你見過會流動的鹽嗎？這可是環保的新指望（上）
文 / 魏昕宇
隨著科技的發展，許多新的概念不斷進入人們的視野，例如納米技術、基因工程等前沿科技，早已成為公眾耳熟能詳的名詞。但如果被問到是否了解離子液體，許多朋友恐怕都要搖頭了。與其它熱門的新技術、新材料相比，離子液體顯得有些默默無聞，但它可是一支名副其實的"潛力股"呢。據分析，在2015年，全球離子液體市場的產值已經超過2000萬美元，到2025年更是有望達到6000萬美元。
那麼，什麼是離子液體，它又有哪些"過人之處"呢？
會流動的鹽
要理解什麼是離子液體，我們首先需要明白什麼是離子。我們知道，當不同元素的原子組成化合物時，它們之間首先需要形成化學鍵。在一些情況下，參與形成化學鍵的兩個原子各自拿出一個電子與對方共享，這樣就形成了共價鍵。原子之間可以直接通過形成共價鍵來組成化合物，但更多情況下是先通過共價鍵組成分子，分子之間再由強度較弱的范德瓦爾斯力等分子間相互作用維繫起來，形成我們通常所說的分子化合物。水和蔗糖都是典型的分子化合物。
然而在另外一些情況下，參與成鍵的兩個原子中的其中一個非常"強勢"，當對方拿出電子時，它不由分說便將其搶過來。這個霸道的原子本來不帶電，現在多了一個電子，帶上了負電，這樣的原子我們稱之為陰離子；而被搶走電子的那個原子原本也不帶電，但現在少了一個電子，於是帶上正電，我們稱之為陽離子。正負電荷之間的強烈吸引力會讓陰陽離子"形影不離"，從而形成了化合物。這樣的化合物由於其基本單元不是分子，而是離子，因而被稱為離子化合物。最為我們所熟知的離子化合物大概要數每天餐桌上都少不了的調料食鹽，即氯化鈉。其它的離子化合物，例如氯化鈣、硝酸鉀、硫酸銅等，我們也習慣稱之為"鹽"。
無論是分子化合物還是離子化合物，當溫度較低時，分子或者離子都會老老實實地呆在固定的位置上，形成晶體；當溫度升高到一定程度時，分子或者離子的熱運動增強，開始逐漸克服固定位置的束縛，在小範圍內自由移動。於是晶體就發生了熔化，變成了液體，而這一過程所對應的溫度就是通常所說的熔點。
由於正負電荷之間的吸引力要遠遠強於分子間作用力，離子化合物通常需要非常高的溫度才能熔化，例如氯化鈉的熔點超過了800 oC。因此，雖然有不計其數的分子化合物在室溫下以液體形式存在，例如水、乙醇（酒精）、植物油、丙酮、苯等等，我們卻很少有機會看到離子化合物也有同樣"奔放"的一面。
然而如果我們把陰陽離子中的一方或者雙方都從體積小且形狀規則的無機離子，替換成體積大且形狀不規則的有機離子，情況就有所不同了。由於不規則的形狀削弱了正負電荷之間的吸引，這一類離子化合物不需要太高的溫度就可以熔化。例如，硫氰酸鈉和乙酸鈉這兩種離子化合物的熔點都在300 oC上下，但如果把鈉離子替換成1-乙基-3-甲基咪唑陽離子，前者的熔點會下降到-6 oC，後者的熔點更是低達-20 oC以下。像這樣的離子化合物，我們就稱之為離子液體。
兩種離子化合物：氯化鈉（左）和1-丁基-3-甲基咪唑二(三氟甲基磺醯)醯亞胺（右）在27
oC下的比較。（圖片來源：維基百科）
因此，所謂離子液體，指的是熔點低於室溫，因此在室溫下處於液態的離子化合物。不過在實際操作中，我們往往把熔點雖高於室溫但低於100 oC的離子化合物也包括進來，因為讓它們熔化並不需要很高的溫度。這裡需要注意的是，離子化合物的水溶液（例如食鹽水）並不能視為離子液體的一員，因為它們在室溫下雖然也是液體，但其中含有大量的分子化合物。
離子液體雖然是近些年研究的熱點，但其實並不是什麼新鮮事物。早在1914年，德國化學家保羅·瓦爾登(Paul Walden)就發現，乙胺硝酸鹽這種離子化合物的熔點只有12 oC，這被公認為是最早發現的離子液體。但很長時間以來，科學家們只是把離子液體當成一些"另類"的化合物而已，並沒有對其進行太多深入的研究。這種狀況直到上世紀末、本世紀初時才發生改變，從那時起，關於離子液體的研究開始呈現爆炸性的增長。
離子液體之所以在沉寂了幾十年之後突然備受關注，是因為科學家們發現，這些會流動的鹽能夠幫助我們打造一個更加綠色環保的世界。在接下來的幾個例子中，我們就來感受一下離子液體究竟能夠帶來哪些不同。
打造更加安全環保的溶劑
我們的日常生活離不開種類繁多的化工產品，而這些產品的生產過程往往都離不開合適的溶劑。既然很多分子化合物在室溫下處於液態，它們當仁不讓地成為了溶劑的最佳選擇。尤其是各種有機溶劑，長期以來憑藉其多樣化的結構和良好的溶解能力，為化工生產的順利進行立下了汗馬功勞。
然而有機溶劑也有一個嚴重的缺點，那就是太容易變成氣體揮發到空氣中。一個典型的例子是用酒精對皮膚表面消毒時，我們會感到一絲涼意，這是因為酒精的快速揮髮帶走了熱量。有機溶劑易揮發的特性帶來了兩個嚴重的問題：
首先，溶劑分子逃逸到空氣中後，可能會造成一系列環境和健康問題。例如不少有機物在光照下能夠與空氣中的臭氧和氮氧化物發生反應，形成臭名昭著的光化學煙霧。如果有機溶劑的揮發發生在相對密閉且通風差的室內環境中，那麼溶劑分子就容易進入人體，從而對健康造成損害。
其次，有機溶劑大多易燃。不斷揮發出的蒸汽進一步加劇了火災隱患，難免讓使用者提心弔膽。
正是由於有機溶劑的易揮發造成的種種問題，研究人員一直試圖在化工生產中用無毒且不可燃的水來代替有機溶劑，或者乾脆不使用溶劑。這些方法雖然取得了一定的效果，但並不總是能夠奏效。而離子液體的出現，讓人們看到了新的希望。
難道離子液體就不會揮發嗎？還真不會。這是因為在離子液體中，雖然正負電荷之間的吸引力不足以將陰陽離子維繫在固定的位置上，但仍然具有足夠的強度來防止它們在更大範圍內移動，要想讓它們變成氣體可謂是"難於上青天"。當溫度持續升高時，液態的分子化合物紛紛沸騰氣化，而離子液體卻可以繼續保持液態，向空氣中的揮發幾乎可以忽略不計，並且離子液體也通常不會燃燒。因此，如果用離子液體取代傳統的有機溶劑，化工生產中的安全係數就可以大大提高。
用離子液體作為溶劑的優點還不止安全性。在離子液體中，我們可以分別改變陰離子和陽離子的化學結構，因此離子液體相比傳統的有機溶劑要更具多樣性。據估算，理論上能夠形成離子液體的化合物種類的數量，可高達1018這樣驚人的量級！雖然已經投入實際應用的遠沒有這麼多——目前能夠買到的離子液體不過300種左右，但這仍然為化工行業提供了極為豐富的選擇。例如，許多化工生產都需要使用催化劑，在傳統的工藝中，我們通常是將催化劑溶解在溶劑中，但現在我們可以通過調整化學結構，讓離子液體身兼溶劑和催化劑兩種角色，從而簡化反應流程。
最早在化工生產中應用離子液體並嘗到甜頭的，大概要數德國化工巨頭巴斯夫。在巴斯夫的眾多產品中，有一種是有機磷化合物，其合成過程中會產生酸性的副產物氯化氫，需要用鹼來中和，再將反應生成的鹽除去。傳統的生產工藝通常用三乙胺來中和氯化氫，得到的三乙胺鹽酸鹽是不溶於有機物的固體，分離起來頗為費勁。
2002年，巴斯夫公司採用了名為BASIL的新工藝，用同樣具有鹼性的1-甲基咪唑代替三乙胺，得到的1-甲基咪唑鹽酸鹽是離子液體。就像油和水不互溶一樣，它很容易就可以與有機物分開，形成界面清晰的兩層液體，從而更容易地與反應產物分離。別看這一小小的變化，它帶來的效益是頗為可觀的：不僅反應產率從50%提高到98%，而且生產效率和反應器容積的生產能力提高到原來的近9萬倍！
巴斯夫公司利用離子液體的BASIL
工藝。在反應器中，上層液體為包括產物在內的有機相，下層液體為以離子液體形式存在的副產物。（圖片來源：Robin D. Rogers, Kenneth R. Seddon，Science, 2003）
雖然在這個例子中，離子液體充當的並非前面提到的溶劑角色，但它仍然無可辯駁地向我們展示了離子液體在化工生產應用中的巨大潛能。特別是近些年來，研究人員發現，離子液體可能會在開發生物質能源中發揮舉足輕重的作用。
（未完待續）
（本文中圖片來自公共版權與學術論文，均已標明來源）
（原載微信公眾號「中國科普博覽」）
TAG:科學公園 |