Solvant : définition et propriétés

Ce qu'est un solvant, et ce que la définition implique

Un solvant est un liquide qui en dissout un autre corps sans réagir chimiquement avec lui. Le corps dissous porte le nom de soluté, l'ensemble forme une solution homogène, et le solvant en est par convention le constituant majoritaire. Cette définition paraît banale, mais elle exclut deux situations que l'on confond souvent avec la dissolution, la mise en suspension de particules solides, qui reste une dispersion, et l'attaque d'un métal par un acide, qui est une réaction et non une solvatation.

Le mécanisme repose sur un bilan énergétique. Dissoudre un composé exige de rompre les interactions qui tenaient ses molécules entre elles, puis de créer des interactions nouvelles entre chaque molécule isolée et celles du solvant. Le processus n'aboutit que si le second gain compense la première dépense. La règle empirique que tout chimiste connaît, semblable dissout semblable, n'est que la traduction pratique de ce bilan, un composé polaire trouvant ses partenaires dans un milieu polaire et un composé apolaire dans un milieu qui ne l'est pas.

Les grandeurs qui décrivent ce pouvoir de solvatation sont mesurables. Le moment dipolaire et la constante diélectrique décrivent la polarité globale, et l'écart entre liquides est considérable, la constante de l'eau valant environ 40 fois celle de l'hexane. Les paramètres de solubilité de Hansen vont plus loin en décomposant l'aptitude d'un liquide en trois contributions, dispersive, polaire et liaison hydrogène, ce qui permet de prévoir sur le papier si un couple donné sera miscible. En formulation, cette approche fait gagner un temps considérable et évite une série d'essais à l'aveugle.

Trois familles de solvants, et ce qui les sépare à l'usage

La classification la plus opérante en chimie repose sur la polarité et sur la présence d'un hydrogène susceptible d'être cédé.

• Les solvants polaires protiques, eau, alcools, acides carboxyliques. Ils donnent des liaisons hydrogène, solvatent très bien les ions et les composés polaires, et stabilisent les anions au point de les rendre moins réactifs. C'est un avantage pour dissoudre, un handicap pour faire réagir.
• Les solvants polaires aprotiques, acétone, acétonitrile, diméthylformamide, diméthylsulfoxyde. Ils solvatent les cations sans emprisonner les anions, ce qui laisse ces derniers disponibles. Une substitution nucléophile y est couramment 100 à 1 000 fois plus rapide que dans un alcool.
• Les solvants apolaires, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques, éthers de pétrole. Ils dissolvent les corps gras, les huiles et les composés organiques peu polaires, et servent en extraction, en dégraissage et en formulation de peintures.

À cette lecture s'ajoutent deux critères qui décident souvent du choix industriel avant même la polarité. La température d'ébullition commande la facilité d'élimination en fin d'opération, un liquide trop volatil s'évaporant en cours de procédé et un liquide trop lourd exigeant une distillation coûteuse. La viscosité et la tension superficielle gouvernent le mouillage et la pénétration dans une pièce complexe, ce qui compte autant que le pouvoir solvant lorsqu'il s'agit de nettoyage de précision.

Les liquides ioniques constituent une catégorie à part, formés d'ions et liquides à température ambiante. Leur tension de vapeur négligeable supprime le problème des émissions atmosphériques, avantage détaillé dans liquides ioniques à température ambiante. Leurs applications électrochimiques sont exposées dans applications des liquides ioniques en électrochimie, et le bilan d'ensemble entre promesse de laboratoire et réalité industrielle dans liquides ioniques, enjeux et défis, de la recherche à l'industrie.

Les usages industriels, bien au-delà de la synthèse

Le solvant est rarement le sujet d'un procédé, il en est presque toujours l'auxiliaire, et c'est ce qui explique qu'on le sous-estime. Sa masse dépasse pourtant celle du produit fabriqué dans la plupart des activités chimiques, et dans un procédé pharmaceutique il représente couramment plus de 80 % de la masse totale engagée.

• En synthèse organique, il met les réactifs en contact, dissipe la chaleur dégagée et fixe la température de travail par son point d'ébullition. Le choix pèse directement sur le rendement et sur la sélectivité.
• En extraction, il prélève sélectivement un composé d'une matrice, du végétal comme du minéral. La conduite de ces opérations sur matière végétale est traitée dans gaz liquéfiés comme solvants alternatifs appliqués à l'éco-extraction du végétal, et le cas des actifs cosmétiques dans extraction d'actifs cosmétiques.
• En purification, la cristallisation exploite une solubilité qui varie avec la température. Le solvant y décide de la forme cristalline obtenue, sujet développé dans polymorphisme et transition de phases solides en solution. En pharmacie, deux formes d'un même principe actif n'ont pas la même vitesse de dissolution dans l'organisme.
• En traitement de surface, il élimine huiles et graisses avant peinture ou traitement, opération décrite dans dégraissage. Un défaut de propreté à ce stade se paie par un décollement plusieurs mois plus tard.
• En formulation, peintures, encres, colles et vernis, il ajuste la viscosité à l'application puis s'évapore. Son départ conditionne le temps de séchage et la qualité du film.

La synthèse en phase fluorée, qui facilite la séparation en fin de réaction par simple décantation entre phases non miscibles, illustre une autre manière d'utiliser le milieu comme outil de séparation. Le principe est exposé dans tags et phases perfluorés pour la synthèse.

Risques des solvants, santé au travail et obligations réglementaires

Les propriétés qui rendent un solvant utile le rendent aussi dangereux. Sa volatilité, indispensable pour qu'il s'élimine, le rend inhalable. Son affinité pour les corps gras, indispensable pour qu'il dissolve, lui ouvre la barrière cutanée et le système nerveux. Les deux risques vont ensemble et ne se traitent pas séparément.

Les effets sur la santé sont documentés depuis des décennies. L'atteinte du système nerveux central est la plus commune, avec des troubles de la vigilance à court terme et des atteintes durables après une exposition répétée. S'y ajoutent les dermatoses de contact, l'atteinte hépatique et rénale pour certaines substances, et des classements cancérogènes ou reprotoxiques pour d'autres, le benzène et le trichloréthylène en tête. L'inflammabilité complète le tableau des dangers immédiats, un mélange de vapeurs et d'air pouvant s'enflammer bien en dessous de la température ambiante.

La prévention suit un ordre qui ne se négocie pas, et il vaut pour la manipulation de tous les produits chimiques. La substitution passe avant tout, remplacer la substance dangereuse par une moins dangereuse à service rendu égal. Vient ensuite le travail en vase clos, puis le captage à la source par ventilation localisée, la ventilation générale, et seulement en dernier ressort la protection individuelle. Un masque distribué en début de chantier ne compense jamais un poste mal conçu. Cette hiérarchie est celle du code du travail, et l'évaluation du risque chimique qui la précède s'appuie sur les fiches de données de sécurité de chaque produit.

Le volet environnement obéit à la même logique. Les composés organiques volatils participent à la formation d'ozone troposphérique et font l'objet de valeurs limites d'émission. Ils représentent plus de 50 % des rejets atmosphériques de nombreuses activités de transformation. Le suivi impose d'identifier les sources d'émission et de savoir où passe chaque kilogramme entrant dans l'atelier, méthode exposée dans bilan massique des émissions de COV. Cet exercice réserve souvent des surprises, les pertes diffuses dépassant fréquemment de 20 à 30 % les rejets canalisés que l'on mesure.

Solvants verts, ce que recouvre vraiment le terme

Le cinquième des douze principes de la chimie verte porte sur les auxiliaires de synthèse et invite à les supprimer ou à les rendre inoffensifs. Un solvant vert désigne un liquide dont le bilan complet, toxicité, origine, énergie de production et devenir en fin d'usage, s'avère meilleur que celui du produit remplacé, et aucun label n'en tient lieu. Le mot ne dispense donc pas de l'évaluation.

L'eau est le premier candidat, non toxique, ininflammable et disponible. Son emploi comme milieu réactionnel est plus large qu'on ne le croit, comme le montre chimie dans l'eau. Sa limite tient à la faible solubilité des composés organiques dans l'eau et au coût de traitement des effluents produits, qui pèse généralement plus lourd que l'économie réalisée sur l'achat du liquide.

Les biosolvants, issus de la biomasse, offrent une origine renouvelable et des profils toxicologiques souvent plus favorables. Leur conception et leur bilan environnemental sont détaillés dans biosolvants, conception, propriétés et aspects environnementaux. Les solvants eutectiques profonds, mélanges de deux solides qui deviennent liquides une fois associés, complètent la panoplie et sont présentés dans solvants eutectiques profonds, vers des procédés plus durables. Leur préparation simple et leur faible toxicité en font une piste sérieuse, encore freinée par une viscosité élevée.

La solution la plus efficace reste celle qui supprime le besoin. Recycler le solvant en boucle fermée, travailler sans milieu par mécanochimie, ou concevoir la réaction pour que le produit précipite de lui-même évitent l'arbitrage entre deux liquides également gênants. C'est le sens de la démarche, réduire la quantité mise en jeu avant de chercher à en changer la nature.