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 Д. И. Менделеева, с атомным номером 3. Относится к щелочным металлам. Простое вещество литий представляет собой мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета. Это 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, учеником Йёнса Якоба Берцелиуса. Арфведсон обнаружил новый элемент при анализе минерала петалита (LiAlSi₄O₁₀), найденного на острове Утё в Швеции. Название элемента происходит от греческого слова «λίθος» (камень), поскольку, в отличие от других щелочных металлов (натрия и калия), литий был найден в минеральном, а не растительном веществе.

В чистом виде металлический литий впервые был выделен в 1821 году английским химиком Уильямом Бранде путём электролиза оксида лития. Промышленное производство лития электролизом расплава началось в 1923 году немецкой компанией Metallgesellschaft.

¶Физические и химические свойства

¶Физические свойства

Литий — мягкий металл, который легко режется ножом. Он имеет серебристо-белый цвет, но на воздухе быстро покрывается тёмно-серым налётом из-за образования оксида и нитрида. Литий обладает самой низкой плотностью среди всех металлов (0,534 г/см³), почти вдвое меньшей, чем у воды. Температура плавления составляет 180,5 °C, температура кипения — 1342 °C. Литий — парамагнетик, обладает высокой теплоёмкостью (3,58 кДж/(кг·К)) и широким интервалом жидкого состояния.

¶Химические свойства

По химической активности литий уступает другим щелочным металлам (натрию, калию). Он реагирует с водой медленнее, чем натрий, с образованием гидроксида лития и водорода. На воздухе при комнатной температуре литий окисляется, образуя оксид Li₂O и нитрид Li₃N. При нагревании на воздухе сгорает с ярким пламенем. Литий активно взаимодействует с галогенами, серой, водородом (при нагревании образуется гидрид LiH). С азотом реагирует уже при комнатной температуре, что нехарактерно для других щелочных металлов.

Важная особенность лития — его малый атомный радиус, из-за чего он проявляет свойства, отличающие его от других щелочных металлов. В соединениях литий образует преимущественно ионные связи, но его химия имеет и черты, сближающие его с магнием (диагональное сходство в периодической системе).

¶Изотопы

В природе литий встречается в виде двух стабильных изотопов: литий-6 (⁶Li, массовая доля около 7,5 %) и литий-7 (⁷Li, около 92,5 %). Изотоп ⁶Li используется в ядерной энергетике для производства трития (реакция ⁶Li + n → ³H + ⁴He), что имеет важное значение для термоядерного оружия и перспективных термоядерных реакторов. Разделение изотопов лития — сложный технологический процесс, осуществляемый методами амальгамного обмена или электромиграции.

¶Нахождение в природе и добыча

Литий — относительно распространённый элемент. Его кларк (среднее содержание в земной коре) составляет около 21 г/т (0,0021 %). Литий не встречается в свободном виде из-за высокой химической активности. Основные минералы лития — сподумен (LiAlSi₂O₆), петалит, лепидолит (KLi₂Al(Al,Si)₃O₁₀(F,OH)₂). Значительные запасы лития сосредоточены в рассолах солёных озёр (саларах), например в «литиевом треугольнике» Южной Америки (Боливия, Аргентина, Чили), а также в месторождениях Австралии, Китая и России.

Основные способы получения лития:

• Переработка рассолов: выпаривание, осаждение примесей, осаждение карбоната лития содой.
• Переработка руд: обогащение, обжиг с серной кислотой или известняком, выщелачивание.
• Получение металла: электролиз расплава смеси хлорида лития и хлорида калия при температуре около 400–450 °C.

Крупнейшим производителем лития в мире является Австралия (в основном по добыче рудного сырья), за ней следуют Чили и Китай. Россия располагает запасами лития, однако промышленная добыча в постсоветский период была практически свёрнута.

¶Применение

¶Литиевые аккумуляторы

Наиболее значимая область применения лития — производство литий-ионных аккумуляторов. Благодаря высокому электрохимическому потенциалу и малой массе, литий позволяет создавать компактные источники питания с высокой удельной энергоёмкостью. Такие аккумуляторы используются в мобильных телефонах, ноутбуках, электромобилях, а также в системах накопления энергии для возобновляемой энергетики.

¶Алюминиевая промышленность

Карбонат лития (Li₂CO₃) добавляется в электролит при производстве алюминия. Это снижает температуру плавления электролита, уменьшает расход фтора и снижает выбросы вредных веществ. На эту отрасль приходится значительная доля мирового потребления лития.

¶Смазочные материалы

Стеарат лития используется для производства литиевых смазок, которые обладают высокой термостойкостью, водостойкостью и морозостойкостью. Такие смазки применяются в автомобильной и авиационной технике.

¶Керамика и стекло

Соединения лития (карбонат, оксид) добавляют в шихту при производстве стекла и керамики. Литий улучшает термическую стойкость, снижает вязкость расплава и коэффициент теплового расширения. Используется в производстве стекловолокна, жаропрочной посуды (керамика CorningWare), оптического стекла.

¶Ядерная энергетика

Изотоп литий-6 используется для наработки трития. Гидрид лития-6 (⁶LiH) применяется в термоядерных зарядах. Жидкий литий рассматривается как перспективный теплоноситель и материал бридерной зоны в термоядерных реакторах.

¶Металлургия

Литий добавляют в алюминиевые и магниевые сплавы для повышения прочности, лёгкости и жёсткости. Алюминий-литиевые сплавы используются в авиастроении (например, в конструкции самолётов Airbus A380 и Boeing 787).

¶Медицина

Карбонат лития применяется в психиатрии как нормотимик — препарат для профилактики и лечения биполярного аффективного расстройства. Механизм действия связан с влиянием на метаболизм нейромедиаторов и ионный транспорт в нейронах. Терапевтический диапазон концентраций лития в крови узок, поэтому требуется регулярный мониторинг.

¶Прочие применения

• Гидроксид лития используется для очистки воздуха в замкнутых пространствах (подводные лодки, космические корабли) — он поглощает углекислый газ.
• Хлорид лития применяется в осушителях и системах кондиционирования.
• Ниобат лития (LiNbO₃) — важный материал для нелинейной оптики и акустоэлектроники.
• Литиевые батареи используются в кардиостимуляторах благодаря длительному сроку службы.

¶Биологическая роль и токсичность

Биологическая роль лития для человека окончательно не установлена, однако существуют данные о его влиянии на нервную систему. Литий токсичен в высоких дозах: симптомы отравления включают тремор, нарушение координации, спутанность сознания, поражение почек. При работе с металлическим литием и его соединениями требуется соблюдение мер безопасности.

¶Рынок лития

В XXI веке спрос на литий резко вырос в связи с развитием электротранспорта и систем хранения энергии. Цены на карбонат и гидроксид лития подвержены значительным колебаниям. Мировые запасы лития оцениваются в десятки миллионов тонн (в пересчёте на металл), основные подтверждённые запасы сосредоточены в Чили, Австралии, Аргентине и Китае. Россия также обладает запасами лития, в том числе в Мурманской области (Кольский полуостров) и в Забайкалье.

¶Литература и источники

• Реми Г. Курс неорганической химии. — М.: Мир, 1966.
• Литий // Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1990.
• Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.
• Коган Б. И. Литий. — М.: Наука, 1965.