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溶媒（ラテン語のsolvō、「緩める、解く、解決する」に由来）とは、溶質を溶解させて溶液を生成する物質のことです。溶媒は通常液体ですが、固体、気体、または超臨界流体の場合もあります。水は極性分子の溶媒であり、生物が使用する最も一般的な溶媒です。細胞内のすべてのイオンとタンパク質は、細胞内の水に溶解しています。
溶剤の主な用途は、塗料、塗料剥離剤、インク、ドライクリーニングです。[ 2 ]有機溶剤の具体的な用途としては、ドライクリーニング（例：テトラクロロエチレン）、塗料シンナー（トルエン、テレピン油）、マニキュアリムーバーおよび接着剤溶剤（アセトン、酢酸メチル、酢酸エチル）、シミ抜き剤（ヘキサン、石油エーテル）、洗剤（柑橘類テルペン）、香水（エタノール）などがあります。溶剤は、化学合成や精製プロセスを含め、化学、製薬、石油、ガス産業でさまざまな用途があります。
石油化学溶剤の中には毒性が非常に高く、揮発性有機化合物を放出するものがあります。バイオベースの溶剤は通常高価ですが、理想的には毒性が低く、生分解性があります。溶剤の製造に使用できるバイオ由来の原料としては、例えばリグノセルロース、デンプン、ショ糖などがありますが、他の産業からの廃棄物や副産物（テルペン、植物油、動物性脂肪など）も使用できます。[ 3 ]
ある物質が別の物質に溶解すると、溶液が形成されます。[ 4 ]これは、砂が水に溶けないなど、化合物が不溶性である場合とは対照的です。溶液では、すべての成分が分子レベルで均一に分布し、残留物は残りません。溶媒-溶質混合物は、懸濁液、乳化物、その他の非溶液混合物のように分離した連続相ではなく、すべての溶質分子が溶媒和物（溶媒-溶質複合体）として存在する単一相から構成されます。ある化合物が別の化合物に溶解する能力は溶解度として知られており、これがすべての割合で起こる場合、混和性と呼ばれます。[ 5 ]
混合に加えて、溶液中の物質は分子レベルで互いに相互作用します。何かが溶解すると、溶媒の分子が溶質の分子の周りに配置されます。熱伝達が関与し、エントロピーが増加するため、溶液は溶質と溶媒がそれぞれ単独で存在するよりも熱力学的に安定になります。この配置は、水素結合、双極子モーメント、分極率など、溶媒と溶質のそれぞれの化学的性質によって媒介されます。[ 6 ]溶媒和は、溶質の化学反応や化学構造の変化を引き起こしません。しかし、溶媒和は配位錯体形成反応に似ており、多くの場合、かなりのエネルギー（溶媒和熱と溶媒和エントロピー）を伴うため、中性プロセスとは程遠いものです。
ある物質が別の物質に溶け込むと、溶液が形成されます。溶液とは、溶質が溶媒に溶け込んだ均一な混合物です。溶質とは溶かされる物質であり、溶媒とは溶質を溶かす媒体です。溶液は、さまざまな種類や形態の溶質と溶媒を用いて形成することができます。
溶媒は大きく極性溶媒と非極性溶媒の2種類に分類できます。特殊な例として元素水銀があり、その溶液はアマルガムとして知られています。また、室温で液体である他の金属溶液も存在します。 [ 7 ]
一般的に、溶媒の誘電率は溶媒の極性の目安となる。水の強い極性は、88（0 ℃）という高い誘電率によって示される。[ 8 ]誘電率が15未満の溶媒は、一般的に非極性であると考えられている。[ 9 ]
誘電率は、溶媒に浸された荷電粒子の電場強度を部分的に打ち消す溶媒の傾向を測定するものです。この減少は、真空中の荷電粒子の電場強度と比較されます。 [ 9 ]経験的に、溶媒の誘電率は、溶質の有効内部電荷を減少させる能力と考えることができます。一般的に、溶媒の誘電率は、塩などの一般的なイオン化合物を溶解する溶媒の能力を予測するのに適した指標です。
誘電率は極性の唯一の指標ではありません。溶媒は化学者が化学反応を行ったり、化学的・生物学的現象を観察したりするために用いられるため、より具体的な極性の指標が必要となります。これらの指標のほとんどは、化学構造に敏感です。
グルンワルド・ワインスタインmYスケールは、化学反応中に溶質の正電荷の蓄積に対する溶媒の影響という観点から極性を測定する。
コソワーのZスケールは、溶媒が塩（通常はヨウ化ピリジニウムまたは両性ピリジニウムイオン）のUV吸収極大に及ぼす影響に基づいて極性を測定する。 [ 10 ]
ドナー数とドナーアクセプター尺度は、溶媒が強ルイス酸や強ルイス塩基などの特定の物質とどのように相互作用するかという観点から極性を測定します。 [ 11 ]
ヒルデブランドパラメータは、凝集エネルギー密度の平方根です。非極性化合物には使用できますが、複雑な化学反応には対応できません。
極性に応じて色が変わる溶媒和発色性色素であるライヒャルト色素は、E T (30) 値のスケールを与えます。E Tは、基底状態と最低励起状態間の遷移エネルギー (kcal/mol) であり、(30) は色素を識別します。ナイルレッドでは、これとほぼ相関のある別のスケール ( E T ( 33 )) を定義できます。
グレゴリーの溶媒ϸパラメータは、量子化学的に導出された電荷密度パラメータです。[ 12 ]このパラメータは、静電的基礎に基づくこの電荷分解分析アプローチを使用して、多くの実験的な溶媒パラメータ（特にドナー数とアクセプター数）を再現しているようです。ϸパラメータは、もともと多原子イオンと単原子イオンを統一的に定量化することによって、ホフマイスター系列を定量化および説明するために開発されました。
溶媒の極性、双極子モーメント、分極率、および水素結合は、どのような種類の化合物を溶解できるか、またどのような他の溶媒や液体化合物と混和できるかを決定します。一般的に、極性溶媒は極性化合物を最もよく溶解し、非極性溶媒は非極性化合物を最もよく溶解します。したがって、「似たものは似たものを溶かす」のです。砂糖（例えばショ糖）のような強い極性化合物や、無機塩（例えば食塩）のようなイオン性化合物は、水のような非常に極性の高い溶媒にのみ溶解し、油やワックスのような強い非極性化合物は、ヘキサンのような非常に非極性の有機溶媒にのみ溶解します。同様に、水とヘキサン（または酢と植物油）は互いに混和せず、よく振ってもすぐに2つの層に分離します。
極性は、さまざまな寄与に分離することができます。例えば、カムレット・タフトパラメータは、双極性/分極率（π*）、水素結合酸性度（α）、および水素結合塩基性度（β ）です。これらは、溶媒中の3～6種類の溶媒和発色性色素（通常はライヒャルト色素、ニトロアニリン、ジエチルニトロアニリンを含む）の波長シフトから計算できます。別の方法として、ハンセン溶解度パラメータは、凝集エネルギー密度を分散力、極性、および水素結合の寄与に分離します。
誘電率（より正確には相対静的誘電率）が 15 より大きい溶媒（つまり極性または分極可能な溶媒）は、さらにプロトン性溶媒と非プロトン性溶媒に分類できます。水などのプロトン性溶媒は、水素結合を介してアニオン（負に帯電した溶質）を強く溶媒和します。アセトンやジクロロメタンなどの極性非プロトン性溶媒は、大きな双極子モーメント（同じ分子内の部分的な正電荷と部分的な負電荷の分離）を持つ傾向があり、負の双極子を介して正に帯電した種を溶媒和します。[ 13 ]化学反応では、極性プロトン性溶媒の使用はS N 1反応機構を促進し、極性非プロトン性溶媒はS N 2反応機構を促進します。これらの極性溶媒は水と水素結合を形成して水に溶解することができますが、非極性溶媒は強い水素結合を形成することができません。
溶媒は、非極性溶媒、極性非プロトン性溶媒、極性プロトン性溶媒の3つのグループに分類され、各グループは極性の強い順に並べられています。水よりも極性が高い溶媒は太字で示されています。
ACSグリーンケミストリー研究所は、溶媒特性の主成分分析に基づく溶媒選択ツールを維持している。[ 16 ]
ハンセン溶解度パラメーター( HSP) 値[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]は、分散結合(δD)、極性結合(δP)、および水素結合(δH)に基づいています。これらには、他の溶媒やポリマー、顔料、ナノ粒子などとの分子間相互作用に関する情報が含まれています。これにより、例えば溶媒とポリマーの間で HSP の一致が良好であることがわかっている場合、合理的な配合が可能になります。また、「良い」溶媒 (溶質を溶解するのに効果的) が「悪い」溶媒 (高価または健康や環境に有害) に対して合理的な代替を行うこともできます。次の表は、「非極性」、「極性非プロトン性」、「極性プロトン性」の直感を数値化したものを示しています。「極性」分子は δP の値が高く、プロトン性溶媒は δH の値が高いです。数値が使用されているため、数値を比較することで合理的な比較を行うことができます。例えば、アセトニトリルはアセトンよりもはるかに極性が高いが、水素結合の強さはわずかに低い。
環境上の理由またはその他の理由で、同等の溶解性を持つ別の溶媒または溶媒混合物に置き換える必要がある場合は、それぞれのハンセン溶解度パラメータに基づいて置換を行うことができます。混合物の値は、純粋な溶媒の値の加重平均として取得されます。これは、試行錯誤、値のスプレッドシート、または HSP ソフトウェアによって計算できます。[ 17 ] [ 18 ]トルエンと1,4-ジオキサンの 1:1 混合物のδD、δP、および δH 値はそれぞれ 17.8、1.6、および 5.5 であり、クロロホルムの17.8、3.1、および 5.7 とほぼ同等です。トルエン自体に関連する健康被害のため、完全な HSP データセットを使用して他の溶媒混合物を見つけることができます。
沸点は蒸発速度を左右する重要な性質です。ジエチルエーテル、ジクロロメタン、アセトンなどの低沸点溶媒は少量であれば室温で数秒で蒸発しますが、水やジメチルスルホキシドなどの高沸点溶媒は、速やかに蒸発させるためにはより高い温度、空気の流れ、または真空状態が必要となります。
ほとんどの有機溶媒は水よりも密度が低いため、水よりも軽く、水の上に層を形成します。ただし、ジクロロメタンやクロロホルムなどのハロゲン化溶媒の多くは例外で、容器の底に沈み、水が上層になります。化学合成において分液漏斗を用いて化合物を溶媒と水に分配する際には、この点を覚えておくことが非常に重要です。
比重は密度の代わりに用いられることが多い。比重は、溶媒の密度を同じ温度における水の密度で割った値として定義される。そのため、比重は無次元の値である。比重を用いることで、水に溶けにくい溶媒が水と混合した際に浮く（比重＜1.0）か沈む（比重＞1.0）かを容易に判断できる。
多成分溶剤は第二次世界大戦後、ソ連で登場し、旧ソ連諸国でも引き続き使用・製造されている。これらの溶剤は一つまたは複数の用途を持つ場合があるが、万能な製剤ではない。
ほとんどの有機溶剤は、揮発性に応じて可燃性または非常に可燃性です。ジクロロメタンやクロロホルムなどの一部の塩素系溶剤は例外です。溶剤蒸気と空気の混合物は爆発する可能性があります。溶剤蒸気は空気より重いため、底に沈み、ほとんど希釈されずに長距離を移動することができます。溶剤蒸気は、一見空に見えるドラム缶や缶の中にも存在し、引火の危険性があります。そのため、揮発性溶剤の空容器は、蓋を開けたまま逆さまにして保管する必要があります。
ジエチルエーテルと二硫化炭素はどちらも発火点が非常に低いため、これらの溶剤に関連する火災リスクが大幅に高まります。二硫化炭素の発火点は100 ℃（212 °F）未満であるため、蒸気管、電球、ホットプレート、消火直後のブンゼンバーナー などの物体でも、その蒸気に引火する可能性があります。
さらに、メタノールなどの溶剤の中には、非常に高温の炎で燃焼するものがあり、照明条件によっては炎がほとんど見えない場合があります。[ 25 ] [ 26 ]これにより、炎が他の物質に燃え移るまで、危険な火災をタイムリーに認識することが遅れたり、妨げられたりする可能性があります。
ジエチルエーテルやテトラヒドロフラン（THF）などのエーテル類は、酸素と光にさらされると、非常に爆発性の高い有機過酸化物を生成する可能性がある。通常、THFはジエチルエーテルよりもこのような過酸化物を生成しやすい。最も過酸化物を生成しやすい溶媒の一つはジイソプロピルエーテルであるが、すべてのエーテル類は過酸化物生成源となる可能性があると考えられている。
ヘテロ原子（酸素）は、別のフリーラジカルによる水素原子の引き抜きによって生成されるフリーラジカルの形成を安定化させる。このようにして生成された炭素中心のフリーラジカルは、酸素分子と反応して過酸化物化合物を生成することができる。過酸化物の生成過程は、わずかな光にさらされるだけでも大きく加速されるが、暗所でもゆっくりと進行する。
過酸化物を分解できる乾燥剤を使用しない限り、過酸化物は沸点が高いため、蒸留中に濃縮されます。十分な量の過酸化物が生成されると、容器や瓶の口に結晶性の衝撃に弱い固体沈殿物を形成することがあります。容器の内側をこすったり、沈殿物を剥がしたり、キャップをひねったりといった軽微な機械的刺激でも、過酸化物が爆発するのに十分なエネルギーを与えてしまう可能性があります。
過酸化物の生成は、新しい溶媒をすぐに使い切る場合には大きな問題にはなりませんが、1本のボトルを使い切るのに何年もかかるような研究室では、より深刻な問題となります。少量しか使用しない研究者は、過酸化物を生成しやすい溶媒を少量だけ購入し、古い溶媒は定期的に廃棄する必要があります。
爆発性の過酸化物生成を避けるため、エーテルは光を避けて密閉容器に保管する必要があります。光と空気の両方が過酸化物生成を促進する可能性があるためです。[ 27 ]
エーテル中の過酸化物の存在を検出するために使用できる試験はいくつかありますが、その一つは硫酸鉄(II)とチオシアン酸カリウムの組み合わせを使用する方法です。過酸化物はFe2 +イオンをFe3 +イオンに酸化することができ、その後、チオシアン酸塩と濃い赤色の配位錯体を形成します。
過酸化物は、酸性硫酸鉄(II)で洗浄するか、アルミナを通して濾過するか、またはナトリウム/ベンゾフェノンから蒸留することによって除去できます。アルミナは過酸化物を分解しますが、一部はそのまま残る可能性があるため、適切に廃棄する必要があります。[ 28 ]ナトリウム/ベンゾフェノンを使用する利点は、水分と酸素も除去されることです。[ 29 ]
溶剤への曝露に関連する一般的な健康被害には、神経系への毒性、生殖障害、肝臓および腎臓の損傷、呼吸障害、癌、難聴[ 30 ] [ 31 ]、皮膚炎[ 32 ]などがある。
多くの溶剤は、大量に吸入すると突然の意識喪失を引き起こす可能性があります。 [ 33 ]ジエチルエーテルやクロロホルムなどの溶剤は、麻酔薬、鎮静剤、催眠薬として長年医療で使用されてきました。多くの溶剤（ガソリンや溶剤系接着剤など）は、接着剤吸引などの娯楽目的で乱用されており、神経毒性や癌などの有害な長期的な健康影響を伴うことがよくあります。下請け業者が1,5-ペンタンジオールを精神活性物質である1,4-ブタンジオールに不正に置き換えたことが、 Bindeez製品のリコールの原因となりました。[ 34 ]
エタノール（穀物アルコール）は広く使用され乱用されている精神活性薬です。摂取すると、メタノール、1-プロパノール、エチレングリコールなどのいわゆる「毒性アルコール」（エタノール以外）は、毒性アルデヒドと酸に代謝され、致命的な代謝性アシドーシスを引き起こす可能性があります。[ 35 ]一般的に入手可能なアルコール溶剤であるメタノールは、摂取すると永久的な失明または死に至る可能性があります。フラッキング液に使用される溶剤2-ブトキシエタノールは、低血圧と代謝性アシドーシスを引き起こす可能性があります。 [ 36 ]
慢性的な溶剤曝露は、溶剤蒸気の吸入、または希釈された溶剤の摂取が長期間にわたって繰り返されることによって引き起こされることが多い。
溶剤の中には、肝臓、腎臓、神経系、脳などの内臓を損傷するものがあります。一部の溶剤に長期間または繰り返し曝露されることによる脳への累積的な影響は、慢性溶剤誘発性脳症（CSE）と呼ばれます。[ 37 ]
作業環境における有機溶剤への慢性的な曝露は、さまざまな有害な神経精神医学的影響を引き起こす可能性があります。たとえば、有機溶剤への職業的曝露は、アルコール依存症に苦しむ塗装工の数の増加と関連付けられています。[ 38 ]エタノールは、多くの溶剤と組み合わせて摂取すると相乗効果を発揮します。たとえば、トルエン/ベンゼンとエタノールの組み合わせは、どちらかの物質単独よりも大きな吐き気/嘔吐を引き起こします。
有機溶剤の中には、白内障を引き起こすことが知られているものや疑われているものがある。芳香族炭化水素、脂肪族炭化水素、アルコール、エステル、ケトン、テルペンの混合物は、眼の水晶体に白内障が発生するリスクを大幅に高めることがわかっている。 [ 39 ]
誘発される健康影響の主な経路は、溶剤、特に塩素系溶剤の流出や漏洩によって、地下の土壌に到達することです。溶剤は容易にかなりの距離を移動するため、広範囲にわたる土壌汚染が発生することは珍しくありません。これは、帯水層が影響を受ける場合、特に健康リスクとなります。 [ 40 ] 広範囲にわたる地下溶剤汚染のある場所からは、蒸気の侵入が発生する可能性があります。 [ 41 ]