Содержание статьи

ЛИТИЙ (Lithium) Li, химический элемент 1-й (Ia) группы Периодической системы, относится к щелочным элементам. Атомный номер 3, относительная атомная масса 6,941. Состоит из двух стабильных изотопов 6 Li (7,52%) и 7 Li (92,48%). Искусственным путем получены еще два изотопа лития: у 8 Li период полураспада равен 0,841 с, а у 9 Li 0,168 с.

Степень окисления +1.

Литий был открыт в 1817 шведским химиком и минералогом Августом Арфведсоном (Arfvedson August) (1792–1841), когда он работал в качестве ассистента в лаборатории Йёнса Якоба Берцелиуса . На основании химического анализа петалита (LiAlSi 4 O 10) Арфведсон предположил, что в этом слоистом силикатном минерале есть некий щелочной элемент. Он отметил, что его соединения похожи на соединения натрия и калия, однако карбонат и гидроксид менее растворимы в воде. Арфведсон предложил для нового элемента название литий (от греческого liqoz – камень), указывающее на его происхождение. Он показал также, что этот элемент содержится в сподумене (силикатный пироксен) LiAlSi 2 O 6 и в лепидолите (слюда), который имеет примерный состав K 2 Li 3 Al 4 Si 7 O 21 (OH,F) 3 .

В 1818 английский химик и физик Гемфри Дэви выделил металлический литий электролизом расплавленного гидроксида лития.

Распространение лития в природе и его промышленное извлечение.

Содержание лития в кристаллических горных породах составляет 1,8·10 –3 % по массе, что косвенно отражает относительное малую распространенность элемента во Вселенной. На Земле он имеет почти такую же распространенность как галлий (1,9·10 –3 %) и ниобий (2,0·10 –3 %). Промышленные месторождения минералов лития есть на всех континентах. Наиболее важным минералом является сподумен, большие месторождения которого имеются в США, Канаде, Бразилии, Аргентине, странах СНГ, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве и Конго.

Почти всю мировую добычу минералов лития контролируют три главных компании – Sons of Gwalia (Австралия), Tanco (Канада) и Bikita Minerals (Зимбабве). Добыча минералов лития за период 1994–2000 увеличилась с 6300 до 11 900 т. в год. При этом 50% мировых мощностей по добыче сподумена, лепидолита и других литиевых минералов в последние годы простаивает. Таким образом, есть необходимые резервы для наращивания объемов выпуска литиевой продукции и дефицит лития потребителям не грозит.

Для получения нужных соединений лития сподумен нагревают до ~1100° С, а затем промывают серной кислотой при 250° С и выщелачивают образовавшийся сульфат лития водой. Действием карбоната натрия или хлороводорода его переводят в карбонат или хлорид, соответственно. Другим способом хлорид может быть получен прокаливанием промытой руды с известняком (карбонатом кальция) при 1000° С с последующим выщелачиванием водой в виде гидроксида лития и действием хлороводорода. В США также широко используется добыча соединений лития из природных рассолов.

Потребление минералов лития распределяется следующим образом: 25% используют заводы по производству огнеупорных изделий, 20% идет в производство специальных сортов стекол, столько же – на изготовление керамических изделий и глазурей, 12% потребляет собственно химическая промышленность, 10% – металлургическая, 5% литиевых минералов используется в производстве стекловолокна и 8% идет на нужды других отраслей. К областям специального применения относится растущий рынок сегнетоэлектриков, таких как танталат лития, для модулирования лазерных лучей. Предполагается, что в будущем будет резко расти спрос на металл и его соли в производстве литиевых батарей, используемых в мобильных телефонах и переносных компьютерах (в 1990-х темпы роста составляли 20–30% в год). В то же время будет падать потребление карбоната лития в алюминиевой промышленности, где новые технологии вообще не предусматривают использование этой соли.

Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического лития.

Литий – серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, тверже натрия, но мягче свинца. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой.

При комнатной температуре металлический литий имеет кубическую объемноцентрированную решетку (координационное число 8), которая при холодной обработке переходит в кубическую плотноупакованную решетку, где каждый атом, имеющий двойную кубооктаэдрическую координацию, окружен 12 другими. Ниже 78 К устойчивой кристаллической формой является гексагональная плотноупакованная структура, в которой каждый атом лития имеет 12 ближайших соседей, расположенных в вершинах кубооктаэдра.

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340° С, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см 3).

В 1818 немецкий химик Леопольд Гмелин (Gmelin Leopold) (1788–1853) установил, что соли лития окрашивают бесцветное пламя в карминово-красный цвет.

Маленькие размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только ниже 380° С и не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием, в то время как другие пары щелочных металлов смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

В целом, литий менее реакционноспособен, чем его аналоги. В то же время он намного легче других щелочных металлов реагирует с азотом, углеродом, кремнием и этим напоминает магний. Литий легко вступает в прямую реакцию с азотом с образованием нитрида Li 3 N (ни один другой щелочной металл не обладает этим свойством). Эта реакция, хотя и медленно, идет уже при комнатной температуре, а при 250° C ход ее значительно ускоряется. При сжигании литий образует оксид Li 2 O (с примесью пероксида Li 2 O 2),

С водой литий реагирует с образованием гидроксида и выделением водорода. Литий растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор с металлической проводимостью. Если сравнить молярные отношения, то он почти на 50% более растворим, чем натрий (15,66 и 10,93 моль на килограмм NH 3 , соответственно). В таком растворе литий медленно реагирует с аммиаком с выделением водорода и образованием амида LiNH 2 .

Потенциал восстановления для лития (–3,045 В) на первый взгляд кажется аномальным, так как он ниже, чем у других щелочных элементов. Это связано с тем, что катиону лития, имеющему наименьший радиус, соответствует максимальная энергия гидратации, что делает образование гидратированного катиона энергетически более выгодным по сравнению с другими щелочными металлами.

В значительных количествах металлический литий первыми выделили в 1855 (независимо друг от друга) немецкий химик Роберт Бунзен и англичанин О.Матиссен. Как и Дэви, они получали литий электролизом, только электролитом в их опытах служил расплав хлорида лития. Первое промышленное производство лития было налажено в Германии в 1923. Металлический литий и сейчас получают электролизом расплавленной смеси 55% хлорида лития и 45% хлорида калия при ~450° С. Выделяющийся на аноде хлор – ценный побочный продукт.

Для получения лития иногда применяют и восстановление другими элементами, образующими устойчивые оксиды:

2Li 2 O + Si = SiO 2 + 4Li

Сегодня в мире производится более 1000 т лития в год.

Металлический литий был впервые использован в коммерческих целях в 1920-е в виде сплава со свинцом для изготовления подшипников. Сейчас он применяется в производстве высокопрочных легких алюминиевых сплавов для строительства самолетов. С магнием литий образует чрезвычайно легкие сплавы, используемые для изготовления бронированных пластин и элементов космических объектов. Например, сплав, содержащий 14% лития, 1% алюминия и 85% магния, имеет плотность 1,35 г см –3 .

Литий стал эффективным средством для удаления из расплавленных металлов растворенных в них газов. Небольшими добавками лития легируют чугун, бронзы, монель-металл (сплав, выплавляемый из медно-никелевых руд), а также сплавы на основе магния, алюминия, цинка, свинца и некоторых других металлов.

Мелкодисперсный элементарный литий намного ускоряет реакцию полимеризации изопрена. Расплавленный металлический литий-7, имеющий малое сечение захвата тепловых нейтронов, используется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.

В будущем, возможно, перспективными источниками электроэнергии станут системы из батарей Li/FeS x . Эти батареи похожи на обычные свинцовые кислотные батареи наличием твердых электродов (отрицательный из сплава Li/Si, положительный из FeS x ) и жидкого электролита (расплав LiCl/KCl при 400° С).

Соединения лития.

Литий большее сходен с магнием, чем со своими соседями по группе. Эта так называемая диагональная периодичность является следствием близости ионных радиусов элементов: R(Li +) 76 пм, R(Mg 2+) 72 пм; для сравнения R(Na +) 102 пм. Арфведсон первым отметил при открытии лития как нового элемента, что его гидроксид и карбонат значительно менее растворимы, чем соответствующие соединения натрия и калия, и что карбонат (подобно карбонату магния) легче разлагается при нагревании. Подобным образом, фторид лития (как и фторид магния) гораздо менее растворим в воде, чем фториды других щелочных элементов. Это связано с высокой энергией кристаллической решетки, образованной катионами и анионами малых размеров. Напротив, соли лития с большими неполяризуемыми анионами, такими как перхлорат-ион, значительно более растворимы, чем соли других щелочных элементов, вероятно, из-за высокой энергии сольватации катиона лития. По той же причинам безводные соли очень гигроскопичны.

Соли лития склонны к образованию гидратов, обычно тригидратов, например LiX·3H 2 O (X = Cl, Br, I, ClO 3 , ClO 4 , MnO 4 , NO 3 , BF 4 и т.д.). В большинстве этих соединений литий координирует шесть молекул Н 2 О, образуя цепочки из октаэдров с общими гранями. Сульфат лития, в отличие от сульфатов других щелочных элементов, не образует квасцы, так как гидратированный катион лития слишком мал, чтобы занять соответствующее место в структуре квасцов.

Оксид лития Li 2 O – единственный среди оксидов щелочных элементов, образующихся в качестве основного продукта при нагревании металла выше 200° С (на воздухе). Его получают и прокаливанием нитрата при 600° С (в присутствии меди):

4LiNO 3 = 2Li 2 O + 4NO 2 + O 2

Он образуется при нагревании нитрита лития выше 190° С или карбоната лития выше 700° С в токе высушенного водорода.

Оксид лития добавляют к смесям реагентов при твердофазном синтезе двойных и тройных оксидов для понижения температуры процесса. Он является компонентом рентгенопрозрачных стекол и стекол с небольшим температурным коэффициентом линейного расширения. Оксид лития добавляют в глазури и эмали. Он повышает их химическую и термическую стойкость и прочность, снижает вязкость расплавов.

Пероксид лития Li 2 O 2 в промышленности получают реакцией LiOH·H 2 O с пероксидом водорода с последующей дегидратацией гидропероксида острожным нагреванием при пониженном давлении. Это белое кристаллическое вещество разлагается до оксида лития при нагревании выше 195° С. Его используют в космических аппаратах для получения кислорода:

2Li 2 O 2 + 2CO 2 = 2Li 2 CO 3 +O 2

Гидроксид лития LiOH плавится при 470° С, при более высокой температуре испаряется и частично диссоциирует на оксид лития и воду:

2LiOH = Li 2 O + H 2 O

В парах при 820–870° С содержится 90% димера (LiOH) 2 .

Растворимость гидроксида лития в воде составляет 12,48 г на 100 г при 25° С. При выпаривании водных растворов гидроксида лития образуется моногидрат, который легко теряет воду при нагревании в инертной атмосфере или при пониженном давлении.

Гидроксид лития используется в производстве смазок на основе стеарата лития и для поглощения диоксида углерода в закрытых помещениях, например, в космических кораблях и на подводных лодках. Его преимущество по сравнению с другими щелочами – малая атомная масса. Добавка гидроксида лития к электролиту щелочных аккумуляторов примерно на одну пятую увеличивает их емкость и в 2–3 раза – срок службы.

Карбонат лития Li 2 CO 3 – наиболее промышленно важное соединение лития и исходное вещество для получения большинства других его соединений. В отличие от других солей лития, Li 2 CO 3 является безводным. Он мало растворим в воде, причем растворимость карбоната лития понижается с повышением температуры. При 25° С она равна 1,27 г на 100 г воды, а при 75° С – 0,85 г на 100 г воды.

Термическая устойчивость карбоната лития существенно ниже, чем аналогичных соединений других щелочных элементов. Выше температуры плавления (732° С) он разлагается:

Li 2 CO 3 = Li 2 O + CO 2

Карбонат лития используется в качестве флюса при нанесении фарфоровой эмали и в производстве специальных закаленных стекол, при этом ионы лития замещают более крупные ионы натрия. Соединение лития либо вводят в состав стеклянной шихты, либо натриевое стекло обрабатывают расплавом солей, содержащих ионы лития, чтобы вызвать обмен катионов на его поверхности.

Еще одна область применения карбоната лития – в производстве алюминия. Он на 7–10% увеличивает качество продукции за счет снижение температуры плавления электролита и увеличения силы тока. Кроме того, на 25–50% уменьшается нежелательное выделение фтора.

В 1949 было обнаружено, что небольшие (1–2 г) дозы карбоната лития при приеме через рот приводят к эффективному воздействию на маниакально-депрессивные психозы. Механизм воздействия еще не совсем понятен, однако побочные явления пока не обнаружены. Такие дозы поддерживают концентрацию лития в крови около 1 ммоль л –1 , и его действие может быть связано с влиянием лития на баланс Na/K и (или) Mg/Ca.

Нитрат лития LiNO 3 гигроскопичен и хорошо растворим в воде (45,8 масс. % при 25° С, то есть 6,64 моль л –1). Из водных растворов кристаллизуется в виде тригидрата.

Нитрат лития используется в виде низкотемпературных расплавов в лабораторных термостатах. Например смесь LiNO 3:KNO 3 (1:1) плавится при 125° С. Кроме того, нитрат лития применяют в пиротехнических смесях.

Фторид лития LiF мало растворим в воде (1,33 г/л при 25° С). Его получают взаимодействием гидроксида лития или солей лития с фтороводородом, фторидом аммония, гидродифторидом аммония или их водными растворами.

Еще в прошлом веке это вещество начали применять в металлургии как компонент многих флюсов. Фторид лития обладает термолюминесцентными свойствами. Он используется в рентгеновской и g -дозиметрии. Кристаллы фтористого лития, прозрачные для ультракоротких волн длиной до 100 нм, применяют в производстве оптических приборов, кроме того, фторид лития является компонентом электролитов при получении алюминия и фтора. Он входит в состав эмалей, глазурей, керамики, люминофоров и лазерных материалов.

Для атомной техники важно моноизотопное соединение пития – 7 LiF, применяемое для растворения соединений урана и тория непосредственно в реакторах.

Хлорид лития LiCl хорошо растворим в воде (84,67 г на 100 г при 25° С) и многих органических растворителях. Большое сродство к воде служит основой для широкого применения рассолов хлорида (и бромида) лития в осушителях и воздушных кондиционерах.

Хлорид лития является сырьем для получения металлического лития. Другая область применения этого соединения – в качестве флюса при пайке алюминиевых частей автомобиля. Его используют и в производстве флотационных жидкостей, как катализатор органического синтеза. Хлорид лития служит средством против обледенения самолетов. Он является твердым электролитом в химических источниках тока для имплантированных кардиостимуляторов.

Гидрид лития LiH получают взаимодействием расплавленного лития с водородом при 630–730° С в сосуде из железа, не содержащего углерод. Он образует бесцветные кристаллы с кубической решеткой типа хлорида натрия. Гидрид лития имеет плотность 0,776 г/см 3 , температуру плавления 692° С (в инертной атмосфере). При электролизе в расплаве проводит электрический ток с выделением водорода на аноде. Под действием электромагнитного излучения в видимой, ультрафиолетовой или рентгеновской области окрашивается в голубой цвет благодаря образованию коллоидного раствора лития в гидриде лития.

Гидрид лития относительно устойчив в сухом воздухе, быстро гидролизуется парами воды. Реагирует с водой, кислотами и спиртами с выделением водорода. Из 1 кг гидрида лития можно получить 2,82 м 3 этого газа. Гидрид лития используется для получения водорода, которым наполняют метеорологические шары-зонды в полевых условиях. Кроме того, он служит восстановителем в органическом синтезе, а также для получения бороводородов, алюмогдидрида лития LiAlH 4 и других гидридных соединений.

Дейтерид лития-6 применяется в термоядерном оружии. Будучи твердым веществом, он позволяет хранить дейтерий при плюсовых температурах, кроме того, второй его компонент (литий-6) – это единственный промышленный источник получения трития:

6 3 Li + 1 0 n ® 3 1 H + 4 2 He

Стеарат лития Li(C 17 H 35 COO) легко образуется из гидроксида лития и животного или другого природного жира, применяется как загуститель и желирующий агент при превращении масел в консистентные смазки. Эти многоцелевые смазки сочетают высокую устойчивость к действию воды, хорошие свойства при низких температурах (–20° С) и отличную стабильность при высоких температурах (более 150° С). Они занимают почти половину общего рынка автомобильных смазок в США.

Комплексные соединения . Из всех щелочных элементов литий наиболее склонен к образованию комплексов, образует стабильный комплекс с ЭДТА (натриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты). Устойчивыми являются комплексы лития с краун-эфирами.

Литиеорганические соединения легко получаются непосредственным взаимодействием лития с алкилгалогенидами (обычно используют хлориды) в петролейном эфире, циклогексане, бензоле или диэтиловом эфире:

2Li + RX ® LiR + LiX

Из-за высокой химической активности как реагентов, так и продуктов реакции нужно использовать инертную атмосферу, исключающую воздух и влагу. Выход продукта существенно увеличивается в присутствии 0,5–1% натрия в металлическом литии. Арильные производные лития получают из бутиллития (LiBu) и арилиодида:

LiBu + ArI ® LiAr + BuI

Наиболее удобный путь для получения винильных, аллильных и других ненасыщенных производных – реакция фениллития с тетравинилоловом:

4LiPh + Sn(CH=CH 2) 4 ® 4LiCH=CH 2 + SnPh 4

Если важнее выделить продукт реакции, чем использовать его в дальнейшем синтезе, используют реакцию между избытком лития и ртутьорганическим соединением:

2Li + HgR 2 ® 2LiR + Hg

Литиеорганические соединения термически неустойчивы, и большинство из них постепенно разлагается до гидрида лития и алкена при комнатной или более высокой температуре. Среди наиболее устойчивых соединений – бесцветные кристаллические LiСН 3 (разлагается выше 200° С) и LiС 4 Н 9 (разлагается в небольшой степени при выдерживании в течение нескольких дней при 100° С). Обычно алкильные производные лития имеют тетрамерное или гексамерное строение.

Металлоорганические соединения лития (в частности, LiСН 3 и LiС 4 Н 9) являются ценными реактивами. Последние десятилетия они все более используются в промышленном и лабораторном органическом синтезе. Ежегодное производство одного только LiС 4 Н 9 подскочило от нескольких килограммов до 1000 т. В большом количестве он применяется как катализатор полимеризации, алкилирующий агент и предшественник металлированных органических реагентов. Многие синтезы, подобные реакциям с участием реактивов Гриньяра, имеют явные преимущества по сравнению с ними по скорости реакции, отсутствию усложняющих процесс побочных реакций или удобству работы.

В реакциях литиеорганических соединений с алкилиодидами или, что более полезно, с карбонилами металлов образуются новые связи С–С. В последнем случае продуктами являются альдегиды или кетоны. Термическое разложение LiR приводит к удалению b -водородного атома с образованием олефина и LiH, этот процесс промышленно значим для получения алкенов с длинной концевой цепью. Арилпроизводные лития в неполярных растворителях дают карбоновые кислоты с диоксидом углерода и третичные спирты – с ароматическими кетонами. Литиеорганические соединения являются также ценными реагентами в синтезе других металлоорганических соединений путем обмена металл – галоген.

Наиболее ионными из металлоорганических соединений лития являются карбиды, образующиеся при взаимодействии лития с алкинами в жидком аммиаке. Самая крупная область промышленного применения LiHC 2 – производство витамина А. Он влияет на этинилирование метилвинилкетона, приводящего к образованию ключевого промежуточного карбинольного соединения.

Елена Савинкина

Представлены физические свойства лития Li в твердом и жидком состояниях при различных температурах (в интервале от минус 223 до 1227°С). Рассмотрены следующие свойства лития: плотность ρ , удельная теплоемкость C p , кинематическая ν и динамическая μ вязкость, число Прандтля Pr , температуропроводность a и удельное сопротивление лития ρ .

Литий обладает наименьшей плотностью — плотность лития при температуре 27°С равна 536 кг/м 3 . Этот щелочной металл почти в два раза и имеет плотность даже ниже, чем у таких органических растворителей, как и . Плотность лития зависит от температуры — при нагревании литий расширяется и становится менее плотным. Необходимо отметить, что температура плавления лития составляет 180,7°С. При этой температуре плотность лития в расплавленном состоянии имеет величину 513,4 кг/м 3 .

Литий имеет наибольшую массовую удельную теплоемкость, по сравнению с , поскольку имеет наименьшую плотность. Удельная теплоемкость лития при обычных температурах имеет величину 3390 Дж/(кг·град). Теплоемкость твердого лития при нагревании увеличивается. При плавлении лития не происходит существенного изменения его удельной теплоемкости — теплоемкость жидкого лития слабо зависит от температуры.

Такое физическое свойство лития, как теплопроводность, имеет относительно среднюю величину в ряду — литий менее теплопроводный, чем натрий, однако имеет больший коэффициент теплопроводности, чем у калия. Теплопроводность лития при комнатной температуре составляет величину 85 Вт/(м·град). Теплопроводность лития в твердом состоянии снижается при нагревании и по достижении температуры плавления становится равной 42,8 Вт/(м·град). При последующем нагревании расплавленного лития его теплопроводность увеличивается.

Вязкость жидкого лития снижается при росте его температуры. Это справедливо, как для кинематической, так и для динамической вязкости этого металла. Например, нагрев расплава лития с 200 до 700°С приводит почти к двукратному снижению его вязкости — кинематическая вязкость уменьшается с 111·10 -8 до 61,7·10 -8 м 2 /с. Число Прандтля жидкого лития также снижается при нагревании.

Температуропроводность лития при комнатной температуре составляет около 45·10 -6 м 2 /с. Характерной особенностью твердого лития и других щелочных металлов является быстрое уменьшение температуропроводности с повышением температуры. Однако, температуропроводность лития в жидком состоянии увеличивается при нагревании.

Удельное электрическое сопротивление лития увеличивается при росте температуры во всем ее диапазоне. Это справедливо, как для твердого металла, так и для расплавленного.

Литий — металл с минимальной плотностью

Введение

Литий (Li) - это самый лёгкий редкий щелочной металл. Однако от остальных щелочных металлов литий отличает небольшой размер атома и иона; литий по свойствам напоминает также магний. Обладает малой плотностью.

Литий -3й элемент периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева и представляет собой мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

Литий придает сплавам ряд ценных физико-химических свойств. Например, у сплавов алюминия с содержанием до одного процента лития повышается механическая прочность и коррозионная стойкость, введение двух процентов лития в техническую медь значительно увеличивает ее электропроводность и т.д.

Он образует многочисленные литийорганические соединения, что определяет его большую роль в органическом синтезе.

Важнейшей областью применения лития, как источника трития является атомная энергия. Кроме того, он используется в качестве теплоносителя в атомных реакторах.

Известны 7 искусственных радиоактивных изотопов лития и два ядерных изомера.

Большинство редких металлов мало распространены, а часто и рассеяны в земной коре; их извлечение из сырья и получение в чистом виде связаны с большими технологическими трудностями. В этом причины относительно позднего открытия, изучения и технического освоения редких металлов.

Общие сведения о металле

Историческая справка

Литий (Li) – 3й элемент главной подгруппы первой группы, второго периода Периодической Системы химических элементов Менделеева и относится к группе лёгких редких металлов.

Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом Иоганном Арфведсоном сначала в минерале петалите (Li,Na), а затем в сподумене LiAl и в лепидолите KLi 1.5 Al 1.5 (F,OH) 2 .

Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1825 году.

Своё название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. λίθος - камень). Первоначально назывался «литион», современное название было предложено Берцелиусом.

Литий отличается от всех остальных металлов лёгкостью и наименьшей плотностью.

Физические и химические свойства лития

Физические свойства

Литий - серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, твёрже натрия, но мягче свинца. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой.

При комнатной температуре металлический литий имеет кубическую объемно-центрированную решётку (координационное число 8), пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,35021 нм, Z = 2. Ниже 78 К устойчивой кристаллической формой является гексагональная плотноупакованная структура, в которой каждый атом лития имеет 12 ближайших соседей, расположенных в вершинах кубооктаэдра. Кристаллическая решетка относится к пространственной группе P 6 3 /mmc, параметры a = 0,3111 нм, c = 0,5093 нм, Z = 2.

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см³, почти в два раза меньше плотности воды).

Маленькие размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только при температуре ниже 380 °C и не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием, в то время как другие па́ры щелочных металлов смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

Химические свойства

Литий является щелочным металлом, однако относительно устойчив на воздухе. Литий является наименее активным щелочным металлом, с сухим воздухом (и даже с сухим кислородом) при комнатной температуре практически не реагирует. По этой причине литий является единственным щелочным металлом, который не хранят в керосине (к тому же плотность лития столь мала, что он будет в нём плавать) и может непродолжительное время храниться на воздухе.

Во влажном воздухе медленно реагирует с азотом и другими газами, находящимися в воздухе, превращаясь в нитрид Li 3 N, гидроксид LiOH и карбонат Li 2 CO 3 . В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li 2 O. Интересная особенность лития в том, что в интервале температур от 100 °C до 300 °C он покрывается плотной оксидной плёнкой, и в дальнейшем не окисляется. В отличие от остальных щелочных металлов, дающих стабильные надпероксиды и озониды, надпероксид и озонид лития - нестабильные соединения.

В 1818 немецкий химик Леопольд Гмелин установил, что литий и его соли окрашивают пламя в карминово-красный цвет, это является качественным признаком для определения лития. Температура самовоспламенения находится в районе 300 °C. Продукты горения раздражают слизистую оболочку носоглотки.

Спокойно, без взрыва и возгорания, реагирует с водой, образуя LiOH и H 2 . Реагирует также с этиловым спиртом (с образованием алкоголята), с водородом (при 500-700 °C) с образованием гидрида лития, с аммиаком и с галогенами (с иодом - только при нагревании). При 130 °C реагирует с серой с образованием сульфида. В вакууме при температуре выше 200 °C реагирует с углеродом (образуется ацетиленид). При 600-700 °C литий реагирует с кремнием с образованием силицида. Химически растворим в жидком аммиаке (−40 °C), образуется синий раствор.

В водном растворе литий имеет самый низкий стандартный электродный потенциал (-3,045 В) из-за малого размера и высокой степени гидратации иона лития.

Длительно литий хранят в петролейном эфире, парафине, газолине и/или минеральном масле в герметически закрытых жестяных коробках. Металлический литий вызывает ожоги при попадании на влажную кожу, слизистые оболочки и в глаза.

Биологическая роль

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.

Литий может оказывать следующие эффекты:

o снижает возбудимость центральной нервной системы (препараты лития применяются в психиатрии)

o регулирует транспорт натрия в нервных и мышечных клетках

o снижает количество доступного свободного норадреналина в центральной нервной системе

o увеличивает чувствительность нейронов некоторых областей мозга к действию дофамина

Наиболее важными источниками лития являются некоторые растения (томаты), рыба и морепродукты, а также печень и легкие.

Применение лития, его соединений и сплавов

Литий на протяжении века применяли в медицине как средство от подагры.

Промышленное использование лития началось с первой мировой войны, когда немецкие войска стали использовать сплав лития и свинца.

Полученная немецкая разработка оказалась отличным материалом для покрытия трущихся поверхностей. С этого момента литий получил свое законное место в металлургии. Его используют во многих промышленных сплавах.

Литий стали широко использовать при удалении газов, растворенных в расплавах металлов. Сейчас известно, что литий способен повысить прочность стали. Но его активному использованию в этом направлении мешает малая растворимость в железе.

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, изготовления стекла, для придачи стеклянной массе вязкости. Стекла изготовленные по данной технологии отличаются теплостойкостью и прочностью. Они также пропускают ультрафиолет.
В связи с высокой химической активностью лития, он применяется в химической промышленности.

По значимости в современной технике литий - один из важнейших редких элементов.
Литий применяется в ядерной энергетике, как теплоноситель.

Минералы и руды

Известно более 40 минералов, в которых литий присутствует в заметных количествах (более 0,1% атомной массы). В их число входят как собственно литиевые, так и породообразующие минералы (слюды, турмалины и др.), в которых литий присутствует в виде изоморфных примесей в небольшом количестве.

Главнейшие литийсодержащие минералы, имеющие промышленное значение:

· сподумен (содержание Li 2 О 5,9-7,6%)

· петалит (3,5-4,1%)

· амблигонит (6-9%)

· эвкриптит,циннвальдит(3,0-3,5%)

· лепидолит (3,5-5,5%)

· полилитионит(5,5-8,8%)

Распределение литийсодержащих минералов подчинено закономерностям зонального строения рудных тел редкометалльных месторождений. В отдельных случаях литийсодержащие минералы образуют крупные выделения. Так, кристаллы сподумена достигают иногда длины 2-10 м.

Литиевые руды образуются в связи с постмагматическими процессами при температурах 500-700°С на глубине 3-7 км. Основной промышленно-генетический тип месторождений литиевых руд - гранитные редкометалльные пегматиты, среди которых различают; сподумен-микроклин-альбитовые и альбит-сподуменовые пегматиты (1,0-1,3% Li 2 О, запасы 100-500 тысяч т); лепидолит-сподуменовые и лепидолит-петалитовые пегматиты (0,6-1,2% Li 2 О, запасы до 100 тысяч т).

Главные пегматитовые месторождения литиевых руд; Кинг-Маунтин в США (запасы более 400 тысяч т Li2О, содержание 1-1,15%), Бёрник-Лейк в Канаде (более 200 тысяч т, 1-1,3%), Маноно-Китотоло в Заире (более 200 тысяч т, 0,6%), Бикита в Зимбабве (около 70 тысяч т, 1,4%), а также месторождения в Намибии, Мозамбике, Афганистане.

Попутно литий может получаться из редкометалльных танталоносных гранитов литий-фтористого типа (0,2-0,3% Li 2 О, запасы до 100-200 тысяч т), циннвальдитовых или лепидолитовыхгрейзенов (промышленное значение невелико).

Концентрации лития (0,05-1,0% Li 2 О) выявлены также в осадочных глинистых породах (ресурсы весьма значительны) и слюдисто-флюоритовых метасоматитах (0,3-0,5% Li 2 О, запасы 100-200 тысяч т).

Практически все месторождения литиевых руд являются комплексными и отрабатываются либо для получения лития с попутным извлечением ряда других ценных компонентов, либо литиевые минералы извлекаются в процессе обогащения комплексных руд и сами являются попутными компонентами. В литиевых рудах обычно присутствуют тантал, ниобий, бериллий, рубидий, цезий, иногда олово, вольфрам и др. Полевой шпат, кварц и слюда, постоянно встречающиеся в месторождениях литиевых руд, также могут быть предметом промышленного использования.

Добыча руд ведётся преимущественно открытым, реже подземным способом.

Обычно литиевые руды обогащаются флотационным способом или в тяжёлых суспензиях. Промышленность использует концентраты различного качества: сподуменовый (содержание Li 2 О 4,5-6%), петалитовый (2,5-3,5%), лепидолитовый (3-4%), амблигонитовый (7-8%). Переработка концентратов на большинстве заводов ведётся по сернокислотной технологии, основанной на сульфатизации серной кислотой обожжённого при температуре 1000°С сподумена (петалита). Получаемый после нейтрализации раствора карбонат лития пригоден для дальнейшего использования без дополнительной очистки. По этой схеме могут перерабатываться как концентраты, так и руды с содержанием Li 2 О более 1%. Важное преимущество схемы - отсутствие жидких сбросов.

Мировой рынок лития

Месторождения лития известны в России (более 50% запасов страны сосредоточено в редкометальных месторождениях Мурманской области), Боливии (Солончак Уюни - крупнейшее в мире), Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве, Конго.

Чили и Аргентина производят самую большую часть мирового лития из солей озер, в совокупности примерно 46% всего производства лития (компании FMC, Rockwood и S.Q.M.). Компания Talison Lithium поставляет ~34% мирового лития и около 65% литиевого минерала сподумен. Что касается мирового спроса, то запасы лития представлены в изобилии, и действующие производители, как ожидают, планируют расширять производство для удовлетворения растущих потребностей.

Сейчас крупнейшим мировым экспортёром лития является Чили (44%), далее следуют Австралия (25%), Китай (13%) и Аргентина (11%). В то же время в Боливии находится 50% мировых запасов лития, в Чили - 25% (пустыня Атакама), а в Аргентине - около 10%.

Таблица 1.Запасы на месторождениях лития в 2012 году, тыс.тонн *

* данные US Geological Survey

Рисунок 1. Добыча лития в мире, тыс.тонн*

Таблица 2.Производство и потребление лития в мире, тонн*

* данные Roskill

Потребление лития продолжает устойчиво расти, несмотря на мировой экономический кризис, кризис задолженности в Еврозоне и замедление темпов роста в Китае.

Перезаряжающиеся литиевые батареи продолжают поддерживать этот рост на высоком уровне, чему способствует увеличение производства портативной бытовой электроники так же как и увеличение мощности батарей. Уникальные свойства лития также подкрепляют рост на других рынках, которые испытывали спад, включая производство жиров, стеклокерамику, и металлургические порошки. Потребление лития уже превзошло уровни 2008 года и составило 26,500 т в 2012 году. Спрос на литий будет расти в пределах 8% в год при базовом варианте развития событий с рынком электромобилей, становящимся все более и более важным для роста по мере приближения к 2017 году.

Перспектива новых поставок, выходящих на рынок компаний, действует как барьер для повышения цен, несмотря на возрастающий спрос.

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.

Химический элемент Литий получил известность благодаря открытию Иоганна Августа Арфведсона в 1817 г в составе алюмосиликата, петалита. Затем «огнепостоянную щёлочь» нашли в других минералах естественного происхождения. Это белый, с серебристым блеском металл, который можно разрезать ножом. В таблице Менделеева занимает третье место и обозначается Li (от латинского Lithium).

Краткое описание химического элемента Литий

Порядковый (атомный) номер элемента в периодической системе химических элементов Менделеева равен трём. В обычных условиях металлический Li обладает самой низкой плотностью из всего числа известных металлов. Кроме того, он возглавляет семейство щелочных металлов по температуре плавления и кипения.

Исторические факты

Первый металлический образец был получен сэром Гемфри Дэви в процессе разложения электрическим током расплава гидроксида лития. Вместе с первым результатом электролиза лития, Леопольд Гмелин, экспериментируя с литий содержащими солями, отметил окрашивание пламени в тёмно-карминовый цвет.

Химические свойства лития

Литий проявляет «капризные» свойства при смешивании с натрием, совсем не реагирует с расплавами калия , рубидия и цезия. В условиях комнатной температуры литий не взаимодействует с сухим воздухом или водородом . В отличие от остальных щелочных металлов, его невозможно хранить в керосине. Для данной цели используют масло Шервуда, парафин, газовый бензин или минеральное масло в герметичных жестяных ёмкостях.

При температуре выше 100, но ниже 300 градусов цельсия, на поверхности лития образуется защитная оксидная плёнка, препятствующей дальнейшему взаимодействию хим. Элемента с окружающей средой, даже во влажном воздухе. Металлическая форма элемента обжигает при попадании на влажную поверхность кожи или слизистой.

Применение лития

Сам элемент и его соединения широко применяются для производства стекла, в качестве покрытия фарфора. Чёрная и цветная металлургия используют литий для придания сплавам прочности и пластичности, в изготовлении смазок. Текстильная промышленность применяет этот элемент в качестве отбеливателя тканей, пищевая – в роли консерванта, фармацевтика успешно использует в косметических препаратах.

Жидкий литий нашёл своё применение в ядерных реакторах, радиоактивный тритий получают при помощи изотопа лития-6. Широкое применение щелочной металл нашёл в химической промышленности, как катализатор многих процессов, компонент сплавов, из которых изготавливают холодные катоды, а также аноды источников тока.

Фторид лития в виде монокристаллов применяют для создания высокоточных лазеров с КПД 80%. Различные соединения с литием участвуют в дефектоскопии, пиротехнике, радиоэлектронике, оптоэлектронике.

Соли лития – психотропное вещество, положительное влияние которых на психическое состояние человека было подтверждено лишь в середине XX века. Карбонат лития с успехом применяется для лечения людей с биполярным расстройством, маниакальной депрессией, склонных к суициду.

Этим объясняется низкий уровень преступности в тех районах, где в значительной степени литий содержится в питьевой воде. Механизм воздействия элемента до сих пор изучен слабо, но существуют предположения, что положительный эффект достигается регулятивной функцией активности части ферментов, участвующих в переносе ионов натрия и калия в мозг. Баланс Na и К напрямую отвечает за состояние психики. Так доказано, что у людей, склонных к депрессии, в клетках избыточное содержание натрия, а литий выравнивает ионную картину.

Свойство лития уменьшать депрессию и риск суицида нашло свое отражение в творчестве групп Nirvana и Evanescence. В их дискографии имеются психоделические песни под названием Lithium.

На роли лития в активизации спящих клеток костного мозга основана надежда современной медицины в деле борьбы с раком крови. Экспериментально доказано, что литий благоприятно воздействует на области поражения генитальным герпесом. Положительно отмечено применения Li в комплексе лечения гипертонии и диабета. Безусловна эффективность в рамках предупреждения склероза и заболеваний сердечно-сосудистой системы.

Присутствуя в смазочных материалах, литий позволяет осваивать Антарктиду, в условиях критически низких температур. Без этого элемента техника попросту откажет. Его рассматривают как компонент твёрдого ракетного топлива, ведь результат сгорания 1 кг твёрдого Li более десяти тысяч килокалорий, что почти в пять раз больше, чем результат сгорания 1 кг керосина.