برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۶/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۶/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۵۴,۹۶۱
  • بازدید این ماه ۷۵۸
  • بازدید امروز ۱۶
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۱۰
  • قبول شدگان ۱۶۵
  • شرکت کنندگان یکتا ۹۳
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۸
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

مایعات یونی (Ionic Liquids): ساختار و کاربرد

استفاده گسترده از حلال های سمی و فرار (Volatile) در صنایع شیمیایی منجر به آسیب دیدگی جدی محیط زیست می شود. لذا یافتن جایگزین مناسبی برای این حلال ها که از نظر زیست محیطی سالم بوده و در عین حال خواص حلال های متداول را داشته باشند، به شدت در صنایع دارویی و شیمیایی حس می شود. از حلال های جدیدی که به عنوان حلال و همچنین کاتالیست سبز شناخته می شوند، دی اکسید کربن فوق بحرانی (Supercritical CO2) و مایعات یونی (Ionic Liquids) را می توان نام برد. مایعات یونی شامل ترکیباتی آلی هستند که تماما از یون ها تشکیل شده اند. معمولا این ترکیبات در دمای زیر 100 درجه سانتی گراد مایع هستند و مهمترین مزیت آنها این است که فشار بخار (Vapor Pressure) قابل ملاحظه ای ندارند به همین دلیل غیر فرار بوده (Nonvolatile) و مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند.
1-مقدمه
مایعات یونی ترکیباتی هستند که در چند سال اخیر انقلابی در مراکز تحقیقاتی و صنایع شیمیایی به پا کرده اند. این ترکیبات که جزء مواد شیمیایی سبز هستند به عنوان حلال، نقش بسیار مهمی در کاهش استفاده از ترکیبات خطرناک، سمی و آسیب زننده به محیط زیست را دارا می باشند. مایعات یونی می توانند جایگزین بسیاری از حلال های معمول در صنایع دارویی  باشند. امروزه مایعات یونی به ترکیباتی آلی اطلاق می شوند که از یون ها تشکیل شده و در دمای 100 درجه سانتی گراد به صورت مایع باشند. یکی از دلایلی که امروزه تحقیقات درباره مایعات یونی را شدت داده این است که دانشمندان در پی یافتن یک جایگزین مناسب برای حلال هی آلی فرار (Volatile) در صنایع می باشند. حلال های آلی فرار مهمترین منبع ایجاد آلودگی زیست محیطی در صنایع شیمیایی و دارویی می باشند. البته این بدین معنی نمی باشد که مایعات یونی تماما جزء حلال های سبز محسوب می شوند، حتی بعضی از آنها شدیدا سمی هستند. انواع مختلفی از مایعات یونی وجود دارند که می توان از جمله آنان ما یعات یونی در دمای اتاق (Room Temperature Ionic Liquids: RTILs)، مایعات یونی کایرال (Chiral ILs)، مایعات یونی آب گریز و غیره را نام برد. RTILs مایعات یونی هستند که در دمای اتاق مایع شده و کاربرد بسیار گسترده ایی در شیمی مایعات یونی دارند.

1-1- ساختار مایعات یونی
ساختار مولکولی مایعات یونی متشکل از کاتیون ها و آنیون های مختلف است. معمولا نقش کاتیون  را یک ترکیب آلی حجیم (با بار مثبت) بازی می کند اما آنیون ها از لحاظ حجم بسیار کوچک تر از کاتیون ها هستند (با بار منفی) و ساختار آنها معدنی است. به دلیل تفاوت اندازه بین آنیون ها و کاتیون، پیوند میان دو جزءتشکیل دهنده مایعات یونی ضعیف است و این ترکیبات در دمای زیر 100 درجه سانتی گراد به صورت مایع هستند. ساختار مایع یونی مانند ساختار نمک طعام است ولی نمک طعام به علت پیوند قوی بین کاتیون و آنیون آن (شباهت بالای آنیون و کاتیون از نظر اندازه، بار و ماهیت) ساختار بلورین مستحکم دارد و در دمای 800 درجه سانتی گراد به صورت مذاب در می آید . برای دسته بندی مایعات یونی دمای 100 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شده است. به آن دسته که در دمایی بالاتر از 100 درجه سانتی-گراد مایع هستند، مایعات مذاب و دسته ای که در پایین تر از این دما حالت مایع دارند، مایعات یونی گویند. بعضی از مایعات یونی در دمای اتاق مایع هستند که به آنها RTILs):Room temperature ionic liquids) اطلاق می شود. در جدول 1 نام و ساختار مایعات یونی متداول آورده شده است.

جدول 1- نام وساختار مایعات یونی متداول [1]

filereader.php?p1=main_83f1535f99ab0bf4e

دو گروه عمده از مایعات یونی شامل ترکیباتی می شوند که به ترتیب از مولکول های آلی ایمیدازولیم (کاتیون ترکیب Imidazole با فرمول C3H4N2) و پیریدینیوم (کاتیون ترکیب پیریدین با فرمول C5H5N) به عنوان کاتیون ساخته شده اند. ساختارهای هر دو گروه در شکل 1 نشان داده شده است. کاتیون ها و آنیون های متنوعی برای تهیه مایعات یونی به کار می روند که با استفاده از تنوع گسترده می توان مایعات یونی با کاربری های اختصاصی و یا خواص فیزیکی-شیمیایی تقویت شده ساخت (Tuning of Physicochemical Properties). آنیون های متداول شامل BF4-، BF6-، Br-، Cl- و ... هستند.


filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e

شکل 1-  مایعات یونی با کاتیون ایمیدازول و پیریدین [1]

1-2 مزایای و ویژگی های مایعات یونی
مهمترین مزیت های مایعات یونی شامل موارد زیر است:
1-این ترکیبات فشار بخار قابل ملاحظه ای ندارند. در نتیجه بر خلاف حلال های آلی معمول موادی غیر فرار هستند و مشکلی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند.
2- تعداد مایعات یونی که امروزه می توان ساخت مشتمل بر 106 عدد است (تنوع بسیار بالا و خصوصیات متفاوت). در حالی که تعداد کل حلال های مولکولی از 600 عدد تجاوز نمی کند.
3-مایعات یونی بسیار بیش از ترکیبات آلی رسانا بوده (کاربردهای الکترونیکی و الکتروشیمیایی) و آنزیم های مختلف در آنها به راحتی محلول هستند (کاربردهای بیوتکنولوژی).
4-این مواد قادر به تشکیل یک سیستم دوفازی مناسب برای جداسازی (Separation Techniques) هستند. در واکنش های دوفازی پس از اتمام واکنش با دوفاز شدن شدن مخلوط واکنش، فاز آلی و فازآبی حاوی مایع یونی (که معمولا در نقش کاتالیست یا بستر کاتالیست عمل می کند) از هم جدا شده و عمل جداسازی با سهولت و با بازده بالا انجام می شود.
5- به راحتی تشکیل پلیمر و ژل می دهند و انواع مختلفی واکنش آلی و معدنی در آنها انجام پذیر است.
6- اگر از مایع یونی به عنوان کاتالیست استفاده شود، امکان استفاده مجدد و جداسازی کاتالیست از محصولات ساده است.
7- مایعات یونی قادر هستند ترکیبات مختلف اعم از نمک ها، چربی ها، پروتئین ها، آمینواسیدها، قندها و پلی ساکاریدها را در خود حل کنند. همچنین مولکول های آلی مانند نفت خام، جوهرها، پلاستیک ها و حتی DNA به راحتی در مایعات یونی مختلف محلول هستند.
8- می توان با تغییر کاتیون یا آنیون، مایع یونی ساخت که خواص فیزیکی تشدید شده مثل حلالیت، ویسکوزیته و ...نسبت به مایعات یونی متداول داشته باشد.
9-با انتخاب کاتیون یا آنیون خاص می توان کاربری مایعات یونی تهیه شده برای کاتالیز کردن یک واکنش یا استخراج گونه های فلزی را اختصاصی (Specific) کرد. اینگونه ترکیبات را مایعات یونی با کاربری خاص می‌گویند.
ازجمله مزیت های مایعات یونی نسبت به حلال های معمول مثل حلال های کلردار (Chlorinated Solvent) و آروماتیک را می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- مایعات یونی قادر به حل کردن گستره وسیعی از ترکیبات آلی، معدنی و فلز-آلی (Organometallic) هستند.
2- به شدت قطبی هستند.
3- فشار بخار ناچیز دارند و غیر فرار هستند.
4- در مقابل حرارت تا دمای 300 درجه سانتی گراد عموما پایدار و مقاوم هستند.
5- در گستره وسیعی از دما یعنی تا 200 درجه سانتی گراد به صورت مایع روان هستند.
6- هدایت الکتریکی این ترکیبات بسیار بالا است.
7- این ترکیبات با بسیاری از حلال های معمول آلی غیر قابل امتزاج هستند.

1-3- خواص مایعات یونی
1-3-1- خواص مایعات یونی با کاربری حلال
وجود حلال های فرار و سمی در صنایع شیمیایی که در مقیاس وسیع استفاده می شود، بزرگترین مشکل زیست محیطی صنایع مزبور است. تلاش برای یافتن جایگزین مناسب برای حلال های فرار صورت گرفته است. مواد زیر جدیدا برای این منظور مناسب تشخیص داده شده اند. در عین حال هرکدام از موارد زیر مزایا، محدودیت و مشکلات خاص خود را دارند.
الف) دی اکسید کربن فوق بحرانی (Supercritical CO2)
ب) حلال فلوئوره (Fluorinated Solvents )
ج) مایعات یونی (Ionic Liquids)
در مورد اول، گاز CO2 را در دما و فشار فوق بحرانی قرار می دهند به نحوی که این گاز به صورت مایع در می آید و اکنون دارای تواما خواص گاز و مایع (هر دو) است. دمای بحرانی برای گاز دی اکسید کربن 31 درجه سانتی گراد و فشار فوق بحرانی آن 74 بار است. دی اکسید کربن فوق بحرانی یک حلال سبز است ولی دو مشکل عمده دارد. برای استفاده از این حلال نیاز به تجهیزات لازم برای برای اعمال فشار فوق بحرانی است. همچنین دامنه حلالیت در این حلال بسیار محدود است. حلال فلوئوره دسته دیگری از حلال جایگزین هستند که مشکلات این حلال ها گران قیمت بودن آنها می باشد و در اثر حرارت مواد سمی متصاعد می کنند.
مایعات یونی دسته ترکیباتی هستند که امروزه به عنوان بهترین جایگزین برای حلال های فرار معرفی می شوند. مایعات یونی علاوه بر سبز بودن قادرند که گستره وسیعی از ترکیبات آلی، معدنی، ترکیبات فلزی-آلی، مولکول های حیاتی و یون های فلزی را در خود حل کنند. بدلیل ساختار یونی، این ترکیبات شدیدا قطبی (Polar) بوده و از این رو با بسیاری از حلال های آلی غیرقابل امتزاج هستند (حلال های آلی معمولا غیرقطبی بوده یا قطبیت پایینی دارند و معمولا با فاز آبی مخلوط نمی شوند). با افزایش طول زنجیره آلکیلی متصل به کاتیون می توان مایعات یونی غیر قابل امتزاجی با آب ساخت و این مایعات یونی در نقش فاز آلی کاربرد دارند.

1-3-2- خلوص مایعات یونی
ویژگی های فیزیکی و شیمیایی مایعات یونی می تواند با حضور ناخالصی ها تغییر پیدا کند. بنابراین خالص سازی مایعات یونی ضروری است. مهمترین آلاینده های مایعات یونی آنیون هالیدها یا بنیان های آلی و آب هستند که معمولا از مواد واکنش نداده (پیش ماده های سنتز مایع یونی که تا آخر تغییر نیافته باقی مانده اند) به وجود می آیند. مایعات یونی تمایل زیادی به جذب رطوبت دارند به طوری مایعات یونی آب گریز هم جاذب الرطوبه هستند. به طور کلی مایعات یونی با حرارت دادن تحت خلاء خشک می شوند ولی خروج کامل آب ( به دلیل ایجاد پیوند محکم هیدروژنی) مشکل است. حضور آب باعث کاهش در چگالی و ویسکوزیته شده و خواص شیمیایی را تعدیل می کند.

1-4- نسل هایی مختلف از مایعات یونی
1-4-1- نسل اول
مایعات یونی، ترکیباتی هستند که کاربرد وسیعی به عنوان حلال دارند. این ترکیبات خواص فیزیکی منحصربه فردی دارند که با تغییر کاتیون یا آنیون آنها می توان این خواص را تقویت کرد. در شکل 2 این مایعات یونی، با عنوان نسل یکم معرفی شده اند.
1-4-2- نسل دوم
با رشد روز افزون این ترکیبات دسته ای از مایعات یونی طراحی شدندکه به عنوان مایعات یونی با کاربری خاص شیمیایی شناخته می شوند. این ترکیبات دارای یک یا چند گروه عاملی خاص بر روی کاتیون هستند که امکان برهم کنش و ایفای نقش شیمیایی خاص را دارند . به عنوان مثال به عنوان روان ساز و لیگاندها ی کمپلکس ساز استفاده می شوند. این ترکیبات علاوه بر خواص فیزیکی ذکر شده کارآیی شیمیایی نیز دارند که با عنوان نسل دوم مایعات یونی شناخته می شوند.
1-4-3- نسل سوم
بعضی ترکیبات فعال دارویی، ساختاری مثل ساختار ما یعات یونی کلاسیک دارند و از لحاظ بیولوژیکی فعال بوده و سمیت آنها مورد بررسی قرار گرفته است. با استفاده از ا ین ترکیبات دارویی، نسل جدید مایعات یونی نسل سوم جدیدًا معرفی شده است این ترکیبات سمیت بسیار کمی دارند و خواص فیزیکی مایعات یونی را نیز دارا می باشند. یعنی می توان از ا ین دسته ما یعات یونی به عنوان دارو استفاده کرد.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1

شکل 2- سه نسل از مایعات یونی با خواص فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی [2]


1-5- کاربردهای مایعات یونی
امروزه مایعات یونی کاربرد بسیار گسترده در علوم و فنون مختلف دارد. مهمترین کاربرد مایعات یونی ایفای نقش یک حلال سبز به جای حلال های فرار است. امروزه مایعات یونی کاربردهای گسترده دیگری نیز دارند که به اختصار به بعضی از آنها اشاره می شود.
1-5-1- واکنش های کاتالیستی
اولین بار 20 سال پیش مایعات یونی به عنوان کاتالیست در واکنش آسیلاسیون فریدیل کرافتس استفاده شد. مایعات یونی به عنوان یک کاتالیست دوفازی یا بستری برای ثابت کردن کاتالیست های دیگر استفاده می شوند. در حضور مایعات یونی امکان استفاده مجدد از کاتالیست وجود دارد.
1-5-2- پایداری نانو کاتالیستها در محیط مایع یونی
نانوکاتالیست های فلزی مانند طلا، پلاتین، پالادیم، رودیم و روتنیم کاربرد گسترده ای در واکنش های آلی دارند. مشکل نانوکاتالیست این است که در محیط های واکنش به هم متصل می شوند و به صورت کلوخه ای در می آیند و فعالیت آنها به شدت کاهش می یابد. برای جلوگیری از این مورد، انواع مایعات یونی استفاده می شود. به عنوان مثال نانوکاتالیست رودیم (Rh) در مایعات یونی ذکر شده در واکنش هیدروژناسیون آلکن ها و آرن ها فعالیت بیشتری از خود نشان می دهند.
1-5-3- حلال
همانطور که ذکر شد کاربری عمده مایعات یویی به عنوان حلال است. از مهمترین مزایای استفاده از مایعات یونی ازدیاد سرعت واکنش ها و بهبود بخشیدن جهت گزینی نسبت به حلال های دیگر است.
1-5-4- الکتروشیمی
بیشتر از 20 سال قبل اولین بار نمک های مذاب و مایعات یونی توسط الکتروشیمیدانان ها برای استفاده در سیستم های قدرت به کار برده شدند. برخی از مایعات یونی بهترین نمونه برای دستگاه های الکتروشیمیایی مانند ذخیره کننده های قدرت، پیل های سوختی، سلول های فوتوولتایی و آب کاری الکتریکی بودند. این به دلیل پایداری بسیار بالای الکتروشیمیایی، رسانایی بالا و محدوده عملکرد دمایی وسیع است. نیاز به باتری هایی با قدرت بالا برای کاربردهای مختلف (پرتابل های الکترونیکی، ترموبیل های الکتریکی، گوشی تلفن همراه و ...) باعث جستجو برای یافتن محلول های الکترولیتی غیر آبی بیشتر شد. رقابت برای بدست آوردن باتری های قابل شارژ یون لیتیم باعث شناسایی الکترولیت های با قدرت رسانایی بالا شد که از لحاظ الکتروشیمیایی پایدار بوده و ظرفیت زیادی برای استفاده مجدد داشتند.
مایعات یونی به نظر می رسد که الکترولیت های خوبی برای باتری های قابل شارژیون لیتیم می باشند. گستره وسیع پتانسیل الکتروشیمیایی آنها مانع احیاء یا اکسید شدن الکترود می شود. این گستره برای مایعات یونی بیش از 5/4 ولت و برای الکترولیت های آبی 2/1 ولت است. علاوه براین مایعات یونی پایداری حرارتی بیشتر، رسانایی بالاتر و حلالیت بیشتری نسبت به الکترولیت های معمول دارند. به عنوان مثال رسانایی آنها در باتری های لیتیم 5 برابر بیشتر از مخلوط و نمک های لیتیم در حلال غیر آبی است.

1-5-5-استخراج مایع-مایع (Liquid-Liquid Extraction)
یکی از روشهای که برای جداسازی استفاده می شود، استخراج مایع-مایع است. این روش در صنعت کاربرد زیادی دارد زیرا بسیار از منظر انرژی مناسب است. در این روش از دوفاز غیر قابل امتزاج یعنی فاز آلی و آبی استفاده می شود. اکثر حلال های مورد استفاده برای فاز آلی کلروفرم از دسته حلال های فرار می باشند. مایعات یونی آب گریز جایگزین مناسبی برای فاز آلی هستند.
مورد استفاده مایعات یونی عمدتا در استخراج یون های فلزی ارزشمند مانند طلا، لانتانیدها و اکتنیدها یا یون های فلزی سمی آب آشامیدنی مانند جیوه و کادمیم می باشد. در جدول لیستی از مایعات یونی مورد استفاده در فرایند استخراج یون های فلزی آورده شده است.

جدول 2- مایعات یونی مختلف با کاربری حلال در فرآیند استخراج یونهای فلزی [3]
filereader.php?p1=main_0f826a89cf68c399c

1-6- نتیجه گیری
مایعات یونی ترکیباتی هستند که در چند سال اخیر انقلابی در مراکز تحقیقاتی و صنایع شیمیایی به پا کرده اند. این ترکیبات که جزء مواد شیمیایی سبز هستند به عنوان حلال کاتالیست نقش بسیار مهمی در کاهش استفاده از ترکیبات خطرناک، سمی و آسیب زننده به محیط زیست در صنایع دارویی دارا می باشند.
در این مقاله به مزایا و ویژگی‌های منحصر به فرد مایعات یونی اشاره شده و همچنین کاربردهای این ترکیبات به اختصار توضیخ داده شده است. امروزه مایعات یونی کاربرد بسیار گسترده در علوم و فنون مختلف دارد. مهمترین کاربرد مایعات یونی ایفای نقش یک حلال سبز به جای حلال های فرار است.

منابـــع و مراجــــع

1. Keskin, s ., Kayrak, D., Akman, U., Hortac., " A review of ionic liquids towards supercritical fluid applications"The Journal of Supercritical Fluids Vol 43, PP.150–180, (2007).

2. Hough, W. L., Smiglak, M., Rodriquez,, M. D., Davis Jr., H. J, Rogers, R. D."The third evolution of ionic liquids: active pharmaceutical ingredients" New Journal of Chemistry, Vol. 31, pp. 1429, (2007).

3. Zhao, H., Xia, S., Ma, P." Use of ionic liquids as ‘green’ solvents for extractions"Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Vol. 80, pp. 1089, (2005).

نظرات و سوالات

نظرات

17 -8

پریسا خواجه گی کاخکی - ‏۱۳۹۴/۱۱/۰۴

با سلام. کیفیت عکس ها بسیار پایین است.

8 -8

نجیبا سودی - ‏۱۳۹۲/۱۲/۱۷

سلام ضمن تشکر از زحمت شما و مقاله ی خوبتان :

قبل از مقدمه اورده اید که :

مهمترین مزیت آنها این است که فشار بخار (Vapor Pressure) قابل ملاحظه ای دارند

بعدا در قسمت

1-2 مزایای و ویژگی های مایعات یونی

نوشته اید :

مهمترین مزیت های مایعات یونی شامل موارد زیر است:

1-این ترکیبات فشار بخار قابل ملاحظه ای ندارند



حالا فشار بخار قابل ملاحظه ای دارند یا ندارند ؟ به نظر می رسه برای پایداری بیشتر نباید فشار بخار قابل توجهی داشته باشند

ضمنا چند جدول اول متاسفانه اصلا خوانا نیستند.

با تشکر

10 -9

طیبه محمدزاده

مبحث نازی بود بقیه مباحث هم یاد بگیرند اونقد ادم رو اذیت نکنن