离子液体物理化学性质的研究

张文韬，田 鹏，苏桂田，李 蕾

(沈阳师范大学 化学化工学院 能源与环境催化研究所，辽宁 沈阳 110034)

离子液体物理化学性质的研究

张文韬，田 鹏*，苏桂田，李 蕾

(沈阳师范大学 化学化工学院 能源与环境催化研究所，辽宁 沈阳 110034)

随着离子液体的应用前景越来越好，离子液体物理化学性质的研究越来越引起学术界和产业界的广泛关注和重视。尽管这方面的研究还不够深入和系统，还停留在室温或接近室温的范围内，本文阐述了离子液体的熔点、密度、黏度、表面张力、电导率、折射率、电化学性质等物理化学性质，这些可以为以后的研究奠定坚实的基础。

离子液体；熔点；密度；黏度；表面张力；电导率；折射率

1 离子液体概述

当今人类社会面临着巨大的挑战，能源短缺和温室效应严重阻碍了可持续发展的道路。在化学研究领域中，有大部分化学试剂和化学反应对人类身体造成危害，离子液体作为一种新型介质在绿色过程技术中占有领头作用，为解决能源和环境问题带来了新的机遇。离子液体从基础研究走向应用研究直至工业应用，现在正处于关键的时刻，国内已经出现了几家可以批量生产离子液体的企业，了解国内外情况可知，以离子液体应用为基础的绿色化工化学技术正在较快的进行和发展[1]。离子液体(ionic liquids)又称室温离子液体、低温熔融盐，通常是指熔点低于100℃的有机盐，是在室温或接近室温状态时，各个粒子完全以有机阳离子和无机或有机阴离子构成的液体类物质[2]。

离子液体的种类繁多，因为离子液体完全由阴、阳离子组成，所以可按阴、阳离子成分分类。按阳离子成分可分为季铵盐类、季鏻盐类、烷基吡啶类和烷基咪唑类等；按阴离子成分可分为金属类(如：SbF6-、AsF6-等)和非金属类(如：BF4-、PF6-等)等。还可按Lewis酸性分为可调酸碱性的离子液体和中性的离子液体[3]。常见的4种离子液体：

离子液体具备的优异特性：(1)较低的挥发性和在常温下几乎观察不到的蒸汽压；(2)非易燃性；(3)对许多有机物和无机物有良好的溶解性；(4)是一类极性的、非配位的溶剂；(5)液态范围宽；(6)可通过选择阴、阳离子对其理化性质进行调控[4-7]。

2 离子液体物理化学性质

2.1 熔点

离子液体的熔点是一个重要性质，它决定离子液体使用温度的范围，是研究离子液体的使用过程的一个重要指标，不同阴阳离子组成的离子液体熔点差异很大。影响离子液体熔点的因素有：(1)阳离子的结构；(2)阴离子配位；(3)阴离子对称性；(4)H-键作用；(5)阳离子平面性作用；(6)分子结构对称性作用等。研究表明：有机阳离子体积越小，电荷越集中，分子对称性越好，离子液体的熔点越高；阴离子尺寸越大，离子液体熔点越低，顺序为Cl->[PF6]->[NO2]->[NO3]->[AlCl4]->[BF4]->[CF3SO3]->[CF3CO2]-。对于季铵盐类离子液体，阳离子对熔点的影响比阴离子对熔点的影响大。

2.2 密度

密度是物质本身固有的属性，不随状态、形状和空间地理位置的变化而变化，只随物态(温度、压强)的改变而改变。密度是离子液体易于调变的物理性质之一，尤为重要的是，离子液体的密度是受外界条件影响最小的物理性质。目前的研究表明，可能的阴阳离子组合成离子液体的数目可以达到数亿之多，离子液体是一种性质可调节的溶剂，不同阴阳离子的组合会得到不同性质的离子液体，离子液体的密度主要取决于阴阳离子的类型，不同的离子液体密度不同，不同温度的同种离子液体密度也不同。

2.3 黏度

黏度高是离子液体的一个很重要的物理性质，离子液体的黏度通常比传统有机溶剂高出1～3个数量级。离子液体的黏度[8]受温度影响，温度升高，离子液体中阴阳离子之间相互作用力减小，黏度减小。研究表明，随着有机物含量的增加，含离子液体混合物的黏度会逐渐减小，减小程度主要由离子液体的阴、阳离子间存在较强的氢键形成的不同的聚集引起的。Seddon等曾建议用如下方程表示离子液体+有机物体系的黏度随其组成的变化关系：

式中：η和θ分别表示混合物和离子液体的黏度；x为有机物在混合物中的摩尔分数；b为实验待定参数。

2.4 表面张力

表面张力，是促使液体表面收缩的力，是液体的表面薄层由于分子引力不均衡而产生的沿表面作用于任一界线上的张力。表面张力的测定方法有：表面张力法、电导法、光散射法、染料法等。离子液体的结构是影响其表面张力的决定性因素：⑴阳离子相同时，表面张力随阴离子尺寸增大而增大；⑵阴离子相同时，表面张力随阳离子取代烷基链长增加而减小[9]。Dzyuba等报道了[Cnmim][PF6]和[Cnmim][TFSI]两类离子液体的表面张力及其影响因素。

2.5 电导率

电导率，表示物质导电的性能，离子液体完全由阴阳离子构成，因此含有大量电荷的载体，导电能力强，其电导率高，能否在电化学中应用主要取决于其自身的电导率。影响混合物电导率的主要因素[10]有：离子液体的缔合程度(带电粒子数)；离子液体的溶剂化程度；溶液的黏度。Hussey等研究了氯铝酸型离子液体与有机混合物的电导率，发现混合物的电导率增加是因为其黏度降低引起的。温度的升降会影响黏度，进而影响离子液体的电导率，温度升高，黏度减小，电导率随之增大。

2.6 折射率

折射率是离子液体的一个重要的物理量，是光在真空中的速度与光在该材料中的速度之比，离子液体的折射率受温度影响。同一媒质对不同波长的光，折射率不同，随着光波长的逐渐减小，同一物质的折射率明显增大。王仲勋等[11]研究了离子液体的折射率，得出结论：(1)当阴离子是BF4-、PF6-时，阳离子侧链的增长会直接导致离子液体的折射率线性增加；(2)当阴离子是Cl-、I-时，折射率会随阳离子侧链增加而减小；(3)当阳离子一定时，折射率会随着阴离子体积增大而逐渐减小。

2.7 电化学性质

电化学性质在离子液体性质里占有重要地位，离子液体电化学应用的基础是由于离子液体具有优良的导电性，离子液体导电性的主要影响因素：液体密度；相对分子质量；离子液体的粘度；离子大小等。离子液体发生氧化还原反应的电位差值是电化学窗口，而电化学窗口对电化学应用也非常重要。Bonhǒte等得出了电导率和其他物理参数的关系：

式中：σ为电导率；y为电离度；F为Farady常量；d为密度；FW为相对分子质量；η为黏度；r为水力学半径；ζ为自由离子间的相互作用的校正因子；a、c分别表示阴离子和阳离子。

3 展望

随着离子液体的应用前景越来越好，离子液体物理化学性质的研究越来越引起学术界和产业界的广泛关注和重视。尽管这方面的研究还不够深入和系统，还停留在室温或接近室温的范围内，本文阐述了离子液体的熔点、密度、黏度、表面张力、电导率、折射率等物理化学性质，这些都为我们以后的研究奠定了坚实的基础。离子液体研究的兴起为化学的发展提供了新的机遇和挑战，对离子液体的以后的应用起到促进作用，并对光谱学、光谱分析、分离分析化学、环境化学等相关学科产生重要影响。

致谢：辽宁省高校重大科技平台“能源与环境催化工程技术研究中心”

[1] 张 慧,刘 秀,朱岩琪,等.介孔硅修饰碳糊电极制备及其对DA、UA、AA混合样品的电化学响应[J].沈阳师范大学学报(自然科学版),2016(3):276-281.

[2] 齐 超,杨 林,康艳红.水对[Bmim]Cl/AlCl3离子液体中活性离子的影响[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版),2016(1):74-77.

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

[4] Wilkes J S.A short history of ionic liquids from molten salts to neoteric solvents[J].Green Chem,2002,4(2):73-80.

[5] 卢 鑫，刘改云.室温离子液体及其研究进展[J].天津化工,2008,22(3):17-19.

[6] 刘跃佳,张晓娟,宁弘历,等.咪唑类含能离子液体的合成及性能研究[J].有机化学,2016(5):1133-1142.

[7] 王建宏，陈家庆，阎红昭. [Bmim]FeCl4离子液体的物理性质[J].化学研究,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 静，李保民. 离子液体的合成及应用[J].广州化工,2011,39(14):67-69.

[10] 王仲勋，陈吉胜，谷明信，等.基于系列离子液体的折射率研究[J].功能材料,2012,43(16):2251-2255.

[11] 杨冬伟,李 露,王 琴,等.离子液体在CO2电还原反应过程中的催化作用与机理研究[J].高等学校化学学报,2016(1):94-99.

(本文文献格式：张文韬，田 鹏，苏桂田，等.离子液体物理化学性质的研究[J].山东化工,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

辽宁省自然科学基金(项目批准号：2015020241)；沈阳师范大学重大孵化项目(项目批准号：ZD201406)；沈阳师范大学大学生创新创业训练计划项目

张文韬(1994—)，，女，辽宁营口人，硕士研究生；通讯作者：田 鹏(1967-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，硕士研究生导师。

TQ413.29

A

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