離子液體(ionic liquid)（二）

離子液體(ionic liquid)（二）
國立臺灣師範大學附屬中學二年級1306班蔡威任/國立臺灣師範大學附屬中學化學科陳昭錦老師

連結：離子液體(ionic liquid)（一）

離子液體的特性

離子液體的導電度相較於很差的導體而言算是中等，不游離(non-ionizing)，黏滯性高，蒸氣壓通常很低。其他的性質則較具歧異性，多半可燃性低、熱安定性優異、液態存在的溫度範圍廣、在許多極性或非極性的化合物有令人滿意的溶解特性。

在許多類型的化學反應中，例如： Diels-Alder 反應及 Friedel-Crafts 反應，離子液體可作為溶劑。近來的研究中，離子液體也當作生物催化反應中的溶劑。離子液體與水或其他有機溶劑的互溶性隨陽離子的支鏈長度及陰離子種類而變化。它們可扮演酸、鹼或是配位基的角色，也可在製備穩定的碳烯(carbenes)時當作前驅物(precursor salts)。

由於離子液體這些與眾不同的特性，在各領域如有機化學、電化學、催化、物理化學以及工程學都日益受矚目，磁性離子液體就是很好的例證。

離子液體的酸鹼性及其與水的交互作用

簡單的鹽類如 $$\bf KCl$$ 可視為元素間發生電子轉移的產物，有機的鹽類則可視為酸與鹼之間的質子轉移。例如：陽離子 $$\mathrm{EMIM^+}$$ 是鹼 $$\mathrm{HMIM^+}$$ 的烷基化；陰離子 $$\bf {NO_3}^-$$、$$\bf {AlCl_4}^-$$、$$\bf{PF_6}^-$$ 則衍生自路易斯酸鹼反應，反應式如下：

$$\mathrm{O^{2-}+N_2O_5\rightarrow 2{NO_3}^-}$$

$$\mathrm{Cl^{-}+AlCl_3\rightarrow {AlCl_4}^-}$$

$$\mathrm{F^{-}+PF_5\rightarrow {PF_6}^-}$$

對於路易斯中性的離子而言，也可以加入路易斯酸形成酸性的陰離子，例如：$$\bf {Al_2Cl_7}^-$$、$$\bf {Sb_2F_{11}}^-$$、$$\bf {HBr_2}^-$$ 等。由此我們可以製得路易斯鹼性的、中性的或是酸性的離子液體，例如鹵化鋁的鹽類。

若在離子液體中加入水或是製備離子液體時未完全除水會如何呢?

1. 有些陰離子，例如：$$\bf {AlCl_4}^-$$、$$\bf {HCl_2}^-$$ 會不可逆地解離。
2. 水可能會明顯地緊貼著其中一種離子。
3. 水或許會使該液體溶解，直到形成飽和的鹽類溶液。
4. 在高溫時，有些離子團例如：$$\bf {Li(H_2O)_p}^+Cl^-$$ 可能會分解為 $$\bf LiOH$$ 與 $$\bf HCl$$。

離子液體的電化學

離子液體可作為電化學反應中的溶劑，常見的氧化還原反應如下：

1. 陽離子還原
   例：$$\mathrm{K^++e^-\rightarrow K}$$
   $$\mathrm{BMIM^++e^-\rightarrow BMIM\rightarrow BMIM_2\rightarrow}$$
2. 陰離子還原
   例：
   $$\mathrm{{NO_3}^-+2e^-\rightarrow {NO_2}^-+O^{2-}}$$
   $$\mathrm{{O}^{2-}+{NO_3}^-\rightarrow {NO_2}^-+O^{2-}}$$
   $$\mathrm{{CO_3}^{2-}+4e^-\rightarrow C+3O^{2-}}$$
   $$\mathrm{{Al_2Cl_7}^-+3e^-\rightarrow Al+{AlCl_4}^-+3Cl^-}$$
3. 陰離子氧化
   例：
   $$\mathrm{{2SO_4}^{2-}\rightarrow 2SO_3+O_2+4e^-}$$
   $$\mathrm{{2CO_3}^{2-}\rightarrow 2CO_2+O_2+4e^-}$$
   $$\mathrm{{2BF_4}^-\rightarrow 2BF_3+F_2+2e^-}$$
   $$\mathrm{F_2+BMIM^+\rightarrow C_nF_{n+2}}$$
4. 質子反應
   例：
   $$\mathrm{{NO_3}^-+H_2O+2e^-\rightarrow {NO_2}^-+2OH^-}$$
   $$\mathrm{{2HCl_2}^-+2e^-\rightarrow H_2+4Cl^-}$$

離子液體可應用在化學工業、製藥、纖維素製程、氣體處理、核燃料處理、太陽能、電池及廢棄物處理等各方面。

參考資料：

1. Ionic liquid。檢索日期 2013/04/02，http://en.wikipedia.org/wiki/Ionic_liquid
2. Keith E.Johnson (2007). What’s an ionic liquid ? The Electrochemical Society      Interface, Spring, 38-40。