互动科普

离子液可能取代危险的溶剂

一种有利于环境的溶液

Rebecca Renner

没有溶剂，就无所谓化学。溶剂之所以重要，就是因为物质一旦溶解了，其分子也就很容易在一起发生反应。然而事实证明，许多物质若非不可溶解，至少也是很难溶解的。如今，越来越多的化学家认为，他们发现了合适的溶剂——离子液，即室温下处于液态的盐类的独特化合形式。这些新型溶剂可以特制，以溶解各种不同的物质，包括煤炭、缘由、墨水、塑料和DNA，甚至还有某些岩石。

据北爱尔兰女王大学贝尔法斯特分校无机化学教授Kenneth R. Seddon估计，从理论上讲，世界上存在着1万亿多种不同的离子液，其中数百万种的性质极其稳定（能在约300摄氏度的范围内保持为液态），并且不挥发（可以反复使用）。离子液可以取代有毒、易燃且污染环境的挥发性有机溶剂，如像甲苯、己烷和甲叉二氯之类，其世界年需求量约值60亿美元。

离子液的制法是，将大的有机阳离子——如像1-乙基-3甲基咪唑[emim]+——和较小的无机阴离子（如四氯化铝）化合起来。这种大、小离子的化合物与大部分离子盐类（如食盐NaCl）大不相同。

在室温下，食盐为固体，这是因为带正电荷的钠离子同带负电荷的氯离子黏在一起了；这样，钠离子和氯离子就堆叠起来，形成了一种规则的晶格。然而，在离子液中，正电荷不那么集中——因为阳离子很大，所以总的电荷就分散在几个原子上了。此外，这种离子由于形体大而不规则，室温下就不会形成晶体结构。“这就像试图把香蕉而不是桔子堆垒起来。可惜香蕉不会堆的很像样。”南亚巴拉马大学的化学家James H. Davis这样评论道。由于不能结晶，这种物质便始终保持为液体状态。

然而，对于离子液来说，用新型溶剂可能还仅仅只是开始。“这给人的感觉就像一场正在孕育中的革命一样，”伊利诺斯州BP阿莫科化学品公司的有机化学家Robert B. Morland这样说道。他预计，离子液将彻底变革催化剂在工业化学上的应用。这是因为，对于一种特殊的反应，化学家可以利用恰当的正负电荷组合来制成一种离子液，从而溶解催化剂和反应中所涉及的化学物质；然而，这种物质却并不影响反应的产物。催化剂仍留在离子溶液中而可以重复使用，而反应的产物甚至还可以上升到液体的表面，这样就可以被撇去。据Davis说，法国石油协会正准备给一种二聚物的制造法颁发商用许可证，这种方法正是利用了离子液的上述性能。

尽管化学家们对离子液狂喜入迷，“但要把它应用与工业，它还必须有一种独特的优势，仅仅是有利于环保还不够，”亚拉巴马大学绿色制造业中心主任Robin D. Rogers这样说道。在目前情况下，费用仍是个主要障碍，因为眼下一磅离子液就要花费4000至5000美元。这种费用可能下降到每磅200美元左右，但这要取决于离子液的成分和数量，Morland这样说道。然而，与有机溶剂相比，上述价格仍然过高——一磅丙酮的售价约为0.15美元，一磅甲苯仅售0.10美元左右。当然，由于离子液可以重复利用，几吨离子液就可以取代许多吨有机溶剂。

离子液还需要进行毒性试验和环境试验，Seddon这样说道。初步的动物实验结果看起来不错，但可能制成的离子液带来的丰厚回报却令人左右为难，加拿大专业化工产品制造商Cytec公司的高级化学家Albert Robertson这样说道。离子液的毒性试验已耗去了数十万美元，因此，制造商正在玩一种伺机而动的把戏，在确信他们已拥有恰当的离子液之前，他们不愿意在开始试验。然而，支持者们说，这些障碍只是使不可避免的结局延迟出现。Seddon和Rogers两人都认为，离子液的大规模工业应用大约在7至10年内就会实现。小规模的工业应用则要早得多，不到3年就将问世。

突破溶解的定律

当物质的分子类似于溶剂的分子时，物质便会溶解。这一事实体现在化学家从实践经验得来的结论中：“同类相容。”也就是说，没有总电荷的共价分子——包括脂肪、油和许多有机化合物在内的物质——都会溶解于共价挥发性有机溶剂。然而，共价分子却不会溶于水，因为水带有少量的电荷。相反，由带有正电荷和负电荷的离子构成的离子固体颗粒却很容易溶于水。离子液打破了溶解的定律——它们能够溶解有机共价分子。化学家们至今不知道其中的原因。

【郑小石/译 冉隆华/校】