互动科普

随着人们对环境问题的日益关注，以可持续发展为目标的“绿色化学”近年来成为研究的热点。而在绿色化学研究中，有一个词经常出现，这就是“离子液体”。

完全由离子组成的液体

我们知道，离子是指得到或失去一个或几个电子的原子或分子，失去电子而带正电的是阳离子，得到电子而带负电的是阴离子。液体则是物质的一种状态。那么离子液体又是什么？

顾名思义，离子液体就是由阴、阳离子组成的液体。但这种液体很不常见，实际上，到目前为止还没有发现天然存在的离子液体，已知的离子液体都是在实验室中合成的，不过其中的阴、阳离子可以取自自然界。

我们常见的液体有两类，一类是由某一种分子（原子）组成的“纯”的液体，这些分子（原子）通过分子间作用力（如范德华力、氢键等）结合在一起。例如，水就是由水分子（H₂O）组成的，汞（即水银）则是由汞原子组成的，它们在常温下都是液态。另外一类常见的液体是溶液，这是由两种或两种以上物质组成的均匀的分散体系。例如将食盐（氯化钠，NaCl）溶解到水中可以形成氯化钠溶液，将葡萄糖溶解到水中可以形成葡萄糖溶液。

前面说的这些常见溶液都是常温下的。有很多物质在常温下是固态，加热到比较高的温度就会变为液态，例如很多金属在高温下就会熔融。又比如氯化钠这种盐，加热到801℃后也会熔融，变成由钠离子和氯离子组成的具有导电性的液体，所以我们把它称为高温熔盐。

高温下的氯化钠熔盐就是一种由离子组成的液体。而我们所说的离子液体，也是由离子组成的液体，只不过它们通常在相对较低的温度下（例如低于100℃）就是液态。也可以粗略地说，离子液体就是在常温下为液态的盐。

与一般的盐类不同的是，离子液体的阳离子多为有机结构，阴离子为有机或无机结构，正是这些特殊的结构使得离子液体具有独特的性质。按照有机阳离子母体的不同可将离子液体进行分类，最常见的有咪唑盐类、吡啶盐类、季铵盐类等；阴离子常见的有四氟硼酸、六氟磷酸、卤素等。

相对于传统的离子化合物（例如盐）、有机物等，离子液体具有很多独特的性质，例如熔点低、液程（即保持液体状态的温度范围）宽、挥发性小、电化学性能好等，这是由离子液体的特殊结构所造成的。而且，离子液体的这些性能，还可以通过改变阴、阳离子的结构进行调控。

离子液体是常温下为液态的盐

为什么熔点低？

离子液体是从传统的高温熔盐演变而来的，所以最初也被称为室温熔融盐。离子液体既具有熔盐的特性，如挥发性低，但又与传统高温熔盐有着很大不同，如熔点要低得多。前面已经提到，离子液体定义的根据之一就是熔点的高低。同样是盐，氯化钠的熔点高达801℃，而离子液体在常温下就是液态，有些离子液体的熔点甚至低于-96℃。之所以相差如此悬殊，是由于离子液体与传统高温熔盐的结构很不一样。

常温下，每个离子只能在晶格点阵中做振动或是有限的摆动，不能转动或是平动。只有高温才能破坏这种晶体结构，使其变成液态。而离子液体的阳离子是有机结构，阴离子可以是有机结构也可以是无机离子，它们的体积要比传统高温熔盐的阴、阳离子大得多，而且这些阴、阳离子的结构极不对称。所以，离子液体的阴、阳离子就无法像氯化钠一样有序地堆积而形成晶体结构。它们不仅可以振动，还可以转动、平动，使得其晶格能与传统高温熔盐相比大为降低，熔点也就随之降低，在室温下就可以成为液态。不同阴、阳离子组成的离子液体，熔点差异也很大，这主要是受到阴、阳离子的结构、对称性、体积等因素的影响。

液程宽，用处大

液程是指离子液体的熔点与其分解温度之间的温度范围，这个温度区间的大小决定了离子液体的适用范围。熔点是液程的下限，我们已经知道，离子液体的熔点较低，有的可达零下几十度。分解温度是液程的上限，由于离子液体的热稳定性比较好，所以大部分离子液体的热分解温度都在300℃以上，因此，部分离子液体的液程可宽达400℃。水是我们所熟知的环境友好介质，但是水的常压液程只有100℃，因而离子液体可以替代水等传统溶剂来作为高温反应的介质，使得很多无法在传统溶剂中进行的化学反应可以在离子液体中进行。

挥发性小，绿色环保

传统的有机溶剂例如苯、甲苯等，挥发度高，使用过程中容易进入到环境中，造成污染和危害。离子液体虽然由于结构的不对称性降低了熔点，但依然具有高温熔盐的某些特性，例如几乎不挥发、蒸气压极低等。这是离子液体有别于传统有机溶剂的最突出特点，因而迄今为止离子液体的所有应用几乎都是以其非挥发性为前提或假设的。

之所以挥发性小，是由于离子液体从根本上说还是一种离子化合物，阴、阳离子间以库仑力紧密作用，难于挥发成气态。然而，由于离子液体特殊的结构，也就是阴、阳离子中具有不对称的有机结构，使得阴、阳离子间的库仑力作用明显减弱，因此离子液体也并不是完全不挥发的。部分离子液体在接近室温时具有一定的挥发性，但明显低于传统的有机溶剂。因为具有这个特点，离子液体不容易通过挥发进入空气，对环境造成影响。

离子液体中存在大量的氢键

离子液体完全由阴、阳离子组成，传统上认为离子间的相互作用是静电力。然而，研究发现阴、阳离子间还存在氢键（图中的虚线），并通过氢键相互连接在一起，形成网络结构。这对离子液体的性质，包括熔点、黏度和挥发性等有重要的影响。

（本文发表于《科学世界》2013年第12期）