Was versteht man unter dem Begriff Solvatation? Warum müssen unterschiedliche Lösungsmittelfamilien zum Einsatz kommen? Wie läuft der Auflösungsprozess im Inneren des Stoffs eigentlich ab?

Einen Stoff oder eine Flüssigkeit in einem jeweils anderen Stoff bzw. einer anderen Flüssigkeit zu lösen, bedeutet nicht mehr, als eine vollkommen gleichmäßige Verteilung der Moleküle der beiden Substanzen herbeizuführen. Man spricht auch von einem homogenen Gemisch.

Die Empfängerflüssigkeit ist das Lösungsmittel (Solvens) und der hierin gelöste Stoff ist das Solut. Das Gemisch wird als Lösung bezeichnet. Wissenschaftlich wird dieser Vorgang auch Solvatation genannt.

Solut oder Lösungsmittel, Lösungsmittel oder Solut? Das Lösungsmittel ist ganz einfach diejenige Substanz, die in größerer Menge vorliegt. Kann es zwischen dem Lösungsmittel und dem Solut zu einer chemischen Reaktion kommen? Nein, eine chemische Reaktion ist ausgeschlossen. Die einzelnen Komponenten des Gemischs lassen sich jederzeit in ihre ursprünglichen Form zurückführen.

Durch Verdampfung kann beispielsweise aus Salzwasser (in Wasser gelöstes Salz) entweder Wasser (Entsalzungsanlage) oder Salz (Salzgarten) rückgewonnen werden.

Jeder beliebige Stoff lässt sich nicht in jeder beliebigen Substanz lösen. Denken Sie doch nur mal an Essig und Öl oder aber an Fett und Wasser. Dennoch gibt es Lösungsmittel für die Fettabscheidung. Deshalb erscheint es angebracht, die verschiedenen Lösungsmittelklassen näher zu betrachten und ihre spezifischen Eigenschaften kennen zu lernen.

Lösungsmittel auf Erdölbasis, organische Sauerstoffverbindungen (Azetone, Methylethylketone, Alkohole … ohne die Glykolether zu vergessen, ... stickstoff- und schwefelhaltige Moleküle DMF (Dimethylformamid), DMSO (Dimethylsulfoxyd) sowie Wasser, das für lebende Organismen ein Lösungsmittel " par excellence " darstellt und als Medium für zahlreiche biochemische Reaktionen dient, die für unseren Stoffwechsel unentbehrlich sind.

Wie kann man sich hier zurechtfinden?

3.1 – Apolare Lösungsmittel

Um die verschiedenen Lösungsmittelklassen besser zu verstehen und entsprechend einordnen zu können, ist eine genaue Kenntnis der im Zuge der Solvatation wirkenden Kräfte unerlässlich. Wie kommt es, dass die Verbindung aus Solut und Lösungsmittel ein derart homogenes und stabiles Gemisch ergibt? Dies ist einzig und allein auf die zwischen den Molekülen wirkenden physikalischen und zwischenmolekularen Anziehungskräfte zurückzuführen. Es handelt sich in diesem Fall um elektromagnetische Kräfte, die sich in etwa mit den Polen eines Magneten vergleichen lassen. Hervorgerufen werden diese Kräfte durch Elektronen, die innerhalb der den Kern umgebenden Atomhülle mit atemberaubender Geschwindigkeit „umherschwirren". Und ein Molekül ist nichts anderes als ein Teilchen, das aus zwei oder mehreren zusammenhängenden Atomen besteht.

Hier die Strukturformel des n-Hexan (n steht für " normal ", d.h. linear und nicht verzweigt) mit seinen 6 Kohlenstoff- und 14 Wasserstoffatomen. Diese Formel kann in Form einer abgeflachten Zickzacklinie dargestellt werden, wobei sich die Kohlenstoffatome an den jeweiligen Umkehrpunkten befinden.

Nimmt man jedoch die Elektronenbahnen eines jeden Atoms hinzu und stellt das Molekül in Form eines Kalottenmodells dar, lässt sich die homogene Verteilung der " elektrischen " Ladungen entlang des Molekulargerüstes besser verstehen. Das Molekül wird als nicht polarisiert, bzw. apolar bezeichnet.

Eine derartige Struktur (Kohlenwasserstoffkette) ist mit anderen Ketten und insbesondere Ölen und Fetten kompatibel (mit zunehmender Länge der Kohlenwasserstoffkette steigt die Produktviskosität).

Warum kann Hexan Fettmoleküle lösen?

Fett hier als Solut und Hexan als Lösungsmittel

Weil beide Moleküle eine gleiche apolare Elektronenhülle aufweisen.

3.2 – Polare und protische Lösungsmittel

Im Gegensatz zu dem genannten Hexan ist Wasser ein Molekül, das sich durch eine sehr unregelmäßige Verteilung der elektrischen Ladungen auszeichnet. Das Sauerstoffatom zieht das jeweils einzige Elektron der zwei mit ihm verbundenen Wasserstoffatome an:

H₂O

Polarisierte Moleküle ziehen sich gegenseitig an indem sie ihren Nachbarn den jeweils entgegengesetzten elektrischen Pol präsentieren: Pluspole ziehen Minuspole an und umgekehrt.

Ein derart engmaschig verbundener und dreidimensional ausgelegter Molekül-" Haufen " ist nicht in Lage, große apolare Strukturen wie beispielsweise Fette aufzunehmen. Bringt man die beiden Stoffe in Kontakt, wird jede Einheit für sich bleiben und man spricht von zwei nicht mischbaren Phasen.

Die Polkräfte führen zu einer Bindung zwischen einem Sauerstoffatom und einem Wasserstoffatom, die als " Wasserstoffbrückenbindung " bezeichnet wird.

Man spricht von polaren und protischen Lösungsmitteln (protisch ist von Proton abgeleitet. Das Proton ist das einzige Elementarteilchen des Wasserstoffatoms).

Auch Alkohole wie beispielsweise Methanol, Ethanol und Propanol (die jeweils 1, 2 oder 3 Kohlenstoffatome in ihrer Strukturformel ausweisen) zählen zu den polaren und protischen Lösungsmitteln. Sie sind sowohl untereinander als auch in jeder beliebigen Menge mit Wasser mischbar …

3.3 – Polare und aprotische Lösungsmittel

Bisher haben wir zwei Arten von Lösungsmitteln beschreiben: die apolaren und die polar protischen Lösungsmittel.

Der „Vollständigkeit" halber sollte jedoch innerhalb der Lösungsmittelklassen eine weitere Untergruppe angesprochen werden. Hierbei handelt es sich um polare Moleküle, die jedoch keinen protischen Charakter aufweisen; d.h. die trotz ihrer Polarität keine mit der Wasserstoffbrückenbindung vergleichbaren Bindungen eingehen.

Nachstehend zwei Beispiele von Lösungsmitteln, die in Gewerbebetrieben häufig anzutreffen sind: Trichlormethan, DMF (Dimethylformamid) und DMSO (Dimethylsulfoxyd)

Das ist auch die Erklärung für die bestehenden Kompatibilitäten und Inkompatibilitäten in der " Kategorie" der solvatisierten und gelösten Moleküle.

Eine in Gewerbetrieben am häufigsten anzutreffende Lösungsmittelklasse verdient es, näher betrachtet zu werden; gemeint sind hier die Glycolester.

Warum sind diese Lösungsmittel überall anzutreffen? Der Grund für die große Verbreitung ist ihre Polyvalenz. Sie sind in der Lage, innerhalb eines einzigen Moleküls alle 3 Solvatationsarten auszubilden!

- Ein Teil des Moleküls (mehr oder weniger langes oder ringförmig angeordnetes Kohlenstoffgerüst) weist eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Apolarität aus.

- Eine oder mehrere Sauerstoffbrücken (echte Ethergruppe) weisen einen polaren und aprotischen Charakter auf.

- Eine Alkoholgruppe ist polar und protisch.

Die Quadratur des Kreises!

Hier als Beispiel das Ethylenglycol-Propylether

Im Triethylen-Glycol-Buthylether lässt sich unschwer der Zuwachs der apolaren Kräfte und die 3-fache Erweiterung der polaren aprotischen Zentren feststellen (Innerhalb dieses Triethylens finden sich 3 Ehterbrücken). Der polare protische Charakter hat sich nicht verändert.

Somit lässt sich je nach Spezifikation des oder der zu lösenden Solute die Gewichtung eines jeden Solvatations-Partners genau bestimmen.

In der Praxis bedeutet dies, dass je nach Art des zu lösenden Soluts (Reinigung, Extraktion, …) ein Lösungsmittel mit identischen physikalischen Merkmalen gewählt werden muss. Anhand dieser Grundkenntnisse lassen sich auch ohne größeren wissenschaftlichen Hintergrund eine Vielzahl der für den Einsatz von Lösungsmitteln unerlässlichen Eigenschaften einfach erklären.

Hier zeigt sich deutlich, dass es sich bei der Solvatation um einen rein physikalischen Vorgang handelt, der nichts mit einer wie auch immer gearteten chemischen Reaktion zu tun hat.

Einige interessante Links zu diesem Thema:

Informationen auf Französisch:

Informationen auf Englisch:

Diese physikalische Komponente der Solvatation, die übrigens bei allen Fettlösungsmitteln zum Tragen kommt, hat folgende zwei Auswirkungen auf den menschlichen Organismus:

- Lipidabbau (Fettverlust) innerhalb der oberen Schichten der Epidermis, der u.a. zu trockener und rissiger Haut führt.

- aktuer Rausch- und Betäubungszustand, der wie bei Ethylalkohol zunächst ein Hochgefühl und Euphorie hervorruft, und gefolgt von einer ausgeprägten Ruhephase bis hin zu Koma und Tod führen kann.

- chronische Auswirkungen: organische Psychosyndrome zusammen mit Gedächtnis- und Gemütsstörungen, sowie weiteren Störungen des zentralen Nervensystems.

Quelle: INRS (französisches Institut für wissenschaftliche Forschung)

Diese Phänomene sind auf die Sovatation der organischen Fette sowie die Wirkung der Lösungsmittel auf die Nervenbahnen zurückzuführen.

„noyau" = Zellkern

Das ist aber noch nicht alles! Unter einem anderen Blickwinkel betrachtet, sind die Moleküle des Lösungsmittels aber auch eigenständige chemische Stoffe, die gegenüber biochemischen Einheiten, aus denen sich der menschliche Organismus zusammensetzt, ihr spezifisches Reaktionspotenzial ausspielen können.

Die Moleküle des Lösungsmittels sind demzufolge in der Lage, unabhängig von ihren physikalischen Eigenschaften, im Rahmen der Solvatation chemische Eigenschaften auszubilden, die zu einer toxischen Wirkung auf den menschlichen Organismus führen können. Bestimmte chlorhaltige Lösungsmittel sind toxisch für die Leber, andere für die Nieren…

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Wünschen Sie nähere Informationen zu diesem Thema? Dann schauen Sie doch in nächster Zeit wieder bei uns rein.