離子液體物理化學性質的研究

張文韜，田 鵬，蘇桂田，李 蕾

(沈陽師范大學 化學化工學院 能源與環境催化研究所，遼寧 沈陽 110034)

離子液體物理化學性質的研究

張文韜，田 鵬*，蘇桂田，李 蕾

(沈陽師范大學 化學化工學院 能源與環境催化研究所，遼寧 沈陽 110034)

隨著離子液體的應用前景越來越好，離子液體物理化學性質的研究越來越引起學術界和產業界的廣泛關注和重視。盡管這方面的研究還不夠深入和系統，還停留在室溫或接近室溫的范圍內，本文闡述了離子液體的熔點、密度、黏度、表面張力、電導率、折射率、電化學性質等物理化學性質，這些可以為以后的研究奠定堅實的基礎。

離子液體；熔點；密度；黏度；表面張力；電導率；折射率

1 離子液體概述

當今人類社會面臨著巨大的挑戰，能源短缺和溫室效應嚴重阻礙了可持續發展的道路。在化學研究領域中，有大部分化學試劑和化學反應對人類身體造成危害，離子液體作為一種新型介質在綠色過程技術中占有領頭作用，為解決能源和環境問題帶來了新的機遇。離子液體從基礎研究走向應用研究直至工業應用，現在正處于關鍵的時刻，國內已經出現了幾家可以批量生產離子液體的企業，了解國內外情況可知，以離子液體應用為基礎的綠色化工化學技術正在較快的進行和發展[1]。離子液體(ionic liquids)又稱室溫離子液體、低溫熔融鹽，通常是指熔點低于100℃的有機鹽，是在室溫或接近室溫狀態時，各個粒子完全以有機陽離子和無機或有機陰離子構成的液體類物質[2]。

離子液體的種類繁多，因為離子液體完全由陰、陽離子組成，所以可按陰、陽離子成分分類。按陽離子成分可分為季銨鹽類、季鏻鹽類、烷基吡啶類和烷基咪唑類等；按陰離子成分可分為金屬類(如：SbF6-、AsF6-等)和非金屬類(如：BF4-、PF6-等)等。還可按Lewis酸性分為可調酸堿性的離子液體和中性的離子液體[3]。常見的4種離子液體：

離子液體具備的優異特性：(1)較低的揮發性和在常溫下幾乎觀察不到的蒸汽壓；(2)非易燃性；(3)對許多有機物和無機物有良好的溶解性；(4)是一類極性的、非配位的溶劑；(5)液態范圍寬；(6)可通過選擇陰、陽離子對其理化性質進行調控[4-7]。

2 離子液體物理化學性質

2.1 熔點

離子液體的熔點是一個重要性質，它決定離子液體使用溫度的范圍，是研究離子液體的使用過程的一個重要指標，不同陰陽離子組成的離子液體熔點差異很大。影響離子液體熔點的因素有：(1)陽離子的結構；(2)陰離子配位；(3)陰離子對稱性；(4)H-鍵作用；(5)陽離子平面性作用；(6)分子結構對稱性作用等。研究表明：有機陽離子體積越小，電荷越集中，分子對稱性越好，離子液體的熔點越高；陰離子尺寸越大，離子液體熔點越低，順序為Cl->[PF6]->[NO2]->[NO3]->[AlCl4]->[BF4]->[CF3SO3]->[CF3CO2]-。對于季銨鹽類離子液體，陽離子對熔點的影響比陰離子對熔點的影響大。

2.2 密度

密度是物質本身固有的屬性，不隨狀態、形狀和空間地理位置的變化而變化，只隨物態(溫度、壓強)的改變而改變。密度是離子液體易于調變的物理性質之一，尤為重要的是，離子液體的密度是受外界條件影響最小的物理性質。目前的研究表明，可能的陰陽離子組合成離子液體的數目可以達到數億之多，離子液體是一種性質可調節的溶劑，不同陰陽離子的組合會得到不同性質的離子液體，離子液體的密度主要取決于陰陽離子的類型，不同的離子液體密度不同，不同溫度的同種離子液體密度也不同。

2.3 黏度

黏度高是離子液體的一個很重要的物理性質，離子液體的黏度通常比傳統有機溶劑高出1～3個數量級。離子液體的黏度[8]受溫度影響，溫度升高，離子液體中陰陽離子之間相互作用力減小，黏度減小。研究表明，隨著有機物含量的增加，含離子液體混合物的黏度會逐漸減小，減小程度主要由離子液體的陰、陽離子間存在較強的氫鍵形成的不同的聚集引起的。Seddon等曾建議用如下方程表示離子液體+有機物體系的黏度隨其組成的變化關系：

式中：η和θ分別表示混合物和離子液體的黏度；x為有機物在混合物中的摩爾分數；b為實驗待定參數。

2.4 表面張力

表面張力，是促使液體表面收縮的力，是液體的表面薄層由于分子引力不均衡而產生的沿表面作用于任一界線上的張力。表面張力的測定方法有：表面張力法、電導法、光散射法、染料法等。離子液體的結構是影響其表面張力的決定性因素：⑴陽離子相同時，表面張力隨陰離子尺寸增大而增大；⑵陰離子相同時，表面張力隨陽離子取代烷基鏈長增加而減小[9]。Dzyuba等報道了[Cnmim][PF6]和[Cnmim][TFSI]兩類離子液體的表面張力及其影響因素。

2.5 電導率

電導率，表示物質導電的性能，離子液體完全由陰陽離子構成，因此含有大量電荷的載體，導電能力強，其電導率高，能否在電化學中應用主要取決于其自身的電導率。影響混合物電導率的主要因素[10]有：離子液體的締合程度(帶電粒子數)；離子液體的溶劑化程度；溶液的黏度。Hussey等研究了氯鋁酸型離子液體與有機混合物的電導率，發現混合物的電導率增加是因為其黏度降低引起的。溫度的升降會影響黏度，進而影響離子液體的電導率，溫度升高，黏度減小，電導率隨之增大。

2.6 折射率

折射率是離子液體的一個重要的物理量，是光在真空中的速度與光在該材料中的速度之比，離子液體的折射率受溫度影響。同一媒質對不同波長的光，折射率不同，隨著光波長的逐漸減小，同一物質的折射率明顯增大。王仲勛等[11]研究了離子液體的折射率，得出結論：(1)當陰離子是BF4-、PF6-時，陽離子側鏈的增長會直接導致離子液體的折射率線性增加；(2)當陰離子是Cl-、I-時，折射率會隨陽離子側鏈增加而減小；(3)當陽離子一定時，折射率會隨著陰離子體積增大而逐漸減小。

2.7 電化學性質

電化學性質在離子液體性質里占有重要地位，離子液體電化學應用的基礎是由于離子液體具有優良的導電性，離子液體導電性的主要影響因素：液體密度；相對分子質量；離子液體的粘度；離子大小等。離子液體發生氧化還原反應的電位差值是電化學窗口，而電化學窗口對電化學應用也非常重要。Bonhǒte等得出了電導率和其他物理參數的關系：

式中：σ為電導率；y為電離度；F為Farady常量；d為密度；FW為相對分子質量；η為黏度；r為水力學半徑；ζ為自由離子間的相互作用的校正因子；a、c分別表示陰離子和陽離子。

3 展望

隨著離子液體的應用前景越來越好，離子液體物理化學性質的研究越來越引起學術界和產業界的廣泛關注和重視。盡管這方面的研究還不夠深入和系統，還停留在室溫或接近室溫的范圍內，本文闡述了離子液體的熔點、密度、黏度、表面張力、電導率、折射率等物理化學性質，這些都為我們以后的研究奠定了堅實的基礎。離子液體研究的興起為化學的發展提供了新的機遇和挑戰，對離子液體的以后的應用起到促進作用，并對光譜學、光譜分析、分離分析化學、環境化學等相關學科產生重要影響。

致謝：遼寧省高校重大科技平臺“能源與環境催化工程技術研究中心”

[1] 張 慧,劉 秀,朱巖琪,等.介孔硅修飾碳糊電極制備及其對DA、UA、AA混合樣品的電化學響應[J].沈陽師范大學學報(自然科學版),2016(3):276-281.

[2] 齊 超,楊 林,康艷紅.水對[Bmim]Cl/AlCl3離子液體中活性離子的影響[J]. 沈陽師范大學學報(自然科學版),2016(1):74-77.

[3] Welton T.Room-temperature ionic liquids. Solvents for synthesis and catalysis[J].Chem Rev,1999,99(8):2071-2084.

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[5] 盧 鑫，劉改云.室溫離子液體及其研究進展[J].天津化工,2008,22(3):17-19.

[6] 劉躍佳,張曉娟,寧弘歷,等.咪唑類含能離子液體的合成及性能研究[J].有機化學,2016(5):1133-1142.

[7] 王建宏，陳家慶，閻紅昭. [Bmim]FeCl4離子液體的物理性質[J].化學研究,2012,23(1):9-13.

[8] Achinta Bera,Hadi Belhaj.Ionic liquids as alternatives of surfactants in enhanced oil recovery-A state-of-the-art review[J].Journal of Molecular Liquids,2016,224:177-188.

[9] 王 靜，李保民. 離子液體的合成及應用[J].廣州化工,2011,39(14):67-69.

[10] 王仲勛，陳吉勝，谷明信，等.基于系列離子液體的折射率研究[J].功能材料,2012,43(16):2251-2255.

[11] 楊冬偉,李 露,王 琴,等.離子液體在CO2電還原反應過程中的催化作用與機理研究[J].高等學校化學學報,2016(1):94-99.

(本文文獻格式：張文韜，田 鵬，蘇桂田，等.離子液體物理化學性質的研究[J].山東化工,2017,46(3):50-51.)

Study on Physical and Chemical Properties of Ionic Liquids

ZhangWentao，TianPeng*，SuGuitian，LiLei

(Institute of Catalysis for Energy and Environment, College of Chemistry and Chemical Engineering, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

With the development of the industry and the progress of the society, more andmore people pay attention to the physical and chemical properties of ionic liquids .Although this study is not deep enough and the system remains in the range of near room temperature, this paper describes the physical and chemical properties of ionic liquid, melting point, density, viscosity, surface tension, conductivity, refractive index, electrochemical properties, these have laid a solid foundation for us to study.

ionic liquids;melting point;density;viscosity;surface tension;electrical conductivity;index of refraction

2016-12-02

遼寧省自然科學基金(項目批準號：2015020241)；沈陽師范大學重大孵化項目(項目批準號：ZD201406)；沈陽師范大學大學生創新創業訓練計劃項目

張文韜(1994—)，，女，遼寧營口人，碩士研究生；通訊作者：田 鵬(1967-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，碩士研究生導師。

TQ413.29

A

1008-021X(2017)03-0050-02