Ioonne vedelik

Allikas: Vikipeedia
Merge-arrow.svg
See artikkel on esitatud liitmiseks artikliga Ioonvedelikud. Lisainfot artikli arutelust
Merge-arrow.svg
See artikkel on esitatud liitmiseks artikliga Ioonse vedeliku puhastamine. Lisainfot artikli arutelust
1-butüül-3-metüülimidasool (BuMeIm) ja heksafluorofosfaat.
Enamkasutatavad katioonid ioonsete vedelike kontekstis.

Ioonne vedelik on vedelas olekus sool. Vahel kasutatakse ioonse vedeliku terminit soolade puhul, mille sulamistemperatuur on alla 100 ºC. Enamasti on need kvaternaarsed ammooniumi või imidasooliumi soolad, mis esinevad toatemperatuuril vedelas olekus. Kui tavalised vedelikud, nagu vesi või bensiin, koosnevad põhiliselt elektriliselt neutraalsetest molekulidest, siis ioonsed vedelikud koosnevad ioonidest ja ioonpaaridest. Selliseid aineid nimetatakse veel ka elektrolüütideks, ioonseteks sulamiteks, sulanud sooladeks, vedelateks sooladeks või ioonseteks klaasideks.

Ioonsetele vedelikele on palju rakendusi, näiteks tugevate lahustitena ja elektrolüütidena. Toatemperatuuril vedelad soolad on olulised patareides.

Iga sool, mis sulamisel ei lagune või ei aurustu, annab enamasti ioonse vedeliku. Näiteks keedusool (NaCl) sulab 801 °C juures vedelikuks, mis koosneb naatriumi katioonidest (Na+) ja kloori anioonidest (Cl-). Jahtudes moodustab aga ioonne vedelik ioonse tahkise, mis on kas kristall või klaas.

Selliste vedelike kasutamist piirab tihti tundlikkus vee suhtes. Ioonsetel vedelikel on rida spetsiifilisi omadusi, mis lubavad neid kasutada uute tehnoloogiliste lahenduste väljaarendamisel:

  • Need on vedelas olekus laias temperatuurivahemikus (tüüpiliselt -40 ºC kuni 200 ºC , mõned kuni 350 ºC).
  • Need segunevad mitmete orgaaniliste lahustitega.
  • Need on suurepärased solvendid: on võimelised lahustama orgaanilisi, anorgaanilisi ja metallorgaanilisi ühendeid.
  • Need on väga heade elektriliste omadustega: neil on suur juhtivus, lai elektrokeemiliste potentsiaalide vahemik ja nad on madaltemperatuursed elektrolüüdid.
  • Mitmed ioonsed vedelikud (põhiliselt kloriide sisaldavad) võivad samaaegselt olla nii katalüsaatoriks kui ka reaktsiooni keskkonnaks.

Madaltemperatuursed ioonsed vedelikud on võrreldavad ioonsete lahustega (vedelikud, mis sisaldavad nii ioone kui ka neutraalseid aatomeid), eriti eutektilise lahusega (iooniliste ja mitteiooniliste tahkiste segu, mille sulamistemperatuur on palju madalam kui puhastel ainetel).

Vedelaid sooli on lihtne valmistada ning võimalik on varieerida nende keemilist koostist, anioonset ja katioonset osa eraldi. Anioonidena on enamkasutatavad näiteks heksafluorofosfaat PF6-, tetrafluoroboraat BF4-, tetrakloroalumiinium AlCl4-, bis(trifluorometüülsulfonüül)amiid (F3CSO2)2N-, trifluorometaansulfonaat (triflaat) F3CSO3-.

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Termin ioonne vedelik võeti kasutusele 1943. aastal. Esimese ioonse vedeliku avastamise aeg pole kindel. Aastal 1888 leidsid S. Gabriel ja J. Weiner etanoolamiiniumnitraadi, mille sulamistemperatuur on 52 kuni 55 ºC. Esimene toatemperatuurne ioonne vedelik oli etüülamoonimnitraat (C2H5)NH+3NO3-, mille sulamistemperatuur on 12 ºC, ning mille sünteesis 1914. aastal Paul Walden. [1] 1970ndatel ja 1980ndatel sünteesiti elektrolüütpatareide tarbeks ioonseid vedelikke, mis baseerusid alküülimidasooliumi ja püriidiumi katioonidel ning haliidide ja tetrahalogenaluminaatide anioonidel. [2] [3]

Imidasoolhalogenoaluminaadi sooladele on iseloomulik, et nende mitmed omadused (viskoossus, sulamistemperatuur ja happelisus) on muudetavad. Seda tehakse alküülasendusrühmasid ja imidasooli ning halogenaluminaatide vahekordi varieerides. [4] Kaks põhilist kitsaskohta paljudele rakendustele on olnud niiskustundlikkus ning happelisus/aluselisus. 1992. aastal õnnestus Wilkesil ja Zawarotkol saada ioonsed vedelikud, millel olid neutraalsed nõrgalt koordineeruvad anioonid, nagu näiteks heksafluorofosfaat (PF6-) ja tetrafluoroboraat (BF4-), ning millel oli oluliselt rohkem rakendusi. [5] Uuringutes otsitakse heksafluorofofaadile ja terafluioroboraadile vähemtoksilisi alternatiive, näiteks bistriflimiidid [(CF3SO2)2N], ning täielikult üritatakse vältida [halogeniidid|halogeniidseid] ühendeid. Aina rohkem kasutatakse ka vähemtoksilisi katioone nagu näiteks ammooniumi soolasid, mis on sama mitmekülgsed kui imidasool.

Omadused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ioonnsed vedelikud on sageli hea elektrijuhtivusega, mitteioniseerivad, väga viskoossed ning madala aururõhuga. Muude omaduste poolest leidub väga erinevaid ioonseid vedelikke: põlevaid, termiliselt stabiilseid, suures temperatuuriulatuses vedelaid, sobivate solveerivate omadustega väga erinevatele ühenditele.

Mitmeid keemilisi reaktsioone, näiteks Dielsi-Alderi reaktsioon ja Friedeli-Craftsi reaktsioon, saab läbi viia kasutades ioonseid vedelikke lahustitena. Uurimused on näidanud, et ioonsed vedelikud lahustavad biokatalüsaatoreid. [6] Ioonsete vedelike segunemine veega või orgaaniliste lahustega sõltub katiooni kõrvalahela pikkusest ja aniooni valikust. Neid varieerides saab vedeliku panna käituma happe, aluse või ligandina. Nende eriliste omaduste pärast, leiavad ioonsed vedelikud aina rohkem kasutust sellistes erinevates valdkondades, nagu orgaaniline keemia, elektrokeemia, katalüsaatorid, füüsikaline keemia ja inseneriteadus.

Hoolimata ülimadalast aururõhust (≈10-10 Pa 25 ºC juures), saab osa ioonseid vedelikke destilleerida vaakumis ligi 300 ºC juures. [7] Mõned ioonsed vedelikud (näiteks 1-butüül-3-metüülimidasooliumnitraat) tekitavad termolüüsi käigus süttivaid gaase. Termiline stabiilsus ja sulamistemperatuur sõltuvad vedeliku koostisest. Paljude ülesandespetsiifiliste iooniliste vedelike termiline stabiilsus on üle 500–600 kelvini.[8] Termilise stabiilsuse ülemised piirid on tavaliselt mõõdetud kiire (umbes 10 K/min) termogravimeetrilise analüüsiga ning ei iseloomusta ioonsete vedelike pikaajalist termilist stabiilsust, mis paljudel on alla 500 K.[9]

Rakendused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vetikatöötlus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vetikad on ühed kõige enamlevinud organismid Maal. Vetikad fotosünteesivad ning toodavad lipiide ja suhkruid, millest saab toota biodiislit, etanooli ja muid biokütuseid. Selleks tuleb vetikad kokku koguda ning eraldada väärtuslikud komponendid majanduslikult otstarbekal viisil. Ioonseid vedelikke on kasutatud vetika rakkude lahustamiseks ning komponentide vabastamiseks, kulutades selleks vähem energiat kui praegused meetodid. [10]

Jäätmekäitlus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ioonseid vedelikke saab kasutada sünteetiliste materjalide, plastmasside ja metallide ümbertöötlemisel. Nende abil saab üksteisest eraldada sarnaseid komponente, näiteks kindlaid polümeere plastikjäätmetest. See protsess toimub madalamal temperatuuril kui senised meetodid. Tänu sellele on võimalik vähendada plastmasside hävitamist ning prügimäele ladestamist.

Ravimitööstus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuna ligi pooled ravimitest on orgaanilised soolad, on uuritud ioonsete vedelike kasutust ravimitööstuses. Pannes kokku ühe ravitoimega aktiivse katiooni ja teise ravitoimega aniooni on võimalik luua kahetoimelisi ioonseid vedelikke, mis ühendavad kaks ravimit üheks.[11]

Turvalisus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ioonsete vedelike lenduvus on kaduvväike, mis vähendab nende juhuslikku sattumist keskkonda. Seda silmas pidades on ioonseid vedelikke peetud elusloodusele küllaltki ohututeks. Uuemad uurimused on näidanud, et ioonsed vedelikud on veeloomadele sama toksilised kui tavalised lahustid või isegi toksilisemad.[12] [13] [14] Ioonsete vedelike komponentide lai valik võimaldab otsida mürgistele sooladele asendusi ning seeläbi leida ohutumaid aineid.

Hoolimata madalast aururõhust on mitmed ioonsed vedelikud süttivad või täielikult põlevad ning nõuavad ohutut käsitsemist.

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Paul Walden (1914). Bull. Acad. Sci. St. Petersburg, pages 405-422
  2. Helena L. Chum , V. R. Koch , L. L. Miller , R. A. Osteryoung (1975). Electrochemical scrutiny of organometallic iron complexes and hexamethylbenzene in a room temperature molten salt, J. Am. Chem. Soc.
  3. John S. Wilkes , Joseph A. Levisky , Robert A. Wilson , Charles L. Hussey (1982). Dialkylimidazolium chloroaluminate melts: a new class of room-temperature ionic liquids for electrochemistry, spectroscopy and synthesis, Inorg. Chem.
  4. R. J. Gale, R. A. Osteryoung (1979). "Potentiometric investigation of dialuminium heptachloride formation in aluminum chloride-1-butylpyridinium chloride mixtures". Inorganic Chemistry 18
  5. J. S. Wilkes, M. J. Zaworotko (1992). Chemical Communications, 965-967
  6. Adam J. Walker and Neil C. Bruce (2004). "Cofactor-dependent enzyme catalysis in functionalized ionic solvents". Chemical Communications (22): 2570–1.
  7. Martyn J. Earle, José M.S.S. Esperança, Manuela A. Gilea, José N. Canongia Lopes, Luís P.N. Rebelo, Joseph W. Magee, Kenneth R. Seddon and Jason A. Widegren (2006). "The distillation and volatility of ionic liquids". Nature 439 (7078): 831–4.
  8. Ch. Jagadeeswara Rao, R. Venkata krishnan, K. A. Venkatesan, K. Nagarajan (Thermans 2008). 332 - 334, Feb. 4-6, Sixteenth national symposium on thermal analysis
  9. Marek Kosmulski, Jan Gustafsson and Jarl B. Rosenholm (2004). "Thermal stability of low temperature ionic liquids revisited". Thermochimica Acta 412: 47–53. doi:10.1016/j.tca.2003.08.022. 
  10. R. E. Teixeira (2012). "Energy-efficient extraction of fuel and chemical feedstocks from algae". Green Chemistry 14 (2): 419–427.
  11. J. Stoimenovski, D. R. MacFarlane, K. Bica, R. D. Rogers (2010). "Crystalline vs. Ionic Liquid Salt Forms of Active Pharmaceutical Ingredients: A Position Paper". Pharmaceutical Research 27: 521–526.
  12. C Pretti, C Chiappe, D Pieraccini, M Gregori, F Abramo, G Monni and L Intorre (2006). "Acute toxicity of ionic liquids to the zebrafish (Danio rerio)". Green Chem. 8 (3): 238–240.
  13. D. Zhao, Y. Liao and Z. Zhang (2007). "Toxicity of Ionic Liquids". CLEAN - Soil, Air, Water 35 (1): 42–48.
  14. J Ranke, S Stolte, R Störmann, J Arning and B Jastorff (2007). "Design of sustainable chemical products - the example of ionic liquids". Chem. Rev. 107 (6): 2183–2206