquanto a formação das interações de solvatação libera energia. O balanço pode tornar a dissolução exotérmica ou endotérmica. A formação de uma solução também aumenta a dispersão das partículas do soluto pelo solvente, o que constitui uma contribuição entrópica para a espontaneidade do processo. A espontaneidade a temperatura e pressão constantes depende da variação da energia livre de Gibbs, expressa por , e não de uma única dessas grandezas isoladamente.
As interações envolvidas dependem das propriedades químicas do solvente e do soluto, como ligação de hidrogênio, momento dipolar de ligação e polarizabilidade.Lowery e Richardson, pp. 181–183. A solvatação, no sentido estrito, refere-se às interações e à reorganização das moléculas do solvente ao redor das espécies dissolvidas e não implica necessariamente alteração covalente do soluto. A dissolução pode ser acompanhada por dissociação, ionização, complexação ou reação química. A energia e a entropia de solvatação podem ter valores apreciáveis.
Uma solução é uma mistura homogênea constituída por um ou mais solutos dispersos em um solvente. Soluções podem ser sólidas, líquidas ou gasosas. Ligas metálicas podem formar soluções sólidas e o ar é um exemplo de solução gasosa.
Papel em reações e separações
Mesmo quando não é consumido estequiometricamente em uma reação química, o solvente pode alterar seu curso. Ele permite colocar reagentes em uma mesma fase, modifica as interações intermoleculares e a estabilização de reagentes, produtos e estados de transição, determina concentrações e pode alterar a velocidade e a seletividade de uma reação.
Solventes também são usados depois de uma reação para separar ou purificar seus componentes. Entre as operações que dependem das diferenças de solubilidade estão precipitação, cristalização, recristalização, extração e cromatografia.
Classificação dos solventes
Os solventes podem ser classificados de diferentes maneiras, entre elas pela polaridade, capacidade de doar ou aceitar ligações de hidrogênio, composição química e propriedades físicas. Uma divisão comum separa solventes de baixa polaridade dos solventes polares. Um caso particular é o mercúrio elementar, cujas soluções metálicas são chamadas de amálgamas. Também existem outras soluções de metais líquidos à temperatura ambiente.
A constante dielétrica, ou permissividade relativa, fornece uma medida aproximada de alguns aspectos da polaridade de um solvente. A forte resposta dielétrica da água é expressa por uma constante de aproximadamente 88 a 0 °C. Solventes com constante dielétrica inferior a aproximadamente 15 são muitas vezes chamados de pouco polares ou apolares, embora não exista um único valor que descreva todas as formas de interação entre solvente e soluto.Lowery e Richardson, p. 177.
A constante dielétrica expressa a capacidade de um meio de reduzir o campo elétrico produzido por cargas nele presentes em comparação com o vácuo. Por isso, juntamente com outras propriedades, ela ajuda a estimar a capacidade de um solvente de estabilizar íons e dissolver determinados compostos iônicos. A solubilidade real depende também de fatores como energia reticular, solvatação, temperatura e outras interações intermoleculares.
Outras escalas de polaridade
A constante dielétrica não é a única medida usada para caracterizar solventes. Como propriedades diferentes do meio podem afetar uma reação de maneiras diferentes, foram criadas escalas empíricas sensíveis a interações específicas.
Na equação de Grunwald-Winstein, o parâmetro Y expressa o poder ionizante do solvente, enquanto m mede a sensibilidade do substrato a esse efeito.
A escala Z de Kosower mede a polaridade a partir do efeito do solvente sobre os máximos de absorção no ultravioleta de determinados sais, em especial compostos de piridínio.
O número doador e as escalas de doação e aceitação medem a maneira como o solvente interage com espécies de referência, como ácidos e bases de Lewis.
O parâmetro de solubilidade de Hildebrand é a raiz quadrada da densidade de energia coesiva. É usado principalmente com sistemas nos quais predominam forças de dispersão e não representa separadamente interações mais específicas, como ligações de hidrogênio.
O corante de Reichardt, um corante solvatocrômico cuja absorção muda em função do meio, fornece a escala ET(30). ET corresponde à energia da transição eletrônica usada na medição, em kcal/mol, e o número 30 designa o corante. Outra escala aproximadamente correlacionada, ET(33), pode ser definida com vermelho do Nilo.
O parâmetro de solvente ϸ de Gregory é um parâmetro de densidade de carga obtido por cálculos de química quântica. Ele reproduz muitos parâmetros experimentais, sobretudo os números doador e aceptor, por meio de uma análise eletrostática de decomposição de carga. O parâmetro foi desenvolvido inicialmente para quantificar interações relacionadas à série de Hofmeister de forma aplicável a íons monoatômicos e poliatômicos.
A polaridade, o momento dipolar, a polarizabilidade e a capacidade de formar ligações de hidrogênio afetam que compostos um solvente consegue dissolver e com que outros líquidos ele é miscível. Como regra empírica, substâncias polares tendem a apresentar maior solubilidade em solventes polares e substâncias apolares em solventes apolares, princípio resumido pela expressão "semelhante dissolve semelhante". A regra é uma aproximação e não substitui a consideração das interações e energias específicas de cada sistema. Compostos fortemente polares, como açúcares, entre eles a sacarose, e muitos sais inorgânicos, como o sal de cozinha, dissolvem-se bem em água. Compostos pouco polares, como muitos óleos e ceras, apresentam maior solubilidade em solventes pouco polares, como hexano. Água e hexano, assim como vinagre e óleo vegetal, não são miscíveis e formam duas fases depois de cessada a agitação.
A polaridade pode ser decomposta em contribuições diferentes. Os Parâmetros de Kamlet-Taft expressam dipolaridade e polarizabilidade, π*, acidez de ligação de hidrogênio, α, e basicidade de ligação de hidrogênio, β. Os valores são obtidos a partir de deslocamentos espectrais de corantes solvatocrômicos, entre eles o corante de Reichardt, nitroanilinas e dietilnitroanilina. Os parâmetros de solubilidade de Hansen separam a densidade de energia coesiva em contribuições de dispersão, polaridade e ligação de hidrogênio.
Solventes próticos e apróticos
Na terminologia tradicional da química orgânica, solventes próticos como água, álcoois e ácidos carboxílicos podem atuar como doadores de ligações de hidrogênio. Esses solventes podem solvatar fortemente ânions por meio dessas ligações. Solventes convencionalmente chamados de polares apróticos, como acetona, acetonitrila e dimetilsulfóxido, não atuam como doadores fortes de ligação de hidrogênio e podem apresentar momentos dipolares elevados.Lowery e Richardson, p. 183.
A IUPAC usa "solvente HBD", do inglês hydrogen-bond donating solvent, como sinônimo de solvente prótico e o define como um solvente com momento dipolar permanente apreciável e hidrogênios suficientemente ácidos para formar ligações de hidrogênio fortes com o soluto. Um solvente incapaz de atuar como doador de ligação de hidrogênio é chamado de solvente não HBD. Separadamente, a IUPAC define um solvente aprótico como não protogênico em uma dada situação. Solventes normalmente classificados como apróticos podem aceitar ou perder prótons diante de ácidos ou bases de Brønsted suficientemente fortes. A expressão "solvente dipolar aprótico", ou "solvente polar aprótico", é desencorajada pela IUPAC como denominação rigorosa, que recomenda especificar propriedades como caráter dipolar e ausência de caráter protogênico quando isso for necessário.
Em reações de substituição nucleofílica, solventes polares próticos costumam favorecer mecanismos SN1, enquanto solventes dipolares não doadores de ligação de hidrogênio frequentemente favorecem mecanismos SN2. A miscibilidade de um solvente com água não depende somente de ele ser prótico ou aprótico, mas do conjunto de interações intermoleculares presentes.
Propriedades físicas
Propriedades de solventes comuns
A tabela apresenta uma divisão convencional entre solventes apolares ou de baixa polaridade, polares apróticos e polares próticos. Essas categorias são aproximadas e não substituem parâmetros quantitativos. Dentro de cada grupo, os solventes estão aproximadamente ordenados pelo aumento de polaridade. As propriedades cujo valor excede o correspondente para a água aparecem em negrito.