Литий: свойства и области применения. Литий (лекарственное средство)
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%.
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.
Выполнила:
студентка 1 курса 2 лд группы
2 мед.факультета
Лебедь Екатерина
Запорожье 2014
1. Характеристика элемента
2. История открытия Лития
3. Получение Лития
4. Физические и химические свойства элемента
5. Важнейшие соединения лития.
6. Применение
7. Препараты Лития
Характеристика элемента
ЛИ́ТИЙ (лат. Lithium), Li, химический элемент с атомным номером 3, атомная масса 6,941. Химический символ Li читается так же, как и название самого элемента. Литий встречается в природе в виде двух стабильных нуклидов 6Li (7,52% по массе) и 7Li (92,48%). В периодической системе Д. И. Менделеева литий расположен во втором периоде, группе IA и принадлежит к числу щелочных металлов. Конфигурация электронной оболочки нейтрального атома лития 1s 22s 1. В соединениях литий всегда проявляет степень окисления +1. Металлический радиус атома лития 0,152 нм, радиус иона Li+ 0,078 нм. Энергии последовательной ионизации атома лития 5,39 и 75,6 эВ. Электроотрицательность по Полингу 0,98, самая большая у щелочных металлов. В виде простого вещества литий - мягкий, пластичный, легкий, серебристый металл.
История открытия Лития
Элемент №3 , названный литием (от греческого "литос" – камень), открыт в 1817 г. Когда когда проводил свои знаменитые опыты выдающийся английский ученый Хэмфри Дэви по электролизу щелочных земель, ещё не было известно о существовании в природе лития. Литиевая земля была открыта лишь в 1817 г. химиком-аналитиком Арфведсоном, шведом по национальности. 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, который был вновь открыт на острове Уте. Арфведсон заинтересовался петалитом. После проведения полного качественного и количественного анализа, он обнаружил потерю около 4% вещества, это его конечно насторожило и дало повод для поиска недостающего вещества. Он повторил свои анализы более тщательно и щепетильно, он установил, что в петалите содержится "огнепостоянная щелочь до сих пор неизвестной природы". Берцелиус, учеником которого и был Арфведсон, 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. Арфведсон продолжал проводить исследования и обнаружил литиевую землю,или литину, и в некоторых других минералах. Но этот химический элемент ему выделить не удалось, он был очень активным и получить его было трудным делом. Небольшие массы металлического лития были получены 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 получают в две основные стадии:
1) получение чистого хлористого лития;
2) электролиз расплавленного хлористого лития.
Наиболее важной технической литиевой рудой является - алюмосиликат лития. Сподуменовую руду сначала обогащают, отделяя пустую породу от мине рала сподумена.
Один из способов получения хлористого лития из сподумена - хлорирующий обжиг сподумена в смеси с СаС03 и NH4Cl при 750° С. В результате получают спек, состоящий из хлористого лития, силиката кальция, окиси алюминия, а также хлоридов калия, натрия и кальция.
Спек выщелачивают холодной водой, при этом в раствор переходят хлориды лития, калия и натрия, а также небольшое количество СаС12 и Са(ОН)2. При помощи промышленных кондиционеров в помещении поддерживается необходимый уровень температуры. Кальций переводят в нерастворимое состояние, обрабатывая раствор поташом, отделяют осадок и чистый раствор упаривают до начала кристаллизации солей. Затем через раствор пропускают сухой хлористый водород, в результате чего резко уменьшается растворимость КСl и NaCl и они выпадают в осадок, который отделяют от раствора. Раствор выпаривают, и из него выкристаллизовывается гидрат LiCl Но, который затем обезвоживают нагреванием и далее используют как сырье для электролитического получения лития.
Существуют и другие способы разложения сподумена (спекание с сульфатом калия или смесью известняка с хлористым кальцием) с последующей переработкой спеков для получения из них хлорида лития.
Металлический литий получают электролизом хлористого лития при 400-500° С. В качестве электролита применяют смесь LiCl и КСl, содержащую примерно 60%. Анодное и катодное пространства разделены железной сетчатой диафрагмой. Над катодом расположен приемник для жидкого лития, всплывающего на поверхность электролита. Хлор удаляется через канал, устроенный в верхнем перекрытии электролизера. Через это же перекрытие проходят трубы для питания ванны расплавленным хлористым литием и извлечения жидкого металла.
Технологический режим и основные показатели электролиза: анодная плотность тока 2,1, катодная 1,4 а/см2; напряжение на клеммах 6-8 в, выход по току 90%. Расход на 1 кг лития: 6,2 кг LiCl, 0,1-0,2 кг KG, электроэнергии постоянного тока 144-216 кдж.
Литий-сырец содержит более 99% Li, основные примеси (Na, К, Mg, Al, Fe, Si) могут быть удалены рафинированием лития возгонкой, или дистилляцией в вакууме.
Литий был открыт в 1817 году шведским химиком Арфведсоном при анализе минерала петалита. Своё название литий получил от греческого “литос”-камень, так как в отличие от щелочных металлов калия и натрия, был обнаружен в каменной породе.
Металлический литий в очень малом количестве был получен в 1818 году, а в 1885 году металлический литий был получен в значительном количестве путём электролиза.
Литий – металл серебристо-белого цвета с жёлтым оттенком , мягок и пластичен как свинец — куётся, прокатывается и протягивается без нагревания.
Литий | 3 | — сайт
Литий — очень лёгкий металл , в два раза легче воды, он плавает в воде и даже в керосине. Очень активно реагирует с водой с бурным выделением водорода, вытесняемым литием из воды. На воздухе окисляется и покрывается белой плёнкой окиси, поэтому хранят его в вакууме или в масле. Обладает высокой теплоёмкостью и теплопроводностью, в жидком виде находится при температурах от 180 до 1327ОС.
Литий расплавляется в воздухе без заметного окисления, а при температуре выше 220ОС — загорается. В сухом воздухе, литий хорошо сохраняется, во влажном — быстро окисляется. Серый налёт при окислении лития — образовавшийся нитрид. Сухой кислород не действует на литий до температуры 200ОС. Сгорая на воздухе, при температуре выше 200ОС, литий образует оксид Li2O. При температуре500-800ОС Li образует с водородом гидрид — LiH.
В земной коре его в 800 раз меньше чем щелочных металлов калия и натрия. Минералами содержащих литий являются сподумен и лепидолит, в которых содержится от 1 до 3% оксида лития. Кристаллы сподумена достигают массы в несколько тонн. Иногда литий концентрируется в больших количествах в солёных озёрах, в водах нефтяных месторождений, в подземных горячих водах, в районе действующих вулканов. Мировые подтверждённые запасы оксида лития превышают 9 миллионов тонн, а вместе с минерализированными водами — до 30 миллионов тонн.
ПОЛУЧЕНИЕ.
Из минералов сподумена и лепидолита, литий переводится в растворимую хлористую соль (нагревание с мелом и хлористым аммонием), или в сернокислую соль (нагревание с K2SO4), которые, затем, извлекаются с водой.
Полученную соль очищают, переводя её последовательно в LiOH, Li2CO3, а затем в LiCl. Хлористый литий подвергают электролизу в расплаве, со значительным удельным расходом электроэнергии — 50 — 60 тысяч кВтч на тонну лития.
Литий рафинируется переплавкой в масле и отмывкой в бензине. Для более высокой очистки применяется процесс гидрирования лития при температурах 700-800ОС, при которых летит калий, а гидрид лития разлагается при температуре 1000ОС, в вакууме, на чистый литий и водород.
ПРИМЕНЕНИЕ.
В настоящее время литий очень широко применяется в различных отраслях промышленности.
Применение карбоната лития в виде окатышей в алюминиевой промышленности повышает выход годного металла и уменьшает выделение фтора при производстве алюминия.
Хранение и транспортировка водорода. Гидрид лития, выделяющий под действием воды большое количество водорода (3м3/кг), является удобным материалом для хранения и транспортировки связанного водорода.
Аккумуляторы. Гидроокись лития применяется в качестве щёлочи в аккумуляторах. Добавка едкого лития в щелочные аккумуляторы значительно повышает их электроёмкость.
Вакуумная техника. Металлический литий применяется в вакуумных приборах для получения вакуума. В закрытом сосуде литий поглощает азот и кислород, создавая в нём вакуум. Таким же образом производят очистку аргона и неона от азота, при изготовлении электрических ламп.
Очистка воздуха. Хлористый и бромистый литий, а также гидроокись лития хорошо поглощают углекислоту, аммиак, дым и влагу. Кондиционирование воздуха в замкнутых помещениях (подводные лодки, космические корабли) осуществляется с применением соединений лития.
Ракетно-космическая техника. Нитратные и перхлоратные соединения лития применяются в качестве окислителей твёрдого ракетного топлива, добавляются к жидкому топливу реактивных двигателей. Жаропрочные соединения лития используются для покрытия сопел и камер сгорания ракетных двигателей.
Медицина. Соединения лития(углекислый литий, силициловокислый литий) применяются для растворения мочевой кислоты при лечении подагры.
-
Ли́тий (лат. Lithium; обозначается символом Li) - элемент главной подгруппы первой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 3 и атомной массой 6,941. Химический символ Li читается так же, как и название самого элемента. Простое вещество литий - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.
Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом А. Арфведсоном сначала в минерале петалите (Li,Na). 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 лития:
2LiCl = 2Li + Cl 2
Свое название получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. литос - камень). Первоначально назывался "литион". Современное название было предложено шведским химиком Берцелиусом.Литий встречается в природе в виде двух стабильных нуклидов 6 Li (7,52 % по массе) и 7 Li (92,48 %). Литий довольно широко распространен в земной коре, его содержание в ней составляет 6,5×10 -3 % по массе. Как уже упоминалось, основные минералы, содержащие литий, - это петалит (содержит 3,5-4,9 % Li 2 О), сподумен (6-7 % Li 2 О), лепидолит (4-6 % Li 2 О) и амблигонит LiAl (8-10 % Li 2 О). В виде примеси литий содержится в ряде породообразующих минералов.
Месторождения лития приурочены к редкометалльным гранитным интрузиям, в связи с которыми развиваются литиеносные пегматиты (жильные горные породы) 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.
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.
Другой тип месторождений лития - рассолы некоторых сильносоленых озёр.
Также литий присутствует в минерализованных водах. В морской воде содержится около 2×10 -5 % лития.В виде простого вещества литий - мягкий, пластичный, легкий, серебристый металл. Из металлов литий самый легкий, его плотность 0,534 г/см 3 . Температура плавления 180,5°C, температура кипения 1326°C. При температурах от –193°C до температуры плавления устойчива кубическая объемно центрированная модификация лития с параметром элементарной ячейки а = 0,350 нм. Конфигурация электронной оболочки нейтрального атома лития 1s22s1. В соединениях литий всегда проявляет степень окисления +1. Металлический радиус атома лития 0,152 нм, радиус иона Li+ 0,078 нм. Энергии последовательной ионизации атома лития 5,39 и 75,6 эВ. Электроотрицательность по Полингу 0,98 - самая большая у щелочных металлов.
Из-за небольшого радиуса и маленького ионного заряда литий по своим свойствам больше всего напоминает не другие щелочные металлы, а элемент группы IIA магний (Mg). Литий химически очень активен. Он способен взаимодействовать с кислородом (O) и азотом (N) воздуха при обычных условиях, поэтому на воздухе он быстро окисляется с образованием темного налета продуктов взаимодействия:
4Li + O 2 = 2Li 2 O,
6Li + N 2 = 2Li 3 N
При контактах с галогенами литий самовоспламеняется при обычных условиях. Подобно магнию (Mg), нагретый литий способен гореть в CO 2:
4Li + CO 2 = C + 2Li 2 O
Стандартный электродный потенциал Li/Li+ имеет наибольшее отрицательное значение (E°298 = –3,05 B) по сравнению со стандартными электродными потенциалами других металлов. Это обусловлено большой энергией гидратации маленького иона Li+, что значительно смещает равновесие в сторону ионизации металла:
Li-твердый <> Li + раствор + e–
Для слабо сольватирующих растворителей значение электродного потенциала лития соответствует его меньшей химической активности в ряду щелочных металлов.Cоли - как правило, бесцветные кристаллические вещества. По химическому поведению соли лития несколько напоминают аналогичные соединения магния (Mg) или кальция (Ca). Плохо растворимы в воде фторид LiF, карбонат Li 2 CO 3 , фосфат Li 2 PO 4 , хорошо растворим хлорат лития LiClO 3 - это, пожалуй, одно из самых хорошо растворимых соединения в неорганической химии (при 18°C в 100 г воды растворяется 313,5 г LiClO 3).
Оксид лития Li 2 O - белое твердое вещество - представляет собой типичный щелочной оксид. Li 2 O активно реагирует с водой с образованием гидроксида лития LiOH. Этот гидроксид получают электролизом водных растворов LiCl:
2LiCl + 2H 2 O = 2LiOH + Cl 2 + H 2
LiOH - сильное основание, но оно отличается по свойствам от гидроксидов других щелочных металлов. Гидроксид лития уступает им в растворимости. При прокаливании гидроксид лития теряет воду:
2LiOH = Li 2 O + H 2 O
Большое значение в синтезе органических и неорганических соединений имеет гидрид лития LiH, который образуется при взаимодействии расплавленного лития с водородом (H):
2Li + H 2 = 2LiH
LiH - ионное соединение, строение кристаллической решетки которого похоже на строение кристаллической решетки хлорида натрия NaCl. Гидрид лития можно использовать в качестве источника водорода для наполнения аэростатов и спасательного снаряжения (надувных лодок и т.п.), так как при его гидролизе образуется большое количество водорода (1 кг LiH дает 2,8 м3 H 2):
LiH + H 2 O = LiOH + H 2
Он также находит применение при синтезе различных гидридов, например, борогидрида лития:
BCl 3 + 4LiH = Li + 3LiCl.
Литий образует соединения с частично ковалентной связью Li-C, т. е. литийорганические соединения. Например, при реакции иодбензола C 6 H 5 I с литием в органических растворителях протекает реакция:
C 6 H 5 I + 2Li = C 6 H 5 Li + LiI.
Литийорганические соединения широко используются в органическом синтезе и в качестве катализаторов.Как упоминалось выше, впервые получить литий удалось путем электролиза расплавленного хлорида лития. В настоящее время для получения металлического лития его природные минералы или разлагают серной кислотой (кислотный способ), или спекают с CaO или CaCO 3 (щелочной способ), или обрабатывают K 2 SO 4 (солевой способ), а затем выщелачивают водой. В любом случае из полученного раствора выделяют плохо растворимый карбонат лития Li 2 CO 3 , который затем переводят в хлорид LiCl. Электролиз расплава хлорида лития проводят в смеси с KCl или BaCl 2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси). В дальнейшем полученный литий очищают методом вакуумной дистилляции.
Литий находит очень широкое применение в современной промышленности.
Термоэлектрические материалы - сплав сульфида лития и сульфида меди - эффективный полупроводник для термоэлектропреобразователей (ЭДС около 530 мкВ/К).
Химические источники тока - из лития изготовляют аноды 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 гидроксида 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).
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 - сульфат лития используют в дефектоскопии.
Пиротехника - нитрат лития используют в пиротехнике.
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. Добавка лития снижает плотность сплава и повышает модуль упругости. При содержании лития до 1,8 % сплав имеет низкое сопротивление коррозии под напряжением, а при 1,9 % сплав не склонен к коррозионному растрескиванию. Увеличение содержания лития до 2,3 % способствует возрастанию вероятности образования рыхлот и трещин. Механические свойства при этом изменяются: пределы прочности и текучести возрастают, а пластические свойства снижаются. Наиболее известны системы легирования Al-Mg-Li (пример - сплав 1420, применяемый для изготовления конструкций летательных аппаратов) и Al-Cu-Li (пример - сплав 1460, применяемый для изготовления емкостей для сжиженных газов).
Ядерная энергетика - Изотопы 6Li и 7Li обладают разными ядерными свойствами (сечение поглощения тепловых нейтронов, продукты реакций) и сфера их применения различна. Гафниат лития входит в состав специальной эмали, предназначенной для захоронения высокоактивных ядерных отходов, содержащих плутоний. Литий-6 (термояд) применяется в термоядерной энергетике. При облучении нуклида 6Li тепловыми нейтронами получается радиоактивный тритий 3H. 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 6LiD. 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) служит эффективным теплоносителем. Фторид лития-7 в сплаве с фторидом бериллия (66 % LiF + 34 % BeF2) 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 соединения с бромом и хлором - бромид LiBr и хлорид лития LiCl - применяются для осушения воздуха и других газов.
Медицина - Соли лития обладают нормотимическими и другими лечебными свойствами. Поэтому они находят применение в медицине.
Смазочные материалы - стеарат лития («литиевое мыло или литол») 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 косметики).Литий в незначительных количествах присутствует в живых организмах, но, по-видимому, не выполняет никаких биологических функций. Установлено его стимулирующее действие на некоторые процессы в растениях, способность повышать их устойчивость к заболеваниям.
В организме среднего человека (масса 70 кг) содержится около 0,7 мг лития. Токсическая доза 90-200 мг.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:
2С 2 Н 5 ОН + 2Li = 2С 2 Н 5 ОLi + Н 2
Образовавшийся этилат лития затем разлагают водой до спирта и гидроксида лития LiOH.
Металлургия. Литий является компонентом многих сплавов. В чёрной металлургии литий применяется для раскисления и легирования сплавов. В цветной металлургии литий применяется как раскислитель и дегазатор при плавке меди и её сплавов, как легирующая присадка в сплавах со свинцом и лёгкими металлами. Небольшие добавки (до 0,005%) значительно быстрее и полнее обеспечивают раскисление цветных металлов, хромоникелевой стали и чугуна. Химически активный литий реагирует с кислородом, азотом и серой растворёнными в меди, связывает их и дегазирует медь. Добавки лития к алюминию и магнию повышают их прочность и делают более стойкими к действию кислот и щелочей. В парах лития осуществляется сварка алюминия. Парами лития создают защитную атмосферу в печах для нагревания некоторых металлов, так как литий, реагирует с водяными парами, кислородом и азотом.
Термоядерные процессы. Изотоп литий-6 используется для производства трития и применение лития в термоядерных процессах становится всё более значительным. В перспективе, литий как сырьё для производства трития, может стать значительной частью исходного горючего для термоядерных реакторов. Изотоп литий-6 применяется в атомных реакторах, как составная часть материалов защитных экранов против радиации.
Производство стекла и керамики. Соединения лития заменяют свинец при производстве стёкол для кинескопов электронно-лучевых приборов. В производстве стела присадка соединений лития позволяет получать стекло с большой проницаемостью для ультрафиолетовых лучей и малым тепловым расширением. Литий применяется при производстве фарфора, фаянса, термостойкой керамики, огнеупорных и диэлектрических материалов, глазурей и эмалей.