Литий: свойства, история и применение¶

Литий (химический символ — Li, лат. Lithium) — химический элемент первой группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы) второго периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 3. Относится к щелочным металлам. Простое вещество литий — мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета, самый лёгкий металл и самое лёгкое твёрдое вещество при стандартных условиях (плотность 0,534 г/см³).

¶История открытия

Литий был открыт в 1817 году шведским химиком Йоханом Августом Арфведсоном при анализе минерала петалита (LiAlSi₄O₁₀), найденного на острове Утё в Швеции. Арфведсон, работавший в лаборатории знаменитого химика Йёнса Якоба Берцелиуса, обнаружил в минерале неизвестный ранее элемент, оксид которого имел щелочные свойства. Новый элемент был назван «литием» (от греч. λίθος — камень), поскольку был найден в минерале, а не в растительных организмах, как другие щелочные металлы — натрий и калий.

В чистом виде металлический литий впервые был получен в 1818 году английским химиком Хамфри Дэви и независимо от него шведским химиком Вильгельмом Брандесом в 1821 году путём электролиза оксида лития. Промышленное производство лития началось лишь в начале XX века, когда он нашёл применение в производстве смазочных материалов и алюминиевых сплавов.

¶Физические и химические свойства

¶Физические свойства

Литий — самый лёгкий из всех металлов. Его плотность почти вдвое меньше плотности воды, поэтому он плавает на её поверхности. Металл очень мягкий (твёрдость по Моосу — 0,6), легко режется ножом. Температура плавления лития составляет 180,5 °C, температура кипения — 1342 °C. Обладает высокой теплоёмкостью (3,58 кДж/(кг·К)) и широким интервалом температур жидкого состояния. Литий имеет самую высокую удельную теплоёмкость среди всех твёрдых веществ при комнатной температуре.

¶Химические свойства

Литий — типичный щелочной металл, однако его химическая активность ниже, чем у натрия и калия. Он легко окисляется на воздухе, покрываясь плёнкой из оксида и нитрида. При взаимодействии с водой реагирует менее бурно, чем другие щелочные металлы, с выделением водорода и образованием гидроксида лития. Литий непосредственно реагирует с галогенами, серой, водородом (при нагревании) и азотом (при комнатной температуре медленно). С азотом литий образует нитрид лития Li₃N — одно из немногих соединений, которые щелочные металлы образуют с азотом.

В соединениях литий проявляет степень окисления +1. Ион Li⁺ имеет очень малый радиус (0,076 нм), что обусловливает особые свойства многих соединений лития, отличающие его от других щелочных металлов — например, высокую растворимость его солей в органических растворителях.

¶Нахождение в природе и добыча

Литий — довольно распространённый элемент земной коры, его кларк (среднее содержание) составляет около 21 г/т. Он не встречается в свободном виде из-за высокой химической активности. Основные минералы лития — сподумен (LiAlSi₂O₆), петалит, лепидолит, амблигонит.

Основные запасы лития сосредоточены в трёх типах месторождений: пегматитовых жилах, рассолах солёных озёр и глинистых отложениях (гекторитовые глины). Крупнейшие месторождения находятся в Чили (пустыня Атакама), Аргентине, Боливии (солончак Уюни), Австралии, Китае, а также в России (Мурманская область, Забайкальский край).

В настоящее время около 60 % мирового производства лития приходится на извлечение из рассолов подземных вод и солёных озёр. Рассолы концентрируют выпариванием на солнце, затем литий осаждают в виде карбоната лития Li₂CO₃. Пегматитовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с обогащением и последующим выщелачиванием.

¶Изотопы

В природе литий встречается в виде двух стабильных изотопов: литий-6 (⁶Li, распространённость около 7,5 %) и литий-7 (⁷Li, около 92,5 %). Искусственно получены радиоактивные изотопы с массовыми числами от 3 до 13, наиболее важным из которых является литий-8 (период полураспада 0,84 с). Изотопный состав лития используется в геохимии для изучения процессов мантийного магматизма.

¶Применение

¶Литий-ионные аккумуляторы

Основная область применения лития в XXI веке — производство литий-ионных аккумуляторов, используемых в портативной электронике (смартфоны, ноутбуки), электротранспорте и системах накопления энергии. Литий-ионные батареи обладают высокой энергетической плотностью, низким саморазрядом и большим числом циклов заряд-разряд. В таких аккумуляторах используются соединения лития — катодные материалы (например, LiCoO₂, LiFePO₄, LiNiMnCoO₂) и электролит, содержащий соли лития.

¶Алюминиевая промышленность

Карбонат лития добавляют в электролит при производстве алюминия методом электролиза, что снижает температуру плавления электролита и уменьшает расход электроэнергии. На эту область приходится значительная доля потребления лития.

¶Смазочные материалы

Стеарат лития используется как загуститель в производстве литиевых смазок, которые составляют около 70 % всех пластичных смазок в мире. Такие смазки обладают высокой термостойкостью, водостойкостью и морозостойкостью.

¶Стекольная и керамическая промышленность

Оксид лития добавляют в шихту при варке стекла для снижения температуры плавления, повышения прочности и термостойкости изделий. Литиевые соединения применяются в производстве стеклокерамики, эмалей и глазурей.

¶Ядерная энергетика

Изотоп литий-6 используется в ядерной энергетике для получения трития при облучении нейтронами (реакция ⁶Li + n → ³H + ⁴He). Сплавы лития со свинцом рассматриваются как материалы для бланкетов термоядерных реакторов.

¶Медицина

Соли лития (прежде всего карбонат лития) применяются в психиатрии как нормотимические препараты для лечения биполярного аффективного расстройства и профилактики маниакальных состояний. Литий был первым препаратом, доказавшим эффективность в профилактике суицидов у пациентов с аффективными расстройствами.

¶Другие области

Литий используется в пиротехнике для окрашивания пламени в красный цвет, в качестве газопоглотителя в вакуумной технике, в производстве специальных сплавов (например, алюминий-литиевых сплавов для авиакосмической отрасли), в осушителях воздуха (хлорид лития) и в водородной энергетике (гидрид лития как источник водорода).

¶Биологическая роль

Для человека и животных литий не является эссенциальным (жизненно необходимым) микроэлементом, однако его соединения оказывают выраженное фармакологическое действие на центральную нервную систему. Токсическая доза лития для человека составляет около 200-400 мг в сутки, летальная — около 10 г. При хроническом употреблении солей лития необходим контроль концентрации в крови из-за узкого терапевтического индекса.

¶Рынок и экономика

Мировое производство лития в пересчёте на карбонат лития в 2023 году превысило 700 тысяч тонн. Цены на литий подвержены значительным колебаниям: после резкого роста в 2022 году (до 80 долларов за кг карбоната) последовало снижение в 2023-2024 годах. Основные производители — компании Albemarle (США), SQM (Чили), Ganfeng Lithium и Tianqi Lithium (Китай). Россия располагает собственными запасами лития, однако до недавнего времени почти весь литий импортировался; в 2023-2024 годах начата реализация проектов по разработке отечественных месторождений (Кольское, Завитинское и другие).