Литий

Запрос «Lithium» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Эта статья — о химическом элементе. О применении в медицине см. Препараты лития.

3 Гелий ← Литий → Бериллий 3Li
Внешний вид простого вещества
Мягкий металл серебристо-белого цвета
Свойства атома
Имя, символ, номер	Ли́тий / Lithium (Li), 3
Атомная масса (молярная масса)	6,941 а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[He] 2s1
Радиус атома	155 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	163 пм
Радиус иона	68 (+1e) 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[1] 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

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 KLi_1.5Al_1.5[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

Геохимия лития

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^[2].

Основные минералы лития — слюда лепидолит — KLi_1,5Al_1,5[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

Месторождения лития известны в России (более 50 % запасов страны сосредоточено в редкометальных месторождениях Мурманской области), Боливии (Солончак Уюни — крупнейшее в мире^[3]), Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве, Конго^[4].

Получение

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

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

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 хранится 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, находящимся в воздухе, превращаясь в нитрид Li₃N, гидроксид LiOH и карбонат Li₂CO₃. В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li₂O. Есть интересная особенность, что в интервале температур от 100 °C до 300 °C литий покрывается плотной оксидной плёнкой, и в дальнейшем не окисляется.

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 возгорания находится около 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 галогенами (с иодом — 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.

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

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 вскоре после Большого Взрыва). Образование элемента лития в звездах возможно по ядерной реакции «скалывания» более тяжелых элементов.

Применение

Термоэлектрические материалы

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

Химические источники тока

Из лития изготовляют аноды химических источников тока (аккумуляторов, например литий-хлорных аккумуляторов) и гальванических элементов с твёрдым электролитом (например, литий-хромсеребряный, литий-висмутатный, литий-окисномедный, литий-двуокисномарганцевый, литий-иодсвинцовый, литий-иодный, литий-тионилхлоридный, литий-оксидванадиевый, литий-фторомедный, литий-двуокисносерный элементы), работающих на основе неводных жидких и твёрдых электролитов (тетрагидрофуран, пропиленкарбонат, метилформиат, ацетонитрил).

Кобальтат лития и молибдат лития показали лучшие эксплуатационные свойства и энергоёмкость в качестве положительного электрода литиевых аккумуляторов.

Гидроксид лития используется как один из компонентов для приготовления электролита щелочных аккумуляторов. Добавление гидроксида лития к электролиту тяговых железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых аккумуляторных батарей повышает их срок службы в 3 раза и ёмкость на 21 % (за счёт образования никелатов лития).

Алюминат лития — наиболее эффективный твёрдый электролит (наряду с цезий-бета-глинозёмом).

Ракетное топливо

Теоретические характеристики ракетных топлив, образованных литием с различными окислителями.^{[источник не указан 1300 дней]}

Окислитель

Окислитель	Удельная тяга (Р1, сек)	Температура сгорания °С	Плотность топлива г/см³	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 %
ClF3	320,1 сек	4792 °C	1,163	4275 м/сек	24 %
ClF5	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 %
N2O4	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

Сульфат лития 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 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.

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^{[источник не указан 584 дня]}).

Легирование алюминия

Введение лития в систему легирования позволяет получить новые сплавы алюминия с высокой удельной прочностью.

Добавка лития снижает плотность сплава и повышает модуль упругости. При содержании лития до 1,8 % сплав имеет низкое сопротивление коррозии под напряжением, а при 1,9 % сплав не склонен к коррозионному растрескиванию. Увеличение содержания лития до 2,3 % способствует возрастанию вероятности образования рыхлот и трещин. Механические свойства при этом изменяются: пределы прочности и текучести возрастают, а пластические свойства снижаются.

Наиболее известны системы легирования Al-Mg-Li (пример — сплав 1420, применяемый для изготовления конструкций летательных аппаратов) и Al-Cu-Li (пример — сплав 1460, применяемый для изготовления емкостей для сжиженных газов).

Ядерная энергетика

Изотопы ⁶Li и ⁷Li обладают разными ядерными свойствами (сечение поглощения тепловых нейтронов, продукты реакций) и сфера их применения различна. Гафниат лития входит в состав специальной эмали, предназначенной для захоронения высокоактивных ядерных отходов, содержащих плутоний.

Литий-6 (термояд)

Применяется в термоядерной энергетике.

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

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

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 (теплоноситель)

Применяется в ядерных реакторах, использующих реакции с участием тяжёлых элементов, таких как уран, торий или плутоний.

Благодаря очень высокой удельной теплоёмкости и низкому сечению захвата тепловых нейтронов, жидкий литий-7 (часто в виде сплава с натрием или цезием) служит эффективным теплоносителем. Фторид лития-7 в сплаве с фторидом бериллия (66 % LiF + 34 % BeF₂) носит название «флайб» (FLiBe) и применяется как высокоэффективный теплоноситель и растворитель фторидов урана и тория в высокотемпературных жидкосолевых реакторах, и для производства трития.

Сушка газов

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

Медицина

Основная статья: Препараты лития

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

Смазочные материалы

Стеарат лития («литиевое мыло») используется в качестве высокотемпературной смазки. См.: литол.

Регенерация кислорода в автономных аппаратах

Гидроксид лития LiOH, пероксид Li₂O₂ и супероксид LiO₂ применяются для очистки воздуха от углекислого газа; при этом последние два соединения реагируют с выделением кислорода (например, 4LiO₂ + 2CO₂ → 2Li₂CO₃ + 3O₂), благодаря чему они используются в изолирующих противогазах, в патронах для очистки воздуха на подлодках, на пилотируемых космических аппаратах и т. д.

Силикатная промышленность

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

Прочие области применения

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

Цены

По состоянию на конец 2007 — начало 2008 года цены на металлический литий (чистота 99 %) составляли 63-66 USD за 1 кг^[5].

Интересные факты

Литий — самый легкий металл. Он всплывает, например, в керосине^[6].

Примечания

1. ↑ Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 605. — 671 с. — 100 000 экз.
2. ↑ J.P. Riley and Skirrow G. Chemical Oceanography V. 1, 1965
3. ↑ Lithium Article Eric Burns
4. ↑ Елена Савинкина Литий  (рус.). Распространение лития в природе и его промышленное извлечение. Онлайн Энциклопедия Кругосвет.(недоступная ссылка — история) Проверено 20 сентября 2010.
5. ↑ Свежие данные по ценам в Китае на кобальт, кадмий, ниобий, магний и еще более 20 второстепенных металлов!
6. ↑ Книга рекордов Гиннесса для химических веществ

См. также

Категория:Соединения лития

Ссылки

	Литий на Викискладе?

• Литий на Webelements
• Литий в Популярной библиотеке химических элементов
• Литий

Литература

• Плющев В. Е., Степин Б. Д. Химия и технология соединений лития, рубидия и цезия.- М.-Л.: Химия, 1970.- 407 с
• Кутолин С. А. и др. ПРЕПАРАТИВНАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ СОЕДИНЕНИЙ НИОБИЯ, ТАНТАЛА ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ
• С. А. Кутолин, А. И. Вулих. Метаниобаты, метатанталаты щелочных металлов.- Сб. Методы получения химических реактивов и препаратов. М.:ИРЕА,1967.-вып.16.-с.17.-23;с.50-51. Chem.Abstr.,v.68, 83878v,1968
• http://kutol.narod.ru/PUBL/irea-16.djvu

Соединения лития

Азид лития (LiN₃) • Алюминат лития (LiAlO₂) • Алюмогидрид лития (LiAlH₄)  • Амид лития (LiNH₂) • Ацетат лития (CH₃COOLi) • Ацетиленид лития (Li₂C₂) • Бензиллитий (LiСH₂С₆H₅) • Бензоат лития (C₆H₅COOLi) • Бромат лития (LiBrO₃) • Бромид лития (LiBr) • Гексафторфосфат лития (LiPF₆) • Гидрид лития (LiH) • Гидрокарбонат лития (LiHCO₃) • Гидроксид лития (LiOH) • Гидроортофосфат лития (Li₂HPO₄) • Гидросульфат лития (LiHSO₄) • Гидросульфид лития (LiHS) • Гидрофторид лития (LiHF₂) • Дигидроортофосфат лития (LiH₂PO₄) • Дисульфит лития (Li₂S₂O₅) • Дихромат лития (Li₂Cr₂O₇) • Имид лития (Li₂NH) • Иодат лития (LiIO₃) • Иодид лития (LiI) • Карбид лития (Li₂С₂) • Карбонат лития (Li₂CO₃) • Метагерманат лития (Li₂GeO₃) • Метасиликат лития (Li₂SiO₃) • Метафосфат лития (LiPO₃) • Метиллитий (LiСH₃) • Нитрат лития (LiNO₃) • Нитрид лития (Li₃N) • Нитрит лития (LiNO₂) • Оксалат лития (Li₂C₂O₄) • Оксид лития (Li₂O) • Ортофосфат лития (Li₃PO₄) • Пербромат лития (LiBrO₄) • Пероксид лития (Li₂O₂) • Пероксомоносульфат лития (Li₂SO₅) • Персульфат лития (Li₂S₂O₈) • Перхлорат лития (LiClO₄) • Силицид лития (Li₆Si₂) • Сорбат лития (C₆H₇LiO₂) • Сульфат лития (Li₂SO₄) • Сульфид лития (Li₂S) • Сульфит лития (Li₂SO₃) • Тетрагидридоалюминат лития (Li[AlH₄])  • Тетрагидридоборат лития (Li[BH₄]) • Тиоцианат лития (LiSCN) • Фениллитий (LiС₆H₅) • Формиат лития (HCOOLi) • Фталимид лития • Фторид лития (LiF) • Хлорат лития (LiClO₃) • Хлорид лития (LiCl) • Хромат лития (Li₂CrO₄) • Цианат лития (LiOCN) • Цианид лития (LiCN) • Цианоаурат лития (Li[Au(CN)₂] • Этиллитий (LiС₂H₅) •