Ciecze jonowe

Wysokoenergetyczne ciecze jonowe

Ciecze jonowe to substancje, będące stopionymi solami o niskiej temperaturze wrzenia (poniżej 100°C). Składają się z dużego i asymetrycznego organicznego kationu oraz organicznego lub nieorganicznego anionu. Ich zaletami jest niska prężność pary, szeroki zakres temperaturowy w którym występują w formie ciekłej, wysoka stabilność, zdolność do rozpuszczania wielu związków oraz wysoka przewodność. W ostatnich latach rośnie zainteresowanie cieczami jonowymi jako ekologiczną alternatywną dla organicznych rozpuszczalników oraz w takich obszarach jak synteza organiczna, elektrochemia, techniki separacyjne i analityczne, chemia materiałowa i inne.

Poprzez dobór odpowiedniej struktury związku można otrzymać wysokoenergetyczne ciecze jonowe, które mogą znaleźć zastosowanie jako materiały wybuchowe lub paliwa rakietowe. Tym samym mogą z powodzeniem zastąpić obecnie stosowaną hydrazynę, która jest lotną, toksyczną i kancerogenną substancją. Przewagą cieczy jonowych jest również łatwość pracy z nimi ze względu na niską toksyczność i bardzo małą lotność. Wiele cieczy jonowych wykazuje spontaniczny zapłon (hipergoliczny) w kontakcie z niektórymi utleniaczami. Cecha ta jest bardzo pożądana w napędach rakietowych, gdyż zapłon obu składników następuje samoistnie i nie jest wymagane stosowanie dodatkowego układu zapłonowego czy katalizatora. Istotnym parametrem charakteryzującym paliwo hipergoliczne jest opóźnienie jego zapłonu. Jest to czas potrzebny na inicjację, który upływa od momentu zetknięcia ze sobą paliwa (np. ciecz jonowa) i utleniacza. Korzystne jest aby ten parametr posiadał jak najniższą wartość. Odpowiednio dobrane substancje i utleniacz mogą osiągnąć bardzo niski czas opóźnienia zapłonu. Obecnie typowym wykorzystywanym układem hipergolicznym jest dimetylohydrazyna i tetratlenek diazotu lub dymiący czerwony kwas azotowy. Wszystkie te związki są silnie drażniące, trujące i niebezpieczne. Ciecze jonowe są znacznie korzystniejszą alternatywą, tym bardziej, że niektóre związki wykazują zapłon z wysoko stężonym nadtlenkiem wodoru, który jest substancją dość bezpieczną, ale przede wszystkim nietoksyczną.

W tabeli zaprezentowano często wykorzystywane grupy kationów oraz anionów do tworzenia wysoko energetycznych cieczy jonowych. Stosowane kationy to często odpowiednie pochodne związków heterocyklicznych (jak imidazol), w tym celu poprzez syntezę chemiczną uzyskuje się produkty zawierające podstawniki tak jak 1-butylo-3-metyloimidazol, 1-etylo-3-metyloimidazol, 1-allilo-3-etyloimidazol itd. Podobnie stosowane aniony mogą być odpowiednio modyfikowane z borowodorku można uzyskać cyjanoborowodorek lub dicyjanoborowodorek. Oznacza to, że ilość możliwych do utworzenia cieczy jonowych jest w zasadzie nieograniczona.