Электропроводность концентрированных растворов 1-бутил-3-метилпиридиний бис{(трифторметил)сульфонил}имида в ацетонитриле, диметилсульфоксиде и диметилформамиде

Аннотация

Приведен подробный анализ опубликованных в литературе результатов изучения зависимости удельной электропроводности κ концентрированных растворов ионных жидкостей в полярных растворителях от концентрации и температуры. В соответствии с литературными данными при увеличении концентрации удельная электропроводность этих растворов проходит через максимум, положение которого с ростом температуры смещается в сторону более высоких концентраций. В интервале значений температуры 20...65 °С измерена удельная электропроводность концентрированных растворов 1-бутил-3-метил-пиридиний бис{(трифторметил)сульфонил}имида ([Bmpy][NTf₂]) в ацетонитриле, диметилформамиде и диметилсульфоксиде. Определены значения максимальной удельной электропроводности κ_max и соответствующие им значения концентрации с_max. Рассчитаны расстояния между ионами в растворах при концентрациях, соответствующих κ_max, и концентрации, ниже которых в растворах могут образовываться контактные и сольваторазделенные ионные пары. Показано, что максимум на зависимости κ--с возникает при концентрациях, когда расстояние между ионами оказывается меньше диаметра молекулы растворителя. При этом в растворе образуются контактные ионные пары. Для обобщения температурной и концентрационной зависимостей удельной электропроводности растворов использованы нормированная электропроводность κ/κ_max и нормированная концентрация c / c_max. В исследованном интервале значений температуры и концентрации на единую для различных растворителей кривую в координатах κ / κ_max--c / c_max укладываются значения нормированной электропроводности. По уравнению Аррениуса вычислена энергия активации удельной электропроводности. Показано, что энергия активации увеличивается с ростом концентрации [Bmpy][NTf₂] и уменьшается при повышении температуры пропорционально обратному квадрату абсолютной температуры

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Артемкина Ю.М., Карпуничкина И.А., Плешкова Н.В. и др. Электропроводность концентрированных растворов 1-бутил-3-метилпиридиний бис{(трифтор-метил)сульфонил}имида в ацетонитриле, диметилсульфоксиде и диметилформамиде. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 5 (110), с. 90--121. DOI: https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-5-90-121

Литература

[1] Plechkova N.V., Seddon K.R. Applications of ionic liquids in the chemical industry. Chem. Sic. Rev., 2008, vol. 37, iss. 1, pp. 123--150. DOI: https://doi.org/10.1039/B006677J

[2] Torrecilla J.S., ed. The role of ionic liquids in the chemical industry. Nova, 2012.

[3] Siriwardana A.I. Industrial applications of ionic liquids. In: Torriero A. (eds). Electrochemistry in Ionic Liquids. Cham, Springer, 2015, pp. 563--603. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-15132-8_20

[4] Ohno H. Electrochemical aspects of ionic liquids. Wiley, 2011.

[5] Liu H., Yu H. Ionic liquids for electrochemical energy storage devices applications. J. Mater. Sci. Technol., 2019, vol. 35, iss. 4, pp. 674--686. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2018.10.007

[6] Асланов Л.А., Захаров М.А., Абрамычева Н.Л. Ионные жидкости в ряду растворителей. М., Изд-во МГУ, 2005.

[7] Vila J., Gines P., Rilo E., et al. Great increase of the electrical conductivity of ionic liquids in aqueous solutions. Fluid Phase Equilib., 2006, vol. 247, iss. 1-2, pp. 32--39. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fluid.2006.05.028

[8] Chaban V.V., Voroshylova I.V., Kalugin O.N., et al. Acetonitrile boosts conductivity of imidazolium ionic liquids. J. Phys. Chem. B, 2012, vol. 116, iss. 26, pp. 7719−7727. DOI: https://doi.org/10.1021/jp3034825

[9] Nishida T., Tashiro Y., Yamamoto M. Physical and electrochemical properties of 1-alkyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate for electrolyte. J. Fluor. Chem., 2003, vol. 120, iss. 2, pp. 135--141. DOI: https://doi.org/10.1016/S0022-1139(02)00322-6

[10] Diaw M., Chagnes A., Carre B., et al. Mixed ionic liquid as electrolyte for lithium batteries. J. Power Sources, 2005, vol. 146, iss. 1-2, pp. 682--684. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.03.068

[11] Francois Y., Zhang K., Varenne A., et al. New integrated measurement protocol using capillary electrophoresis instrumentation for the determination of viscosity, conductivity and absorbance of ionic liquid--molecular solvent mixtures. Anal. Chim. Acta, 2006, vol. 562, iss. 2, pp. 164--170. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aca.2006.01.036

[12] Liu W., Zhao T., Zhang Y. The physical properties of aqueous solutions of the ionic liquid [BMIM][BF4]. J. Solution Chem., 2006, vol. 35, no. 10, pp. 1337--1346. DOI: https://doi.org/10.1007/s10953-006-9064-7

[13] Jarosik A., Krajewski S.R., Lewandowski A., et al. Conductivity of ionic liquids in mixtures. J. Mol. Liq., 2006, vol. 123, iss. 1, pp. 43--50. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2005.06.001

[14] Liu W., Cheng L., Zhang Y., et al. The physical properties of aqueous solution of room-temperature ionic liquids based on imidazolium: database and evaluation. J. Mol. Liq., 2008, vol. 140, iss. 1-3, pp. 68--72. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2008.01.008

[15] Herzig T., Schreiner C., Bruglachner H. Temperature and concentration dependence of conductivities of some new semichelatoborates in acetonitrile and comparison with other borates. J. Chem. Eng. Data, 2008, vol. 53, iss. 2, pp. 434--438. DOI: https://doi.org/10.1021/je700525h

[16] Stoppa A., Hunger J., Buchner R. Conductivities of binary mixtures of ionic liquids with polar solvents. J. Chem. Eng. Data, 2009, vol. 54, iss. 2, pp. 472--479. DOI: https://doi.org/10.1021/je800468h

[17] Zhu A., Wang J., Han L., et al. Measurements and correlation of viscosities and conductivities for the mixtures of imidazolium ionic liquids with molecular solutes. Chem. Eng. J., 2009, vol. 147, iss. 1, pp. 27--35. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2008.11.013

[18] Zarrougui R., Dhahbi M., Lemordant D. Effect of temperature and composition on the transport and thermodynamic properties of binary mixtures of ionic liquid N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide and propylene carbonate. J. Solut. Chem., 2010, vol. 39, vol. 7, pp. 921--942. DOI: https://doi.org/10.1007/s10953-010-9562-5

[19] Li J.-G., Hu Y-F., Jin C-W., et al. Study on the conductivities of pure and aqueous bromide-based ionic liquids at different temperatures. J. Solut. Chem., 2010, vol. 39, no. 12, pp. 1877--1887. DOI: https://doi.org/10.1007/s10953-010-9576-z

[20] Rilo E., Vila J., Garcia M., et al. Viscosity and electrical conductivity of binary mixtures of C_nMIM-BF₄ with ethanol at 288 K, 298 K, 308 K, and 318 K. J. Chem. Eng. Data, 2010, vol. 55, iss. 11, pp. 5156--5163. DOI: https://doi.org/10.1021/je100687x

[21] Zarrougui R., Dhahbi M., Lemordant D. Volumetric and transport properties of N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide--methanol binary mixtures. Ionics, 2011, vol. 17, iss. 4, pp. 343--352. DOI: https://doi.org/10.1007/s11581-010-0511-5

[22] Lopes J.N.C., Gomes M.F.C., Husson P., et al. Polarity, viscosity, and ionic conductivity of liquid mixtures containing [C₄C₁im][Ntf₂] and a molecular component. J. Phys. Chem. B, 2011, vol. 115, iss. 19, pp. 6088--6099. DOI: https://doi.org/10.1021/jp2012254

[23] Zhang Q.-G., Sun S.-S., Pitula S., et al. Electrical conductivity of solutions of ionic liquids with methanol, ethanol, acetonitrile, and propylene carbonate. J. Chem. Eng. Data, 2011, vol. 56, iss. 12, pp. 4659--466. DOI: https://doi.org/10.1021/je200616t

[24] Rilo E., Vila J., Garcia-Garabal S., et al. Electrical conductivity of seven binary systems containing 1-ethyl-3-methyl imidazolium alkyl sulfate ionic liquids with water or ethanol at four temperatures. J. Phys. Chem. B, 2013, vol. 117, iss. 5, pp. 1411−1418. DOI: https://doi.org/10.1021/jp309891j

[25] Kalugin O.N., Voroshylova I.V., Riabchunova A.V., et al. Conductometric study of binary systems based on ionic liquids and acetonitrile in a wide concentration range. Electrochim. Acta, 2013, vol. 105, pp. 188--199. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2013.04.140

[26] Andanson J.-M., Traikia M., Husson P. Ionic association and interactions in aqueous methylsulfate alkyl-imidazolium-based ionic liquids. J. Chem. Thermodyn., 2014, vol. 77, pp. 214--221. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jct.2014.01.031

[27] Xu L., Cui X., Zhang Y., et al. Measurement and correlation of electrical conductivity of ionic liquid [EMIM][DCA] in propylene carbonate and γ-butyrolactone. Electrochim. Acta, 2015, vol. 174, pp. 900--907. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.06.053

[28] Saba H., Yumei Z., Huaping W. Physical properties and solubility parameters of 1-ethyl-3-methylimidazolium based ionic liquids/DMSO mixtures at 298.15 K. Russ. J. Phys. Chem. A, 2015, vol. 89, no. 13, pp. 2381--2387. DOI: https://doi.org/10.1134/S0036024415130324

[29] Papovic S., Gadzuric S., Bester-Rogac M., et al. Effect of the alkyl chain length on the electrical conductivity of six (imidazolium-based ionic liquids + γ-butyrolactone) binary mixtures. J. Chem. Thermodyn., 2016, vol. 102, pp. 367--377. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jct.2016.07.039

[30] Papovic S., Gadzuric S., Bester-Rogac M., et al. A systematic study on physicochemical and transport properties of imidazolium-based ionic liquids with γ-butyrolactone. J. Chem. Thermodyn., 2018, vol. 116, pp. 330--340. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jct.2017.10.004

[31] Arkhipova E.A., Ivanov A.S., Maslakov K.I., et al. Effect of cation structure of tetraalkylammonium- and imidazolium-based ionic liquids on their conductivity. Electrochim. Acta, 2019, vol. 297, pp. 842--849. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.12.002

[32] Lobo V.M.M., Quaresma J.L. Handbook of electrolyte solutions. Parts A and B. Elsevier, 1989. 2354 p.

[33] Добош Д. Электрохимические константы. М., Мир, 1980.

[34] Barthel J. Electrolytes in non-aqueous solvents. Pure Appl. Chem., 1979, vol. 51, iss. 10, pp. 2093--2124. DOI: https://doi.org/10.1351/pac197951102093

[35] Woodward C.E., Harris K.R. A lattice-hole theory for conductivity in ionic liquid. Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, vol. 12, iss. 5, pp. 1172--1176. DOI: https://doi.org/10.1039/B919835K

[36] Casteel J.F., Amis E.S. Specific conductance of concentrated solutions of magnesium salts in water-ethanol system. J. Chem. Eng. Data, 1972, vol. 17, iss. 1, pp. 55--59. DOI: https://doi.org/10.1021/je60052a029

[37] Barthel J., Gores H.-J., Neueder R., et al. Electrolyte solutions for technology --- new aspects and approaches. Pure Appl. Chem., 1999, vol. 71, no. 9, pp. 1705--1715. DOI: https://doi.org/10.1351/pac199971091705

[38] Ding M.S. Casteel --- Amis equation:  its extension from univariate to multivariate and its use as a two-parameter function. J. Chem. Eng. Data, 2004, vol. 49, iss. 5, pp. 1469--1475. DOI: https://doi.org/10.1021/je049839a

[39] Mahiuddin S., Wahab A. Isentropic compressibility, electrical conductivity, shear relaxation time, surface tension and Raman spectra of aqueous zinc nitrate solutions. J. Chem. Eng. Data, 2004, vol. 49, iss. 1, pp. 126--132. DOI: https://doi.org/10.1021/je0302001

[40] Wahab A., Mahiuddin S., Hefter G., et al. Densities, ultrasonic velocities, viscosities, and electrical conductivities of aqueous solutions of Mg(OAc)₂ and Mg(NO₃)₂. J. Chem. Eng. Data, 2006, vol. 51, iss. 5, pp. 1609--1616. DOI: https://doi.org/10.1021/je060107n

[41] Тюнина Е.Ю., Чекунова М.Д. Электропроводность растворов LiAsF₆ в апротонных растворителях с различной диэлектрической проницаемостью. Известия вузов. Химия и химическая технология, 2015, т. 58, № 1, c. 112--115.

[42] Щербаков В.В. Закономерности в электропроводности концентрированных растворов сильных электролитов. Электрохимия, 2009, т. 45, № 11, с. 1394--1397.

[43] Щербаков В.В., Артемкина Ю.М. Электропроводность систем гидроксид щелочного металла--вода. Журнал неорганической химии, 2010, т. 55, № 6, с. 1034--1036.

[44] Артемкина Ю.М., Загоскин Ю.Д., Кузнецов Н.М. и др. Закономерности в электропроводности водных растворов некоторых неорганических кислот. Известия вузов. Химия и химическая технология, 2016, № 2, с. 26--30.

[45] Щербаков В.В., Артемкина Ю.М., Пономарeва Т.Н. Электропроводность концентрированных водных растворов пропионовой кислоты, пропионата натрия и их смесей. Электрохимия, 2008, т. 44, № 10, с. 1275--1280.

[46] Щербаков В.В., Артемкина Ю.М., Пономарева Т.Н. и др. Электропроводность системы аммиак--вода. Журнал неорганической химии, 2009, т. 54, № 2, с. 321--323.

[47] Артемкина Ю.М., Щербаков В.В. Электропроводность систем ассоциированный электролит--вода. Журнал неорганической химии, 2010, т. 55, № 9, с. 1573--1575.

[48] Varela L. M., Carrete, J., Garcia M., et al. Pseudolattice theory of charge transport in ionic solutions: сorresponding states law for the electric conductivity. Fluid Phase Equilib., 2010, vol. 298, iss. 2, pp. 280−286. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fluid.2010.08.013

[49] Varela L.M., Carrete J., Garcia M., et al. Pseudolattice theory of ionic liquids. In: Ionic Liquids. Theory, Properties, New Approaches. InTech, 2011, pp. 347--366.

[50] Rilo E., Vila J., Garcia-Garabal S., et al. Electrical conductivity of seven binary systems containing 1-ethyl-3-methyl imidazolium alkyl sulfate ionic liquids with water or ethanol at four temperatures. J. Phys. Chem. B, 2013, vol. 117, iss. 5, pp. 1411−1418. DOI: https://doi.org/10.1021/jp309891j

[51] Robinson R.A., Stokes R.H. Electrolyte solutions. Dover Publ., 2012.

[52] Vila J., Gines P., Pico J.M., et al. Temperature dependence of the electrical conductivity in EMIM-based ionic liquids: evidence of Vogel --- Tamman --- Fulcher behavior. Fluid Phase Equilib., 2006, vol. 242, iss. 2, pp. 141--146. DOI: https://doi.org/10.1016/j.fluid.2006.01.022

[53] Vila J., Varela L.M., Cabeza O. Cation and anion sizes influence in the temperature dependence of the electrical conductivity in nine imidazolium based ionic liquids. Electrochim. Acta, 2007, vol. 52, iss. 26, pp. 7413--7417. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.06.044

[54] Litovitz T.A. Temperature dependence of the viscosity of associated liquids. J. Chem. Phys., 1952, vol. 20, iss. 7, pp. 1088--1089. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1700671

[55] Artemkina Yu.M., Shcherbakov V.V., Akimova I.A. The temperature dependence of the electrical conductivity activation energy of the of aqueous electrolyte solutions. Mater. Sci. Forum, 2021, vol. 1031, pp. 228--233. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1031.228

[56] Borun A., Fernandez C., Bald A. Conductance studies of aqueous ionic liquids solutions [emim][BF₄] and [bmim][BF₄] at temperatures from (283.15 to 318.15) K. Int. J. Electrochem. Sci., 2015, vol. 10, iss. 3, pp. 2120--2129. DOI: https://doi.org/10.1016/S1452-3981(23)04834-4

[57] Borun A. Conductance and ionic association of selected imidazolium ionic liquids in various solvents: a review. J. Mol. Liq., 2019, vol. 276, pp. 214--224. DOI: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.11.140

[58] Shcherbakov V.V., Artemkina Yu.M., Akimova I.A., et al. Dielectric characteristics, electrical conductivity and solvation of ions in electrolyte solutions. Materials, 2021, vol. 14, iss. 19, art. 5617. DOI: https://doi.org/10.3390/ma14195617

[59] Barthel J., Feuerlein F., Neueder R., et al. Calibration of conductance cells at various temperatures. J. Solution Chem., 1980, vol. 9, no. 3, pp. 209--219. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00648327

[60] Hefter G., Buchner R. Dielectric relaxation spectroscopy: an old-but-new technique for the investigation of electrolyte solutions. Pure Appl. Chem., 2020, vol. 92, iss. 10, pp. 1595--1609. DOI: https://doi.org/10.1515/pac-2019-1011

[61] Shcherbakov V.V., Artemkina Yu.M., Pleshkova N.V., et al. Ultimate high-frequency conductivity of solvent and electroconductivity of electrolyte solutions. Russ. J. Electrochem., 2009, vol. 45, no. 8, pp. 922--924. DOI: https://doi.org/10.1134/s1023193509080138

[62] Щербаков В.В., Артемкина Ю.М. Диэлектрические свойства растворителей и их предельная высокочастотная электропроводность. Журнал физической химии, 2013, т. 87, № 6, с. 1058--1061. DOI: https://doi.org/10.7868/S0044453713060241

[63] Kumbharkhane A.C., Puranik S.M., Mehrotra S.C. Dielectric relaxation studies of aqueous N,N-dimethylformamide using a picosecond time domain technique. J. Solut. Chem., 1993, vol. 22, no. 3, pp. 219--229. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00649245

[64] Khirade P.W., Chaudhari A., Shinde J.B., et al. Temperature-dependent dielectric relaxation of 2-ethoxyethanol, ethanol, and 1-propanol in dimethylformamide solution using the time-domain technique. J. Solut. Chem., 1999, vol. 28, no. 8, pp. 1031--1043. DOI: https://doi.org/10.1023/A:1022666128166

[65] Yang L.-J., Yang X.-Q., Huang K.-M., et al. Dielectric properties of binary solvent mixtures of dimethyl sulfoxide with water. Int. J. Mol. Sci., 2009, vol. 10, iss. 3, pp. 1261--1270. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms10031261

[66] Puranik S.M., Kumbharkhane A.C., Mehrotra S.C. Dielectric study of dimethyl sulfoxide--water mixtures using the time-domain technique. J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1992, vol. 88, iss. 3, pp. 433--435. DOI: https://doi.org/10.1039/FT9928800433

[67] Lu Z., Manias E., Macdonald D.D., et al. Dielectric relaxation in dimethyl sulfoxide/water mixtures studied by microwave dielectric relaxation spectroscopy. J. Phys. Chem. A, 2009, vol. 113, iss. 44, pp. 12207--12214. DOI: https://doi.org/10.1021/jp9059246