Ciecz jonowa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Przykład struktury cieczy jonowej: sześciofluorofosforan 1-butylo-3-metyloimidazoliowy (BMIM)

Ciecz jonowa – substancja ciekła składająca się wyłącznie z jonów. W sensie najbardziej ogólnym cieczami jonowymi są wszystkie stopione sole. Większość soli topi się jednak w wysokich temperaturach (np. chlorek sodu w 800 °C). Współcześnie mówiąc o cieczach jonowych ma się zwykle na myśli sole, które topią się poniżej 100 °C. Istnieją też sole, które topią się w temperaturach niższych niż pokojowe (poniżej 20 °C) i nazywane są one „niskotemperaturowymi cieczami jonowymi” (room-temperature ionic liquidsRTIL).

Budowa chemiczna[edytuj | edytuj kod]

Ciecze jonowe o niskich temperaturach topnienia składają się zazwyczaj z dużego i niesymetrycznego kationu (np.: 1-alkilo-3-metylimidazoliowy, 1-alkilopirydyniowy, N-metylo-N-alkilopirolidyniowy) oraz jednego z szerokiej gamy anionów. Proste aniony halogenkowe (np. chlorkowy) dają ciecze jonowe topiące się w stosunkowo wysokich temperaturach. Szczególnie popularne i badane są ciecze jonowe z anionami, w których występuje duża liczba atomów fluoru (BF4-, PF6-) oraz rozbudowanymi organicznymi (bis(trifluorometylosulfonylo)imidkowy, trifluorometanosulfonowy). Np. tetrafluoroboran 1-butylo-3-metyloimidazoliowy topi się w temperaturze –80 °C.

Właściwości i zastosowanie[edytuj | edytuj kod]

Głównymi zaletami cieczy jonowej są:

  • bardzo mała prężność par,
  • niepalność,
  • stabilność termiczna (nawet ponad 350 °C),
  • szeroki zakres występowania w stanie ciekłym (rzędu 400 °C),
  • szeroki zakres stabilności elektrochemicznej (tzw. okno elektrochemiczne)
  • zdolność rozpuszczania szerokiej i różnorodnej gamy substancji.

Istotną cechą cieczy jonowych jest łatwość przewidywania ich własności takich jak mieszalność z wodą lub rozpuszczalnikami organicznymi oraz temperatura topnienia. Własnościami tymi można sterować przez zmianę długości łańcuchów w kationach oraz rodzaju anionu. Z tego powodu ciecze jonowe są często nazywane projektowalnymi rozpuszczalnikami.

Ciecze jonowe są stosowane w chemii organicznej jako środowisko wielu przemysłowo prowadzonych reakcji chemicznych (m.in. reakcja Dielsa-Aldera i reakcja Friedla-Craftsa).

Są też stosowane w elektrochemii (elektroliza, ogniwa litowe, kondensatory elektrochemiczne). Ze względu na swoją znikomą lotność są one uważane za bezpieczne dla środowiska naturalnego i dlatego coraz częściej zastępują w wielu zastosowaniach tradycyjne rozpuszczalniki organiczne.

Historia cieczy jonowych[edytuj | edytuj kod]

Pierwszą ciecz jonową zsyntezował w 1914 r. P. Walden protonując przy pomocy kwasu azotowego etyloaminę. Otrzymał w ten sposób azotan etyloamoniowy (EAN), którego temperatura topnienia wynosi 14 °C[1].

W późnych latach 40. XX w. F. Hurley i T. Weir z Rice University odkryli, że można otrzymać ciecz jonową przez zmieszanie i ogrzanie chlorku etylopirydyniowego z chlorkiem glinu.

W latach 70. XX w. R.A. Osteryoung z North Carolina State University, Ch.L. Hussey z University of Mississippi i J.S. Wilkes z Chemistry Research Center z U.S. Air Force Academy prowadzili intensywne badania nad organicznymi chloroglinowymi cieczami jonowymi w celu zastosowania ich jako elektrolit w bateriach.

Aktywność badawcza w tej dziedzinie silnie wzrosła wraz z odkryciem w 1992 roku pierwszych cieczy jonowych stabilnych w obecności wilgoci i powietrza[2]. Pierwsze dostępne handlowo niskotemperaturowe ciecze jonowe pojawiły się na rynku w 1999.

Według raportu Instytutu Filadelfijskiego w latach 1994-2004 ukazało się ponad 2100 prac dotyczących cieczy jonowych[3].

W roku 2005 Y.U. Paulechka wraz ze współpracownikami obaliła dotychczasowy mit o nielotności cieczy jonowych[4], co zostało potwierdzone i szerzej zbadane przez L.P.N. Rebelo i współpracowników[5].

Przypisy

  1. P. Walden, Bull. Acad. Imp. Sci. (St. Petersburg) 8 (1914)405-422, Chem. Zentralbl., 1914, 1800, S. Sugden, H. Wilkins, Chem. Soc. (1929) 1291-1298.
  2. J.S. Wilkes, M.J. Zaworotko, J.Chem.Soc., Chem.Commun. 1992, 965; E.I. Cooper, E.J.M. O’Sullivan, in Molten Salts, R.J. Gale, G. Blomgren, and H. Kojima, Editors, PV 92-16, p. 386, The Electrochemical Society Proceedings Series, Pennington NJ (1992).
  3. raport ISI Essential Science Indicatorso cieczach jonowych.
  4. Y. U. Paulechka, i inni. Vapor pressure and thermal stability of ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)amide. „Thermochimica Acta”. 439, s. 158-160, 2005. doi:10.1016/j.tca.2005.08.035. 
  5. Martyn J. Earle, i inni. The distillation and volatility of ionic liquids. „Nature”. 439, s. 831-834, 2006. doi:10.1038/nature04451. 

Książki[edytuj | edytuj kod]

  • Hiroyuki Ohno (Editor), Electrochemical Aspects of Ionic Liquids (Wiley-VCH, Weinheim, 2005).
  • Ohno, H. (ed.), Ionic Liquids: The Front and Future of Material Development (CMC Press, Tokyo, 2003).
  • Wasserscheid, P. and Welton, T. (eds.), Ionic Liquids in Synthesis (Wiley-VCH, Weinheim, 2003).
  • Rogers, R.D. and Seddon, K.R. (eds.), Ionic Liquids as Green Solvents: Progress and Prospects, ACS Symp. Ser., Vol. 856 (American Chemical Society, Washington D.C., 2003).
  • Rogers, R.D., Seddon, K.R. and Volkov, S. (eds.), Green Industrial Applications of Ionic Liquids, NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, Vol. 92 (Kluwer, Dordrecht, 2002).
  • Rogers, R.D. and Seddon, K.R. (eds.), Ionic Liquids: Industrial Applications for Green Chemistry, ACS Symp. Ser., Vol. 818 (American Chemical Society, Washington D.C., 2002).

Artykuły przeglądowe[edytuj | edytuj kod]

  • van Rantwijk, F., Lau, R.M. and Sheldon, R.A., „Biocatalytic transformations in ionic liquids”, Trends in Biotechnology 21 (3), 131-138 (2003).
  • Marsh, K.N., Deev, A., Wu, A.C.T., Tran, E. and Klamt, A., „Room temperature ionic liquids as replacements for conventional solvents – A review”, Korean J. Chem. Eng. 19 (3), 357-362 (2002).
  • Sheldon, R.A., Lau, R.M., Sorgedrager, M.J., van Rantwijk, F. and Seddon, K.R., „Biocatalysis in ionic liquids”, Green Chem. 4 (2), 147-151 (2002).
  • Rooney, D.W. and Seddon, K.R., „Ionic liquids”, in Handbook of Solvents, Ed. G. Wypych (ChemTech Publishing, Toronto, 2001), s. 1459-1484.
  • Olivier, H., „Recent developments in the use of non-aqueous ionic liquids for two-phase catalysis”, J. Mol. Catal. A: Chem. 146 (1-2), 285-289 (1999).
  • Welton, T., „Room-Temperature Ionic Liquids. Solvents for Synthesis and Catalysis”, Chem. Rev. 99, 2071-2084 (1999).
  • Seddon, K.R., „Ionic liquids for clean technology: an update”, in Molten Salt Forum: Proceedings of 5th International Conference on Molten Salt Chemistry and Technology, Ed. H. Wendt, Vol. 5-6, 1998), s. 53-62.