История открытия лития и этимология его названия. Физические свойства лития: плотность, теплопроводность, теплоемкость
Свойства лития позволяют использовать его в науке и технике, ядерной энергетике, промышленности и медицине. Вещество распространено во многих минералах земной коры, в морской воде и в составе звезд-гигантов. Человеческий организм тоже с трудом справляется без него. Металл или неметалл литий? Какова его природа и свойства? Давайте выясним это.
Литий - металл или неметалл?
Его название связано с греческим словом "камень" и впервые звучало как "литион". Все из-за того, что обнаружен он был в камнях или же минералах. До XIX века не было известно, металл литий или неметалл. О существовании такого элемента никто и не догадывался, пока швед Иоганн Авфердсон в 1817 году не обнаружил неизвестную щелочь в минералах сподумене и петалите.
Из-за активности вещества ученому не удалось получить из щёлочи элемент. Зато годом позже это сделал англичанин Хэмфпри Дэви посредством электролиза. После этого его можно было изучать, и научный мир смог узнать, что такое литий. Оказалось, что это легкий и мягкий металл с довольно интересными свойствами.
Уже через четверть века его научились получать промышленным путём и сразу нашли ему применение. Литий использовали в медицине, назначая его от головной боли, подагры и ревматизма. Хотя реальная его польза при этих недугах доказана не была. В XX веке на основе карбоната лития появился напиток с лимоном и лаймом. Сейчас он известен как 7Up, но соединения металла в него уже не входят.
На что он способен
Теперь, когда мы знаем металл или неметалл литий, давайте поговорим о его особенностях. Элемент литий с атомным номером 3 обычно обозначается символом Li. Как простое вещество он обладает светлым серебристым цветом и чрезвычайно маленькой массой. Среди всех металлов на планете самый легкий.
Он также обладает самой маленькой плотностью - всего 0,534 г/см³, что почти в два раза меньше, чем у воды. Литий мягче свинца. Приложив немного усилий, его можно разрезать ножом. Он представляет группу щелочных металлов, в которой имеет самую высокую температуру кипения (1339,85 °C) и плавления (180,54 0176 °С).
Важной характеристикой лития является его реакции на воздух. Взаимодействуя с кислородом, он окисляется и покрывается плёнкой оксидов, карбонатов. Это единственный металл, который реагирует с азотом воздуха при комнатной температуре. При этом он покрывается черным налётом нитрида лития. При плавлении с температурой от 100 до 300 градусов он перестает окисляться сразу же после образования оксидной плёнки.
С водой металл реагирует относительно спокойно, выделяя водород и гидроксид лития. Если в ходе реакции поджечь образующийся водород, то ионы металла сделают пламя розово-красным.
Если же просто поджечь литий, то его пламя станет белым. А вот при поджоге на песке он вступит в реакцию с кремнием и окрасит огонь оранжевым цветом. С серой, медным купоросом и деревом литий горит очень активно, взрываясь или образуя множество искр.
В природе
На нашей планете литий встречается только в соединениях. Он содержится в морской воде в количестве примерно 0,17 мг/л и в сильносолёных озёрах. Он также содержится в верхний слоях земной коры в количестве 21 г/т.
Литий в основном содержится в лепидолитах, сподуменах, петалитах, литиофилитах, амблигонитах и циннвальдитах. Встречается вместе с редкими элементами в пегматитах и онгонитах. Он может образовывать самостоятельные минералы, а может замещать в них калий.
Металл присутствует и в космосе, главным образом в звездах-гигантах. Огромное количество лития находится в объекте Торна-Житкова, который состоит из красного гиганта с нейтронной звездой внутри.
Где его добывают
Литиевые месторождения есть на всех материках нашей планеты. Они встречаются в Бразилии, Чили, Аргентине, Конго, Сербии, Китае, Австралии, США. Сам по себе металл не очень редкий, но во многих породах он слишком рассредоточен, и его добыча сопровождается большой стоимостью и усилиями.
Рентабельных месторождений лития немного. Почти половина залежей металла остается неиспользованной до сих пор. Большую долю мировой добычи контролируют всего три предприятия из Австралии, Канады и Зимбабве. А вот крупнейшие месторождения находятся в Южной Америке.
Примерно 60 % мирового лития находится в Боливии на высохшем озере Уюни. Это наибольший солончак на планете. Здесь, среди белоснежного соляного покрова, находятся лужицы, содержащие огромное количество металла.
Применение
Литий не используют в чистом виде, так как он слишком активный. Как правило, его сплавляют с другими металлами, например, с натрием. Свойства лития нашли применения в металлургии - он повышает прочность и пластичность сплавов. В ядерной энергетике его используют в качестве теплоносителя. Из изотопа литий-6 получают гелий-3.
Металл используют при создании керамики, стекла, резины и сверхчистых металлов. Им наполняют щелочные аккумуляторы и газоразрядные лампочки. В текстильной промышленности при помощи лития отбеливают ткани, в фармацевтике он нужен для изготовления косметики.
Биологическая роль
Кроме окружающей среды, литий также содержится в растениях и животных. В организме человека он присутствует в сердце, надпочечниках, крови и плазме, печени, легких и щитовидной железе. Он необходим нам для поддержания иммунитета, защиты от аллергии и расстройств нервной системы, для обмена жиров и углеводов.
В сутки человек нуждается примерно в 100-200 мкг лития. Его содержит картофель, морковь, листья салата, грибы подосиновики, персики, редис, минеральные воды, мясо, рыба, яйца, помидоры, паслёновые и т. д.
Он снижает возбудимость нервной системы, благодаря чему часто используется в медицине. Препараты с литием назначают при депрессии, аффективных расстройствах, болезни Альцгеймера. Но в больших количествах металл вреден для организма. Отравление им приводит к тошноте, жажде, снижении либидо, дерматитов, головокружениям, потере координации, а в отдельных случаях и коме.
Описание и свойства лития
Литий – элемент , с отношением к первой группе, во втором периоде таблицы, его атомный номер – 3. Формула лития — Li 2 O. Элемент открыли в 1817 г., был произведён только 1825 г. Название дословно переводится как «камень».
Литий – это металл, с щелочными свойствами, серебристого цвета, обладающий выраженными пластичными свойствами. Легко поддаётся обработке. Характерен наиболее большой температурой плавления, это 180,54º С, кипения — 1340º С и низкой плотностью по сравнению с остальными металлами щелочного ряда. Его плотность ниже плотности воды. Это позволяет ему оставаться на плаву на водной поверхности и даже в керосине.
Атом лития своими небольшими размерами позволяет металлу выказывать определённые свойства. Смешение с натрием происходит только в определённой температуре,а с цезием, рубидием и кадмием, он не смешиваться вовсе. Остальные металлы этого ряда подобными свойствами не обладают.
Не смотря на то, что литий это металл с щелочных свойств, он наименее активный из всех прочих, и с кислородом не взаимодействует, с сухим тоже. Поэтому хранить его в керосине, защищая от взаимодействия с кислородной средой, как это делается с другим щелочным металлам, нет необходимости.
К тому же это бесполезно – на практике он всё равно всплывёт на поверхность. Поэтому его можно спокойно хранить на открытом воздухе длительное время, не опасаясь, что в нём произойдут нежелательные изменения.
При достаточной влажности происходит реакция с азотом и другими газами, растворёнными в воздухе. Превращения зависят от свойств контактирующего агента (газа). Может образоваться гидроксид, карбонат или нитрит лития . В процессе нагревания в кислородной среде образуется оксид лития Li2O.
Определить литий несложно – оказавшись в открытом пламени, он окрашивает его своеобразными красными оттенками. Самовоспламеняется при 300º С. Следует быть осторожным при этих процессах, так как продукты его горения раздражающе действуют на оболочки дыхательных путей, а также глаза. Также он может вызвать ожоги, попадая на мокрую кожу.
Реакция на воду спокойная, при неё образуется гидроксид лития и водород. Также характерны реакции с этилом, водородом, и аммиаком. Реакция на серу происходит при 130º С, с образованием сульфидов. На углерод реагирует при 200º С, в полном вакууме, во время этого образуется ацетиленид. Растворяясь в аммиаке, образует раствор синеватого цвета.
При необходимости длительного хранения литий хранится в отдельных коробках из жести, погружённый в петролинейный эфир или парафин.
Месторождения и добыча лития
Литий представитель литофильных фрагментов ионного происхождения, из них можно отметить цезий, калий и рубидий. К основным минералам, содержащим литий, относятся пироксен, сподумен, и лепидолит. Помимо его нахождения в самостоятельно образованных минералах, его можно обнаружить на месте калия в сторонних соединениях.
Образование лития происходит на почве редкометальных гранитных интрузий, в литиеносных пегматитах или гидротермальных месторождениях, которые помимо лития, в комплексе с вольфрамом, висмутом, и т.д. Наиболее высокая концентрация лития, присуща породам онгонитам – гранитам, содержащих большое количество воды и фтористых образований.
В определённом количестве литий содержит вода в сильносолёных озёрах. Его месторождения имеются в Бразилии, Аргентине, Чили, Канаде, США, Конго, Швеции, Испании, Афганистане, Китае, и Австралии. А также в России, где половина залежей содержащих этот элемент, находится в Мурманской области.
Применение лития
Литий применяется в изготовлении керамики и стеклянной продукции, источников напряжения, горюче-смазочных материалов и полимеров, а также в металлургической промышленности и фармацевтике.
Нередко для устройства требуется мощный и ёмкий аккумулятор. Литий наиболее подходящая составляющая для его изготовления. Если для начинки используется литий, батарея прослужит гораздо дольше. Можно отметить, например, литий-ионный тип подзаряжающихся батарей.
Купить аккумуляторы литийного типа можно двух типов. Разница заключается в используемых электролитах. Литий-ионный аккумулятор – содержит электролит гелевого типа. Модель используется для питания большинства портативной электротехники, в частности, сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах и видеокамерах.
Литий-полимерный аккумулятор – усовершенствованный вариант первого. В виде начинки используется полимер, содержащий литий. Для устройств имеющих большое потребление энергии, более подходит литий-полимерный вариант.
Также литий добавляют в электролиты других типов аккумулирующих устройств, например, щелочного вида. Это значительно повышает их ёмкость и срок эксплуатации.
Литий, в частности, применяется в металлургической промышленности при изготовления различных необходимых сплавов. Изготовляются сплавы с , , кадмием, магнием, и . Эти сплавы нашли своё применение в различных космических и авиационных технологиях.
Для военных нужд, с применением лития, изготовляются керамические элементы для различной техники и особо крепкое . Также он используется в радиотехнических и оптических областях. Литий также применяется в металлогалогеновых лампах.
Идёт этот металл и на медицинские нужды. Доказано, что в небольшом количестве он необходим для нормальной работы организма. Его содержат все внутренние органы. Он участвует во многих обменных процессах и стимулирует иммунитет. Он применяется в препаратах для лечения психологических заболеваний и благотворно сказывается на работе нервной системы.
Цена лития
До 2008 г цена на литий постепенно росли, потом в связи с экономическим кризисом заметно упали. Если в то время цена на килограмм лития составляла порядком 66 долларов, то позже она понизилась с отметки 6,5 тыс. долларов до 5 тыс. долларов за тонну продукта, и после почти не поменялась. Но данные расценки относятся к товару относительно низкого качества.
На более чистый продукт, идущий, например, на изготовление батарей, идёт соответствующая накрутка около 700-800 $. Производители, несмотря на это, предпочитают доплачивать за качество, поэтому доходы от надбавки пока стабильные. Резкого повышения цен в обозримом будущем не ожидается. Чистый литий купить можно будет, приблизительно, за 6 тыс. долларов за тонну.
Прогнозы мирового рынка лития дают определённые надежды на его развитие. Это в основном обусловлено новыми амбициозными проектами в области строения электромобилей, для которых использоваться будут соответственно литиевые аккумуляторы .
С каждым годом этот проект становится всё более реальным, в связи со злободневностью загрязнения окружающей среды выхлопными газами и повышенным спросом на доступные средства передвижения.
Особенно проблема актуальна для развивающихся стран. Но сама технология ещё сырая, в частности, это проблема с хорошими дорогами, и электрическими заправками. Поэтому крупных подвижек на мировом рынке лития в ближайшие годы не предвидится.
Запишем уравнения окисления лития и натрия избытком кислорода:4Li + O 2 = 2Li 2 O (1);
2Na + O 2 = Na 2 O 2 (2).
Найдем суммарное количество вещества кислорода:
n(O 2) = V(O 2) / V m ;
n(O 2) = 3,92 / 22,4 = 0,175 моль.
Пусть на окисление лития было израсходовано х моль кислорода, тогда в реакции окисления натрия участвовало (0,175 — х) моль кислорода.
Обозначим количество вещества лития как «а», а натрия - «b», тогда, согласно записанным выше уравнениям реакции:
b = 2 ×(0,175 — х) = 0,35 - 2х.
Найдем массы лития и натрия (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел — Ar(Li) = 7 а.е.м.; Ar(Na) = 23а.е.м.):
m(Li) = 4х × 7 = 28х (г);
m(Na) = (0,35 - 2х)× 23 = 8,05 — 46х (г).
Учитывая, что масса смеси лития и натрия была равна 7,6 г можно записать уравнение:
28х + (8,05 — 46х) = 7,6;
(-18)× х = -(0,45);
Следовательно, количество вещества кислорода,израсходованное на окисление лития равно 0,025 моль, а натрия - (0,175 - 0,025) = 0,15 моль.
По уравнению (1) n(O 2) :n(Li 2 O) = 1: 2, т.е.
n(Li 2 O) = 2×n(O 2) = 2×0,025 = 0,05 моль.
Согласно уравнению (2) n(O 2) :n(Na 2 O 2) = 1: 1, т.е. n(Na 2 O 2)=n(O 2)= 0,15 моль.
Запишем уравнения реакции растворения продуктов окисления лития и натрия в серной кислоте:
Li 2 O + H 2 SO 4 = Li 2 SO 4 + H 2 O (3);
2Na 2 O 2 + 2H 2 SO 4 = 2Na 2 SO 4 + 2H 2 O + O 2 (4).
Рассчитаем массу серной кислоты в растворе:
m solute (H 2 SO 4) = m solution (H 2 SO 4) ×w(H 2 SO 4) / 100%;
m solute (H 2 SO 4) = 80 × 24,5 / 100% = 19,6 г.
Количество вещества серной кислоты будет равно (молярная масса - 98 г/моль):
n (H 2 SO 4) = m (H 2 SO 4) / M (H 2 SO 4);
n (H 2 SO 4) = 19,6 / 98 = 0,2моль.
Определим число молей продуктов реакций (3) и (4). Согласно уравнению (3) n(Li 2 O) :n(Li 2 SO 4) = 1: 1, т.е. n(Li 2 O) = n(Li 2 SO 4) = 0,05 моль. По уравнению (4) n(Na 2 O 2) :n(Na 2 SO 4) = 2: 2, т.е. n(Na 2 O 2) =n(Na 2 SO 4) = 0,15 моль.
Найдем массы образовавшихся сульфатов (М(Li 2 SO 4) = 110 г/моль; М(Na 2 SO 4) = 142 г/моль):
m(Li 2 SO 4) = 0,05 × 110 = 5,5 (г);
m(Na 2 SO 4) = 0,15 × 142 = 21,03 (г).
Чтобы рассчитать массовые доли полученных веществ, необходимо найти массу раствора. В него входят серная кислота, оксид лития и пероксид натрия. Необходимо учесть массу кислорода, который выделяется из реакционный смеси, в ходе реакции (4). Определим массы оксида лития и пероксида натрия (М(Li 2 O) = 30 г/моль, М(Na 2 O 2) = 78 г/моль):
m(Li 2 O) = 0,05 ×30 = 1,5 (г);
m(Na 2 O 2) = 0,15 ×78 = 11,7 (г).
Согласно уравнению (4) n(O 2) :n(Na 2 O 2) = 1: 2, т.е.
n(O 2) = ½ ×n(Na 2 O 2) = ½ × 0,15 = 0,075 моль.
Тогда масса кислорода будет равна (М(O 2) = 32 г/моль):
m(O 2) = 0,075 × 32 = 2,4 (г).
Для того, чтобы найти массу итогового раствора необходимо определить осталась ли в растворе серная кислота. Согласно уравнению (3) n(Li 2 O):n(H 2 SO 4) = 1: 1, т.е. n(H 2 SO 4) = n(Li 2 O) = 0,05 моль. По уравнению (4) n(Na 2 O 2) :n(H 2 SO 4) = 2: 2, т.е. n(H 2 SO 4) = n(Na 2 O 2) = 0,15 моль.Таким образом в реакцию вступило (0,05 + 0,15) = 0,2 моль серной кислоты, т.е. она прореагировала полностью.
Рассчитаем массу раствора:
m solution = m(Li 2 SO 4) + m(Na 2 SO 4) — m(O 2);
m solution = 5,5 + 21,03 — 2,4 = 24,13 г.
Тогда, массовые доли сульфатов натрия и лития в растворе будут равны:
w(Li 2 SO 4) = m(Li 2 SO 4) /m solution × 100%;
w(Li 2 SO 4) = 5,5 /24,13× 100% = 22,79%.
w(Na 2 SO 4) = m(Na 2 SO 4) /m solution × 100%;
w(Na 2 SO 4) = 21,03 / 24,13 × 100% = 87,15%.
(первый электрон)
(по Полингу)
кубическая объёмноцентрированая
| Li | 3 |
| 6,941 | |
| 2s 1 | |
| Литий | |
Основные минералы лития — слюда лепидолит — KLi 1,5 Al 1,5 (F, OH) 2 и пироксен сподумен — LiAl . Когда литий не образует самостоятельных минералов, он изоморфно замещает калий в широко распространенных породообразующих минералах.
Месторождения лития приурочены к редкометалльным гранитным интрузиям, в связи с которыми развиваются литиеносные пегматиты или гидротермальные комплексные месторождения, содержащие также олово , вольфрам , висмут и другие металлы. Стоит особо отметить специфические породы онгониты — граниты с магматическим топазом, высоким содержанием фтора и воды, и исключительно высокими концентрациями различных редких элементов, в том числе и лития.
Другой тип месторождений лития — рассолы некоторых сильносоленых озёр.
Применение
Термоэлектрические материалы
Сплав сульфида лития и сульфида меди — эффективный полупроводник для термоэлектропреобразователей (ЭДС около 530 мкВ/К).
Литий используют в анодах химических источников тока (аккумуляторов, например литий-хлорных аккумуляторов) и гальванических элементов с твёрдым электролитом (например, литий-хромсеребряный, литий-висмутатный, литий-окисномедный, литий-двуокисномарганцевый, литий-иодсвинцовый, литий-иодный, литий-тионилхлоридный, литий-оксидванадиевый, литий-фторомедный, литий-двуокисносерный элементы), работающих на основе неводных жидких и твёрдых электролитов (тетрагидрофуран, пропиленкарбонат, метилформиат, ацетонитрил).
Кобальтат лития и молибдат лития показали лучшие эксплуатационные свойства и энергоёмкость в качестве положительного электрода литиевых аккумуляторов.
Гидроксид лития используется как один из компонентов для приготовления электролита щелочных аккумуляторов. Добавление гидрооксида лития к электролиту тяговых железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых аккумуляторных батарей повышает их срок службы в 3 раза и ёмкость на 21 % (за счёт образования никелатов лития).
Алюминат лития — наиболее эффективный твёрдый электролит (наряду с цезий -бета-глинозёмом).
Ракетное топливо
Теоретические характеристики ракетных топлив, образованных литием с различными окислителями.
| Окислитель | Удельная тяга (Р1, сек) | Температура сгорания °С | Плотность топлива г/см 3 | Прирост скорости, ΔVид,25, м/сек | Весовое содерж.горючего % |
|---|---|---|---|---|---|
| Фтор | 378,3 сек | 5350 °C | 0,999 | 4642 м/сек | 28 % |
| Тетрафторгидразин | 348,9 сек | 5021 °C | 0,920 | 4082 м/сек | 21,07 % |
| ClF 3 | 320,1 сек | 4792 °C | 1,163 | 4275 м/сек | 24 % |
| ClF 5 | 334 сек | 4946 °C | 1,128 | 4388 м/сек | 24,2 % |
| Перхлорилфторид | 262,9 сек | 3594 °C | 0,895 | 3028 м/сек | 41 % |
| Окись фтора | 339,8 сек | 4595 °C | 1,097 | 4396 м/сек | 21 % |
| Кислород | 247,1 сек | 3029 °C | 0,688 | 2422 м/сек | 58 % |
| Перекись водорода | 270,5 сек | 2995 °C | 0,966 | 3257 м/сек | 28,98 % |
| N 2 O 4 | 239,7 сек | 3006 °C | 0,795 | 2602 м/сек | 48 % |
| Азотная кислота | 240,2 сек | 3298 °C | 0,853 | 2688 м/сек | 42 % |
Лазерные материалы
Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80 %) лазеров на центрах свободной окраски, и для изготовления оптики с широкой спектральной полосой пропускания.
Окислители
Перхлорат лития используют в качестве окислителя.
Дефектоскопия
Лития сульфат используют в дефектоскопии.
Пиротехника
Нитрат лития используют в пиротехнике.
Сплавы
Сплавы лития с серебром и золотом, а также медью являются очень эффективными припоями. Сплавы лития с магнием , скандием , медью , кадмием и алюминием — новые перспективные материалы в авиации и космонавтике. На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре и используемая в военной технике, металлургии, и, в перспективе, в термоядерной энергетике. Огромной прочностью обладает стекло на основе литий-алюминий-силиката, упрочняемого волокнами карбида кремния. Литий очень эффективно упрочняет сплавы свинца и придает им пластичность и стойкость против коррозии.
Электроника
Триборат лития-цезия используется как оптический материал в радиоэлектронике. Кристаллические ниобат лития LiNbO 3 и танталат лития LiTaO 3 являются нелинейными оптическими материалами и широко применяются в нелинейной оптике, акустооптике и оптоэлектронике. Литий также используется при наполнении осветительных газоразрядных металлогалогеновых ламп.
Металлургия
В чёрной и цветной металлургии литий используется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Литий иногда применяется для восстановления методами металлотермии редких металлов.
Металлургия алюминия
Карбонат лития является важнейшим вспомогательным веществом (добавляется в электролит) при выплавке алюминия и его потребление растет с каждым годом пропорционально объёму мировой добычи алюминия (расход карбоната лития 2,5-3,5 кг на тонну выплавляемого алюминия).
Легирование алюминия
Введение лития в систему легирования позволяет получить новые сплавы алюминия с высокой удельной прочностью.
Литий-6 (термояд)
Применяется в термоядерной энергетике.
При облучении нуклида 6 Li тепловыми нейтронами получается радиоактивный тритий 3 1 H (Т):
6 3 Li + 1 0 n = 3 1 H + 4 2 He.
Благодаря этому литий-6 может применяться как замена радиоактивного, нестабильного и неудобного в обращении трития как в военных (термоядерное оружие), так и в мирных (управляемый термоядерный синтез) целях. В термоядерном оружии обычно применяется дейтерид лития-6 6 LiD.
Перспективно также использование лития-6 для получения гелия-3 (через тритий) с целью дальнейшего использования в дейтерий-гелиевых термоядерных реакторах.
Литий-7 (теплоноситель)
Применяется в ядерных реакторах, использующих реакции с участием тяжёлых элементов, таких как уран , торий или плутоний .
Благодаря очень высокой удельной теплоёмкости и низкому сечению захвата тепловых нейтронов, жидкий литий-7 (часто в виде сплава с натрием или цезием-133) служит эффективным теплоносителем. Фторид лития-7 в сплаве с фторидом бериллия (66 % LiF + 34 % BeF 2) носит название «флайб» (FLiBe) и применяется как высокоэффективный теплоноситель и растворитель фторидов урана и тория в высокотемпературных жидкосолевых реакторах, и для производства трития.
Сушка газов
Высокогигроскопичные бромид LiBr и хлорид лития LiCl применяются для осушения воздуха и других газов.
Медицина
Соли лития обладают психотропным действием и используются в медицине при профилактике и лечении ряда психических заболеваний. Наиболее распространен в этом качестве карбонат лития. применяется в психиатрии для стабилизации настроения людей, страдающих биполярным расстройством и частыми перепадами настроения. Он эффективен в предотвращении мании депрессии и уменьшает риск суицида.Медики не раз наблюдали, что некоторые соединения лития (в соответствующих дозах, разумеется) оказывают положительное влияние на больных, страдающих маниакальной депрессией. Объясняют этот эффект двояко. С одной стороны, установлено, что литий способен регулировать активность некоторых ферментов, участвующих в переносе из межклеточной жидкости в клетки мозга ионов натрия и калия. С другой стороны, замечено, что ионы лития непосредственно воздействуют на ионный баланс клетки. А от баланса натрия и калия зависит в значительной мере состояние больного: избыток натрия в клетках характерен для депрессивных пациентов, недостаток - для страдающих маниями. Выравнивая натрий калиевый баланс, соли лития оказывают положительное влияние и на тех, и на других.
Смазочные материалы
Стеарат лития — литиевое мыло используется в качестве высокотемпературной смазки.
Регенерация кислорода в автономных аппаратах
Гидроксид лития LiOH, пероксид Li 2 O 2 и супероксид LiO 2 применяются для очистки воздуха от углекислого газа; при этом последние два соединения реагируют с выделением кислорода (например, 4LiO 2 + 2CO 2 → 2Li 2 CO 3 + 3O 2), благодаря чему они используются в изолирующих противогазах, в патронах для очистки воздуха на подлодках, на пилотируемых космических аппаратах и т. д.
Силикатная промышленность
Литий и его соединения широко применяют в силикатной промышленности для изготовления специальных сортов стекла и покрытия фарфоровых изделий.
Прочие области применения
Соединения лития используются в текстильной промышленности (отбеливание тканей), пищевой (консервирование) и фармацевтической (изготовление различной косметики).
Дополнительные данные
Соединения лития
Литий, Lithium, Li (3)
Когда Дави производил свои знаменитые опыты по электролизу щелочных земель, о существовании лития никто и не подозревал. Литиевая щелочная земля была открыта лишь в 1817 г. талантливым химиком-аналитиком, одним из учеников Берцелиуса Арфведсоном. В 1800 г. бразильский минералог де Андрада е Сильва, совершая научное путешествие по Европе, нашел в Швеции два новых минерала, названных им петалитом и сподуменом, причем первый из них через несколько лет был вновь открыт на острове Уте. Арфведсон заинтересовался петалитом, произвел полный его анализ и обнаружил необъяснимую вначале потерю около 4% вещества. Повторяя анализы более тщательно, он установил, что в петалите содержится «огнепостоянная щелочь до сих пор неизвестной природы». Берцелиус предложил назвать ее литионом (Lithion), поскольку эта щелочь в отличие от кали и натра впервые была найдена в «царстве минералов» (камней); название зто произведено от греч.- камень.
Позднее Арфведсон обнаружил литиевую землю,или литину, и в некоторых других минералах, однако его попытки выделить свободный металл не увенчались успехом. Очень небольшое количество металлического лития было получено Дэви и Бранде путем злектролиза щелочи. В 1855 г. Бунзен и Маттессен разработали промышленный способ получения металлического лития злектролизом хлорида лития. В русской химической литературе начала XIX в. встречаются названия: литион, литин (Двигубский, 1826) и литий (Гесс); литиевую землю (щелочь) называли иногда литина.
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 - 6 Li (7,42%) и 7 Li (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.
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+, Fe 2+ и Mg 2+ 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).
Физические свойства Лития. Компактный Литий- серебристо-белый металл, быстро покрывающийся темно-серым налетом, состоящим из нитрида LiaN и оксида Li 2 O. При обычной температуре Литий кристаллизуется в кубической объемно-центрированной решетке, а = 3,5098 Å. Атомный радиус 1,57 Å, ионный радиус Li + 0,68 Å. Ниже -195 °С решетка Лития гексагональная плотноупакованная. Литий - самый легкий металл; плотность 0,534 г/см 3 (20 °С); t пл 180,5°С, t кип. 1317°С. Удельная теплоемкость (при 0-100 °С) 3,31·10 3 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/м 2 (1,7 кгс/мм 2). Модуль упругости 5 Гн/м 2 (500 кгс/мм 2), предел прочности при растяжении 116 Мн/м 2 (11,8 кгс/мм 2), относительное удлинение 50-70% . Пары Лития окрашивают пламя в карминово-красный цвет.
Химические свойства Лития. Конфигурация внешней электронной оболочки атома Лития 2s 1 ; во всех известных соединениях он одновалентен. При взаимодействии с кислородом или при нагревании на воздухе (горит голубым пламенем) Литий образует оксид Li 2 О (пероксид Li 2 O 2 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 Li 2 S, а с водородом - гидрид лития. С азотом Литий медленно реагирует уже при комнатной температуре, энергично - при 250 °С с образованием нитрида Li 2 N. С фосфором Литий непосредственно не взаимодействует, но в специальных условиях могут быть получены фосфиды. Нагревание Лития с углеродом приводит к получению карбида Li 2 C 2 , скремнием- силицида Лития. Бинарные соединения Литий - Li 2 О, LiH, Li 3 N, Li 2 C 2 , 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 Li 3 PO 4 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, LiMg 2 , 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:
Li 2 O·Al 2 O 3 ·4SiO 2 + 8CaCO 3 = Li 2 O·Al 2 O 3 + 4(2CaO· SiO 2) + 8CO 2
При выщелачивании спека водой в присутствии избытка извести алюминат Лития разлагается с образованием гидрооксида Лития:
Li 2 O·Al 2 O 3 + CaOH 2 = 2LiOH + CaO·Al 2 O 3
По сульфатному методу сподумен (и другие алюмосиликаты) спекают с сульфатом калия:
Li 2 O·Al 2 O 3 ·4SiO 2 + K 2 SO 4 = Li 2 SO 4 + K 2 O·Al 2 O 3 ·4SiO 2
Сульфат Лития растворяют в воде и из его раствора содой осаждают карбонат Лития:
Li 2 SO 4 +Na 2 CO 3 =Li 2 CO 3 + Na 2 SO 4 .
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 β-модификации сподумена):
β-Li 2 O·Al 2 O 3 ·4SiO 2 + H 2 SO 4 = Li 2 SO 4 + H 2 O·Al 2 O 3 ·4SiO 2
Метод используется для переработки руд, необогащенных сподуменом, если содержание в них Li 2 O 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.
Применение Лития. Важнейшая область применения Лития - ядерная энергетика. Изотоп 6 Li - единственный промышленный источник для производства трития по реакции:
6 3 Li + 1 0 n = 3 1 H + 4 2 He
Сечения захвата тепловых нейтронов (σ) изотопами Лития резко различаются: 6 Li 945, 7 Li 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 7 Li) используется в качестве теплоносителя в урановых реакторах. Расплавленный 7 LiF применяется как растворитель соединений U и Th в гомогенных реакторах. Крупнейшим потребителем соединений Лития является силикатная промышленность, в которой используют минералы Лития, LiF, Li 2 CO 3 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.
Литий в организме. 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.
