Литий физические свойства и применение. Литий – металл серебристо-белого цвета с жёлтым оттенком, мягок и пластичен как свинец — куётся, прокатывается и протягивается без нагревания

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.

(первый электрон) Электронная конфигурация Химические свойства Ковалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность
(по Полингу) Электродный потенциал Степени окисления Термодинамические свойства простого вещества Плотность Молярная теплоёмкость Теплопроводность Температура плавления Теплота плавления Температура кипения Теплота испарения Молярный объём Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки

кубическая объёмноцентрированая

Параметры решётки Отношение c/a — Температура Дебая

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

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.

Элемент №3, названный литием (от греческого λιτοσ – камень), открыт в 1817 г.

Шведский химик И.А. Арфведсон, ученик знаменитого Берцелиуса, анализировал минерал, найденный в железном руднике Уто. Он быстро установил, что этот минерал – типичный алюмосиликат, и выяснил, сколько в нем кремния, алюминия и кислорода – на долю этих трех распространеннейших элементов приходилось 96% веса минерала.

Теперь оставалось выяснить химическую природу веществ, составляющих оставшиеся 4%. Эти вещества, будучи отделенными от Si, Al, и O 2 и растворенными в воде, придавали раствору щелочные свойства. На этом основании Арфведсон предположил, что в минерале есть некий щелочной металл. Одна из солей этого металла растворялась в воде в шесть раз лучше, чем аналогичные соли калия и натрия. А поскольку в то время были известны лишь два щелочных металла, Арфведсон решил, что открыл новый элемент, подобный натрию и калию.

С виду минерал, в котором нашли новый элемент, был камень как камень, и потому Берцелиус предложил Арфведсону назвать новый элемент литием. Тот, видимо, не стал спорить, ибо это название сохранилось до наших дней. В большинстве европейских языков, как и в латыни, элемент №3 называется Lithium.

На этом история элемента №3 не заканчивается. Это очень своеобразный элемент, и не только потому, что литий – первый среди металлов по легкости и удельной теплоемкости, а также по положению в ряду напряжений металлов. Говорить о том, что история лития продолжается, можно хотя бы потому, что некоторые соединения лития, да и сам металл в последнее время приобрели исключительную важность для судеб всего мира.

Поэтому слово «история» в подзаголовках этой статьи нам кажется оправданным.

Древнейшая история

Когда-то давным-давно, в доисторические времена, происходил синтез элементов Вселенной. Несколько позже, но тоже в неопределенно далеком прошлом шли процессы формирования нашей планеты. На этой стадии литий проник более чем в 150 минералов, из них около 30 стали собственными минералами лития. Промышленное значение приобрели только пять: сподумен LiAl , лепидолит Kli 1,5 Al 1,5 (F, OH) 2 , петалит – минерал, в котором литий обнаружен впервые, LiAl , амблигонит LiAl (F, OH) и циннвальдит KLi (Fe, Mg) Al· (F, OH) 2 .

Географически промышленные запасы элемента №3 распределились довольно равномерно: промышленные месторождения минералов лития есть на всех континентах. Важнейшие из них находятся в Канаде, США, СССР, Испании, Швеции, Бразилии, Австралии, а также в странах Южной Африки.

Древняя история

Слово «древняя» здесь употребляется весьма условно – речь пойдет о временах, не столь отдаленных.

Человечество знакомо с литием чуть больше полутора веков, и этот раздел нашего рассказа охватит годы с 1817 по 1920. Это время познания лития как химического индивидуума, время получения и исследования его многих соединений и не очень широкого применения некоторых из них.

Вскоре после открытия Арфведсона новым элементом заинтересовались многие химики. В 1818 г. немецкий химик Л. Гмелин установил, что соли лития окрашивают бесцветное пламя в карминово-красный цвет. Вскоре сам Арфведсон обнаружил литий в сподумене, позже ставшем важнейшим минералом элемента №3, и в лепидолите. В 1825 г. Йенс Якоб Берцелиус нашел литий в водах германских минеральных источников. Вскоре выяснилось, что этот элемент есть и в морской воде (7·10 6 %).

Металлический литий впервые получил выдающийся английский ученый Хэмфри Дэви в 1818 г. Тогда и выяснилось, что литий очень легок, почти вдвое легче воды, и что он обладает ярким металлическим блеском. Но этот блеск серебристо-белого лития можно увидеть только в том случае, если металл получают в вакууме: как и все щелочные металлы, литий быстро окисляется кислородом воздуха и превращается в окись – бесцветные кристаллы кубической формы. Li 2 O легко, но менее энергично, чем окислы других щелочных металлов, соединяется с водой, превращаясь в щелочь – LiOH. И эти кристаллы бесцветны. В воде гидроокись лития растворяется хуже, чем гидроокиси калия и натрия. Как бесцветные кристаллы, выглядят и литиевые соли галогеноводородных кислот.

Иодид, бромид и хлорид лития весьма гигроскопичны, расплываются на воздухе и очень хорошо растворяются в воде. Фторид лития, в отличие от них, в воде растворяется очень слабо и практически совсем не растворяется в органических растворителях. Еще в прошлом веке это вещество начали применять в металлургии как компонент многих флюсов.

В значительных количествах металлический литий первыми получили в 1855 г. (независимо друг от друга) немецкий химик Р. Бунзен и англичанин О. Матиссен. Как и Дэви, они получали литий электролизом, только электролитом в их опытах служил расплав не гидроокиси, а хлорида лития. Этот способ до сих пор остается главным промышленным способом получения элемента №3. Правда, теперь в электролитическую ванну помещают смесь LiCl и KCl и подбирают такие характеристики тока, чтобы на катоде осаждался только литий. Выделяющийся на аноде хлор – ценный побочный продукт.

Есть и другие способы получения металлического лития, но всерьез конкурировать с электролитическим они пока не могут.

Еще в XIX в. были получены соединения лития с почти всеми элементами периодической системы и с некоторыми органическими веществами. Но практическое применение нашли лишь немногие из них. В 1912...1913 гг. мировое производство лития и его соединений не превышало 40...50 т.

В 1919 г. вышла брошюра В.С. Сырокомского «Применение редких элементов в промышленности». Есть в ней, в частности, и такие строки: «Главнейшее применение литий находит в данный момент в медицине, где углекислый и салицилово-кислый литий служат средством для растворения мочевой кислоты, выделяющейся в организме человека при подагре и некоторых других болезнях...»

История средних веков

«Средние века» истории лития – это всего три десятилетия, 20, 30, 40-е годы нашего века. В эти годы литий и его соединения пришли во многие отрасли промышленности, в первую очередь в металлургию, в органический синтез, в производство силикатов и аккумуляторов.

Литий имеет сродство к кислороду, водороду, азоту. Последнее особенно важно, так как ни один элемент не реагирует с азотом так активно, как литий. Эта реакция, хотя и медленно, идет уже при комнатной температуре, а при 250°C ход ее значительно ускоряется. Литий стал эффективным средством для удаления из расплавленных металлов растворенных в них газов. Небольшими добавками лития легируют чугун, бронзы, монель-металл (монель-металл – «природный» сплав, выплавляемый из медно-никелевых руд), а также сплавы на основе магния, алюминия, цинка, свинца и некоторых других металлов.

Установлено, что литий в принципе улучшает и свойства сталей – уменьшает размеры «зерен», повышает прочность, но трудности введения этой добавки (литий практически нерастворим в железе и к тому же он закипает при температуре 1317°C) помешали широкому внедрению лития в производство легированных сталей.

Соединения лития нужны и в силикатной промышленности. Они делают стеклянную массу более вязкой, что упрощает технологию, и, кроме того, придают стеклу большую прочность и сопротивляемость атмосферной коррозии. Такие стекла, в отличие от обычных, частично пропускают ультрафиолетовые лучи; поэтому их применяют в телевизионной технике. А в производстве оптических приборов довольно широко стали использовать кристаллы фтористого лития, прозрачные для ультракоротких волн длиной до 1000 А.

В химической промышленности стали применять металлический литий и литийорганические соединения. В частности, мелкодисперсный элементарный литий намного ускоряет реакцию полимеризации изопрена, а бутил литий – дивинила.

По химическим свойствам литий напоминает не только (и не столько) другие щелочные металлы, но и магний. Литийорганические соединения применяют там же, где и магнийорганические (в реакциях Гриньяра), но соединения элемента №3 – более активные реагенты, чем соответствующие гриньяровские реактивы.

В годы второй мировой войны стало стратегическим материалом одно соединение лития, известное еще в прошлом веке. Речь идет о гидриде лития – бесцветных кристаллах, приобретающих при хранении голубоватую окраску.

Из всех гидридов щелочных и щелочноземельных металлов гидрид лития – самое устойчивое соединение. Однако, как и прочие гидриды, LiH бурно реагирует с водой. При этом образуются гидроокись лития и газообразный водород. Это соединение стало служить легким (оно действительно очень легкое – плотность 0,776) и портативным источником водорода – для заполнения аэростатов и спасательного снаряжения при авариях самолетов и судов в открытом море. Из килограмма гидрида лития получается 2,8 м 3 водорода...

Примерно в то же время стал быстро расти спрос еще на одно соединение элемента №3 – его гидроокись. Как оказалось, добавка этого вещества к электролиту щелочных аккумуляторов примерно на одну пятую увеличивает их емкость и в 2...3 раза – срок службы.

К началу второй мировой войны производство литиевых концентратов в капиталистических странах достигло 3 тыс. т. Для такого рассеянного элемента, как литий, это много. Но та же цифра покажется до смешного малой, если сравнить ее с данными 1957 г. – 250 тыс. т. (без СССР). Этот бурный рост объясняется прежде всего тем, что в 50-е годы литий стал «атомным» металлом и, если можно так выразиться, разносторонне атомным.

Новая история

К этому времени уже во многих странах работали ядерные реакторы или, как их тогда называли, атомные котлы. Конструкторов этих котлов по многим причинам не устраивала вода, которую приходилось применять в качестве теплоносителя.

Появились реакторы, в которых избыточное тепло отводилось расплавленными металлами, в первую очередь натрием и калием.

Но по сравнению с этими металлами у лития много преимуществ. Во-первых, он легче. Во-вторых, у него больше теплоемкость. В-третьих, меньше вязкость. В-четвертых, диапазон жидкого состояния – разница между температурами плавления и кипения – у лития значительно шире. Наконец, в-пятых, коррозионная активность лития намного меньше, чем натрия и калия.

Одних этих преимуществ было бы вполне достаточно для того, чтобы сделать литий «атомным» элементом. Но оказалось, что ему суждено стать одним из незаменимых участников реакции термоядерного синтеза.

Пожалуй, строительство завода по разделению изотопов лития – единственный в своем роде факт из истории американского предпринимательства. Контракт на строительство этого завода заключил банкрот, и, тем не менее, строительство велось буквально в бешеном темпе. Банкротом был не кто иной, как Комиссия по атомной энергии. Средства, отпущенные на создание «сверх бомбы», были израсходованы полностью, но ничего реального у физиков не получалось. Было это в июле 1951 г. А о том, что при реакции соединения ядер тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – должна высвободиться энергия, во много раз большая, чем при распаде ядер урана, знали намного раньше. Но на пути этого превращения лежало одно неразрешимое, казалось, противоречие.

Для того чтобы смогли слиться ядра дейтерия и трития, нужна температура порядка 50 млн градусов. Но для того чтобы реакция пошла, нужно еще, чтобы атомы столкнулись. Вероятность такого столкновения (и последующего слияния) тем больше, чем плотнее «упакованы» атомы в веществе. Расчеты показали, что это возможно только в том случае, если вещество находится хотя бы в жидком состоянии. А изотопы водорода становятся жидкостями лишь при температурах, близких к абсолютному нулю.

Итак, с одной стороны, необходимы сверхвысокие температуры, а с другой – сверхнизкие. И это – в одном и том же веществе, в одном и том же физическом теле!

Водородная бомба стала возможной только благодаря разновидности гидрида лития – дейтериду лития- 6. Это соединение тяжелого изотопа водорода – дейтерия и изотопа лития с массовым числом 6.

Дейтерид лития-6 важен по двум причинам: он – твердое вещество и позволяет хранить «сконцентрированный» дейтерий при плюсовых температурах, и, кроме того, второй его компонент – литий-6 – это сырье для получения самого дефицитного изотопа водорода – трития. Собственно, 6 Li – единственный промышленный источник получения трития:

6 3 Li + 1 0 n → 3 1 H + 4 2 He.

Нейтроны, необходимые для этой ядерной реакции, дает взрыв атомного «капсюля» водородной бомбы, он же создает условия (температуру порядка 50 млн градусов) для реакции термоядерного синтеза.

В США идею использовать дейтерид лития-6 первым предложил доктор Э. Теллер. Но, по-видимому, советские ученые пришли к этой идее раньше: ведь не случайно первая термоядерная бомба в Советском Союзе была взорвана почти на полгода раньше, чем в США, и тем самым был положен конец американской политике ядерного и термоядерного шантажа.

Для атомной техники важно еще одно моно изотопное соединение пития – 7 LiF. Оно применяется для растворения соединений урана и тория непосредственно в реакторах.

Кстати, как теплоноситель в реакторах применяется именно литий-7, имеющий малое сечение захвата тепловых нейтронов, а не природная смесь изотопов элемента №3.

Вот уже много лет ученые во всем мире работают над проблемой управляемого, мирного термоядерного синтеза, и рано или поздно эта проблема будет решена. Тогда «демилитаризуется» и литий. (Этот странный оборот – производное заголовка зарубежной статьи, попавшейся несколько лет назад на глаза одному из авторов этого рассказа: статья называлась «Литий милитаризуется».) Но независимо от того, как скоро это произойдет, бесспорна справедливость другого высказывания. Оно заимствовано нами из «Краткой химической энциклопедии»: «По значимости в современной технике литий является одним из важнейших редких элементов».

Надеемся, что в справедливости этого высказывания у вас нет сомнений.

Изотопы лития

Природный литий состоит из двух изотопов с массовыми числами 6 и 7. По способности захватывать тепловые нейтроны (поперечное сечение захвата) ядра этих изотопов отличаются очень сильно. Тяжелый изотоп 7 Li имеет сечение захвата 0,033 барна, он практически прозрачен для нейтронов. Зато литнй-6 активно поглощает тепловые нейтроны, его сечение захвата – около тысячи (точнее, 912) барн. Несмотря на то, что в природе легкого лития в 12 раз меньше, чем тяжелого, сечение захвата природного лития довольно велико – 71 барн. Понятно, что «виновник» этого – изотоп 6 Li. Интересная деталь: стоимость изотопов лития совсем не пропорциональна их распространенности. В начале этого десятилетия в США относительно чистый литий-7 стоил почти в 10 раз дороже лития-6 очень высокой чистоты.

Искусственным путем получены еще два изотопа лития. Время их жизни крайне невелико: у лития-8 период полураспада равен 0,841 секунды, а у лития-9 0,168 секунды.

Как и прочие щелочные металлы, литий активен, мягок (режется ножом), всегда и во всех случаях проявляет строго постоянную валентность 1+. А отличается он тем, что значительно легче остальных щелочных металлов, реагирует с азотом, углеродом, водородом; зато с водой он взаимодействует менее активно: хотя и вытесняет из нее водород, но не воспламеняет его. Не только фторид, о котором рассказано в основной статье, но и карбонат, и ортофосфат лития плохо растворяются в воде – соответствующие соединения прочих щелочным металлов очень хорошо растворимы. И еще: литий – единственный щелочной металл, способный к образованию комплексных соединений.

Окись и перекись

С кислородом литий соединяется даже при обычной температуре, а при нагревании он воспламеняется и горит голубоватым пламенем. И в том и в другом случае образуется окись лития Li 2 O – тугоплавкое вещество, малорастворимое в воде. Другое соединение лития с кислородом – перекись лития Li 2 О 2 – в реакции между этими элементами никогда не образуется, его получают иным способом – при взаимодействии перекиси водорода с насыщенным спиртовым раствором гидрата окиси лития. При этом из раствора выпадает вещество такого состава: Li 2 O 2 ·H 2 O 2 ·3H 2 O. Если этот кристаллогидрат перекисей водорода и лития выдержать в вакууме над фосфорным ангидридом, то образуется свободная перекись лития.

Тот факт, что это соединение получается только «окольными путями», свидетельствует, что образование перекисных соединений для лития нехарактерно.

Для кондиционирования воздуха

Литиевые соли галогеноводородных кислот (кроме LiF) очень хорошо растворяются в воде. Но не это их главное достоинство. Растворы этих солей способны поглощать из воздуха аммиак, амины и другие примеси и, кроме того, при изменении температуры они обратимо поглощают пары воды. Это свойство позволило применить хлорид и бромид лития в установках для кондиционирования воздуха.

Как получают литий

Сказать, что литий получают электролизом – значит, почти ничего не сказать. Электролиз – лишь последняя стадия производства этого рассеянного элемента. Даже в сподумене и амблигоните – самых богатых литием минералах – содержание окиси элемента №3 редко превышает 7%.

Один из распространенных методов извлечения лития из сподумена – обработка раздробленного минерала серной кислотой. При этом образуются окиси кремния и алюминия и растворимый в воде сульфат лития. Его выщелачивают водой и превращают сначала в карбонат, а затем в хлорид, который и идет на электролиз.

Литий и кремний

Силицид лития – соединение, полученное еще в прошлом веке, но его формула, а, следовательно, и состав до сих пор не считаются окончательно установленными. Первым получил это вещество известный французский ученый Анри Муассан . Он нагревал в вакууме до 400...500°C смесь лития и кремния и получал легкие (чуть тяжелее воды) голубоватые кристаллы. Согласно Муассану, формула этого соединения Li 6 Si 2 . Эта формула и вызывает сомнения. Абсолютно достоверного ответа на вопрос, прав Муассан или нет, не получено не только оттого, что силицид лития не нашел пока практического применения, но и потому, что это соединение сложно получать, а исследовать еще сложнее. На воздухе силицид лития быстро разлагается.

Литий в психотерапии

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.

История открытия:

В 1817 г. шведский химик и минералог Август Арфведсон, анализируя природный минерал петалит, установил, что в нем содержится "огнепостоянная щелочь до сих пор неизвестной природы". Позднее он нашел аналогичные соединения в составе других минералов. Арфведсон предположил, что это соединения нового элемента и дал ему название литий (от греческого liqoz – камень).
Металлический литий был выделен в 1818 году английский химиком Гемфри Дэви электролизом расплава гидроксида лития.

Нахождение в природе и получение:

Природный литий состоит из двух стабильных изотопов - 6 Li (7,42%) и 7 Li (92,58%).
Литий - сравнительно мало распространенный элемент (массовая доля в земной коре 1,8*10 -3 %, 18 г/тонну). Кроме петалита LiAl, основными минералами лития являются слюда, лепидолит - KLi 1,5 Al 1,5 (F,OH) 2 и пироксен сподумен - LiAl.
В настоящее время для получения металлического лития его природные минералы или обрабатывают серной кислотой, или спекают с CaO или CaCO 3 , а затем выщелачивают водой. Получают растворы сульфата или гидроксида лития, из которых осаждают плохо растворимый карбонат Li 2 CO 3 , который затем переводят в хлорид LiCl. Электролизом расплава хлорида лития в смеси с хлоридом калия или бария получают металлический литий.

Физические свойства:

Простое вещество литий - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета. Из всех щелочных металлов он самый твердый, высокоплавкий (Ткип=180,5 и Тпл=1340° С). Это самый легкий металл (плотность 0,533 г/см 3), он плавает не только в воде, но и в керосине. Литий и его соли окрашивают пламя в карминно-красный цвет.

Химические свойства:

Литий проявляет типичные свойства щелочных металлов, взаимодействуя с водой, кислородом, другими неметаллами. Хранить его приходится под слоем под слоем минерального масла, придавливая сверху, чтобы не всплывал.
В соответствии с положением в ПСХЭ, литий наименее активный щелочной металл. Так в реакции с кислородом он образует в основном оксид лития, а не пероксиды как другие металлы. Подобно натрию литий растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор с металлической проводимостью. Растворенный литий постепенно реагирует с аммиаком: 2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2 .
Литий отличается повышенной активностью при взаимодействии с азотом, образуя с ним уже при обычной температуре нитрид Li 3 N.
По некоторым свойствам литий и его соединения напоминают соединения магния (диагональное сходство в таблице Менделеева).

Важнейшие соединения:

Оксид лития, Li 2 O - белое кристаллическое вещество, основный оксид, с водой образует гидроксид

Гидроксид лития - LiOH - белый порошок, обычно моногидрат, LiOH*H 2 O, сильное основание

Соли лития - бесцветные кристаллические вещества, гигроскопичны, образуют кристаллогидраты состава LiX*3H 2 O. Карбонат и фторид лития подобно аналогичным солям магния малорастворимы. Карбонат и нитрат лития при нагревании разлагаются, образуя оксид лития:
Li 2 CO 3 = Li 2 O + CO 2 ; 4LiNO 3 = 2Li 2 O + 4NO 2 + O 2

Пероксид лития - Li 2 O 2 - белое кристаллическое вещество, получают реакцией гидроксида лития с пероксидом водорода: 2LiOH + H 2 O 2 = Li 2 O 2 + 2H 2 O
Используют в космических аппаратах и подводных лодках для получения кислорода:
2Li 2 O 2 + 2CO 2 = 2Li 2 CO 3 +O 2

Гидрид лития LiH получают взаимодействием расплавленного лития с водородом. Бесцветные кристаллы, реагирует с водой и кислотами с выделением водорода. Источник водорода в полевых условиях.

Применение:

Металлический литий - высокопрочные и сверхлегкие сплавы с магнием и алюминием для авиационной и космической техники. Легирующая добавка в металлургии (связывает азот, кремний, углерод). Теплоноситель (расплав) в ядерных реакторах.

Из лития изготовляют аноды химических источников тока и гальванических элементов с твёрдым электролитом.

Соединения: специальные стекла, глазури, эмали, керамика. Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80 %) лазеров
LiOH как добавка в электролит щелочных аккумуляторов. Карбонат лития – добавка в расплав при производстве алюминия: снижает температуру плавления электролита, увеличивает силу тока, уменьшает нежелательное выделение фтора.

Металлоорганические соединения лития (например бутиллитий LiС 4 Н 9) - широко применяются в промышленном и лабораторном органическом синтезе и как катализаторы полимеризации.

Дейтерид лития-6: как источник дейтерия и трития в термоядерном оружии (водородная бомба).

Содержание лития в организме человека составляет около 70 мг. В течение суток в организм взрослого человека поступает около 100 мкг лития. Литий способствует высвобождению магния из клеточных «депо» и тормозит передачу нервного импульса, ингибируя проводимость нервной системы. Соли лития применяются психотропные лекарственные средства, оказывая успокаивающий эффект при лечении шизофрении и депрессии. Однако передозировка может привести к тяжелым осложнениям и летальному исходу.

Нурмаганбетов Т.
ТюмГУ, 582 группа, 2011 г.

Источники:
Литий // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Литий (дата обращения: 23.05.2013).
Литий // Онлайн Энциклопедия Кругосвет. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/LITI.html (дата обращения: 23.05.2013).

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