Литий

3 Гелий ← Литий → Бериллий H ↑ Li ↓ Na 3Li
Внешний вид простого вещества
Образец лития
Свойства атома
Имя, символ, номер	Ли́тий / Lithium (Li), 3
Группа, период, блок	1 (устар. 1), 2, s-элемент
Атомная масса (молярная масса)	[6,938; 6,997] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[He] 2s1 1s22s1
Радиус атома	145 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	134 пм
Радиус иона	76 (+1e) пм
Электроотрицательность	0,98 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	-3,06 В
Степени окисления	0, +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 (180,54 °C, 356,97 °F)
Температура кипения	1613 K (1339,85 °C, 2443,73 °F)
Теплота плавления	2,89 кДж/моль
Теплота испарения	148 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,86 Дж/(K·моль)
Молярный объём	13,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	3,490 Å
Температура Дебая	400 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 84,8 Вт/(м·К)
Номер CAS	7439-93-2

Литий — третий элемент Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Название происходит от греческого λιτοσ — камень, открыт в 1817 году. Металл, серебристо-белого цвета, очень мягкий, его можно резать ножом. Реагирует с водой, образуя растворимый гидроксид — щелочь. Входит в группу щелочных металлов I группы главной подгруппы.

История открытия элемента

Иохан Август Арфведсон

Анализируя минерал, найденный в железном руднике Уто, шведский химик Иохан Август Арфведсон определил, что он является типичным алюмосиликатом. Он также вычислил, что кремний, алюминий и кислород составляют 96 % веса этого минерала. Теперь оставалось выяснить химическую природу оставшихся 4 % веществ. Арфведсон предположил, что эти вещества, растворенные в воде и отделенные от Si, Al и O₂, придают раствору щелочные свойства. На основании этого предположения он сделал вывод о наличии некого щелочного металла в минерале. Соли этого металла растворяются в воде в шесть раз лучше, чем аналогичные соли калия и натрия. Арфведсон решил, что открыл новый элемент, поскольку известны были только два щелочных металла. Минерал, в котором был найден новый элемент, выглядел обычным камнем, поэтому Арфведсон предложил назвать его литием. Многие химики заинтересовались новым элементом после его открытия Арфведсоном. В 1818 году Леопольд Гмелин установил, что соли лития окрашивают пламя в карминово-красный цвет. В 1825 году Йенс Якоб Берцелиус обнаружил литий в водах германских минеральных источников. Позже сам Арфведсон обнаружил литий в сподумене и лепидолите, которые стали важными минералами этого элемента № 3. Дальнейшие исследования показали, что литий присутствует также в морской воде в количестве 7*10⁶%.

Металлический литий впервые получил выдающийся английский ученый Хэмфри Дэви в 1818 году. Тогда и выяснилось, что литий очень легок, почти вдвое легче воды, и что он обладает ярким металлическим блеском. В значительных количествах металлический литий первыми получили в 1855 году (независимо друг от друга) немецкий химик Роберт Бунзен. Как и Дэви, он получал литий электролизом, только электролитом в опытах служил расплав не гидроксида, а хлорида лития.

Положение элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, строение атома

Литий располагается в I группе главной подгрупе, порядковый номер № 3. Элемент входит в состав группы щелочных металлов. Строение внешнего энергетического уровня атома лития отражается формулой ns¹. По характеру заполнения валентного энергетического уровня относится к семейству s-элементов. Обладает наиболее низким значением электроотрицательности, поэтому химическая связь в большинстве соединений носит преимущественно ионный характер. В соединениях литий проявляет, главным образом, положительную степень окисления, равную +1.

Нахождение в природе

Крупноионные литофильные элементы, такие как литий, калий, рубидий и цезий, имеют геохимические сходства. Содержание лития в верхней континентальной коре составляет 21 г/т, а в морской воде — 0, 17 мг/л. Основные минералы, в которых можно найти литий, это слюда лепидолит — KLi_1.5Al_1.5[Si₃AlO₁₀] (F, OH)₂ и пироксен сподумен — LiAl [Si₂O₆]. Если литий не образует собственные минералы, он может замещать калий в широко распространенных породообразующих минералах. Месторождения лития связаны с редкометалльными гранитными интрузиями, где развиваются литиеносные пегматиты или гидротермальные комплексные месторождения, содержащие также олово, вольфрам, висмут и другие металлы. Особенно стоит отметить породы онгониты, которые являются гранитами с магматическим топазом, высоким содержанием фтора и воды, а также исключительно высокими концентрациями различных редких элементов, включая литий. Есть и другой тип месторождений лития — это рассолы некоторых сильносоленых озер. Месторождения лития известны в разных странах: России (более 50 % запасов страны находится в редкометальных месторождениях Мурманской области), Боливии, Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве, Конго.

Содержание лития в организме человека составляет около 70 мг (10 ммоль). Ионы лития, всасываясь из желудочно-кишечного тракта, накапливаются в крови. Некоторые соединения лития концентрируются в печени, почках, селезенке, легких, крови и молоке у высших животных. Максимальное количество лития обнаружено в мышцах человека. Исследования показали, что некоторые соединения лития оказывают положительное влияние на больных с маниакальной депрессией. Когда концентрация ионов лития в крови достигает 0, 6 ммоль/л и выше, происходит снижение эмоциональной напряженности и ослабление маниакального возбуждения.

В звездных образованиях, состоящих из красного гиганта (или сверхгиганта), можно наблюдать аномально высокое содержание лития. В этих образованиях находятся нейтронные звезды — объекты Ландау — Торна — Житкова. Также существует множество звезд-гигантов с необычно высоким содержанием лития, что связано с поглощением ими экзопланет-гигантов, что приводит к попаданию лития в их атмосферу.

Физические свойства

Литий — металл серебристо-белого цвета, который быстро покрывается темно-серым налетом, состоящим из нитрида лития Li₃N и оксида лития Li₂O. Металл кристаллизуется в кубической объемно-центрированной решетке при обычной температуре, а при температуре ниже −193 °C решетка становится гексагональной плотноупакованной. Температура плавления составляет 180,54 °C, а температура кипения 1342 °C. Литий является самым легким металлом с плотностью 0,534 г/см3 при 25 °C.

При температуре 298 К температурный коэффициент линейного расширения составляет 5,6·10-5 К-1, теплопроводность — 85 Вт/(м·К), а удельное электрическое сопротивление — 9,4·10-8 Ом·м.

Эмиссионный спектр лития

Мягкий и пластичный металл — литий, который хорошо обрабатывается прессованием и прокаткой, легко протягивается в проволоку. Он является парамагнитным и имеет твёрдость по Бринеллю 5 МПа, что делает его твёрже других щелочных металлов. Пламя окрашивается в тёмно-красный цвет при наличии паров лития.

Химические свойства

Литий — наименее активный щелочной металл, относительно устойчивый на воздухе. С сухим воздухом при комнатной температуре практически не реагирует. Он является единственным щелочным металлом, который не хранят в керосине (к тому же плотность лития столь мала, что он будет в нём плавать). Длительно литий хранят в петролейном эфире, парафине, газолине и/или минеральном масле в герметично закрытых жестяных коробках.

Во влажном воздухе медленно реагирует с азотом и другими газами, находящимися в воздухе, превращаясь в нитрид лития Li₃N, гидроксид лития LiOH и карбонат лития Li₂CO₃.

${\ce {6Li + N2 -> 2Li3N}}$,

${\ce {2Li + 2H2O -> 2LiOH + H2}}$

В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид лития Li₂O.

${\ce {4Li + O2 -> 2Li2O}}$

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.

Спокойно, без взрыва и возгорания, реагирует с водой, образуя гидроксид лития LiOH и водоород H₂.

${\ce {2Li + 2H2O -> 2LiOH + H2}}$

Реагирует также с абсолютным этиловым спиртом (с образованием этилата лития):

${\ce {2Li + 2C2H5OH -> 2C2H5OLi + H2}}$

Этилат лития полностью разлагается водой, с образованием гидроксида лития и этилового спирта, аналогично гидролизуется этилат натрия.

Вступает в реакцию с водородом (при 500—700 °C) с образованием гидрида лития:

${\ce {2Li + H2 -> 2LiH}}$

Реагирует с аммиаком при нагревании, при этом сначала образует амид лития (220 °C), а затем имид лития (400 °C):

${\ce {2Li + 2NH3 -> 2LiNH2 + H2}}$,

${\ce {2Li + NH3 -> Li2NH + H2}}$

Реагируя с галогенами (с иодом — только при нагревании, выше 200 °C) образует соответствующие галогениды:

${\ce {2Li + F2 -> 2LiF}}$,

${\ce {2Li + Cl2 -> 2LiCl}}$,

${\ce {2Li + Br2 -> 2LiBr}}$,

${\ce {2Li + I2 -> 2LiI}}$

При 130 °C реагирует с серой с образованием сульфида лития:

${\ce {2Li + S -> Li2S}}$

В вакууме при температуре выше 200 °C реагирует с углеродом (образуется ацетиленид лития):

${\ce {2Li + 2C -> Li2C2}}$

При 600—700 °C литий реагирует с кремнием с образованием силицида лития:

${\ce {4Li + Si -> Li4Si}}$

Металлический литий вызывает ожоги при попадании на влажную кожу, слизистые оболочки и в глаза.

Получение лития

Металлический литий сложно получить из-за его высокой химической активности и термодинамической устойчивости соединений. Процесс получения металлического лития затруднен ограниченным выбором методов, необходимостью защиты металла от кислорода, азота, углекислого газа и водяных паров, а также подбором устойчивых материалов при повышенной температуре. Одним из способов получения металлического лития — это электролиз. Однако только электролизом расплавов можно успешно получить металлический литий. Из-за высокого отрицательного значения нормального электродного потенциала лития, электролиз водных растворов невозможен, что приводит к выделению водорода на электроде. Для электролиза, обычно, используют расплавы галогенидов, но индивидуальные галогениды лития непригодны из-за высоких температур плавления, которые вызывают большое давление паров металлического лития. Для электролиза, используются электролизеры с разделенными анодным и катодным пространствами. Электролиз проводят при 400—430 ºC. Для уменьшения загрязнения металлического лития магнием, кальцием и натрием, необходимо использовать исходный хлорид лития высокой степени чистоты. Метод электрохимического электролиза применяется в промышленных масштабах, так как образующийся жидкий сплав собирается на поверхности расплава электролита. Однако этот метод имеет недостаток — для электролиза требуется дорогой хлорид лития, а получаемый металлический литий содержит примеси, в основном натрий, и требует обезвреживания выделяющегося хлора.

Применение лития

Литий-ионный аккумулятор

Практическое применение лития связано с использованием высокотехнологичных областей науки и техники. Включает в себя производство:

• первичной и вторичной аккумуляторной батареи;
• химико-смазочных материалов для ядерного энергетического реактора;
• особых масел, смазок, стекло, керамика и синтетические волокна;
• изготовление первичной алюминиевой и сплавной металлургии;
• производство средств для дезинфекции и иных средств.

Ссылки

• Реакция взаимодействия лития с водой
• Реакция горения лития
• Реакция лития с концентрированной азотной кислотой

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!