2016年3月7日

液態的鹽—常溫離子液體

作者/甘魯生〈前中研院化學所研究員,前大同大學講座教授。臺大化學系學士,美國杜肯大學博士。退休後熱衷於綠色化學及永續能源的推廣。〉

在二月號綠色溶劑專輯中我們對揮發性有機溶劑、超臨界流體及水已有初步的認識,本文旨在談一談離子液體,尤其是常溫下離子液體(room-temperature ionic liquid, RTIL)做為溶劑的方方面面。在溶劑應用上RTIL是後起之秀,雖然其發現可以追溯至1912年,但開始受到重視是在1980年之後,大家對它也許不如其他溶劑來得熟悉,所以在此加以闡述。


RTIL是說離子化合物質的熔融狀態在常溫下存在,也就是以液體呈現。這和我們在常識中無機鹽結晶物能成熔融狀態的條件大相徑庭,因為我們在日常接觸到的無機鹽類都是固體。以食鹽(氯化鈉)為例,若要將其轉換成液態(電解提煉鈉金屬之所必需),需加熱到801℃以上才能辦得到。這是因為無機鹽正負離子在晶格中排列緊密,正負離子間吸引力強之結果,試以下圖說明之。

圖左側是無機鹽晶體結構,由大的負離子和小的正離子組成,正負離子間距離短,對稱性強,因此正負離子吸引力強,需較高能量才能打破晶體結構成分子自由轉動的液體。圖右側是RTIL的晶體構造,它是由一有機物正離子及一個帶有非定域(delocalized,即電子並非侷限於分子中某一原子的化學鍵上,能在鄰近的數個原子的化學鍵上遊走)電荷的負離子團(鹵素離子除外)組成。正離子構造上通常含氮原子,如胺類、氨基化學物(烷、烴和雜環),所以它們的體積較金屬離子為大,構造也往往無對稱性;含非定域電荷的負離子和無機鹽則一樣大。正負離子的電荷分配在較大的區域,這些因素拉長正負離子間的距離,所以晶格的引力較無機鹽為弱。換句話說就是RTIL 的晶格的構造不如無機鹽來得緊密,所以其熔點(固化溫度)下降。......【更詳細的內容請見科學月刊第555期】


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