Литий
Общие сведения
Литий является третьим химическим элементом периодической системы. Название элемента происходит от греческого слова, означающего камень, поскольку первоначально он был обнаружен в минералах. Открытие лития произошло в 1817 году, когда шведский химик Юхан Август Арфведсон выделил его из минералов петалита и сподумена. Металлический литий был получен приблизительно в 1818 году. В природе элемент представлен в основном смесью стабильных изотопов, среди которых преобладает литий-7, составляющий около 92 процентов, а также присутствует литий-6. Литий-7 является одним из немногих элементов, образовавшихся в незначительных количествах в результате Большого взрыва при зарождении Вселенной. Однако основная масса лития образовалась в процессе звездного нуклеосинтеза. Элемент синтезируется в недрах звезд на определенных этапах их эволюции, в частности в красных гигантах, которые переработали водород в гелий и начали синтез лития. Значительные количества элемента также обнаруживаются в звездах-гигантах, которые, предположительно, поглотили экзопланеты, содержащие литий в своих атмосферах.
Свойства и характеристики
При нормальных условиях и комнатной температуре литий представляет собой серебристо-белый металл. Он отличается мягкостью, поддается прессованию и прокатыванию. Литий является самым легким из щелочных металлов и обладает очень низкой плотностью, благодаря чему он легче воды и керосина, на поверхности которых способен плавать. Температура плавления чистого лития составляет 180 градусов Цельсия, что является достаточно высоким показателем для щелочных металлов, а температура кипения достигает 1340 градусов. Элемент считается наименее активным среди щелочных металлов, однако он химически неустойчив на воздухе. В присутствии влаги в воздухе он образует гидроксид лития, а при взаимодействии с азотом образует нитрид лития. На открытом воздухе металл покрывается защитной оксидной пленкой. При нагревании литий горит без взрывов в кислороде с образованием оксида лития, окрашивая пламя в характерный красный цвет. Продукты горения опасны для здоровья и раздражают слизистые оболочки. Металл активно взаимодействует с водой, образуя гидроксид лития и выделяя водород. Литий вступает в реакции с галогенами с образованием галогенидов, с этиловым спиртом образует этилат, а с водородом образует гидрид лития. При высоких температурах он реагирует с углеродом, образуя карбид лития, и с кремнием при температуре 600-700 градусов Цельсия, образуя силицид. В жидком состоянии литий плохо смешивается с другими щелочными металлами: при высоких температурах он образует смеси с расплавленным натрием, но совершенно не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием. Чистый металлический литий представляет опасность для человека при непосредственном контакте, так как вызывает тяжелые ожоги кожи и способен повредить глаза.
Нахождение в природе
В земной коре литий встречается исключительно в виде химических соединений. Основными минералами, содержащими этот элемент, являются слюды, в частности лепидолит, а также сподумен. Сподумен представляет собой силикат лития и алюминия, тогда как в состав лепидолита также входят калий и фтор. Месторождения минералов часто формируются в гранитных интрузиях и нередко носят комплексный характер, содержа в своем составе сопутствующие элементы, такие как олово, вольфрам и висмут. Существенным источником элемента также являются рассолы сильно соленых озер и подземные воды. Крупнейшие месторождения лития расположены в таких странах, как Чили, Боливия, Аргентина, США, Конго, Китай, Австралия и Афганистан. Важным центром экспорта выступает чилийский порт Антофагаста, а крупные запасы минерала добываются на боливийском солончаке Уюни. На территории России значительные неразрабатываемые запасы лития сосредоточены в Мурманской области, Республике Дагестан, Восточной Сибири и Якутии. Кроме того, ведется подготовка к добыче элемента из подземных рассолов нефтегазовых месторождений в Иркутской области.
Получение
Промышленное получение лития базируется на переработке минерала сподумена и выпаривании насыщенных солевых растворов из соляных озер. Из-за химической активности чистого металла в качестве основного продукта хранения и коммерческого учета выступает карбонат лития. При добыче из соляных озер раствор выкачивается и выпаривается под воздействием солнечного тепла, в результате чего образуется смесь солей, в которой содержание лития составляет около одного процента, преимущественно в форме хлорида лития. Переработка сподумена включает разложение минерала, отделение оксида кремния и алюминия, что может осуществляться путем спекания руды с сульфатом калия или использования сульфата аммония. Металлический литий может быть получен методом электролиза расплава солей, а также путем восстановления из оксидов или галогенидов. Для получения чистого хлорида лития карбонат лития подвергают реакции с хлороводородом. В процессе термического восстановления чистого металла из оксида с применением кремния или алюминия реакцию проводят при температурах свыше 1300 градусов Цельсия. При таких условиях литий переходит в парообразное состояние, что позволяет удалить его из зоны реакции, оставив остальные реагенты в расплаве. Для предотвращения реакций с кислородом и влагой воздуха готовый металлический литий хранят в герметично закрытых жестяных емкостях, погружая его в петролейный эфир, парафин, газолин или минеральное масло. Хранение в керосине или воде невозможно из-за низкой плотности металла, который всплывает на их поверхность.
Применение
Литий широко применяется в производстве химических источников тока, являясь ключевым компонентом анодов и электролитов в батареях и аккумуляторах. Потребление элемента в этой отрасли стремительно растет из-за глобального перехода автомобильной промышленности на электрические транспортные средства. Металл используется в качестве легирующего компонента при создании легких сплавов, таких как сплавы лития с алюминием, которые востребованы в авиации и космонавтике для облегчения конструкций. Литий находит применение в производстве термоэлектрических материалов, полупроводников, компонентов радиоэлектроники, а также материалов для лазеров и дефектоскопии. Соединения лития, в частности нитрат лития, применяются для окрашивания пламени в красный цвет. Изотопы лития играют важную роль в ядерной энергетике и производстве ядерного оружия. При облучении нейтронами изотопа литий-6 образуется радиоактивный тритий, который используется в термоядерных боеприпасах, а изотоп литий-7 применяется в ядерных реакторах. В медицине препараты на основе карбоната лития используются благодаря их успокаивающему действию и применяются для лечения различных психических расстройств, включая маниакально-депрессивный психоз. Биологическое значение лития для организма человека заключается в его участии в углеводном и жировом обменах. В микроскопических дозах элемент содержится в щитовидной железе, сердце, печени, лимфатических узлах и надпочечниках, где он поддерживает иммунную систему, предупреждает возникновение аллергических реакций и способствует снижению нервной возбудимости.