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Journée Scientifique de l’ICCF 18 janvier 2013 Association ionique en milieu liquide ionique Pascale Husson, Margarida Costa Gomes, Agilio Padua, Sabine Sarraute, Mounir Traikia Equipe Thermodynamique / Equipe SEESIB Position du problème Les liquides ioniques : - constitués uniquement d’ions - liquides aux propriétés modulables bis(trifluoromethylsulfonyl)imide butyl-methyl-imidazolium Constat : La conductivité n’est pas uniquement gouvernée par la migration ionique La viscosité n’est pas l’unique propriété déterminant la conductivité. Formation de paires d’ions ? Importance de décrire ce phénomène (applications en électrochimie, propriétés de solvatation, pression de vapeur) > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 2 Objectifs et Outils Objectifs : Être capable de caractériser l’association ionique Identifier les paramètres susceptibles de la modifier (structure du liquide ionique, température, ajout d’un composé moléculaire) Notion d’ionicité : proportion d’ions disponibles pour la conduction électrique Outils : - approche qualitative dérivée de l’étude des solutions aqueuses diluées Utilisation des graphes de Walden - approche quantitative Détermination de l’écart par rapport à l’équation de Nernst-Einstein > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 3 Objectifs et Outils Cas où tous les ions sont disponibles pour la conduction k bT Di = 6phri N Ae 2 (D+ + D- ) L NE = k bT Modèle de Stokes Einstein (soluté = sphère rigide) Equation de Nernst-Einstein N Ae2 æ 1 1 ö L NE = ç + + -÷ 6ph è r r ø Outils : - Mesure de D+ et D- Mesure de Limp - Graphe de Walden : æ1 1ö L NE h = Cons tan te ç + + - ÷ èr r ø LNE = LRMN LRMN = Limp = LNE log L vs log h-1 > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 droite de pente 1 4 Objectifs et Outils Cas où il existe une association ionique Modèle de Stokes Einstein (soluté = sphère rigide) k bT Di = 6phri N Ae 2 (D+ + D- ) Ecarts à l’équation de Nernst-Einstein L imp = .a k bT æ1 1ö N Ae 2 æ 1 1 ö L imp = a ç + + -÷ L imp h = aCons tan te ç + + - ÷ 6ph è r r ø èr r ø Outils : - Mesure de D+ et DLNE = LRMN - Mesure de Limp LRMN ≠ Limp - Graphe de Walden : log Limp vs log h-1 > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 ionicité = Limp / LRMN droite ‘décalée’ 5 Effet de la structure du liquide ionique Liquides ioniques sélectionnés 1-butyl-3-methylimidazolium methylsulfate C1C4Im MeSO4 1-ethyl-3-methylimidazolium methylsulfate C1C2Im MeSO4 OF3C S O O trifluoromethylsulfonylimide, OTf - F3C CF3 N S O S O O O bistrifluoromethylsulfonylimide, NTf2 > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 6 Effet de la structure et de la température Bons liquides ioniques selon la classification de Angell Graphe de Walden Liquides ioniques purs en fonction de la température h : viscosité Limp : conductivité molaire C1C4ImNTf2 Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1228–1236 C1C4ImOTf C1C2ImMeSO4 Peu d’effet de la température sur l’association ionique C1C4ImMeSO4 > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 7 Effet de la structure et de la température Ionicité Liquides ioniques purs en fonction de la température C1C4ImNTf2 C1C2ImMeSO4 > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 C1C4ImNTf2 est plus dissocié que C1C2ImMeSO4 Résultat cohérent avec le graphe de Walden Peu d’effet de la température sur l’association ionique 8 Ajout d’un composé moléculaire C1C4ImNTf2 pur en fonction de la température et en présence de composés moléculaires à 298 K Acétonitrile Méthanol C1C4ImNTf2 Pur, f(T) Eau Dichloromethane 1-Butanol t-Butanol > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 Evolution de l’ionicité du milieu Associations ioniques plus fortes en présence de composés moléculaires d’autant plus que le composé est peu polaire 9 Ajout d’eau : approche qualitative C1C2ImMeSO4 + eau T = 298 K L’ajout d’eau conduit à une plus forte dissociation du liquide ionique C1C2ImMeSO4 pur en fonction de la température > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 10 Ajout d’eau : approche quantitative L’ajout d’eau conduit à une plus forte dissociation du liquide ionique > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 11 Conclusions Mise en place de deux outils complémentaires pour l’évaluation de l’association ionique en milieu liquide ionique La température a peu d’influence sur l’association ionique L’ajout d’un composé moléculaire augmente l’association ionique L’eau augmente la dissociation ionique > Journée Scientifique de l’ICCF, 18/01/2013 12