История открытия лития. Литий металл. Свойства лития. Применение лития
Химический элемент Литий получил известность благодаря открытию Иоганна Августа Арфведсона в 1817 г в составе алюмосиликата, петалита. Затем «огнепостоянную щёлочь» нашли в других минералах естественного происхождения. Это белый, с серебристым блеском металл, который можно разрезать ножом. В таблице Менделеева занимает третье место и обозначается Li (от латинского Lithium).
Краткое описание химического элемента Литий
Порядковый (атомный) номер элемента в периодической системе химических элементов Менделеева равен трём. В обычных условиях металлический Li обладает самой низкой плотностью из всего числа известных металлов. Кроме того, он возглавляет семейство щелочных металлов по температуре плавления и кипения.
Исторические факты
Первый металлический образец был получен сэром Гемфри Дэви в процессе разложения электрическим током расплава гидроксида лития. Вместе с первым результатом электролиза лития, Леопольд Гмелин, экспериментируя с литий содержащими солями, отметил окрашивание пламени в тёмно-карминовый цвет.
Химические свойства лития
Литий проявляет «капризные» свойства при смешивании с натрием, совсем не реагирует с расплавами калия , рубидия и цезия. В условиях комнатной температуры литий не взаимодействует с сухим воздухом или водородом . В отличие от остальных щелочных металлов, его невозможно хранить в керосине. Для данной цели используют масло Шервуда, парафин, газовый бензин или минеральное масло в герметичных жестяных ёмкостях.
При температуре выше 100, но ниже 300 градусов цельсия, на поверхности лития образуется защитная оксидная плёнка, препятствующей дальнейшему взаимодействию хим. Элемента с окружающей средой, даже во влажном воздухе. Металлическая форма элемента обжигает при попадании на влажную поверхность кожи или слизистой.
Применение лития
Сам элемент и его соединения широко применяются для производства стекла, в качестве покрытия фарфора. Чёрная и цветная металлургия используют литий для придания сплавам прочности и пластичности, в изготовлении смазок. Текстильная промышленность применяет этот элемент в качестве отбеливателя тканей, пищевая – в роли консерванта, фармацевтика успешно использует в косметических препаратах.
Жидкий литий нашёл своё применение в ядерных реакторах, радиоактивный тритий получают при помощи изотопа лития-6. Широкое применение щелочной металл нашёл в химической промышленности, как катализатор многих процессов, компонент сплавов, из которых изготавливают холодные катоды, а также аноды источников тока.
Фторид лития в виде монокристаллов применяют для создания высокоточных лазеров с КПД 80%. Различные соединения с литием участвуют в дефектоскопии, пиротехнике, радиоэлектронике, оптоэлектронике.
Соли лития – психотропное вещество, положительное влияние которых на психическое состояние человека было подтверждено лишь в середине XX века. Карбонат лития с успехом применяется для лечения людей с биполярным расстройством, маниакальной депрессией, склонных к суициду.
Этим объясняется низкий уровень преступности в тех районах, где в значительной степени литий содержится в питьевой воде. Механизм воздействия элемента до сих пор изучен слабо, но существуют предположения, что положительный эффект достигается регулятивной функцией активности части ферментов, участвующих в переносе ионов натрия и калия в мозг. Баланс Na и К напрямую отвечает за состояние психики. Так доказано, что у людей, склонных к депрессии, в клетках избыточное содержание натрия, а литий выравнивает ионную картину.
Свойство лития уменьшать депрессию и риск суицида нашло свое отражение в творчестве групп Nirvana и Evanescence. В их дискографии имеются психоделические песни под названием Lithium.
На роли лития в активизации спящих клеток костного мозга основана надежда современной медицины в деле борьбы с раком крови. Экспериментально доказано, что литий благоприятно воздействует на области поражения генитальным герпесом. Положительно отмечено применения Li в комплексе лечения гипертонии и диабета. Безусловна эффективность в рамках предупреждения склероза и заболеваний сердечно-сосудистой системы.
Присутствуя в смазочных материалах, литий позволяет осваивать Антарктиду, в условиях критически низких температур. Без этого элемента техника попросту откажет. Его рассматривают как компонент твёрдого ракетного топлива, ведь результат сгорания 1 кг твёрдого Li более десяти тысяч килокалорий, что почти в пять раз больше, чем результат сгорания 1 кг керосина.
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.
Литий - химический элемент первой группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, подгруппы щелочных металлов, порядковый номер 3, атомный вес 6,94. Известны два изотопа лития Li6 и Li7 с относительной распространенностью 7,3 и 92,7%; получен радиоактивный изотоп с массовым числом 8. Радиус атома 1,56, радиус иона 0,78 А.
Литий был открыт в 1817 г. шведским химиком А. Арфведсоном при анализе минерала петалита. В свободном виде был получен в 1855 г. Р. Бунзеном и О. Матиссеном путем электролиза расплавленного хлористого лития.
Литий - металл серебристо белого цвета. Его плотность 0,534 г/см3 (при 20°). Температура плавления лития 180 температура кипения 1330°, Расширение при плазлении 1,51%.
Электропроводность лития составляет около 20% от электропроводности серебра, он обладает наибольшей среди металлов удельной теплоемкостью, равной 0,941 кал (при 20-100°); твердость лития по шкале твердости 0,6; по своей пластичности он напоминает свинец. Стойкость лития несколько выше стойкости остальных щелочных металлов; он плавится, не загораясь; температура его воспламенения 220-250°. Потенциал ионизации лития 5,37 в. Электродный потенциал: в расплаве 2,1 в, в растворе 3,0 в.
Зависимость давления паров лития от температуры характеризуется следующими цифрами (мм рт. ст.): 300°-5,07*10в-20, 400° - 4,78*10в-13, 500° - 6,54*10в-9, 600 - 3,36*10в-6, 700° - 2,83*10в-4, 800 - 7,76*10в-3, 900° - 0,101; 1000о - 0,782, 1100° - 4,16, 1200° - 16,7, 1300° - 54,0, 1350° - 91,0.
На воздухе литий быстро покрывается темно-красной пленкой, состоящей из нитрида Li3N (65-75%) и окиси лития Li2O (35-25%); поэтому хранить литий необходимо в герметически закрытых сосудах или в инертной жидкости.
Литий очень энергично реагирует с водородом, азотом, окислами и сульфидами, образуя нерастворимые в металлах химические соединения; соединения эти имеют небольшой удельный вес и легко всплывают на поверхность расплавленного металла. На этом основано действие лития как раскислителя и дегазатора, для чего он применяется обычно в виде 2%-ных лигатур с металлами (в первую очередь с медью, но может применяться и с кальцием), подлежащими дегазации и раскислению. Прибавление даже очень небольших количеств лития обеспечивает полное раскиление цветных металлов, хромоникелевой стали и чугуна.
На способности лития легко соединяться с азотом основано его использование для очистки инертных газов (гелия или аргона), требующихся в производстве титана, циркония и других металлов. Металлический литий находит применение для создания защитной атмосферы в закалочных и других печах, предназначенных для термообработки деталей; вдуваемый в расплавленном виде в герметизированную закалочную печь литий активно соединяется с вредными газами печной атмосферы.
Литий применяется в качестве одного из компонентов легких сплавов. Технические литиевые сплавы обычно содержат очень небольшие добавки лития. В большинстве случаев литий образует с другими металлами интерметаллические соединения; известны, например, соединения его с магнием (LiMg2) и алюминием (AlLi и AlLi2), найденные советским химиком П.Я. Сальдау. С магнием, алюминием и цинком литий образует твердые растворы значительных концентраций. Литий входит в состав некоторых легких сплавов высокой прочности на алюминиевой основе, например склерона (4% Cu и 0,1% Li), применяемых для изготовления деталей грузовых автомашин и основных рам трамвайных и железнодорожных вагонов Сплав магния с 11,5% Li, 5% Ag и 15% Cd имеет плотность 1,6 г/см3, предел текучести 30,2 кг/мм2 и относительное удлинение 8%.
Использование лития как компонента антифрикционных сплавов основано на образовании интерметаллических соединений, обладающих большой твердостью и высокой температурой плавления: SnLi7 - 783° (15,8% Li), ZnLi2 - 520° (17,6% Li), Pb2Li7 - 726° (10,1% Li) и др. Образование интерметаллического соединения Pb2Li7 придает свинцу повышенную твердость. Добавка 0,2% лития повышает твердость свинцоволитиевого сплава более чем в три раза по сравнению с твердостью свинца.
Металлический литий применяется в качестве катализатора в производстве синтетического каучука.
Особенно важное значение приобретает литий для производства атомной энергии. Достаточно сказать, что тритий можно получить в термоядерных реакторах при бомбардировке нейтронами дейтерия или таких элементов, как бор, азот и литий.
Исходным веществом для получения трития является изотоп лития Li6 Расширяя производство лития и отделяя изотоп Li6 от изотопа Li7, можно направлять первый на производство атомной энергии, а второй - в различные отрасли народного хозяйства.
До 1914 г литий производился только для экспериментальных целей. В период с 1914 по 1942 г. мировое производство лития составляло около 2,25 т в год. В 1942 - 1946 гг. США производили до 4,5 т лития в год, а в период с 1947 по 1952 г. около 13,5 т. Потребность промышленности США в металлическом литии в 1955 г. составляла до 450 т. На одну водородную бомбу требуется около 4 т металлического лития, этим объясняется быстрый рост производства этого металла в капиталистических странах мира.
Одновременно наблюдается быстрый рост производства соединений лития, имеющих важное значение для промышленности и техники. Так, производство соединений лития в США в пересчете на Li2O характеризуется следующими цифрами (т/год): 1947 г. - 120; 1950 г. - 445; 1954 г. - 2020; 1956 г. - 6500, а на 1957 г. планировалось более 10 тыс. т.
Окись лития Li2O - белый порошок. Плотность его 2,02 г/с.м3, температура плавления 1700°. При высокой температуре окись лития разъедает поверхность платины; она не взаимодействует с водородом, углеродом и окисью углерода. При нагревании выше 1000° начинает возгоняться.
Окись лития может быть получена путем термического разложения углекислой соли лития или его гидрата окиси. Окись лития - исходный материал при вакуум-термическом получении лития.
Углекислый литий Li2CO3 белый порошок. Плотность его 2,111 г/см3, температура плавления 732°, коэффициент преломления 1,567. Упругость диссоциации (мм рт. ст.): при 610° - 1; при 723° - 4; при 810° - 15; при 888° - 32, при 965° - 63; при 1270° - 760. Карбонат лития испаряется при нагревании; он трудно растворяется в воде и на этом основано его отделение от карбонатов других щелочных металлов.
Из углекислого лития можно получить любой галогенид лития, а также металлический литий.
Гидрат окиси лития LiOH - белый порошок. Плотность его 2,54 г/см3, температура плавления 445°, температура кипения 925°. При нагревании гидрат окиси лития разлагается с образованием окиси лития и паров воды Упругость диссоциации (мм рт. ст.): при 520° - 2; при 610° -23; при 670° - 61; при 724° - 121, при 812° - 322; при 925° - 760. При высокой температуре гидрат окиси летит. Растворимость гидрата окиси лития в воде значительно меньше, чем гидратов окисей других щелочных металлов, на этом и основано его отделение.
Гидрат окиси лития - исходный материал для производства других литиевых соединений, галогенидов, углекислого лития и т. д. Добавка 50 г гидрата окиси лития на 1 л электролита щелочных аккумуляторов повышает их емкость на 20% и увеличивает вдвое срок службы. Применение гидрата окиси лития для производства литиевых солей ряда органических кислот, например стеариновой, позволяет получить специальные смазки, не замерзающие при низких температурах (-50°) и не разлагающиеся при высоких температурах (120-150°). Эти смазки применяются и в порошковой металлургии в качестве внутренней связки, позволяющей получить наибольшую плотность брикетов при пониженных давлениях. Высокая точка плавления стеарата лития позволяет использовать его в производстве винипластов.
Хлористый литий LiCl - белое кристаллическое вещество Плотность его 2,068 г/см3, температура плавления 614°, температура кипения - 1360° Упругость паров хлористого лития (мм рт. ст.): при 783°- 1, при 880° - 2, при 932° - 10; при 1045° - 40; при 1129° - 100; при 1290° - 400, при 1360° - 760.
Хлористый литий обладает высокой гигроскопичностью, но легко обезвоживается; это позволяет применять его в установках по кондиционированию воздуха и на производствах, где необходимо сохранять постоянную влажность (синтетическое и натуральное волокно, прецизионное машиностроение, полиграфия). Обезвоженный хлористый литий служит исходным сырьем для получения лития электролитическим способом.
Фтористый литий LiF - белый кристаллический порошок. Плотность его 2,295 г/см3, температура плавления 870°, температура кипения 1670° Плохо растворяется в воде.
Фтористый литий применяется в качестве добавки при электролитическом получении лития. Он нашел применение в производстве инфракрасной и ультрафиолетовой оптики; крупные прозрачные искусственные кристаллы фтористого лития служат для приготовления из них оптических систем. Фтористый и хлористый литий используются в качестве флюса при сварке алюминия и его сплавов.
Гидрид лития LiH - белое кристаллическое вещество. Плотность его 0.75 г/см3, температура плавления 680°, упругость диссоциации при 850° составляет 760 мм рт. ст. Гидрид лития образуется при взаимодействии металлического лития и водорода при повышенных температурах (450-500°), наибольшей скорости реакция достигает при 650°.
Гидрид лития - сильный восстановитель. При взаимодействии 1 кг гидрида с водой выделяется 2,8 м3 водорода. Поэтому гидрид лития используется как средство получения водорода для сигнальных и спасательных целей в морском флоте и в морской авиации, для заполнения выделяющимся при попадании в воду водородом спасательных поясов или сигнальных буйков.
Гидрид лития находит все более широкое применение при синтезе различных органических соединений, например полимеризации этилена, получении более реакционноопособных литиевых алкилов и арилов, определении ароматических нитросоединений и многих других реакциях органического синтеза.
Карбид лития Li2C2 - бесцветные или серые кристаллы. Образуется при взаимодействии лития с углеродом при температуре 650-700°; очень бурно реагирует с водой с образованием углерода и гидрата окиси лития.
Нитрид лития Li3N - очень темное, с зеленоватым оттенком вещество с металлическим блеском. Плавится при 845° и может быть переплавлен в атмосфере азота или в вакууме. Взаимодействие лития с азотом начинается при комнатной температуре и заметно возрастает с повышением температуры. При взаимодействии с водой нитрид лития выделяет аммиак.
Перекись лития Li2O2 содержит до 35% освобождаемого кислорода и поэтому может являться безбаллонным источником для получения этого газа, например в целях освежения воздуха в изолированных помещениях (при кесонных работах, в подводных лодках, самолетах и т. п.).
Все перечисленные выше соединения лития находят все большее применение в различных областях промышленности.
Литий (Li) -щелочной металл. В компактном состоянии серебристо-белого цвета. Получил название от греческого lithos (камень). Открыт шведским химиком А. Арфведсоном в 1817 г. в минерале петалите (алюмосиликата лития).
Металлический литий впервые выделен английским ученым Дэви в 1818 г. электролизом оксида лития. В 1885 г. в значительных количествах металлический литий получен независимо друг от друга Бунзеном (Германия) и Матиссеном (Англия) путем электролиза (электролитом служил хлорид лития).
Основные минералы, содержащие литнй н имеющие промышленное значение: сподумен (6-7% Li 2 0); петалит (3,5-4,9% Li 2 0); амблиго-иит (8-10 % Li 2 0). Кроме того, к литийсодержащим минералам относятся литиевые слюды - цинвальдит (3,0-3,5 % Li 2 0) и лепидолит (4-6 % Li 2 0). Литий содержится также в воде минеральных источников, морской и озерной воде, в каменных углях, в живых организмах н растениях.
В промышленности металлический литий получают путем электролиза расплавленного хлорида лития или смеси расплавленных хлорида лития и хлорида калия с применением графитированного анода и стального катода. Литий высокой чистоты (99,95%), почти свободный от примесей щелочных и щелочноземельных металлов, получают электролизом насыщенного раствора LiCl в пиридине, разложением соединения NH 3 Li в вакууме при 50-60 °С и восстановлением окиси лития алюминием в вакууме (-10- 1 Па) при 950-1000 °С.
Прн транспортировке лития тару следует предохранять от механических повреждений и попадания влаги, так как литий воспламеняется от воды. На складах литий следует хранить при температуре не выше 240 °С и относительной влажности не более 85%. В складских помещениях должны быть средства пожаротушения и отсутствовать водяные и паровые коммуникации. Для тушения горящего лития применяют порошкообразный технический хлористый калий (влажность порошка не более 1 %), сухой графитовый порошок, инертный газ (аргои).
Работникам, имеющим дело с литием, необходимо соблюдать правила техники безопасности, принятые в химической промышленности для работы со щелочными металлами. Работа с литием в атмосфере воздуха относится к категории взрыво-, пожароопасных. При горении лития образуется густой дым его конденсатов и соединений. Температура самовоспламенения лития на воздухе 640 °С. Температура горения 1300 "С.
Литий не летуч и не дает ингаляционного поражения. Продукты сгорания лития относятся к классу чрезвычайно опасных соединений (1-й класс опасности). Оии обладают резким раздражающим действием, вызывая поражения слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, а также общетоксическим действием. Допустимая концентрация продуктов сгорания лития не должна превышать 0,02 мг/м 3 . Необходимо также принимать меры по защите окружающей среды (очистка сточных вод и газовых выбросов от загрязнения литием).
При работе с расплавленным литием следует пользоваться маской С-40; для защиты органов дыхания в атмосфере аэрозолей лития и его соединений необходимо пользоваться респиратором типа «лепесток», органов зрения - герметичными защитными очками. В случае попадания расплавленного литня на кожу его удаляют сухим тампоном или тампоном, смоченным рыбьим жнром, а затем обильно обмывают пораженное место водой и нейтрализуют 2-3 %-ным раствором борной кислоты, после чего накладывают сухую повязку. При попадании в глаза литий немедленно удаляют ватным тампоном или хлопчатобумажной тканью, смоченной рыбьим жиром, а затем промывают глаза струей 1-2 %-иого раствора борной кислоты или чистой водой.
Физические свойства
Атомные характеристики. Атомный номер 3, атомная масса 6,941 а. е. м., атомный объем 13,1-Ю -6 м 3 /моль. Потенциалы ионизации атомов J (эВ): 5,39; 75,61; 122,42. Электроотрицательиость 0,97.
Из щелочных металлов Li обладает наименьшим атомным радиусом (0,157 нм), а следовательно, наибольшим ионизационным потенциалом У) = 5,39 эВ, поэтому литий химически менее активен по сравнению с другими щелочными металлами. Ионный радиус Li+ равен 0,068 нм. Благодаря малому атомному радиусу литий обладает наиболее прочной кристаллической решеткой по сравнению с остальными щелочными металлами. Это обусловливает наиболее высокие температуры плавления и кипения лития по сравнению с его аналогами. При нормальной температуре литий имеет о.ц. к. решетку, период решетки 0,35023 им, координационное число 8, межатомное расстояние 0,30331 нм. Ниже -195 °С литий кристаллизуется в г. п. у. решетке с о=0,3111 нм и с=0,5093 им. Энергия кристаллической решетки 155,2 мкДж/кмоль.
Природный литий (эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 67±2-10 -28 м 2) состоит из двух стабильных изотопов 6 Li (7,42 %) и 7 Li (92,58 %) Тяжелый изотоп 7 Li прозрачен для нейтронов, имеет эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 0,033-Ю -28 м 2 ; e Li активно поглощает тепловые нейтроны; эффективное поперечное сечение захвата тепловых нейтронов 912-Ю -28 м 2 . Получены искусственные радиоактивные изотопы 8 Li и 9 Li. Период полураспада их соответственно 0,841 и 0,168 с.
Температурный коэффициент электрического сопротивления при 273-373 К а=4,50-10 _3 К -1 . Абсолютный коэффициент т. э. д. с. при 298 К е= + 12,2 мкВ/К. Постоянная Холла при комнатной температуре R = -2-Ю -10 м 3 /Кл. Удельная магнитная восприимчивость при 298 К Х=+2,04 -Ю- 9 .
Литий парамагнитен, соединения его диамагнитны. Наибольшее зна. ченис коэффициента вторичной электронной эмиссии о mах=0,5 при ускоряющем напряжении первичных электронов 0,085 кэВ.
Литий взаимодействует со многими органическими соединениями и их галоидными производными. Ои бурно реагирует с разбавленными минеральными кислотами, а также с соляной и азотной; с концентрированной азотной кислотой он реагирует медленно. Лнтий легко сплавляется почти со всеми металлами, за исключением железа. При повышенных температурах литий энергично вступает во взаимодействие с хлором, бромом, нодом, углеродом и др. Литий горит с образованием оксида. В сухом воздухе не загорается. При низкой температуре на воздухе корродирует (тускнеет-, в отдельных местах покрывается темно-коричневым налетом). Продукты коррозии лития могут воспламеняться при 200 °С, поэтому хранить литий следует только в герметично закрытых сосудах или в инертной среде. Литий быстро окисляется в атмосфере влажного воздуха. Если влажность воздуха не превышает 80 %, то литий медленно реагирует с азотом, образуя нитрид LiN . В более влажном воздухе образуется гидроксид LiOH .
Кроме L 1 N , известны также нитрид лития Li 3 N , имид лития LiNH 3 , амнд лития LiNH 2 , азид лития LiN 3 , нитрид лития LiN 0 2 , нитрат лития LiN 0 3 . Взаимодействие лития с водой происходит без плавления и самовозгорания с образованием гидроксида LiOH и выделением водорода. При непосредственном взаимодействии расплавленного лития с водородом образуется гидрид LiH . С кислородом литий образует оксид Li 2 0 и пероксид Li 2 0 2 . С сухнм кислородом при низкой температуре не реагирует. При соединении лития с углеродом образуется карбид лития Li 2 C 2 , который представляет собой бесцветное хрупкое кристаллическое вещество плотностью 1 ,65 Мг/м 3 . Другое соединение лития с углеродом - карбонат лнтия Li 2 C0 3 .
Прн взаимодействии лития с хлором образуются соединения: хлорид лития LiCl, гипохлорид лития LiCIO, хлорит лнтия LiC10 2 , перхлорат лития LiC10 4 и хлорат лития LiC10 3 .
Непосредственное соединение брома и литня дает бромистый литий LiBr, который выделяется в виде белых кристаллов правильной формы с различным содержанием кристаллизационной воды. Другие соединения литня с бромом - гнпобромит лития LiBrO и бромит лития LiBr0 2 - образуются при добавке брома к раствору гидроксида лития.
Литий с фтором образует фторид лития LiF, который кристаллизуется в виде белых мелких кристаллов правильной формы.
Известны три соединения лития с иодом - йодистый лнтий Lil, иодат лития LiI0 3 и периодит лития LiI0 4 .
Соединения лития с серой - сульфат лития Li 2 S0 4 и сульфид лития Li 2 S. Безводный сульфат лития представляет собой мелкие белые призматические кристаллы, сульфид лития-кристаллы зеленовато, желтого цвета.
Известны соединения лития с кремнием в виде силикатов и силицидов литий. Силикаты лития кристаллизуются в трех соединениях: орто-силикат лития Li 4 S0 4 , метасиликат лития Li 2 S0 3 и дисиликат лития Li 3 S 2 0s. Силициды лития: тетралитийсилицид Li 4 Si, трилитийсилицид Li 3 Si, дилитийсилицид Li 2 Si.
Сплавы системы литий - кремний представляют практический интерес как активные раскислнтели.
Соединения лития с фосфором: фосфид лития переменного состава LuPy, гипофосфит лития LiH 2 P0 2 , ортофосфат лития Li 3 P0 4 , моно-гидрофосфат лнтия Li 2 HP0 4 , дигидрофосфат лития LiH 2 P0 4 , пирофос-фат лития Li 4 P 2 0 7 , метафосфат лития LiP0 3 , гипофосфат лития Li 4 P 2 0 6 , двузамещенный LiHP0 3 и однозамещенный LiH 2 P0 3 фосфиты литня.
Соединения с селеном и теллуром: селенид Li 2 Se, представляющий собой красно-коричневое кристаллическое вещество, теллурид Li 2 Te - бесцветное кристаллическое вещество.
Имеются два соединения с мышьяком: трилитийарсенид Li 3 As - вещество коричневого цвета и монолитийарсенид LiAs.
Технологические свойства
Литий обладает очень высокой пластичностью и может легко деформироваться при комнатной температуре прессованием, прокаткой и волочением. При этом не происходит упрочнения, так как температура рекристаллизации лития лежит ниже 20 "С. В холодном состоянии литий легко режется ножом. Приращение объема при плавлении 1,5%. Давление истечения (при 15-20 °С) равно 17 МПа,
Области применения
Важнейшей областью применения лития и его соединений является ядерная энергетика (получение трития при бомбардировке изотопа 6 Li нейтронами).
Дейтерид лития используется в качестве твердого горючего в водородных бомбах, жидкий 7 Li - в качестве теплоносителя в ядерных реакторах. Ряд соединений лития применяют в военной технике, а также как топливо для ракет космических кораблей, управляемых снарядов подводных лодок, сверхскоростной авиации и т. д.
Широко применяются соединения лития прн получении керамики, эмали, специальных стекол, при сварке алюминиевых и магниевых сплавов, в химической промышленности, в холодильной технике, в радиоэлектронике и т. д.
В металлургии литий, его соединения и литийсодержащие сплавы используют для раскисления, дегазации и десульфурации расплавов различных металлов и сплавов. Для этой цели обычно применяют 2 %-ные лигатуры с теми металлами, которые подвергаются раскислению. Литиевые лигатуры (кремний - литий, алюминий - литий, магний - литий, кальций - литий, железо - кремний - литий и др.) служат присадками к углеродистым и специальным сталям, оказывая раскисляющее действие, повышая жидкотекучесть, механические и коррозионные свойства сплавов.
Литий используют для повышения прочности и пластичности сплавов, снижения их плотности, повышения коррозноиной стойкости. Добавки лития к магнию позволяют получать сверхлегкие сплавы, плотность которых на 15-25 % ниже плотности стандартных магниевых сплавов. Легирование алюминия литием снижает плотность алюминиевых сплавов иа 10-12 %.
Литий улучшает антифрикционные и механические свойства подшипниковых сплавов, в частности в свннцовокальциевые баббиты вводят для этой цели 0,04 % Li . Литий улучшает литейные свойства чугуна. Некоторые соединения лития в последние годы находят применение в медицине.
Литий (Li) - химический элемент с порядковым номером «3» и атомной массой 6,941. встречается в природе в виде двух стабильных нуклидов: 6Li (7,6% по массе) и 7Li (92,4%). В периодической таблице Менделеева литий расположен во втором периоде, первой группе. Элемент принадлежит к щелочным металлам. В соединениях литий проявляет степень окисления +1. В виде простого вещества литий - это пластичный легкий металл серебристого цвета.
Химические и физические характеристики лития
Литий - самый легкий из металлов. Имеет плотность 0,534 г/см³. Плавится при температуре 180,5 °С, кипит при температуре 1330 °С.
Литий очень активен. Вступает в реакцию с кислородом и воздуха при нормальных условиях. По этой причине на воздухе литий быстро окисляется с образованием темного налета продуктов взаимодействия. Уравнения реакций:
4Li + O₂ = 2Li₂O;
6Li + N₂ = 2Li₃N.
Кусочки лития в маслеРеакция лития с кислородом приводит к образованию оксида Li₂O - бесцветного кристаллического вещества, имеющего температуру плавления 1438 °С и температуру кипения - около 2600 °С. Оксид лития получается при непосредственном окислении металлического лития при температуре выше 200 °С, а также разложением гидроксида LiOH, нитрата LiNO₃, карбоната LiNO₃.
Оксид лития Li₂O легко взаимодействует с водой с образованием гидроксида, LiOH. Данная реакция сопровождается сильным разогревом; LiOH поглощает CO₂ из воздуха, образуя карбонат, Li₂CO₃.
