مایعات یونی چیست؟

مایعات یونی (ILS) یک کلاس منحصر به فرد از ترکیبات شیمیایی هستند که کاملاً از یونها تشکیل شده اند - کاتیونهای دارای بار مثبت و آنیونهای با بار منفی - که به صورت مایع در دمای اتاق یا در نزدیکی اتاق وجود دارد. بر خلاف حلالهای معمولی که اغلب مایعات مولکولی هستند ، مایعات یونی نمک هایی هستند که زیر 100 درجه سانتیگراد مایع باقی می مانند و بسیاری از آنها در دمای اتاق هستند. این ویژگی غیرمعمول به آنها خاصیت فیزیکوشیمیایی متمایز می دهد و آنها را به تمرکز علاقه به شیمی ، علم مواد و کاربردهای مختلف صنعتی تبدیل می کند.

دقیقاً چیست مایعات یونی ؟

مایعات یونی نمک هایی هستند که در دمای هوا به طور معمول زیر 100 درجه سانتیگراد ذوب می شوند و بسیاری از مایعات باقی مانده در شرایط محیط (حدود 25 درجه سانتیگراد) هستند. آنها با ترکیب کاتیونهای ارگانیک حجیم و غالباً نامتقارن با انواع آنیونهای معدنی یا ارگانیک تشکیل می شوند. اندازه بزرگ و جابجایی بار در یونها نقطه ذوب را به طور قابل توجهی در مقایسه با نمکهای سنتی مانند کلرید سدیم کاهش می دهد.

یک مولکول مایع یونی معمولی شامل:

کاتیونها: معمولاً ایمیدازولیوم ، پیریدینیوم ، آمونیوم ، فسفونیوم یا ساختارهای مبتنی بر سولفونیوم.

آنیون ها: مثالها شامل هالیدها (Cl⁻ ، Br⁻) ، tetrafluoroborate (BF₄⁻) ، hexafluorophosphate (PF₆⁻) ، BIS (trifluoromethylsulfonyl) imide (tf₂n⁻) و سایر موارد است.

ماهیت یونی آنها منجر به تعامل قوی کولومبیک می شود ، اما عدم تقارن و مانع استریل آنها مانع از تبلور آنها به راحتی می شود و در نتیجه یک حالت مایع در دماهای نسبتاً کم به وجود می آید.

خصوصیات اصلی مایعات یونی

مایعات یونی چندین خاصیت متمایز را نشان می دهند که آنها را از حلال های مولکولی سنتی متمایز می کنند:

انواع مایعات یونی

مایعات یونی بر اساس ساختار شیمیایی آنها ، ماهیت یون ها و کاربردهای خاص طبقه بندی می شوند:

مایعات یونی دمای اتاق (RTIL)

مایع در دمای 25 درجه سانتیگراد یا نزدیک.

مثال: 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM] [BF₄]).

مایعات یونی درجه حرارت بالا

مایعات اما با نقاط ذوب بین 100 درجه سانتیگراد و 200 درجه سانتیگراد.

مایعات یونی پروتئین

با انتقال پروتون بین اسید برونستد و پایه تشکیل شده است.

خواصی مانند پیوند هیدروژن را نشان می دهد.

مایعات یونی

انتقال پروتون را درگیر نکنید.

اغلب از نظر حرارتی و شیمیایی پایدار تر است.

مایعات یونی خاص وظیفه (TSILS)

طراحی شده با گروه های کاربردی متناسب با واکنش های خاص یا جداسازی.

مایعات یونی پلیمری (PILS)

مایعات یونی برای مواد پیشرفته به فرم های جامد یا ژل پلیمر می شوند.

مزایای مایعات یونی

ترکیبی از خواص منحصر به فرد ، مایعات یونی را از بسیاری جهات یا مواد معمولی برتر می کند:

کاربردهای مایعات یونی

مایعات یونی به دلیل خاصیت همه کاره آنها برنامه هایی را در طیف گسترده ای از زمینه ها پیدا کرده اند:

1. شیمی و حلال های سبز

جایگزینی حلالهای آلی فرار (VOC) در سنتزهای شیمیایی.

به عنوان رسانه واکنش در سنتز آلی ، کاتالیز و فرآیندهای آنزیمی استفاده می شود.

انتخاب و عملکرد در بسیاری از واکنش ها بهبود یافته است.

2. دستگاه های الکتروشیمیایی

الکترولیت در باتری ها (لیتیوم یون ، سدیم یون) ، ابررسانا و سلولهای سوختی.

برقی و الکترودزنی با مورفولوژی کنترل شده.

سنسورها و تشخیص الکتروشیمیایی.

3 فرآیندهای جداسازی

ضبط گاز و جداسازی ، مانند ضبط Co₂ از گازهای دودکش.

استخراج فلزات و عناصر خاکی نادر.

تکنیک های جداسازی کروماتوگرافی و غشای.

4. بیوتکنولوژی و دارویی

تثبیت و حلالیت زیست مولکولها.

سیستم های تحویل دارو و فرمولاسیون.

کاتالیز آنزیم در محیط مایع یونی.

5. علوم مواد

سنتز نانومواد و پلیمرها.

الگوهای مربوط به مواد متخلخل و کریستال های مایع یونی.

روان کننده ها و مواد افزودنی برای تریبولوژی.

نحوه استفاده از مایعات یونی

استفاده از مایعات یونی نیاز به توجه به ماهیت فیزیکی و شیمیایی آنها دارد:

حمل و نقل: با توجه به نوسانات کم آنها ، خطر استنشاق حداقل است ، اما برای جلوگیری از تماس با پوست ، دستکش و محافظت از چشم توصیه می شود.

انحلال: مایعات یونی می توانند مواد مختلفی را حل کنند اما ممکن است به هم زدن یا گرمایش نیاز داشته باشند.

اختلاط: بسته به کاربرد آنها را می توان با حلال های مولکولی مخلوط کرد یا از آن استفاده کرد.

کاتالیز: اغلب به عنوان حلال و کاتالیزور به طور همزمان استفاده می شود. شرایط واکنش ممکن است با حلال های سنتی متفاوت باشد.

بازیابی: با تقطیر محصولات ، استخراج یا جداسازی فاز برای استفاده مجدد قابل بازیابی است.

نحوه ذخیره مایعات یونی

ذخیره مناسب طول عمر را تضمین می کند و خواص آنها را حفظ می کند:

مایعات یونی به طور کلی ثبات شیمیایی خوبی را نشان می دهند اما بسته به ساختار آنها می توانند با قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در معرض آب ، هوا یا نور تخریب شوند.

توسعه و روندهای آینده

زمینه مایعات یونی به سرعت در حال تحول است ، که به دلیل نیاز به فن آوری های پایدار و مواد جدید هدایت می شود. برخی از روندهای آینده عبارتند از:

طراحی مایعات یونی بیشتر وظیفه: خیاطی مایعات یونی برای نیازهای دقیق شیمیایی یا صنعتی ، مانند ضبط Co₂ یا سنتز دارویی.

مایعات تخریب پذیر و مبتنی بر زیستی: توسعه مایعات یونی حاصل از منابع تجدید پذیر برای بهبود سازگاری محیطی.

مواد ترکیبی: ترکیب مایعات یونی با پلیمرها ، نانوذرات یا غشاها برای ایجاد مواد کاربردی پیشرفته.

مقیاس و تجاری سازی: غلبه بر هزینه و چالش های تولید برای فعال کردن استفاده گسترده صنعتی.

ذخیره انرژی و تبدیل: افزایش عملکرد باتری ها ، ابررسانا و سلولهای سوخت با استفاده از الکترولیتهای مایع یونی.

برنامه های زیست پزشکی: گسترش استفاده از مایعات یونی در تحویل دارو ، مهندسی بافت و تشخیص.

طراحی محاسباتی: استفاده از یادگیری ماشین و مدل سازی مولکولی برای پیش بینی و طراحی مایعات یونی با خواص بهینه.

خلاصه

مایعات یونی یک طبقه انقلابی از نمک های مایع با خواص استثنایی دارند که کاربردهای گسترده ای در شیمی ، انرژی ، مواد و بیوتکنولوژی دارند. توانایی آنها برای انجام کارهای خاص ، همراه با مزایای زیست محیطی و ایمنی ، آنها را به عنوان مؤلفه های اصلی در پیشرفت فن آوری های سبز و فرآیندهای صنعتی نوآورانه قرار می دهد. با پیشرفت تحقیقات و کاهش هزینه های تولید ، انتظار می رود مایعات یونی به طور فزاینده ای برای تحولات علمی و تجاری پایدار در سراسر جهان یکپارچه شوند. $ $