En ionisk væske er en væske , der kun indeholder ioner . I den brede betydning af dette koncept er ioniske væsker alle smeltede salte , for eksempel smeltet natriumchlorid ved en temperatur over 800 grader Celsius . I øjeblikket betyder udtrykket "ioniske væsker" oftest salte , hvis smeltepunkt er lavere end kogepunktet for vand, det vil sige under 100 grader Celsius . Især salte , der smelter ved stuetemperatur, kaldes "RTIL" eller "Room-Temperature Ionic Liquids".
Hovedanvendelser: anvendt videnskab, bioteknologi , energi , kemi , raketvidenskab [1] . Ioniske væsker hører til de såkaldte "grønne opløsningsmidler", som svarer til principperne for grøn kemi . Nogle ioniske væsker, såsom 1-butyl-3-methylimidazoliumchlorid, er relativt effektive opløsningsmidler til cellulose . I klassiske opløsningsmidler sker denne proces kun under meget barske forhold. [2]
Den første publikation udkom i 1888. Gabriel berettede i den om ethanolammoniumnitrat, som har et smeltepunkt på 52−55 °C [3] . I 1914 opnåede Paul Walden den første ioniske væske med et smeltepunkt under stuetemperatur: ethylammoniumnitrat [EtNH 3 ] + [NO 3 ] − , som har et smeltepunkt på 12 °C [4] . Derefter blev ioniske væsker glemt for et stykke tid, og blev kun betragtet som en laboratorie-kuriositet. I 1951 opnåede Harley ioniske væsker fra chloraluminater, som han brugte til elektroaflejring af aluminium [5] . I 1963 rapporterede Yoke, at blandinger af kobber(I)chlorid med alkylammoniumchlorider ofte var flydende [6] . I 1967 brugte Swain tetra-n-hexylammoniumbenzoat til at studere kinetikken af elektrokemiske reaktioner. I perioden fra 1970'erne til 1980'erne blev chloraluminater brugt til spektro- og elektrokemiske undersøgelser af overgangsmetalkomplekser. I 1981 blev de for første gang brugt som opløsningsmiddel og katalysator samtidigt til at udføre Friedel-Crafts-reaktionen . I 1990 anvendte nobelpristageren Yves Chauvin ioniske væsker til tofaset katalyse [7] . I samme år brugte Osterjong ioniske væsker til polymerisation af ethylen med deltagelse af en Ziegler-Natta-katalysator [8] . Et gennembrud i forskningen kom i 1992, da Wilkes og Zavorotko, der arbejdede på eftersøgningen af nye elektrolytter til batterier , rapporterede produktionen af de første ioniske væsker, der er modstandsdygtige over for luft og fugt - imidazoliumsalte med anioner [BF 4 ] - og MeCO 2 - [9] . Derefter begyndte en aktiv undersøgelse af ioniske væsker. Antallet af publicerede artikler og bøger vokser konstant. I 2002 var der mere end 500 publikationer, i 2006 næsten 2000. Kemikalieforhandlere tilbyder nu et stort udvalg af kommercielt tilgængelige ioniske væsker. I 2009 tildelte det amerikanske energiministerium (DOE) et tilskud på 5,13 millioner dollars til Arizona startup Fluidic Energy til at bygge prototyper af holdbare metal-luft-batterier med en størrelsesorden større specifik kapacitet end lithium-ion-batterier. Elektrolyttens rolle bør ikke spilles af en vandig opløsning, men af en ionisk væske. Derfor fik den nye type batteri navnet Metal-Air Ionic Liquid Battery. [ti]
Ioniske væsker i fast tilstand er pulvere eller voksagtige stoffer af hvid eller gullig farve. I flydende tilstand er de farveløse eller med en gullig farvetone, som skyldes en lille mængde urenheder. En af de karakteristiske egenskaber ved ioniske væsker er deres høje viskositet , hvilket gør dem svære at arbejde med. Det vigtigste kendetegn ved ioniske væsker er deres lave smeltepunkt på grund af den steriske hindring af strukturen , hvilket komplicerer krystallisation . For eksempel smelter 1-ethyl-3-methylimidazoliumdicyanamid, [C 2 mim][N(CN) 2 ], ved T pl = -21 °C [11] , pyridiniumchlorid, [PyH]Cl, smelter ved T pl = 144,5 °C [12], men 1-butyl-3,5-dimethylpyridiniumbromid, [ N -butyl-3,5-dimethyl-Py]Br, forglasses kun under Tg = -24 °C. [13]
Ioniske væsker kan groft klassificeres som følger:
Syntesen af ioniske væsker kan reduceres til to trin: kationdannelse og anionbytning (når det er nødvendigt). Ofte er kationen kommercielt tilgængelig som et halogenidsalt , og det er kun tilbage at erstatte anionen for at opnå den ønskede ioniske væske.
Dannelsen af kationen kan udføres enten ved reaktion med en syre eller ved kvaternisering af en amin , phosphin eller sulfid . Til at udføre sidstnævnte anvendes ofte haloalkaner eller dialkylsulfater . Kvaterniseringsreaktionen er meget enkel - den originale amin (eller phosphin) blandes med det nødvendige alkyleringsmiddel, opvarmes under omrøring, i de fleste tilfælde uden opløsningsmiddel. Reaktionstiden og opvarmningstemperaturen afhænger af halogenalkanen. Reaktiviteten stiger fra klor til jod . Fluorderivater kan ikke opnås på denne måde.
Kan opdeles i to kategorier: den direkte reaktion af halogenidsalte med Lewis-syrer og metatese (udveksling) af anioner. Fremstilling af ioniske væsker ved omsætning af en Lewis-syre (oftest AlCl 3 ) med et halogenidsalt var den dominerende metode i de tidlige forskningsstadier.
For eksempel reaktionen med at opnå en ionisk væske ved omsætning af ethylmethylimidazoliumchlorid med aluminiumchlorid (Lewis-syre):
[EMIM] + Cl - + AlCl 3 → [EMIM] + AlCl 4 -
Betydningen af saltmetatesereaktionen er at danne et nyt par salte, der let kunne adskilles baseret på deres forskellige fysiske egenskaber. For eksempel opnåelse af sølvhalogenider ( som udfælder) eller syrer, som let kan adskilles ved at vaske den ioniske væske med vand (kun for vand-ublandbare ioniske væsker). For eksempel reaktionen af ethylmethylimidazoliumchlorid med hexafluorphosphorsyre
[EMIM] + Cl - + HPF 6 → [EMIM] + PF 6 - + HCl
Som et resultat af reaktionen dannes en ionisk væske, der er ublandbar med vand, og bi- produkt, saltsyre , forbliver opløst i vand.
På trods af letheden ved at opnå ioniske væsker i laboratoriet, er ikke alle metoder anvendelige i industriel skala på grund af deres høje omkostninger. Ioniske væsker markedsføres som "grønne opløsningsmidler", men de bruger ofte store mængder organiske opløsningsmidler i deres fremstilling , ofte til at fjerne halogener fra ioniske væsker. Alle disse mangler skal elimineres i overgangen til storskala synteser. For eksempel har Solvent Innovation foreslået, patenteret og producerer tonsvis af ionisk væske, som fik handelsnavnet ECOENG 212. Det opfylder alle kravene til grøn kemi: det er ikke-giftigt, det kan nedbrydes, når det frigives til miljøet, det gør det. ikke indeholder halogen urenheder, det gør ikke der anvendes opløsningsmidler, og ethylalkohol er det eneste biprodukt. [fjorten]
Da ioniske væsker ikke kan renses ved destillation ( deres mættede damptryk er næsten nul), renses udgangsforbindelserne i praksis, hvorfra den ioniske væske skal opnås. Teoretisk set er det muligt at fjerne eventuelle organiske urenheder fra den ioniske væske, da mange af sidstnævnte er modstandsdygtige over for opvarmning til meget høje temperaturer: de nedbrydes ikke op til 400 °C. Det er også muligt at rense ioniske væsker med aktivt kul efterfulgt af filtrering gennem en kort neutral aluminiumoxidsøjle . Vandet afdestilleres ved opvarmning i flere timer til 60 °C under reduceret tryk. I industrien er ioniske væskers evne til at blive renset til genbrug af afgørende betydning på grund af de høje omkostninger ved sidstnævnte. Effektiviteten varierer fra dårlig til meget god. [14] Der foreslås forskellige innovative metoder. For eksempel ekstraktion af produkter med superkritisk CO 2 [15] eller membranteknikker [16] . Derudover virker retningen for leasing af ioniske væsker til virksomheder til engangsbrug lovende. Således vil en virksomhed levere og rense opløsningsmidlet til en anden, hvilket vil spare penge ved at genbruge opløsningsmidlet.