Промышленное получение лития. Свойства и применение лития и его соединений
Литий
ЛИ́ТИЙ -я; м. [от греч. lithos - камень, минерал] Химический элемент (Li), мягкий, очень лёгкий щелочной металл серебристо-белого цвета (в природе в чистом виде не встречается).
◁ Ли́тиевый, -ая, -ое.
ли́тий(лат. Lithium), химический элемент I группы периодической системы, относится к щелочным металлам. Название от греч. líthos - камень (открыт в минерале петалите). Серебристо-белый, самый лёгкий из металлов; плотность 0,533 г/см 3 , t пл 180,5°C. Химически очень активен, окисляется при обычной температуре; реагирует с азотом, образуя нитрид Li 3 N. Минералы - сподумен, лепидолит и др. Изотоп Li - единственный промышленный источник для производства трития. Литий используют для раскисления, легирования и модифицирования сплавов (например, аэрона, склерона), как теплоноситель в ядерных реакторах, компонент сплавов на основе Mg и Al, анод в химических источниках тока; некоторые соединения лития входят в состав пластичных смазок, специальных стёкол, термостойкой керамики, используются в медицине.
ЛИТИЙЛИ́ТИЙ (лат. Lithium),
Li, химический элемент с атомным номером 3, атомная масса 6,941. Химический символ Li читается так же, как и название самого элемента.
Литий встречается в природе в виде двух стабильных нуклидов (см.
НУКЛИД)
6 Li (7,52% по массе) и 7 Li (92,48%). В периодической системе Д. И. Менделеева литий расположен во втором периоде, группе IA и принадлежит к числу щелочных металлов (см.
ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
.
Конфигурация электронной оболочки нейтрального атома лития 1s
2 2s
1 . В соединениях литий всегда проявляет степень окисления +1.
Металлический радиус атома лития 0,152 нм, радиус иона Li + 0,078 нм. Энергии последовательной ионизации атома лития 5,39 и 75,6 эВ. Электроотрицательность по Полингу 0,98, самая большая у щелочных металлов.
В виде простого вещества литий - мягкий, пластичный, легкий, серебристый металл.
История открытия и получение
Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом А. Арфведсоном (см.
АРФВЕДСОН Юхан Август)
сначала в минерале петалите (Li,Na), а затем в сподумене (см.
СПОДУМЕН)
LiAl и в лепидолите (см.
ЛЕПИДОЛИТ)
KLi 1.5 Al 1.5 (F,OH) 2 . Свое название получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. Litos - камень). Характерное для соединений лития красное окрашивание пламени впервые наблюдал немецкий химик Х.Г.Гмелин в 1818 году. В этом же году английский химик Г. Дэви (см.
ДЭВИ Гемфри)
электролизом расплава гидроксида лития получил кусочек металла. Получить свободный металл в достаточных количествах удалось впервые только в 1855 году путем электролиза расплавленного хлорида:
2LiCl = 2Li + Cl 2
В настоящее время для получения металлического лития его природные минералы или разлагают серной кислотой (кислотный способ), или спекают с CaO или CaCO 3 (щелочной способ), или обрабатывают K 2 SO 4 (солевой способ), а затем выщелачивают водой. В любом случае из полученного раствора выделяют плохо растворимый карбонат лития Li 2 CO 3 , который затем переводят в хлорид LiCl. Электролиз расплава хлорида лития проводят в смеси с KCl или BaCl 2 (эти соли служат для понижения температуры плавления смеси). В дальнейшем полученный литий очищают методом вакуумной дистилляции.
Нахождение в природе
Литий довольно широко распространен в земной коре, его содержание в ней составляет 6,5·10 –3 % по массе. Как уже упоминалось, основные минералы, содержащие литий, - это петалит (содержит 3,5-4,9 % Li 2 O), сподумен (6-7 % Li 2 O), лепидолит (4-6 % Li 2, O) и амблигонит (см.
АМБЛИГОНИТ)
LiAl - 8-10 % Li 2, O. В виде примеси литий содержится в ряде породообразующих минералов, а также присутствует в рапе некоторых озер и в минерализованных водах. В морской воде содержится около 2·10 -5 % лития.
Физические и химические свойства
Из металлов литий самый легкий, его плотность 0,534 г/см 3 . Температура плавления 180,5°C, температура кипения 1326°C. При температурах от –193°C до температуры плавления устойчива кубическая объемно центрированная модификация лития с параметром элементарной ячейки а=0,350 нм.
Из-за небольшого радиуса и маленького ионного заряда литий по своим свойствам больше всего напоминает не другие щелочные металлы, а элемент группы IIA магний (см.
МАГНИЙ)
. Литий химически очень активен. Он способен взаимодействовать с кислородом и азотом воздуха при обычных условиях, поэтому на воздухе он быстро окисляется с образованием темного налета продуктов взаимодействия:
4Li + O 2 = 2Li 2 O,
6Li + N 2 = 2Li 3 N
При контактах с галогенами литий самовоспламеняется при обычных условиях. Подобно магнию, нагретый литий способен гореть в CO 2:
4Li + CO 2 = C + 2Li 2 O
Стандартный электродный потенциал Li/Li + имеет наибольшее отрицательное значение (E° 298 = –3,05 B) по сравнению со стандартными электродными потенциалами других металлов. Это обусловлено большой энергией гидратации маленького иона Li + , что значительно смещает равновесие в сторону ионизации металла:
Li твердый Li + раствор + e
–
Для слабо сольватирующих растворителей значение электродного потенциала лития соответствует его меньшей химической активности в ряду щелочных металлов.
Соединения лития - соли - как правило, бесцветные кристаллические вещества. По химическому поведению соли лития несколько напоминают аналогичные соединения магния или кальция. Плохо растворимы в воде фторид LiF, карбонат Li 2 CO 3 , фосфат Li 2 PO 4 , хорошо растворим хлорат лития LiClO 3 - это, пожалуй, одно из самых хорошо растворимых соединения в неорганической химии (при 18°C в 100 г воды растворяется 313,5 г LiClO 3).
Оксид лития Li 2 O - белое твердое вещество - представляет собой типичный щелочной оксид. Li 2 O активно реагирует с водой с образованием гидроксида лития LiOH.
Этот гидроксид получают электролизом водных растворов LiCl:
2LiCl + 2H 2 O = 2LiOH + Cl 2 + H 2
LiOH - сильное основание, но оно отличается по свойствам от гидроксидов других щелочных металлов. Гидроксид лития уступает им в растворимости. При прокаливании гидроксид лития теряет воду:
2LiOH = Li 2 O + H 2 O
Большое значение в синтезе органических и неорганических соединений имеет гидрид лития LiH, который образуется при взаимодействии расплавленного лития с водородом:
2Li + H 2 = 2LiH
LiH - ионное соединение, строение кристаллической решетки которого похоже на строение кристаллической решетки хлорида натрия NaCl. Гидрид лития можно использовать в качестве источника водорода для наполнения аэростатов и спасательного снаряжения (надувных лодок и т.п.), так как при его гидролизе образуется большое количество водорода (1 кг LiH дает 2,8 м 3 H 2):
LiH + H 2 O = LiOH + H 2
Он также находит применение при синтезе различных гидридов, например, борогидрида лития:
BCl 3 + 4LiH = Li + 3LiCl.
Литий образует соединения с частично ковалентной связью Li-C, т. е. литийорганические соединения. Например, при реакции иодбензола C 6 H 5 I с литием в органических растворителях протекает реакция:
C 6 H 5 I + 2Li = C 6 H 5 Li + LiI.
Литийорганические соединения широко используются в органическом синтезе и в качестве катализаторов.
Применение
Из лития изготовляют аноды химических источников тока, работающих на основе неводных твердых электролитов. Жидкий литий может служить теплоносителем в ядерных реакторах. С использованием нуклида 6 Li получают радиоактивный тритий 3 1 H (Т):
6 3 Li + 1 0 n
= 3 1 H + 4 2 He.
Литий и его соединения широко применяют в силикатной промышленности для изготовления специальных сортов стекла и покрытия фарфоровых изделий, в черной и цветной металлургии (для раскисления, повышения пластичности и прочности сплавов), для получения пластичных смазок. Соединения лития используются в текстильной промышленности (отбеливание тканей), пищевой (консервирование) и фармацевтической (изготовление косметики).
Биологическая роль
Литий в незначительных количествах присутствует в живых организмах, но по-видимому, не выполняет никаких биологических функций. Установлено его стимулирующее действие на некоторые процессы в растениях, способность повышать их устойчивость к заболеваниям.
В организме среднего человека (масса 70 кг) содержится около 0,7 мг лития. Токсическая доза 90-200 мг.
Особенности обращения с литием
Как и другие щелочные металлы, металлический литий способен вызывать ожоги кожи и слизистых, особенно в присутствии влаги. Поэтому работать с ним можно только в защитной одежде и очках. Хранят литий в герметичной таре под слоем минерального масла. Отходы лития нельзя выбрасывать в мусор, для уничтожения их следует обработать этиловым спиртом:
2С 2 Н 5 ОН + 2Li = 2С 2 Н 5 ОLi + Н 2
Образовавшийся этилат лития затем разлагают водой до спирта и гидроксида лития LiOH.
Энциклопедический словарь . 2009 .
Синонимы :Смотреть что такое "литий" в других словарях:
- (лат. lithium, от греч. lithos камень). Металл белого цвета, открытый в 1817 г. в петалите; все соли его растворимы в воде. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЛИТИЙ белый металл, самый легкий из всех,… … Словарь иностранных слов русского языка
- (Lithium), Li, химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 3, атомная масса 6,941; относится к щелочным металлам, tпл 180,54шC. Литий используют для изготовления анодов для химических источников тока, в производстве меди,… … Современная энциклопедия
Литий - (Lithium), Li, химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 3, атомная масса 6,941; относится к щелочным металлам, tпл 180,54°C. Литий используют для изготовления анодов для химических источников тока, в производстве меди,… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
- (лат. Lithium) Li, химический элемент I группы периодической системы, атомный номер 3, атомная масса 6,941, относится к щелочным металлам. Название от греч. lithos камень (открыт в минерале петалите). Серибристо белый, самый легкий из металлов;… … Большой Энциклопедический словарь
Li (от греч. lithos камень * a. lithium; н. Lithium; ф. lithium; и. litio), хим. элемент I группы периодич. системы Менделеева, ат. н. 3, ат. м. 6,941, относится к щелочным металлам. B природе встречаются 2 стабильных изотопа: 6Li (7,42%) … Геологическая энциклопедия
ЛИТИЙ - ЛИТИЙ, хим. элемент, символ Li, порядков. номер 3, серебристо белый металл, ат. в. 6,940 (изотопы 6 и 7), t° пл. 186°; относится к группе щелочн. металлов, имеет наименьший по сравн. с др. металлами уд. в. (0,59). Открыт Арфедзоном… … Большая медицинская энциклопедия
ЛИТИЙ - хим. элемент, символ Li (лат. Lithium), ат. н. 3, ат. м. 6,941; серебристо белый, самый лёгкий металл, принадлежит к щелочным металлам, плотность 534 кг/м3, tпл = 180,5°С; легко режется ножом. Л. химически очень активен, взаимодействует с водой и … Большая политехническая энциклопедия
- (символ Li), редкий серебряного цвета элемент, один из ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ, впервые был обнаружен в 1817 г. Содержится в таких рудах, как лепидолит и сподумен. По химическим свойствам близок к натрию. Самый легкий из всех металлов, используется в… … Научно-технический энциклопедический словарь
Введение
Литий (Li) - это самый лёгкий редкий щелочной металл. Однако от остальных щелочных металлов литий отличает небольшой размер атома и иона; литий по свойствам напоминает также магний. Обладает малой плотностью.
Литий -3й элемент периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева и представляет собой мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.
Литий придает сплавам ряд ценных физико-химических свойств. Например, у сплавов алюминия с содержанием до одного процента лития повышается механическая прочность и коррозионная стойкость, введение двух процентов лития в техническую медь значительно увеличивает ее электропроводность и т.д.
Он образует многочисленные литийорганические соединения, что определяет его большую роль в органическом синтезе.
Важнейшей областью применения лития, как источника трития является атомная энергия. Кроме того, он используется в качестве теплоносителя в атомных реакторах.
Известны 7 искусственных радиоактивных изотопов лития и два ядерных изомера.
Большинство редких металлов мало распространены, а часто и рассеяны в земной коре; их извлечение из сырья и получение в чистом виде связаны с большими технологическими трудностями. В этом причины относительно позднего открытия, изучения и технического освоения редких металлов.
Общие сведения о металле
Историческая справка
Литий (Li) – 3й элемент главной подгруппы первой группы, второго периода Периодической Системы химических элементов Менделеева и относится к группе лёгких редких металлов.
Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом Иоганном Арфведсоном сначала в минерале петалите (Li,Na), а затем в сподумене LiAl и в лепидолите KLi 1.5 Al 1.5 (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.
Литий отличается от всех остальных металлов лёгкостью и наименьшей плотностью.
Физические и химические свойства лития
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 объемно-центрированную 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 6 3 /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.
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 Li 3 N, гидроксид LiOH и карбонат Li 2 CO 3 . В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li 2 O. 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.
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 H 2 . 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.
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.
Биологическая роль
Литий постоянно входит в состав живых организмов, однако его биологическая роль выяснена недостаточно. Установлено, что у растений Литий повышает устойчивость к болезням, усиливает фотохимическую активность хлоропластов в листьях (томаты) и синтез никотина (табак). Способность концентрировать Литий сильнее всего выражена среди морских организмов у красных и бурых водорослей, а среди наземных растений - у представителей семейства Ranunculaceae (василистник, лютик) и семейства Solanaceae (дереза). У животных литий концентрируется главным образом в печени и легких.
Литий может оказывать следующие эффекты:
o снижает возбудимость центральной нервной системы (препараты лития применяются в психиатрии)
o регулирует транспорт натрия в нервных и мышечных клетках
o снижает количество доступного свободного норадреналина в центральной нервной системе
o увеличивает чувствительность нейронов некоторых областей мозга к действию дофамина
Наиболее важными источниками лития являются некоторые растения (томаты), рыба и морепродукты, а также печень и легкие.
Применение лития, его соединений и сплавов
Литий на протяжении века применяли в медицине как средство от подагры.
Промышленное использование лития началось с первой мировой войны, когда немецкие войска стали использовать сплав лития и свинца.
Полученная немецкая разработка оказалась отличным материалом для покрытия трущихся поверхностей. С этого момента литий получил свое законное место в металлургии. Его используют во многих промышленных сплавах.
Литий стали широко использовать при удалении газов, растворенных в расплавах металлов. Сейчас известно, что литий способен повысить прочность стали. Но его активному использованию в этом направлении мешает малая растворимость в железе.
В черной металлургии Литий, его соединения и сплавы широко применяют для раскисления, легирования и модифицирования многих марок сплавов. В цветной металлургии литием обрабатывают сплавы для получения хорошей структуры, пластичности и высокого предела прочности.
Хорошо известны алюминиевые сплавы, содержащие всего 0,1% Лития,- аэрон и склерон; помимо легкости, они обладают высокой прочностью, пластичностью, стойкостью против коррозии и очень перспективны для авиастроения. Добавка 0,04% лития к свинцово-кальциевым подшипниковым сплавам повышает их твердость и понижает трение.
Соединения лития используются для получения пластичных смазок, изготовления стекла, для придачи стеклянной массе вязкости. Стекла изготовленные по данной технологии отличаются теплостойкостью и прочностью. Они также пропускают ультрафиолет.
В связи с высокой химической активностью лития, он применяется в химической промышленности.
По значимости в современной технике литий - один из важнейших редких элементов.
Литий применяется в ядерной энергетике, как теплоноситель.
Минералы и руды
Известно более 40 минералов, в которых литий присутствует в заметных количествах (более 0,1% атомной массы). В их число входят как собственно литиевые, так и породообразующие минералы (слюды, турмалины и др.), в которых литий присутствует в виде изоморфных примесей в небольшом количестве.
Главнейшие литийсодержащие минералы, имеющие промышленное значение:
· сподумен (содержание Li 2 О 5,9-7,6%)
· петалит (3,5-4,1%)
· амблигонит (6-9%)
· эвкриптит,циннвальдит(3,0-3,5%)
· лепидолит (3,5-5,5%)
· полилитионит(5,5-8,8%)
Распределение литийсодержащих минералов подчинено закономерностям зонального строения рудных тел редкометалльных месторождений. В отдельных случаях литийсодержащие минералы образуют крупные выделения. Так, кристаллы сподумена достигают иногда длины 2-10 м.
Литиевые руды образуются в связи с постмагматическими процессами при температурах 500-700°С на глубине 3-7 км. Основной промышленно-генетический тип месторождений литиевых руд - гранитные редкометалльные пегматиты, среди которых различают; сподумен-микроклин-альбитовые и альбит-сподуменовые пегматиты (1,0-1,3% Li 2 О, запасы 100-500 тысяч т); лепидолит-сподуменовые и лепидолит-петалитовые пегматиты (0,6-1,2% Li 2 О, запасы до 100 тысяч т).
Главные пегматитовые месторождения литиевых руд; Кинг-Маунтин в США (запасы более 400 тысяч т Li2О, содержание 1-1,15%), Бёрник-Лейк в Канаде (более 200 тысяч т, 1-1,3%), Маноно-Китотоло в Заире (более 200 тысяч т, 0,6%), Бикита в Зимбабве (около 70 тысяч т, 1,4%), а также месторождения в Намибии, Мозамбике, Афганистане.
Попутно литий может получаться из редкометалльных танталоносных гранитов литий-фтористого типа (0,2-0,3% Li 2 О, запасы до 100-200 тысяч т), циннвальдитовых или лепидолитовыхгрейзенов (промышленное значение невелико).
Концентрации лития (0,05-1,0% Li 2 О) выявлены также в осадочных глинистых породах (ресурсы весьма значительны) и слюдисто-флюоритовых метасоматитах (0,3-0,5% Li 2 О, запасы 100-200 тысяч т).
Практически все месторождения литиевых руд являются комплексными и отрабатываются либо для получения лития с попутным извлечением ряда других ценных компонентов, либо литиевые минералы извлекаются в процессе обогащения комплексных руд и сами являются попутными компонентами. В литиевых рудах обычно присутствуют тантал, ниобий, бериллий, рубидий, цезий, иногда олово, вольфрам и др. Полевой шпат, кварц и слюда, постоянно встречающиеся в месторождениях литиевых руд, также могут быть предметом промышленного использования.
Добыча руд ведётся преимущественно открытым, реже подземным способом.
Обычно литиевые руды обогащаются флотационным способом или в тяжёлых суспензиях. Промышленность использует концентраты различного качества: сподуменовый (содержание Li 2 О 4,5-6%), петалитовый (2,5-3,5%), лепидолитовый (3-4%), амблигонитовый (7-8%). Переработка концентратов на большинстве заводов ведётся по сернокислотной технологии, основанной на сульфатизации серной кислотой обожжённого при температуре 1000°С сподумена (петалита). Получаемый после нейтрализации раствора карбонат лития пригоден для дальнейшего использования без дополнительной очистки. По этой схеме могут перерабатываться как концентраты, так и руды с содержанием Li 2 О более 1%. Важное преимущество схемы - отсутствие жидких сбросов.
Мировой рынок лития
Месторождения лития известны в России (более 50% запасов страны сосредоточено в редкометальных месторождениях Мурманской области), Боливии (Солончак Уюни - крупнейшее в мире), Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве, Конго.
Чили и Аргентина производят самую большую часть мирового лития из солей озер, в совокупности примерно 46% всего производства лития (компании FMC, Rockwood и S.Q.M.). Компания Talison Lithium поставляет ~34% мирового лития и около 65% литиевого минерала сподумен. Что касается мирового спроса, то запасы лития представлены в изобилии, и действующие производители, как ожидают, планируют расширять производство для удовлетворения растущих потребностей.
Сейчас крупнейшим мировым экспортёром лития является Чили (44%), далее следуют Австралия (25%), Китай (13%) и Аргентина (11%). В то же время в Боливии находится 50% мировых запасов лития, в Чили - 25% (пустыня Атакама), а в Аргентине - около 10%.
Таблица 1.Запасы на месторождениях лития в 2012 году, тыс.тонн *
* данные US Geological Survey
Рисунок 1. Добыча лития в мире, тыс.тонн*
Таблица 2.Производство и потребление лития в мире, тонн*
* данные Roskill
Потребление лития продолжает устойчиво расти, несмотря на мировой экономический кризис, кризис задолженности в Еврозоне и замедление темпов роста в Китае.
Перезаряжающиеся литиевые батареи продолжают поддерживать этот рост на высоком уровне, чему способствует увеличение производства портативной бытовой электроники так же как и увеличение мощности батарей. Уникальные свойства лития также подкрепляют рост на других рынках, которые испытывали спад, включая производство жиров, стеклокерамику, и металлургические порошки. Потребление лития уже превзошло уровни 2008 года и составило 26,500 т в 2012 году. Спрос на литий будет расти в пределах 8% в год при базовом варианте развития событий с рынком электромобилей, становящимся все более и более важным для роста по мере приближения к 2017 году.
Перспектива новых поставок, выходящих на рынок компаний, действует как барьер для повышения цен, несмотря на возрастающий спрос.
(первый электрон)
(по Полингу)
кубическая объёмноцентрированая
| Li | 3 |
| 6,941 | |
| 2s 1 | |
| Литий | |
Основные минералы лития — слюда лепидолит — KLi 1,5 Al 1,5 (F, OH) 2 и пироксен сподумен — LiAl . Когда литий не образует самостоятельных минералов, он изоморфно замещает калий в широко распространенных породообразующих минералах.
Месторождения лития приурочены к редкометалльным гранитным интрузиям, в связи с которыми развиваются литиеносные пегматиты или гидротермальные комплексные месторождения, содержащие также олово , вольфрам , висмут и другие металлы. Стоит особо отметить специфические породы онгониты — граниты с магматическим топазом, высоким содержанием фтора и воды, и исключительно высокими концентрациями различных редких элементов, в том числе и лития.
Другой тип месторождений лития — рассолы некоторых сильносоленых озёр.
Применение
Термоэлектрические материалы
Сплав сульфида лития и сульфида меди — эффективный полупроводник для термоэлектропреобразователей (ЭДС около 530 мкВ/К).
Литий используют в анодах химических источников тока (аккумуляторов, например литий-хлорных аккумуляторов) и гальванических элементов с твёрдым электролитом (например, литий-хромсеребряный, литий-висмутатный, литий-окисномедный, литий-двуокисномарганцевый, литий-иодсвинцовый, литий-иодный, литий-тионилхлоридный, литий-оксидванадиевый, литий-фторомедный, литий-двуокисносерный элементы), работающих на основе неводных жидких и твёрдых электролитов (тетрагидрофуран, пропиленкарбонат, метилформиат, ацетонитрил).
Кобальтат лития и молибдат лития показали лучшие эксплуатационные свойства и энергоёмкость в качестве положительного электрода литиевых аккумуляторов.
Гидроксид лития используется как один из компонентов для приготовления электролита щелочных аккумуляторов. Добавление гидрооксида лития к электролиту тяговых железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых аккумуляторных батарей повышает их срок службы в 3 раза и ёмкость на 21 % (за счёт образования никелатов лития).
Алюминат лития — наиболее эффективный твёрдый электролит (наряду с цезий -бета-глинозёмом).
Ракетное топливо
Теоретические характеристики ракетных топлив, образованных литием с различными окислителями.
| Окислитель | Удельная тяга (Р1, сек) | Температура сгорания °С | Плотность топлива г/см 3 | Прирост скорости, ΔVид,25, м/сек | Весовое содерж.горючего % |
|---|---|---|---|---|---|
| Фтор | 378,3 сек | 5350 °C | 0,999 | 4642 м/сек | 28 % |
| Тетрафторгидразин | 348,9 сек | 5021 °C | 0,920 | 4082 м/сек | 21,07 % |
| ClF 3 | 320,1 сек | 4792 °C | 1,163 | 4275 м/сек | 24 % |
| ClF 5 | 334 сек | 4946 °C | 1,128 | 4388 м/сек | 24,2 % |
| Перхлорилфторид | 262,9 сек | 3594 °C | 0,895 | 3028 м/сек | 41 % |
| Окись фтора | 339,8 сек | 4595 °C | 1,097 | 4396 м/сек | 21 % |
| Кислород | 247,1 сек | 3029 °C | 0,688 | 2422 м/сек | 58 % |
| Перекись водорода | 270,5 сек | 2995 °C | 0,966 | 3257 м/сек | 28,98 % |
| N 2 O 4 | 239,7 сек | 3006 °C | 0,795 | 2602 м/сек | 48 % |
| Азотная кислота | 240,2 сек | 3298 °C | 0,853 | 2688 м/сек | 42 % |
Лазерные материалы
Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80 %) лазеров на центрах свободной окраски, и для изготовления оптики с широкой спектральной полосой пропускания.
Окислители
Перхлорат лития используют в качестве окислителя.
Дефектоскопия
Лития сульфат используют в дефектоскопии.
Пиротехника
Нитрат лития используют в пиротехнике.
Сплавы
Сплавы лития с серебром и золотом, а также медью являются очень эффективными припоями. Сплавы лития с магнием , скандием , медью , кадмием и алюминием — новые перспективные материалы в авиации и космонавтике. На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре и используемая в военной технике, металлургии, и, в перспективе, в термоядерной энергетике. Огромной прочностью обладает стекло на основе литий-алюминий-силиката, упрочняемого волокнами карбида кремния. Литий очень эффективно упрочняет сплавы свинца и придает им пластичность и стойкость против коррозии.
Электроника
Триборат лития-цезия используется как оптический материал в радиоэлектронике. Кристаллические ниобат лития LiNbO 3 и танталат лития LiTaO 3 являются нелинейными оптическими материалами и широко применяются в нелинейной оптике, акустооптике и оптоэлектронике. Литий также используется при наполнении осветительных газоразрядных металлогалогеновых ламп.
Металлургия
В чёрной и цветной металлургии литий используется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Литий иногда применяется для восстановления методами металлотермии редких металлов.
Металлургия алюминия
Карбонат лития является важнейшим вспомогательным веществом (добавляется в электролит) при выплавке алюминия и его потребление растет с каждым годом пропорционально объёму мировой добычи алюминия (расход карбоната лития 2,5-3,5 кг на тонну выплавляемого алюминия).
Легирование алюминия
Введение лития в систему легирования позволяет получить новые сплавы алюминия с высокой удельной прочностью.
Литий-6 (термояд)
Применяется в термоядерной энергетике.
При облучении нуклида 6 Li тепловыми нейтронами получается радиоактивный тритий 3 1 H (Т):
6 3 Li + 1 0 n = 3 1 H + 4 2 He.
Благодаря этому литий-6 может применяться как замена радиоактивного, нестабильного и неудобного в обращении трития как в военных (термоядерное оружие), так и в мирных (управляемый термоядерный синтез) целях. В термоядерном оружии обычно применяется дейтерид лития-6 6 LiD.
Перспективно также использование лития-6 для получения гелия-3 (через тритий) с целью дальнейшего использования в дейтерий-гелиевых термоядерных реакторах.
Литий-7 (теплоноситель)
Применяется в ядерных реакторах, использующих реакции с участием тяжёлых элементов, таких как уран , торий или плутоний .
Благодаря очень высокой удельной теплоёмкости и низкому сечению захвата тепловых нейтронов, жидкий литий-7 (часто в виде сплава с натрием или цезием-133) служит эффективным теплоносителем. Фторид лития-7 в сплаве с фторидом бериллия (66 % LiF + 34 % BeF 2) носит название «флайб» (FLiBe) и применяется как высокоэффективный теплоноситель и растворитель фторидов урана и тория в высокотемпературных жидкосолевых реакторах, и для производства трития.
Сушка газов
Высокогигроскопичные бромид LiBr и хлорид лития LiCl применяются для осушения воздуха и других газов.
Медицина
Соли лития обладают психотропным действием и используются в медицине при профилактике и лечении ряда психических заболеваний. Наиболее распространен в этом качестве карбонат лития. применяется в психиатрии для стабилизации настроения людей, страдающих биполярным расстройством и частыми перепадами настроения. Он эффективен в предотвращении мании депрессии и уменьшает риск суицида.Медики не раз наблюдали, что некоторые соединения лития (в соответствующих дозах, разумеется) оказывают положительное влияние на больных, страдающих маниакальной депрессией. Объясняют этот эффект двояко. С одной стороны, установлено, что литий способен регулировать активность некоторых ферментов, участвующих в переносе из межклеточной жидкости в клетки мозга ионов натрия и калия. С другой стороны, замечено, что ионы лития непосредственно воздействуют на ионный баланс клетки. А от баланса натрия и калия зависит в значительной мере состояние больного: избыток натрия в клетках характерен для депрессивных пациентов, недостаток - для страдающих маниями. Выравнивая натрий калиевый баланс, соли лития оказывают положительное влияние и на тех, и на других.
Смазочные материалы
Стеарат лития — литиевое мыло используется в качестве высокотемпературной смазки.
Регенерация кислорода в автономных аппаратах
Гидроксид лития LiOH, пероксид Li 2 O 2 и супероксид LiO 2 применяются для очистки воздуха от углекислого газа; при этом последние два соединения реагируют с выделением кислорода (например, 4LiO 2 + 2CO 2 → 2Li 2 CO 3 + 3O 2), благодаря чему они используются в изолирующих противогазах, в патронах для очистки воздуха на подлодках, на пилотируемых космических аппаратах и т. д.
Силикатная промышленность
Литий и его соединения широко применяют в силикатной промышленности для изготовления специальных сортов стекла и покрытия фарфоровых изделий.
Прочие области применения
Соединения лития используются в текстильной промышленности (отбеливание тканей), пищевой (консервирование) и фармацевтической (изготовление различной косметики).
Дополнительные данные
Соединения лития
Литий, Lithium, Li (3)
Когда Дави производил свои знаменитые опыты по электролизу щелочных земель, о существовании лития никто и не подозревал. Литиевая щелочная земля была открыта лишь в 1817 г. талантливым химиком-аналитиком, одним из учеников Берцелиуса Арфведсоном. В 1800 г. бразильский минералог де Андрада е Сильва, совершая научное путешествие по Европе, нашел в Швеции два новых минерала, названных им петалитом и сподуменом, причем первый из них через несколько лет был вновь открыт на острове Уте. Арфведсон заинтересовался петалитом, произвел полный его анализ и обнаружил необъяснимую вначале потерю около 4% вещества. Повторяя анализы более тщательно, он установил, что в петалите содержится «огнепостоянная щелочь до сих пор неизвестной природы». Берцелиус предложил назвать ее литионом (Lithion), поскольку эта щелочь в отличие от кали и натра впервые была найдена в «царстве минералов» (камней); название зто произведено от греч.- камень.
Позднее Арфведсон обнаружил литиевую землю,или литину, и в некоторых других минералах, однако его попытки выделить свободный металл не увенчались успехом. Очень небольшое количество металлического лития было получено Дэви и Бранде путем злектролиза щелочи. В 1855 г. Бунзен и Маттессен разработали промышленный способ получения металлического лития злектролизом хлорида лития. В русской химической литературе начала XIX в. встречаются названия: литион, литин (Двигубский, 1826) и литий (Гесс); литиевую землю (щелочь) называли иногда литина.
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 (от греческого lithos — камень * а. lithium; н. Lithium; ф. lithium; и. litio),- химический элемент I группы периодической системы Менделеева , атомный номер 3, атомная масса 6,941, относится к щелочным металлам. В природе встречаются 2 стабильных изотопа: 6 Li (7,42%) и 7 Li (92,58%). Открыт шведским учёным Ю. А. Арфведсоном в 1817 в минерале , металлический литий впервые получен в 1818 английским учёным Г. Дэви.
Физические свойства
Литий — серебристо-белый металл, кристаллизуется в кубической объёмноцентрированной решётке, а = 0,35098 нм. Ниже -195°С стабильна гексагональная модификация.
Литий — самый лёгкий металл. Плотность 539 кг/м 3 (20°С); t плавления 180,5°С; t кипения 1340°С, коэффициент теплопроводности 70,8 Вт/(м.К); удельная теплоёмкость 3,31.10 3 Дж/(кг.К); удельное электрическое сопротивление 9,29.10 -8 (Ом.м), температурный коэффициент электрического сопротивления 4,50.10 -3 К -1 (0-100°С); температурный коэффициент линейного расширения 5,6.10 -5 К -1 ; твердость по Moocy 0,6; модуль упругости 5 ГПа; предел прочности при растяжении 116 МПа; относительное удлинение 50-70%.
Химические свойства лития
Проявляет степень окисления +1. На воздухе покрывается плёнкой Li 3 N и Li 2 О, при нагревании горит голубым пламенем. Известен также пероксид Li 2 О 2 . С водой реагирует с образованием гидроксида LiOH и водорода . Литий, взаимодействуя с галогенами, водородом, серой и т. д., даёт соответственно , гидрид, и т, д. В специфических условиях могут быть получены различные фосфиды. Эти соединения и гидроксид очень реакционноспособны. Растворяясь в неорганических кислотах, литий даёт соли. Литий образует многочисленные литийорганические соединения. Известны твёрдые растворы лития с некоторыми металлами (Mg, Zn, Al), а со многими он образует интерметаллические соединения (например, LiAg, LiHg). Попадая в организм, литий вызывает слабость, головокружение, сонливость, потерю аппетита. Кларк лития в земной коре 3,2.10 -3 %. При дифференциации магматических расплавов литий накапливается в наиболее поздних продуктах — пегматитах . При выветривании литий захватывается глинами , его сравнительно мало в Мировом океане . Распределение лития в горных породах (% по массе): каменных метеориты 3.10 -4 , ультраосновные 5.10 -5 , основные 1,5.10 -3 , средние 2.10 -3 , кислые 4.10 -3 , карбонатные породы 5.10 -4 , глины 6,6.10 -3 , песчаники 5.10 -5 . Кларк лития в океанической воде 1,5.10 -5 . Установлено 28 минералов лития, среди них наиболее распространены сподумен , петалит, лепидолит , амблигонит . Близость ионных радиусов Li, Mg, Fe позволяет литию изоморфно входить в решётки железо-магнезиальных силикатов.
