حلالهای زیستی

حلال زیستی که با نام محلول‌های شیمی سبز نیز شناخته می‌شود، در واقع محلول‌های یونی هستند که به علت ماهیت شیمیایی خود، خواص انحلال‌پذیری متنوعی دارند. این محلول‌ها علاوه بر قابلیت شیمیایی بالایی که در پیشبرد واکنش‌های گوناگون دارند، آسیب بسیار اندکی به محیط‌زیست وارد می‌کنند. ازاین‌رو، جایگزین‌های مناسبی برای حلال‌های پر خطری هستند که تا کنون کاربرد داشتند.

آشنایی با حلال زیستی

حلال زیستی یا مایع یونی (Ionic Liquid=IL) نوعی محلول نمکی است که در دمای محیط به‌صورت مایع وجود دارد. البته در برخی از زمینه‌های علم شیمی، این اصطلاح به نمک‌هایی که نقطه ذوب آنها کمتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد است نیز اطلاق می‌شود. برخلاف سایر محلول‌ها که در حالت نرمال دارای بار مولکولی خنثی هستند، مایعات یونی از یون‌هایی با بار مثبت یا منفی ساخته شده‌اند و به همین علت، محلول آنها دارای بار الکتریکی است. از دیگر نام‌های این محلول‌ها می‌توان به الکترولیت‌های مایع، مذاب‌های یونی، نمک‌های ذوب شده، نمک‌های مایع یا شیشه‌های یونی اشاره کرد. مایعات یونی معمولاً مایعات چسبناک، بی‌رنگ و هادی متوسط تا ضعیف الکتریسیته هستند که به‌ندرت، خود یونیزه می‌شوند.

از جمله نمک‌هایی که در این دسته قرار می‌گیرند، می‌توان به اتیل آمونیوم نیترات، کاتیون‌های ایمیدازول و پیریدینیوم جایگزین شده با آلکیل، آنیون‌های هالید یا تتراهالوژنوآلومینات و… اشاره کرد. به علت فراریت کم این مایعات، انتشار مواد مخرب حاصل از واکنش و آلودگی محیط‌زیست به‌واسطه آنها بسیار کم است. سمیت آبی ایجاد شده توسط این مایعات، کمتر از سایر حلال‌ها برآورد شده است. سونوگرافی می تواند محلولهای مایعات یونی مبتنی بر ایمیدازول را با پراکسید هیدروژن و استیک اسید به ترکیبات نسبتا بی ضرر تبدیل کند. البته این مایعات خواص اعجاب انگیز دیگری نیز دارند که در بخشهای بعدی شما عزیزان را بیشتر با آنها آشنا خواهیم کرد.

بررسی کاربردهای حلال زیستی

حلال زیستی کاربردهای بالقوه فراوانی دارد. از این حلال‌های قدرتمند می‌توان به‌عنوان الکترولیت استفاده کرد. از نمک‌هایی که دمای ذوبشان نزدیک به دمای محیط است، می‌توان در ساخت باتری‌های الکتریکی مورداستفاده قرارداد. این نمک‌ها به دلیل فشار بخار بسیار کمی که دارند، می‌توانند به‌عنوان درزگیر عمل کنند. کاتالیزورهای کارآمدی هستند که می‌توانند در بسیاری از واکنش‌ها شرکت کنند. در صنایع داروسازی، تغذیه‌ای، آرایشی، پردازش بیوپلیمر و بازفراوری سوخت هسته‌ای مورداستفاده قرار می‌گیرند. جالب است بدانید که انحلال سلولز توسط ILها در سال‌های اخیر موردتوجه فراوانی قرار گرفت.

مایعات یونی با انتقال حرارت بالقوه انرژی حرارتی خورشیدی و ذخیره‌سازی آن در سیستم‌های انرژی حرارتی سبب پیشرفت در این زمینه شده‌اند. بازیافت زباله، کالاهای مصنوعی، پلاستیک و فلزات به کمک مایعات یونی آسان‌تر است. حلال زیستی می‌تواند به‌عنوان عوامل پخش‌کننده در رنگ‌ها عمل کند تا خواص پایانی، ظاهری و خشک‌شدن رنگ‌ها را افزایش دهد. این مایعات می‌توانند جذب کربن و آمین‌ها را افزایش دهند. برخی مایعات یونی اصطکاک و سایش را در آزمایش‌های تریبولوژیکی کاهش می‌دهند طبیعت قطبی این مایعات، آنها را به روان‌کننده‌هایی برای کاربردهای تریبوترونیک تبدیل کرده است.

وجه تمایز حلال زیستی با سایر حلالها

نکته بسیار مهمی که در هنگام استفاده از حلال زیستی سبب ترغیب محققان می‌شود، آگاهی از وجه تمایز و برتری‌های این ماده نسبت به سایر حلال‌ها است. اولین وجه تمایز مربوط به شکل ظاهری این مایعات پس از اتمام واکنش و سردشدن آنها است. بر خلاف سایر حلال‌ها، هنگامی که یک مایع یونی سرد می‌شود، اغلب یک جامد یونی را تشکیل می‌دهد. این جامد یونی ممکن است به شکل کریستالی یا شیشه‌ای درآید. البته برخی از نمک‌ها، به‌ویژه آنهایی که کاتیون‌های آلی دارند، به علت انرژی شبکه پایینی که دارند در دمای اتاق یا کمتر از آن به شکل مایع وجود دارند.

پیوند یونی معمولاً قوی‌تر از نیروهای واندروالس بین مولکول‌های مایعات معمولی است! به همین دلیل، فعل‌وانفعالات قوی این نمک‌ها سبب ایجاد تمایل بیشتر برای ایجاد انرژی شبکه بالاتر می‌گردد که خود موجب بالارفتن نقطه ذوب می‌شود. ترکیبات آلیفاتیک اشباع به مقدار کم، آلکن‌ها تا حدودی بیشتری و آلدئیدها اغلب به‌صورت کامل در مایعات یونی قابل امتزاج هستند. تفاوت میزان حلالیت مایعات یونی و سایر حلال‌ها را می‌توان در کاتالیز دوفازی، مانند فرایندهای هیدروژناسیون و هیدروکربونیلاسیون نیز جستجو کرد. در مایعات یونی امکان جداسازی محصولات و یا بسترهای واکنش نداده نسبتاً آسان است.

سوالات متداول حلالهای زیستی

 ۱- مایعات یونی و محلول‌های یونی چه زمانی با یکدیگر قابل‌مقایسه هستند؟

مایعات یونی با دمای پایین را می‌توان با محلول‌های یونی مقایسه کرد. مایعاتی که هم یون‌ها و هم مولکول‌های خنثی دارند و به‌ویژه با حلال‌های به‌اصطلاح یوتکتیک عمیق، مخلوط‌هایی از مواد جامد یونی و غیریونی که نقطه ذوب بسیار پایین‌تری دارند، به وجود می‌آورند.

 ۲- فشار بخار و اشتعال‌پذیری حلال زیستی چگونه است؟

فشار بخار مایعات یونی به‌اندازه‌ای کم است که می‌تواند به 10-10 Pa و پایین‌تر نیز برسد. بسیاری از آنها قابلیت احتراق بسیار اندکی دارند و به همین علت بسیار ایمن هستند. این مایعات همچنین از نظر حرارتی نیز بسیار پایدار هستند.

 ۳- میزان حلالیت گازها در حلال‌های یونی چگونه است؟

حلالیت گاز همانند کاتالیزهای دوفازی است. گاز دی‌اکسیدکربن حلالیت خوبی دارد، مونوکسید کربن کمتر محلول است و هیدروژن فقط کمی محلول است (مشابه حلالیت در آب).

 ۴- آیا میزان انحلال‌پذیری مواد مختلف در مایعات یونی گوناگون به یک‌میزان است؟

خیر. میزان انحلال‌پذیری این مواد بین مایعات یونی متفاوت است. علت این امر نیز وجود بارهای الکتریکی ذرات تشکیل‌دهنده این مایعات و بار الکتریکی موادی است که می‌خواهیم تحت‌تأثیر این مایعات قرار دهیم.

 ۵- اختلاط مایع یونی با حلال‌های قطبی و آلی چگونه است؟

اختلاط مایعات یونی با آب یا حلال‌های آلی به طول زنجیره جانبی روی کاتیون و آنیون بستگی دارد. این مایعات همچنین می‌توانند به‌عنوان اسید، باز یا لیگاند عمل کنند و همانند نمک‌های پیش‌ساز در تهیه کاربن‌ها پایدار بمانند.