ЛИТИЙ: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, РИСКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Лития представляет собой металлический элемент, химический символ Ли и атомный номер 3. Это третий элемент периодической таблицы и ведет группу 1 щелочных металлы. Из всех металлов у него самая низкая плотность и самая высокая удельная теплоемкость. Он настолько легкий, что может плавать по воде.

Его название происходит от греческого слова «lithos», что означает камень. Они дали ему такое название, потому что он был обнаружен именно в составе некоторых минералов в вулканических породах. Кроме того, он показал характерные свойства, аналогичные свойствам металлов натрия и кальция, обнаруженных в растительной золе.

Металлические детали из лития, покрытые слоем нитрида, хранятся в аргоне. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Он имеет единственный валентный электрон, теряя его, чтобы стать катионом Li ⁺ в большинстве своих реакций; или разделяя его ковалентной связью с углеродом, Li-C в литийорганических соединениях (таких как алкиллитий).

Его внешний вид, как и многие другие металлы, представляет собой твердое вещество серебристого цвета, которое может стать сероватым при воздействии влаги. Он может иметь черноватые слои (верхнее изображение), когда он реагирует с азотом в воздухе с образованием нитрида.

Химически он идентичен своим родственным соединениям (Na, K, Rb, Cs, Fr), но менее реактивен, поскольку его единственный электрон испытывает гораздо большую силу притяжения из-за того, что он находится ближе к нему, а также из-за плохого экранирующего эффекта двух его электронов. внутренние электроны. В свою очередь, он реагирует так же, как магний, из-за эффекта смещения.

В лаборатории соли лития можно идентифицировать, нагревая их в зажигалке; появление интенсивного алого пламени подтвердит его присутствие. Фактически, он часто используется в учебных лабораториях для аналитических прогонов.

Его применение варьируется от использования в качестве добавки к керамике, стеклу, сплавам или литейным смесям до охлаждающей среды и создания высокоэффективных небольших батарей; хотя и взрывоопасен, учитывая реактивную природу лития. Это металл с наибольшей тенденцией к окислению и, следовательно, тот, который легче всего отдает свой электрон.

история

открытие

Первое появление лития во Вселенной произошло очень давно, через несколько минут после Большого взрыва, когда слились ядра водорода и гелия. Однако на Земле человечеству потребовалось время, чтобы идентифицировать его как химический элемент.

Это было в 1800 году, когда бразильский ученый Хосе Бонифасио де Андрада-э-Сильва обнаружил минералы сподумен и петалит на шведском острове Утё. Таким образом, он нашел первые официальные источники лития, но о нем все еще ничего не было известно.

В 1817 году шведский химик Йохан Август Арфведсон смог выделить из этих двух минералов сульфатную соль, которая содержала элемент, отличный от кальция или натрия. К тому времени Август Йохан работал в лабораториях известного шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса.

Именно Берцелиус назвал этот новый элемент, продукт своих наблюдений и экспериментов, «lithos», что по-гречески означает камень. Таким образом, литий, наконец, можно было признать новым элементом, но его все же необходимо было выделить.

Изоляция

Всего через год, в 1821 году, Уильяму Томасу Бранду и сэру Хамфри Дэви удалось выделить литий как металл, применив электролиз к оксиду лития. Хотя в очень малых количествах, их было достаточно, чтобы наблюдать его реакционную способность.

В 1854 году Роберт Вильгельм Бунзен и Август Маттиссен смогли получить металлический литий в больших количествах путем электролиза хлорида лития. Отсюда началось его производство и торговля, и спрос на него будет расти по мере того, как благодаря его уникальным свойствам будут найдены новые технологические применения.

Структура и электронная конфигурация

Кристаллическая структура металлического лития - объемно-центрированная кубическая (ОЦК). Из всех компактных кубических структур он наименее плотный и соответствует его характеристикам как самый легкий и наименее плотный металл из всех.

В нем атомы Li окружены восемью соседями; то есть Ли находится в центре куба, с четырьмя Ли вверху и внизу по углам. Эта ОЦК фаза также называется α-Li (хотя это название, по-видимому, не очень распространено).

Этапы

Как и подавляющее большинство твердых металлов или соединений, они могут претерпевать фазовые переходы при изменении температуры или давления; пока они не основаны. Таким образом, литий кристаллизуется с ромбоэдрической структурой при очень низких температурах (4,2 К). Атомы Li практически заморожены и меньше колеблются на своих позициях.

При повышении давления он приобретает более компактные шестиугольные структуры; и, увеличиваясь еще больше, литий претерпевает другие переходы, которые не были полностью охарактеризованы дифракцией рентгеновских лучей.

Поэтому свойства этого «сжатого лития» все еще изучаются. Точно так же еще не понятно, как три его электрона, один из которых является валентным, вмешиваются в его поведение как полупроводник или металл при этих условиях высокого давления.

Три электрона вместо одного

Кажется любопытным, что литий на данный момент остается «непрозрачной книгой» для тех, кто занимается кристаллографическим анализом.

Это связано с тем, что, хотя электронная конфигурация составляет 2s ¹ , с таким небольшим количеством электронов она едва может взаимодействовать с излучением, применяемым для выявления металлических кристаллов.

Кроме того, предполагается, что орбитали 1s и 2s перекрываются при высоких давлениях. То есть как внутренние электроны (1s ² ), так и валентные электроны (2s ¹ ) определяют электронные и оптические свойства лития в этих сверхкомпактных фазах.

Число окисления

Сказав, что электронная конфигурация лития составляет 2s ¹ , он может потерять один электрон; два других, с внутренней орбиты 1s ² , потребуют много энергии для удаления.

Поэтому литий участвует почти во всех своих соединениях (неорганических или органических) со степенью окисления +1. Это означает, что в его связях Li-E, где E означает любой элемент, предполагается существование катиона Li ⁺ (независимо от того, является ли эта связь ионной или ковалентной в действительности).

Степень окисления -1 маловероятна для лития, поскольку он должен связываться с элементом, который гораздо менее электроотрицателен, чем он; Дело в том, что сам по себе этот металл очень электроположителен.

Эта отрицательная степень окисления будет представлять собой электронную конфигурацию 2s ² (для получения одного электрона), а также будет изоэлектронной по отношению к бериллию. Теперь можно предположить существование аниона Li ^- и его производные соли будут называть литуросами.

Из-за своего большого окислительного потенциала его соединения в основном содержат катион Li ⁺ , который из-за своего небольшого размера может оказывать поляризующее действие на объемные анионы с образованием ковалентных связей Li-E.

свойства

Малиновое пламя соединений лития. Источник: Антти Т. Ниссинен (https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964)

Внешность

Серебристо-белый металл с гладкой текстурой, поверхность которого становится серой при окислении или темнеет, когда он непосредственно вступает в реакцию с азотом в воздухе с образованием соответствующего нитрида. Он настолько легкий, что плавает в воде или масле.

Он настолько гладкий, что его можно даже нарезать ножом или даже ногтями, что было бы совсем не рекомендуется.

Молярная масса

6,941 г / моль.

Температура плавления

180,50 ° С.

Точка кипения

1330 ° С.

плотность

0,534 г / мл при 25 ° С.

Растворимость

Да, он плавает в воде, но сразу начинает с ней реагировать. Он растворим в аммиаке, где, когда он растворяется, его электроны сольватируются с образованием синего цвета.

Давление газа

0,818 мм рт. Ст. При 727 ° C; то есть даже при высоких температурах его атомы с трудом уходят в газовую фазу.

Электроотрицательность

0,98 по шкале Полинга.

Энергии ионизации

Первая: 520,2 кДж / моль

Второй: 7298,1 кДж / моль

Третий: 11815 кДж / моль

Эти значения соответствуют энергиям, необходимым для получения газообразных ионов Li ⁺ , Li ²⁺ и Li ³⁺ соответственно.

температура самовоспламенения

179 ° С.

Поверхностное натяжение

398 мН / м при его температуре плавления.

вязкость

В жидком состоянии он менее вязкий, чем вода.

Теплота плавления

3,00 кДж / моль.

Теплота испарения

136 кДж / моль.

Молярная теплоемкость

24 860 Дж / моль · К. Это значение чрезвычайно велико; самый высокий из всех элементов.

Твердость по Моосу

0.6

Изотопы

В природе литий существует в виде двух изотопов: ⁶ Li и ⁷ Li. Только атомная масса 6,941 u показывает, какая из двух наиболее распространена: ⁷ Li. Последний составляет около 92,4% всех атомов лития; в то время как ⁶ Li, около 7,6% из них.

У живых существ организм предпочитает ⁷ Li ⁶ Li; Однако в минералогических матрицах изотоп ⁶ Li воспринимается лучше, и, следовательно, его процентное содержание увеличивается выше 7,6%.

Реактивность

Хотя он менее реакционноспособен, чем другие щелочные металлы, он все же является довольно активным металлом, поэтому его нельзя подвергать воздействию атмосферы без окисления. В зависимости от условий (температуры и давления) реагирует со всеми газообразными элементами: водородом, хлором, кислородом, азотом; и с твердыми веществами, такими как фосфор и сера.

Номенклатура

Других названий для металлического лития нет. Что касается его соединений, большая часть из них названа в соответствии с систематической, традиционной или стандартной номенклатурой. Его степень окисления +1 практически не изменилась, поэтому в товарной номенклатуре (I) не пишется в конце названия.

Примеры

Например, рассмотрим соединения Li ₂ O и Li ₃ N.

Li ₂ O получил следующие названия:

- Оксид лития, согласно номенклатуре акций

- Литий оксид, согласно традиционной номенклатуре

- Окись дилития по систематической номенклатуре

При этом Ли ₃ Н называется:

- Нитрид лития, стоковая номенклатура

- Литий нитрид, традиционная номенклатура

- Мононитрид трилития, систематическая номенклатура

Биологическая роль

Степень, в которой литий может быть или не быть необходимым для организмов, неизвестна. Точно так же механизмы, с помощью которых он может метаболизироваться, неясны и все еще изучаются.

Следовательно, неизвестно, какие положительные эффекты может иметь диета, «богатая» литием; хотя его можно найти во всех тканях тела; особенно в почках.

Регулятор уровня сератонина

Фармакологическое действие некоторых солей лития на организм известно, особенно на мозг или нервную систему. Например, он регулирует уровень серотонина, молекулы, ответственной за химические аспекты счастья. Тем не менее, нередко думать, что он изменяет или изменяет настроение пациентов, которые их употребляют.

Однако они не рекомендуют употреблять литий вместе с лекарствами, борющимися с депрессией, поскольку существует риск слишком большого повышения уровня серотонина.

Он не только помогает бороться с депрессией, но также с биполярными и шизофреническими расстройствами, а также с другими возможными неврологическими расстройствами.

дефицит

Предполагается, что люди с диетой с низким содержанием лития более склонны к депрессии, самоубийству или убийству. Однако формально последствия его дефицита остаются неизвестными.

Где найти и производство

Литий нельзя найти в земной коре, а тем более в морях или атмосфере, в чистом виде, в виде блестящего белого металла. Вместо этого он претерпел трансформации за миллионы лет, в результате которых он стал ионом Li ⁺ (в основном) в определенных минералах и группах пород.

По оценкам, его концентрация в земной коре колеблется от 20 до 70 частей на миллион (частей на миллион), что эквивалентно примерно 0,0004% от его содержания. В морских водах его концентрация составляет порядка 0,14 и 0,25 частей на миллион; то есть лития в камнях и минералах больше, чем в рассолах или морском дне.

полезные ископаемые

Сподуменовый кварц, один из природных источников лития. Источник: Роб Лавинский, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Минералы, в которых встречается этот металл, следующие:

- Сподумен, LiAl (SiO ₃ ) ₂

- Петалит, LiAlSi ₄ O ₁₀

- Лепидолит, K (Li, Al, Rb) ₂ (Al, Si) ₄ O ₁₀ (F, OH) ₂

Общим для этих трех минералов является то, что они являются алюмосиликатами лития. Есть и другие минералы, из которых металл также может быть извлечен, например амблигонит, эльбаит, трипиллит, эвкрипит или гекторитовые глины. Однако сподумен - это минерал, из которого производится наибольшее количество лития. Эти минералы составляют некоторые магматические породы, такие как гранит или пегматит.

Морские воды

Что касается моря, он добывается из рассолов в виде хлорида, гидроксида или карбоната лития, LiCl, LiOH и Li ₂ CO ₃ соответственно. Таким же образом его можно получить из озер или лагун, или из различных залежей рассола.

В целом литий занимает 25-е место по содержанию элементов на Земле, что хорошо коррелирует с его низкой концентрацией как на суше, так и в воде, и поэтому считается относительно редким элементом.

Звезды

Литий содержится в молодых звездах в большем количестве, чем в старых.

Чтобы получить или произвести этот металл в чистом виде, есть два варианта (игнорируя экономические аспекты или аспекты рентабельности): извлекать его путем добычи полезных ископаемых или собирать в рассоле. Последний является преобладающим источником при производстве металлического лития.

Производство металлического лития электролизом

Из рассола получается расплавленная смесь LiCl, которую затем можно подвергнуть электролизу для разделения соли на ее элементарные компоненты:

LiCl (л) → Li (тв) + 1/2 Cl ₂ (г)

В то время как минералы перевариваются в кислой среде для получения ионов Li ⁺ после процессов разделения и очистки.

Чили позиционируется как крупнейший производитель лития в мире, получая его из соляной равнины Атакама. На том же континенте следует Аргентина, страна, добывающая LiCl из Салар дель Хомбре Муэрто и, наконец, Боливия. Однако Австралия является крупнейшим производителем лития за счет эксплуатации сподумена.

Реакции

Самая известная реакция лития - это реакция, которая происходит при контакте с водой:

2Li (т) + 2H ₂ O (л) → 2LiOH (водн.) + H ₂ (г)

LiOH представляет собой гидроксид лития и, как можно видеть, выделяет газообразный водород.

Реагирует с газообразным кислородом и азотом с образованием следующих продуктов:

4Li (т) + O ₂ (г) → 2Li ₂ O (т)

2Li (т) + O ₂ (г) → 2Li ₂ O ₂ (т)

Li ₂ O - это оксид лития, который имеет тенденцию образовываться поверх перекиси Li ₂ O ₂ .

6Li (т) + N ₂ (г) → 2Li ₃ N (т)

Литий - единственный щелочной металл, способный реагировать с азотом и образовывать этот нитрид. Во всех этих соединениях можно предположить существование катиона Li ⁺ , участвующего в ионных связях ковалентного характера (или наоборот).

Он также может напрямую и энергично реагировать с галогенами:

2Li (т) + F ₂ (г) → LiF (т)

Также реагирует с кислотами:

2Li (т.) + 2HCl (конц) → 2LiCl (водн.) + H ₂ (г)

3Li (т.) + 4HNO ₃ (разбавленный) → 3LiNO ₃ (водн.) + NO (г) + 2H ₂ O (л)

Соединения LiF, LiCl и LiNO ₃ представляют собой фторид, хлорид и нитрат лития соответственно.

Что касается органических соединений, самым известным из них является бутил литий:

2 Li + C ₄ H ₉ X → C ₄ H ₉ Li + LiX

Где X представляет собой атом галогена и C ₄ H ₉ X представляет собой алкилгалогенид.

риски

Чистый металл

Литий бурно реагирует с водой и может вступать в реакцию с влагой на коже. Поэтому, если бы кто-то держал его голыми руками, он получил бы ожоги. А если он гранулирован или в виде порошка, он воспламеняется при комнатной температуре, что создает опасность возгорания.

При работе с этим металлом следует использовать перчатки и защитные очки, поскольку минимальный контакт с глазами может вызвать сильное раздражение.

При вдыхании последствия могут быть еще хуже, вызывая ожог дыхательных путей и отек легких из-за внутреннего образования LiOH, едкого вещества.

Этот металл должен храниться в масле или в сухой атмосфере и более инертен, чем азот; например, в аргоне, как показано на первом изображении.

соединений

Соединения, полученные из лития, особенно его соли, такие как карбонат или цитрат, намного безопаснее. Это до тех пор, пока люди, принимающие их, соблюдают указания, предписанные их врачами.

Некоторые из многих нежелательных эффектов, которые он может вызвать у пациентов, включают: диарею, тошноту, усталость, головокружение, головокружение, тремор, обильное мочеиспускание, жажду и увеличение веса.

Последствия могут быть еще более серьезными у беременных женщин, влияя на здоровье плода или увеличивая врожденные дефекты. Точно так же его прием не рекомендуется кормящим матерям, так как литий может переходить из молока к ребенку, и оттуда развиваются всевозможные аномалии или отрицательные эффекты.

Приложения

Наиболее известное использование этого металла на популярном уровне находится в области медицины. Однако он может применяться и в других областях, особенно в накоплении энергии за счет использования батарей.

металлургия

Соли лития, в частности Li ₂ CO ₃ , служат в качестве добавки в литейных процессах для различных целей:

-Degass

-Desulfurizes

-Работает зерна цветных металлов

-Повышает текучесть шлаков литейных форм.

-Снижает температуру плавления алюминиевых отливок благодаря высокой удельной теплоемкости.

Металлоорганическая

Алкиллитиевые соединения используются для алкилирования (добавление боковых цепей R) или арилара (добавление ароматических групп) молекулярных структур. Они отличаются хорошей растворимостью в органических растворителях и низкой реакционной способностью в реакционной среде; поэтому он служит реагентами или катализаторами для множественных органических синтезов.

смазочные материалы

Стеарат лития (продукт реакции между консистентной смазкой и LiOH) добавляется к маслу для создания смазочной смеси.

Эта литиевая смазка устойчива к высоким температурам, не затвердевает при охлаждении, инертна к кислороду и воде. Поэтому он находит применение в военной, аэрокосмической, промышленной, автомобильной и т. Д. Сферах.

Добавка для керамики и стекла

Стекла или керамика, обработанные Li ₂ O, приобретают более низкую вязкость при плавлении и большую устойчивость к тепловому расширению. Например, из этих материалов изготавливается кухонная утварь, и стекло Pyrex также имеет это соединение в своем составе.

сплавы

Потому что это такой легкий металл, как и его сплавы; среди них алюминиево-литиевые. При добавлении в качестве добавки он не только снижает вес, но и повышает устойчивость к высоким температурам.

холодильный

Его высокая удельная теплоемкость делает его идеальным для использования в качестве хладагента в процессах, где выделяется много тепла; например, в ядерных реакторах. Это связано с тем, что повышение температуры «стоит», и поэтому тепло не может легко излучаться наружу.

батареи

И наиболее многообещающим является рынок литий-ионных аккумуляторов. Они используют легкость, с которой литий окисляется до Li ^+, чтобы использовать высвободившийся электрон и активировать внешнюю цепь. Таким образом, электроды изготовлены либо из металлического лития, либо из его сплавов, где Li ⁺ может интеркалировать и проходить через электролитический материал.

В качестве последнего любопытства музыкальная группа Evanescense посвятила этому минералу песню под названием «Литий».

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия. (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса. (23 июня 2017 г.). Вглядываясь в кристаллическую структуру лития. Получено с: Phys.org
3. Ф. Дегтярева. (SF). Сложные структуры плотного лития: электронное происхождение. Институт физики твердого тела Российской академии наук, Черноголовка, Россия.
4. Advameg, Inc. (2019). Литий. Получено с: chemistryexplained.com
5. Национальный центр биотехнологической информации. (2019). Литий. База данных PubChem. CID = 3028194. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Эрик Исон. (30 ноября 2010 г.). Мировые поставки лития. Получено с: large.stanford.edu
7. Вительманн, У., Клетт Дж. (2018). 200 лет лития и 100 лет химии лития. Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie, 644 (4), 194–204. DOI: 10.1002 / zaac.201700394