Литий (лат. Lithium), Li, химический элемент I группы периодической системы Менделеева, атомный номер 3, атомная масса 6,941, относится к щелочным металлам. Природный Литий состоит из двух стабильных изотопов - 6Li (7,42%) и 7Li (92,58%). Литий был открыт в 1817 году шведским химиком А. Арфведсоном в минерале петалите; название от греч. lithos - камень. Металлический Литий впервые получен в 1818 году английским химиком Г. Дэви.
Атомный номер - 3
Атомная масса - 6,941
Плотность, кг/м - 530
Температура плавления, °С - 180,5
Температура кипения, °С - 1342
Теплоемкость, кДж/(кг·°С) - 3,307
Электроотрицательность - 1,0
Ковалентный радиус, - 1,23
1-й ионизац. потенциал, эв - 5,39
Распространение Лития в природе
Литий - типичный элемент земной коры (содержание 3,2·10-3% по массе), он накапливается в наиболее поздних продуктах дифференциации магмы - пегматитах. В мантии мало Лития - в ультраосновных породах всего 5·10-5% (в основных 1,5·10-3%, средних - 2·10-3%, кислых 4·10-3%). Близость ионных радиусов Li+, Fe2+ и Mg2+ позволяет Литию входить в решетки магнезиально-железистых силикатов - пироксенов и амфиболов. В гранитоидах он содержится в виде изоморфной примеси в слюдах. Только в пегматитах и в биосфере известно 28 самостоятельных минералов Лития (силикаты, фосфаты и другие). Все они редкие. В биосфере Литий мигрирует сравнительно слабо, роль его в живом веществе меньше, чем остальных щелочных металлов. Из вод он легко извлекается глинами, его относительно мало в Мировом океане (1,5·10-5%).
Промышленные месторождения Лития связаны как с магматическими породами (пегматиты, пневматолиты), так и с биосферой (соленые озера). В виде примеси литий содержится в ряде породообразующих минералов, а также присутствует в рапе некоторых В морской воде содержится около 2·10–5 % лития. Содержится он и в растениях, но концентрация его, как и любых микроэлементов, зависит не только от вида и части растения, но и от времени года и даже суток, от условий сбора и погоды, а также от местности, где растет это растение. Больше всего лития в растениях семейства розовых, гвоздичных, пасленовых, к которым относятся помидоры и картофель. Хотя в рамках одного семейства разница в его содержании может быть огромной — в несколько десятков раз. Зависит это от географического положения и содержания лития в почве.
История открытия Лития
Металл был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом А. Арфведсоном сначала в минерале петалите (Li,Na)[Si4AlO10], а затем в сподумене LiAl[Si2O6] и в лепидолите KLi1.5Al1.5[Si3AlO10](F,OH)2. Свое название получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. Litos — камень). Характерное для соединений лития красное окрашивание пламени впервые наблюдал немецкий химик Х. Г. Гмелин в 1818 году. В этом же году английский химик Г. Дэви электролизом расплава гидроксида лития получил кусочек металла. Получить свободный металл в достаточных количествах удалось впервые только в 1855 году путем электролиза расплавленного хлорида:
2LiCl = 2Li + Cl2
Физические свойства Лития
Компактный Литий- серебристо-белый металл, быстро покрывающийся темно-серым налетом, состоящим из нитрида LiaN и оксида Li2O. При обычной температуре Литий кристаллизуется в кубической объемно-центрированной решетке, а = 3,5098 . Атомный радиус 1,57 , ионный радиус Li+ 0,68 . Ниже -195 °С решетка Лития гексагональная плотноупакованная. Литий - самый легкий металл; плотность 0,534 г/см3 (20 °С); tпл 180,5°С, tкип. 1317°С. Удельная теплоемкость (при 0-100 °С) 3,31·103 Дж/(кг·К), то есть 0,790 кал/(г·град); термический коэффициент линейного расширения 5,6·10-5. Удельное электрическое сопротивление (20 °С) 9,29·10-4 ом·м (9,29 мком·см); температурный коэффициент электрического сопротивления (0-100 °С) 4,50·10-3. Литий парамагнитен. Металл весьма пластичен и вязок, хорошо обрабатывается прессованием и прокаткой, легко протягивается в проволоку. Твердость по Моосу 0,6 (тверже, чем Na и К), легко режется ножом. Давление истечения (15-20 °С) 17 Мн/м2 (1,7 кгс/мм2). Модуль упругости 5 Гн/м2 (500 кгс/мм2), предел прочности при растяжении 116 Мн/м2 (11,8 кгс/мм2), относительное удлинение 50-70% . Пары Лития окрашивают пламя в карминово-красный цвет.
Химические свойства Лития
Конфигурация внешней электронной оболочки атома Лития 2s1; во всех известных соединениях он одновалентен. При взаимодействии с кислородом или при нагревании на воздухе (горит голубым пламенем) Литий образует оксид Li2О (пероксид Li2O2 получается только косвенным путем). С водой реагирует менее энергично, чем другие щелочные металлы, при этом образуются гидрооксид LiOH и водород. Минеральные кислоты энергично растворяют Li (стоит первым в ряду напряжений, его нормальный электродный потенциал - 3,02 в).
Литий соединяется с галогенами (с иодом при нагревании), образуя галогениды (важнейший - хлорид лития). При нагревании с серой Литий дает сульфид Li2S, а с водородом - гидрид лития. С азотом Литий медленно реагирует уже при комнатной температуре, энергично - при 250 °С с образованием нитрида Li2N. С фосфором Литий непосредственно не взаимодействует, но в специальных условиях могут быть получены фосфиды. Нагревание Лития с углеродом приводит к получению карбида Li2C2, скремнием- силицида Лития. Бинарные соединения Литий - Li2О, LiH, Li3N, Li2C2, LiCl и другие, а также LiOH весьма реакционноспособны; при нагревании или плавлении они разрушают многие металлы, фарфор, кварц и другие материалы. Карбонат, фторид LiF, фосфат Li3PO4 и другие соединения Лития по условиям образования и свойствам близки к соответствующим производным магния и кальция.
Литий образует многочисленные литийорганические соединения, что определяет его большую роль в органическом синтезе.
Литий - компонент многих сплавов. С некоторыми металлами (Mg, Zn, Al) он образует твердые растворы значительной концентрации, со многими - интерметаллиды (LiAg, LiHg, LiMg2, LiAl и мн. других). Последние часто весьма тверды и тугоплавки, незначительно изменяются на воздухе; некоторые из них - полупроводники. Изучено ряд бинарных и тройных систем с участием Лития; соответствующие им сплавы уже нашли применение в технике.
Получение Лития.
Соединения Лития получаются в результате гидрометаллургической переработки концентратов - продуктов обогащения литиевых руд. Основной силикатный минерал - сподумен перерабатывают по известковому, сульфатному и сернокислотному методам. В основе первого - разложение сподумена известняком при 1150- 1200 °С:
Li2O·Al2O3·4SiO2 + 8CaCO3 = Li2O·Al2O3 + 4(2CaO· SiO2) + 8CO2
При выщелачивании спека водой в присутствии избытка извести алюминат Лития разлагается с образованием гидрооксида Лития:
Li2O·Al2O3 + CaOH2 = 2LiOH + CaO·Al2O3
По сульфатному методу сподумен (и другие алюмосиликаты) спекают с сульфатом калия:
Li2O·Al2O3·4SiO2 + K2SO4 = Li2SO4 + K2O·Al2O3·4SiO2
Сульфат Лития растворяют в воде и из его раствора содой осаждают карбонат Лития:
Li2SO4+Na2CO3=Li2CO3 + Na2SO4.
По сернокислотному методу также получают сначала раствор сульфата Лития, а затем карбонат Лития; сподумен разлагают серной кислотой при 250-300 °С (реакция применима только для -модификации сподумена):
-Li2O·Al2O3·4SiO2 + H2SO4 = Li2SO4 + H2O·Al2O3·4SiO2
Метод используется для переработки руд, необогащенных сподуменом, если содержание в них Li2O не менее 1%. Фосфатные минералы Лития легко разлагаются кислотами, однако по более новым методам их разлагают смесью гипса и извести при 950-1050 °С с последующей водной обработкой спеков и осаждением из растворов карбоната Лития.
Металлический Литий получают электролизом расплавленной смеси хлоридов Лития и калия при 400-460 °С (весовое соотношение компонентов 1:1). Электролизные ванны футеруются магнезитом, алундом, муллитом, тальком, графитом и других материалами, устойчивыми к расплавленному электролиту; анодом служат графитовые, а катодом - железные стержни. Черновой металлический Литий содержит механические включения и примеси (К, Mg, Ca, Аl, Si, Fe, но главным образом Na). Включения удаляются переплавкой, примеси - рафинированием при пониженном давлении. В настоящее время большое внимание уделяется металлотермическим методам получения Лития.
Правила обращения с литием
Как и другие щелочные металлы, металлический литий способен вызывать ожоги кожи и слизистых, особенно в присутствии влаги. Поэтому работать с ним можно только в защитной одежде и очках. Хранят литий в герметичной таре под слоем минерального масла. Отходы лития нельзя выбрасывать в мусор, для уничтожения их следует обработать этиловым спиртом:
2С2Н5ОН + 2Li = 2С2Н5ОLi + Н2
Образовавшийся этилат лития затем разлагают водой до спирта и гидроксида лития LiOH.
Применение Лития
Важнейшая область применения Лития - ядерная энергетика. Изотоп 6Li - единственный промышленный источник для производства трития по реакции:
63Li + 10n = 31H + 42He
Сечения захвата тепловых нейтронов () изотопами Лития резко различаются: 6Li 945,7Li 0,033; для естественной смеси 67 (в барнах); это важно в связи с техническим применением Лития - при изготовлении регулирующих стержней в системе защиты реакторов. Жидкий Литий (в виде изотопа 7Li) используется в качестве теплоносителя в урановых реакторах. Расплавленный 7LiF применяется как растворитель соединений U и Th в гомогенных реакторах. Крупнейшим потребителем соединений Лития является силикатная промышленность, в которой используют минералы Лития, LiF, Li2CO3 и многие специально получаемые соединения. В черной металлургии Литий, его соединения и сплавы широко применяют для раскисления, легирования и модифицирования многих марок сплавов. В цветной металлургии литием обрабатывают сплавы для получения хорошей структуры, пластичности и высокого предела прочности. Хорошо известны алюминиевые сплавы, содержащие всего 0,1% Лития,- аэрон и склерон; помимо легкости, они обладают высокой прочностью, пластичностью, стойкостью против коррозии и очень перспективны для авиастроения. Добавка 0,04% Лития к свинцово-кальциевым подшипниковым сплавам повышает их твердость и понижает трение. Соединения Лития используются для получения пластичных смазок. По значимости в современной технике Литий- один из важнейших редких элементов.
Литиевые соли галогеноводородных кислот (кроме LiF) очень хорошо растворяются в воде. Но не это их главное достоинство. Растворы этих солей способны поглощать из воздуха аммиак, амины и другие примеси и, кроме того, при изменении температуры они обратимо поглощают пары воды. Это свойство позволило применить хлорид и бромид лития в установках для кондиционирования воздуха.
Этот металл используется в литий-ионных аккумуляторах, т.к. является самым химически активным металлом и используется именно в самых компактных системах, обеспечивающих энергией самую современную мобильную технику. Литиевые катоды используются практически во всех батареях с большой емкостью. Но благодаря активности этого металла батареи получаются не только очень емкие, они также имеют самое высокое номинальное напряжение. Основной проблемой при использовании лития опять-таки является его высокая активность, что приводит к самовозгоранию некоторых аккумуляторов. Чтобы избавиться от этих трудностей, производители батарей постарались использовать литий в виде ионов. Таким образом, им удалось получить все полезные электрохимические качества, не связываясь с капризной металлической формой. В литий-ионных элементах ионы лития связаны молекулами других материалов. Литиевые батареи имеют большую плотность, нежели никель-металл гидридные. Скажем, в ноутбуках такие аккумуляторы могут работать в полтора раза дольше никель-металл гидридных. Кроме того, литий-ионные элементы избавлены от эффектов памяти, которыми страдали ранние никель-кадмиевые батареи.
Литий в организме человека
Литий постоянно входит в состав живых организмов, однако его биологическая роль выяснена недостаточно. Установлено, что у растений Литий повышает устойчивость к болезням, усиливает фотохимическую активность хлоропластов в листьях (томаты) и синтез никотина (табак). Способность концентрировать Литий сильнее всего выражена среди морских организмов у красных и бурых водорослей, а среди наземных растений - у представителей семейства Ranunculaceae (василистник, лютик) и семейства Solanaceae (дереза). У животных Литий концентрируется главным образом в печени и легких.
