離子液體(ionic liquid)（一）

離子液體(ionic liquid)（一）
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

離子液體(IL)為一種液態的鹽類，在 1970 年代電化學教科書中探討的離子液體，其範圍從鹼金族的矽酸鹽及鹵化物到四級銨鹽都有，現今離子液體主要是指熔點低於 $$100^\circ C$$ 的鹽類物質，以便與過去所稱的高溫熔融態離子化合物做區隔。

常溫常壓下的液態物質如水或汽油等，是由分子化合物組成，而離子液體則是由離子或短暫存在(short-lived）的離子對所構成。因此離子液體有許多不同的稱呼，如：液體電解質(liquid electrolytes)、離子性熔融物(ionic melts)、離子性流體(ionic fluids)、融合鹽(fused salts)、液態鹽(liquid salts)或離子玻璃(ionic glasses)等。

離子液體最重要的特徵有二，其一是它的低蒸氣壓，相較於易揮發的有機溶劑，它對環境的危害相對較低；其二是它的比電導率(specific conductivity)中等，通常與水溶液態的電解質相近。這類的系統可作為有機反應中優良的溶劑與催化劑，以及應用在如電化學沉積(electrodeposition)等簡單的程序。我們也可應用離子液體在其所處環境成液態及低蒸氣壓的特性，將其作為電池的密封劑（sealants）。

任何鹽類熔化後若未分解或蒸發，通常就能產生離子液體。以氯化鈉為例，其溫度在 $$801^\circ C$$ 時變成液態，此狀態時液體中含有大量的鈉離子與氯離子，相反地，當離子液體降溫後常形成結晶狀（crystalline）或玻璃態（glassy）的離子固體。

離子鍵的強度通常比凡得瓦力大很多，因此大部份的鹽類只能在高溫時才呈現液體狀態，有些則是在室溫或室溫以下呈液態，如：1-乙基-3 -甲基-咪唑氰胺（1-Ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide），$$\bf{(C_2H_5)(CH_3)C_3H_3{N_2}^+\cdot N(CN{)_2}^-}$$ 熔點為 $$-21^\circ C$$，而1-butyl-3,5-dimethylpyridinium bromide 熔點為 $$-24^\circ C$$。

低溫離子液體（low-temperature ionic liquids）不同於離子性溶液（ionic solutions），後者是液體中同時含有離子與中性分子。此外離子液體也與所謂深共熔溶劑(deepeutectic solvent,DES) 不同，後者是離子性與非離子性固態物質的混合物，其熔點比純物質低得多，例如某些硝酸鹽的混合物其熔點可低於 $$100^\circ C$$。

常見的離子液體 $$\bf{[BMIM]PF_6}$$(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate )的化學結構如圖一所示：

圖一

歷史

1914 年 Paul Walden 就已合成出常溫離子液體ethylammonium nitrate $$\bf{(C_2H_5)N{H_3}^+\cdot N{O_3}^-}$$，熔點為 $$12^\circ C$$。

到了 1970 及 1980 年代，電池中的電解質開始應用結合烷基咪唑(imidazolium)陽離子或吡啶(pyridinium)陽離子，以及鹵素離子或四鹵化鋁陰離子構成的離子液體。四鹵化鋁烷基咪唑鹽類之主要特徵是，其物理性質，如：黏滯性、熔點及酸性(acidity)等，可以藉由改變烷基、咪唑/吡啶與鹵素離子/四鹵化鋁離子的比例來調整。

到了 1992 年，Wikes 與 Zawarotko 製得中性的弱配位共價陰離子，例如 $$\bf{P{F_6}^-}$$ 以及 $$\bf{B{F_4}^-}$$，帶來更廣泛的應用。

近來則發展出一系列在空氣及濕氣中安定的、中性離子液體。相關的研究則從六氟化磷鹽類及四氟化硼鹽類轉移到毒性較低的替代物，例如：bistriflimide $$\bf{[(CF_3SO_2)_2N]^-}$$。尋找較低毒性的陽離子也不斷進展，像是銨鹽類的化合物可當作鷹架(scaffold)，其彈性與咪唑相當。

連結：離子液體(ionic liquid)（二）

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。