Литий

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
3 ГелийЛитийБериллий
H

Li

Na
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
3Li
Cubic-body-centered.svg
Electron shell 003 Lithium.svg
Внешний вид простого вещества
Кусочки лития в керосине
Очень легкий, мягкий металл серебристо-белого цвета
Свойства атома
Имя, символ, номер

Ли́тий / Lithium (Li), 3

Атомная масса
(молярная масса)

[6,938; 6,997][комм 1][1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[He] 2s1

Радиус атома

145[2] пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

134[2] пм

Радиус иона

76 (+1e)[3] пм

Электроотрицательность

0,98 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

-3,06В

Степени окисления

+1

Энергия ионизации
(первый электрон)

519,9(5,39) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

0,534 г/см³

Температура плавления

453,69 K

Температура кипения

1613 K

Теплота плавления

2,89 кДж/моль

Теплота испарения

148 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

24,86[4] Дж/(K·моль)

Молярный объём

13,1 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая объёмноцентрированая

Параметры решётки

3,490 Å

Температура Дебая

400 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 84,8 Вт/(м·К)

3
Литий
Li
6,941
[Не]2s1

Ли́тий (лат. Lithium; обозначается символом Li) — элемент главной подгруппы первой группы, второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 3.

Простое вещество литий (CAS-номер: 7439-93-2) — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

История и происхождение названия[править | править исходный текст]

Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом Иоганном Арфведсоном сначала в минерале петалите (Li,Na)[Si4AlO10], а затем в сподумене LiAl[Si2O6] и в лепидолите KLi1.5Al1.5[Si3AlO10](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.

Нахождение в природе[править | править исходный текст]

Геохимия лития[править | править исходный текст]

Литий по геохимическим свойствам относится к крупноионным литофильным элементам, в числе которых калий, рубидий и цезий. Содержание лития в верхней континентальной коре составляет 21 г/т, в морской воде 0,17 мг/л[5].

Основные минералы лития — слюда лепидолит — KLi1,5Al1,5[Si3AlO10] (F, OH)2 и пироксен сподумен — LiAl [Si2O6]. 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.

Месторождения[править | править исходный текст]

Месторождения лития известны в Чили, Боливии (Солончак Уюни — крупнейшее в мире[6]), США, Аргентине, Конго, Китае, Бразилии, Сербии, Австралии.[7][8]

В России более 50 % запасов сосредоточено в редкометальных месторождениях Мурманской области.

Получение[править | править исходный текст]

В настоящее время для получения металлического лития его природные минералы или разлагают серной кислотой (кислотный способ), или спекают с CaO или CaCO3 (щелочной способ), или обрабатывают K2SO4 (солевой способ), а затем выщелачивают водой. В любом случае из полученного раствора выделяют плохо растворимый карбонат лития Li2CO3, который затем переводят в хлорид LiCl. Электролиз расплава хлорида лития проводят в смеси с KCl или BaCl2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси):

\mathsf{2LiCl \ \xrightarrow \ \ 2Li + Cl_2 \uparrow }

В дальнейшем полученный литий очищают методом вакуумной дистилляции.

Физические свойства[править | править исходный текст]

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 объёмноцентрированную 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 63/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.

Карминово-красное окрашивание пламени солями лития

Химические свойства[править | править исходный текст]

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 Li3N, гидроксид LiOH и карбонат Li2CO3. В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li2O. 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[источник не указан 181 день].

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 H2. Реагирует также с этиловым спиртом (с образованием алкоголята), с водородом (при 500—700 °C) с образованием гидрида лития, с аммиаком и с галогенамииодом — 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.

Изотопы лития[править | править исходный текст]

Природный литий состоит из двух стабильных изотопов: 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %); в некоторых образцах лития изотопное соотношение может быть сильно нарушено вследствие природного или искусственного фракционирования изотопов. Это следует иметь в виду при точных химических опытах с использованием лития или его соединений. У лития известны 7 искусственных радиоактивных изотопов и два ядерных изомера (4Li − 12Li и 10m1Li − 10m2Li соответственно). Наиболее устойчивый из них, 8Li, имеет период полураспада 0,8403 с. Экзотический изотоп 3Li (трипротон), по-видимому, не существует как связанная система.

7Li является одним из немногих изотопов, возникших при первичном нуклеосинтезе (то есть в период от 1 секунды до 3 минут после Большого Взрыва[9]) в количестве не более 10−9 от всех элементов.[10][11] Некоторое количество изотопа 6Li, как минимум в десять тысяч раз меньшее чем 7Li, также образовано в первичном нуклеосинтезе[9].

Примерно в десять раз больше 7Li образовались в звездном нуклеосинтезе. Литий является промежуточным продуктом реакции ppII, но при высоких температурах активно преобразуется в два ядра гелия-4[12][13] (через 8Be).


Применение[править | править исходный текст]

Оценка использования лития в мире в 2011 году[14]      Керамика и стекло (29%)      Источники тока (27%)      Смазочные материалы (12%)      Непрерывная разливка стали (5%)      Регенерация кислорода (4%)      Полимеры (3%)      Металлургия алюминия (2%)      Фармацевтика (2%)      другое (16%)

Термоэлектрические материалы[править | править исходный текст]

Сплав сульфида лития и сульфида меди — эффективный полупроводник для термоэлектропреобразователей (ЭДС около 530 мкВ/К).

Химические источники тока[править | править исходный текст]

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).

Ракетное топливо[править | править исходный текст]

Лазерные материалы[править | править исходный текст]

Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80 %) лазеров на центрах свободной окраски, и для изготовления оптики с широкой спектральной полосой пропускания.

Окислители[править | править исходный текст]

Перхлорат лития используют в качестве окислителя.

Дефектоскопия[править | править исходный текст]

Сульфат лития используют в дефектоскопии.

Пиротехника[править | править исходный текст]

Нитрат лития используют в пиротехнике для окрашивания огней в красный цвет.

Сплавы[править | править исходный текст]

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 (из-за их легкости). 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[править | править исходный текст]

Триборат лития-цезия используется как оптический материал в радиоэлектронике. Кристаллические ниобат лития LiNbO3 и танталат лития LiTaO3 являются нелинейными оптическими материалами и широко применяются в нелинейной оптике, акустооптике и оптоэлектронике. Литий также используется при наполнении осветительных газоразрядных металлогалогеновых ламп. Гидроксид лития добавляют в электролит щелочных аккумуляторов, для увеличения срока их службы.

Металлургия[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[источник не указан 1075 дней]).

Легирование алюминия[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

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[править | править исходный текст]

Применяется в термоядерной энергетике.

При облучении нуклида 6Li тепловыми нейтронами получается радиоактивный тритий 3H:

{}^{6}_{3}\textrm{Li} + {}^{1}_{0}\textrm{n} \rightarrow {}^{3}_{1}\textrm{H} + {}^{4}_{2}\textrm{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 6LiD.

Перспективно также использование лития-6 для получения гелия-3 (через тритий) с целью дальнейшего использования в дейтерий-гелиевых термоядерных реакторах.

Литий-7[править | править исходный текст]

Применяется в ядерных реакторах, использующих реакции с участием тяжёлых элементов, таких как уран, торий или плутоний.[источник не указан 105 дней]

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.

Соединения лития, обогащенные по изотопу лития-7, применяются на реакторах PWR для поддержания водно-химического режима реакторах PWR (гидрооксид лития), а также в деминерализаторе первого контура. Ежегодная потребность США оценивается в 200-300 кг, производством обладают лишь Россия и Китай[15].

Сушка газов[править | править исходный текст]

Высокогигроскопичные бромид LiBr и хлорид лития LiCl применяются для осушения воздуха и других газов.

Медицина[править | править исходный текст]

Соли лития обладают нормотимическими и другими лечебными свойствами. Поэтому они находят применение в медицине.

Смазочные материалы[править | править исходный текст]

Стеарат литиялитиевое мыло») используется в качестве высокотемпературной смазки. См.: литол.

Регенерация кислорода в автономных аппаратах[править | править исходный текст]

Гидроксид лития LiOH, пероксид Li2O2 применяются для очистки воздуха от углекислого газа; при этом последнее соединение реагирует с выделением кислорода (например, 2Li2O2 + 2CO2 → 2Li2CO3 + O2), благодаря чему используется в изолирующих противогазах, в патронах для очистки воздуха на подлодках, на пилотируемых космических аппаратах и т. д.

Силикатная промышленность[править | править исходный текст]

Литий и его соединения широко применяют в силикатной промышленности для изготовления специальных сортов стекла и покрытия фарфоровых изделий.

Прочие области применения[править | править исходный текст]

Соединения лития используются в текстильной промышленности (отбеливание тканей), пищевой (консервирование) и фармацевтической (изготовление косметики).

Цены[править | править исходный текст]

По состоянию на конец 2007 — начало 2008 года цены на металлический литий (чистота 99 %) составляли 63-66 $ за 1 кг.

Интересные факты[править | править исходный текст]

Литий — самый лёгкий металл. Он всплывает, например, в керосине[16].

Весьма перспективно использовать литий в качестве наполнителя поплавка батискафов — этот металл имеет плотность почти в два раза меньшую, чем вода (точнее 534 кг/м3), это значит, что один кубический метр лития может удерживать на плаву почти на 170 кг больше, чем один кубический метр бензина. Однако литий — щелочной металл, активно реагирующий с водой, следует каким-то образом надёжно разделить эти вещества, не допустить их контакта.[17]

Комментарии[править | править исходный текст]

  1. Указан диапазон значений атомной массы в связи с различной распространённостью изотопов в природе.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. 1 2 Size of lithium in several environments. WebElements. Проверено 15 февраля 2014.
  3. atomic and ionic radius
  4. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 605. — 671 с. — 100 000 экз.
  5. J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
  6. Lithium Article Eric Burns
  7. Lithium Resources and Production: a critical global assessment // CSIRO, 2010
  8. Lithium // USGS
  9. 1 2 BD Fields The Primordial Lithium Problem, ‎Annual Reviews of Nuclear and Particle Science 2011
  10. Постнов К.А. Лекции по общей астрофизике для физиков. Архивировано из первоисточника 24 августа 2011.; см Рис. 11.1
  11. http://www.int.washington.edu/PHYS554/2005/vanderplas.pdf
  12. Lecture 27: Stellar Nucleosynthesis // Университет Toledo — «The Destruction of Lithium in Young Convective Stars» slide 28
  13. Greg Ruchti, Lithium in the Cosmos — «Lithium is Fragile» slide 10
  14. USGS. Lithium (PDF). Проверено 3 ноября 2012.
  15. PWR - литиевая угроза, ATOMINFO.RU (23.10.2013). Проверено 29 декабря 2013.
  16. Книга рекордов Гиннесса для химических веществ
  17. М. Н. Диомидов, А. Н. Дмитриев Покорение глубин. — Ленинград: Судостроение, 1964. — С. 226-230. — 379 с.

Ссылки[править | править исходный текст]

Литература[править | править исходный текст]