ЛИТИЙ: ИСТОРИЯ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, РИСКОВЕ И ПРИЛОЖЕНИЯ - ХИМИЯ - 2025

На литий е метален елемент, чиято химична символ е Li и атомен номер 3. Това е третият елемент на периодичната таблица и води група 1 на алкални метали. От всички метали той е този с най-ниска плътност и най-висока специфична топлина. Толкова е леко, че може да плава по вода.

Името му произлиза от гръцката дума „lithos“, която означава камък. Те са му дали това име, тъй като е открит именно като част от някои минерали в магматични скали. В допълнение, той показа характерни свойства, подобни на тези на металите натрий и калций, които бяха открити в растителната пепел.

Метални литиеви части, покрити с нитриден слой, съхраняван в аргон. Източник: Hi-Res изображения на химически елементи

Той има един валентен електрон, който го губи, за да се превърне в катион Li ⁺ в повечето си реакции; или чрез споделянето му в ковалентна връзка с въглерод, Li-C в органолитиеви съединения (като алкил литий).

Появата му, подобно на много други метали, е от сребристо твърдо вещество, което може да стане сивкаво, ако е изложено на влага. Той може да проявява черни слоеве (горно изображение), когато реагира с азот във въздуха и образува нитрид.

Химически той е идентичен с неговите конгенери (Na, K, Rb, Cs, Fr), но по-малко реактивен, тъй като единичният му електрон изпитва много по-голяма сила на привличане поради по-близост до него, както и поради лошия скринингов ефект на двата му вътрешни електрони. От своя страна той реагира така, както магнезият се дължи на пристрастия ефект.

В лабораторията литиевите соли могат да бъдат идентифицирани чрез нагряването им в запалка; появата на интензивен пурпурен пламък ще потвърди присъствието му. Всъщност той често се използва в учебни лаборатории за аналитични писти.

Приложенията му варират от използването като добавка за керамика, стъкла, сплави или леярски смеси, до охлаждаща среда и дизайн на високоефективни и малки батерии; макар и експлозивен, имайки предвид реактивния характер на лития. Това е металът с най-голяма склонност към окисляване и, следователно, този, който се отказва от своя електрон най-лесно.

история

откритие

Първата поява на литий във Вселената датира далеч, няколко минути след Големия взрив, когато ядрата на водород и хелий се сливат. Въпреки това, земно, беше нужно време на човечеството да го определи като химичен елемент.

Това беше през 1800 г., когато бразилският учен Хосе Бонифачо де Андрада и Силва откри минералите spodumene и петалит на шведския остров Utö. С това той беше намерил първите официални източници на литий, но все още нищо не се знаеше за него.

През 1817 г. шведският химик Йохан Август Арфвидсън успява да изолира от тези два минерала сулфатна сол, която съдържа елемент, различен от калций или натрий. Дотогава Август Йохан работеше в лабораториите на известния шведски химик Йонс Якоб Берзелиус.

Именно Берзелий нарече този нов елемент, продукт на своите наблюдения и експерименти, „литос“, което на гръцки означава камък. По този начин литият най-накрая може да бъде разпознат като нов елемент, но все пак е необходимо да се изолира.

Изолация

Само година по-късно, през 1821 г., Уилям Томас Бранде и сър Хъмфри Дейви успяват да изолират лития като метал, прилагайки електролиза върху литиев оксид. Макар и в много малки количества, те бяха достатъчни, за да наблюдават неговата реактивност.

През 1854 г. Робърт Вилхелм Бунсен и Август Матиесен успяват да произвеждат литиев метал в по-големи количества от електролизата на литиев хлорид. Оттук започна производството и търговията и търсенето ще расте, тъй като в резултат на уникалните му свойства бяха открити нови технологични приложения.

Структура и електронна конфигурация

Кристалната структура на металния литий е в центъра на тялото кубична (bcc). От всички компактни кубични конструкции това е най-малко плътно и съответства на характеристиката му като най-лекия и най-малко плътен метал от всички.

В него атомите на Ли са заобиколени от осем съседи; тоест, Li е в центъра на куба, с четири Li в горната и долната част в ъглите. Тази bcc фаза също се нарича α-Li (въпреки че това име очевидно не е много широко разпространено).

Фази

Подобно на по-голямата част от твърдите метали или съединения, те могат да претърпят фазови преходи, когато изпитват промени в температурата или налягането; стига да не са основани. По този начин литият кристализира с ромбоедрална структура при много ниски температури (4,2 K). Li атомите са почти замръзнали и вибрират по-малко в своите позиции.

Когато налягането се повиши, той придобива по-компактни шестоъгълни структури; и увеличавайки се още повече, литият претърпява други преходи, които не са напълно характеризирани с рентгенова дифракция.

Следователно, свойствата на този „сгъстен литий“ все още се изучават. По същия начин, все още не е разбрано как трите му електрона, единият от които е валентност, се намесват в поведението му като полупроводник или метал при тези условия на високо налягане.

Три електрона вместо един

Любопитно изглежда, че в този момент литият остава „непрозрачна книга“ за тези, които се занимават с кристалографски анализ.

Това е така, защото, въпреки че електронната конфигурация е 2s ¹, с толкова малко електрони той трудно може да взаимодейства с излъчването, приложено за изясняване на неговите метални кристали.

Освен това е теоретично, че орбиталите 1s и 2s се припокриват при високи налягания. Тоест, както вътрешните електрони (1s ²), така и валентните електрони (2s ¹) управляват електронните и оптичните свойства на лития в тези супер компактни фази.

Окислително число

Като каза, че електронната конфигурация на лития е 2s ¹, той може да загуби един единствен електрон; другите две от вътрешната орбитала 1s ² ще изискват много енергия, за да се отстранят.

Следователно литият участва в почти всички свои съединения (неорганични или органични) с окислително число +1. Това означава, че в своите връзки, Li-E, където E става всеки елемент, се предполага съществуването на катиона Li ⁺ (независимо дали тази връзка е йонна или ковалентна в действителност).

Окислителното число -1 е малко вероятно за литий, тъй като би трябвало да се свърже с елемент, много по-малко електроотрицателен от него; факт, че само по себе си е трудно този метал да е много електропозитивен.

Това отрицателно число окисляване би представлявало 2s ² електронен конфигурация (да получат един електрон), и също така ще бъде изоелектронен да берилий. Сега съществуването на Li ^- анион ще се приеме, и неговите производни соли ще бъдат наричани lithuros.

Поради големия си окислителен потенциал, неговите съединения съдържат най-вече катион Li ⁺, който, тъй като е толкова малък, може да упражнява поляризиращ ефект върху обемистите аниони, като образува ковалентни връзки на Li-E.

Имоти

Пурпурният пламък на литиевите съединения. Източник: Antti T. Nissinen (https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964)

Външен вид

Сребристобял метал с гладка текстура, чиято повърхност става сивкава, когато се окислява или потъмнява, когато реагира директно с азот във въздуха, за да образува съответния нитрид. Толкова е леко, че плава във вода или масло.

Той е толкова гладък, че дори може да се нарязва с нож или дори с ноктите, което изобщо не би било препоръчително.

Моларна маса

6.941 g / mol.

Точка на топене

180,50 ° C.

Точка на кипене

1330 ° C.

плътност

0,534 g / mL при 25 ° С.

разтворимост

Да, той плава във вода, но веднага започва да реагира с него. Той е разтворим в амоняк, където когато се разтваря, неговите електрони се солват да произвеждат сини цветове.

Парно налягане

0,818 mm Hg при 727 ° C; това означава, че дори при високи температури атомите му едва могат да излязат в газовата фаза.

Електроотрицателност

0,98 по скалата на Полинг.

Йонизационни енергии

Първо: 520,2 kJ / mol

Второ: 7298.1 kJ / mol

Трето: 11815 kJ / mol

Тези стойности съответстват на енергиите, необходими за получаване на газообразните йони Li ⁺, Li ²⁺ и Li ³⁺, съответно.

Температура на самозапалване

179 ° С.

Повърхностно напрежение

398 mN / m в точката на топене.

вискозитет

В течно състояние е по-малко вискозен от водата.

Топлина от синтез

3,00 kJ / mol.

Топлина от изпаряване

136 kJ / mol.

Моларен топлинен капацитет

24 860 J / mol · K. Тази стойност е изключително висока; най-високият от всички елементи.

Mohs твърдост

0.6

Изотопи

В природата литият се среща под формата на два изотопа: ⁶ Li и ⁷ Li. Атомната маса 6.941 u само показва кое от двете е най-голямото: ⁷ Li. Последният представлява около 92,4% от всички литиеви атоми; докато ⁶ Li, около 7,6% от тях.

При живите същества организмът предпочита ⁷ Li до ⁶ Li; Въпреки това, в минералогичните матрици изотопът на ⁶ Li се приема по-добре и следователно процентът му на изобилие се увеличава над 7,6%.

реактивност

Въпреки че е по-малко реактивен от другите алкални метали, той все още е доста активен метал, така че не може да бъде изложен на атмосферата, без да се подложи на окисляване. В зависимост от условията (температура и налягане), той реагира с всички газообразни елементи: водород, хлор, кислород, азот; и с твърди вещества като фосфор и сяра.

номенклатура

За литиевия метал няма други имена. Що се отнася до неговите съединения, голяма част от тях са наименовани според систематичните, традиционните или стоковите номенклатури. Окислителното му състояние от +1 е практически непроменено, така че в номенклатурата на запасите (I) не се пише в края на името.

Примери

Например, помислете за съединенията Li ₂ O и Li ₃ N.

Li ₂ O получава следните имена:

- Литиев оксид, съгласно номенклатурата на запасите

- Литичен оксид, съгласно традиционната номенклатура

- Дилитиев моноксид, съгласно системната номенклатура

Докато Li ₃ N се нарича:

- Литиев нитрид, номенклатура на запасите

- Литичен нитрид, традиционна номенклатура

- Трилитиев мононитрид, систематична номенклатура

Биологична роля

Доколко литият може или не може да бъде от съществено значение за организмите е неизвестен. По същия начин механизмите, чрез които може да се метаболизира, са несигурни и все още се изучават.

Следователно не е известно какви положителни ефекти може да има диета, „богата“ на литий; въпреки че може да се намери във всички тъкани на тялото; особено в бъбреците.

Регулатор на нивата на сератонин

Известен е фармакологичният ефект на някои литиеви соли върху организма, особено върху мозъка или нервната система. Например, той регулира нивата на серотонин, молекула, отговорна за химичните аспекти на щастието. Това каза, че не е рядкост да се мисли, че това променя или променя настроенията на пациентите, които ги консумират.

Те обаче съветват да не консумирате литий заедно с лекарства, които се борят с депресията, тъй като има риск от повишаване на серотонина твърде много.

Той не само помага в борбата с депресията, но също така биполярни и шизофренични разстройства, както и други възможни неврологични разстройства.

дефицит

Посредством спекулации се подозира, че хората с диети, бедни на литий, са по-склонни към депресия или да се самоубият или убият. Официално обаче ефектите от неговия дефицит остават неизвестни.

Къде да намерите и производство

Литият не може да бъде открит в земната кора, още по-малко в моретата или атмосферата, в чистото му състояние, като лъскав бял метал. Вместо това той е претърпял трансформации през милиони години, които са го позиционирали като йон Li ⁺ (главно) в определени минерали и скални групи.

Смята се, че концентрацията му в земната кора варира между 20 и 70 ppm (част на милион), което е еквивалентно на приблизително 0,0004% от нея. Докато е в морски води, концентрацията му е от порядъка на 0,14 и 0,25 ppm; тоест литият е по-изобилен от камъни и минерали, отколкото в саламури или морски дъна.

полезни изкопаеми

Spodumene кварц, един от естествените източници на литий. Източник: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Минералите, в които се намира този метал, са следните:

- Spodumene, LIAL (SiO ₃) ₂

- Петалит, LiAlSi ₄ O ₁₀

- Лепидолит, K (Li, Al, Rb) ₂ (Al, Si) ₄ O ₁₀ (F, OH) ₂

Тези три минерала имат общо, че са литиеви алумосиликати. Съществуват и други минерали, при които металът също може да бъде извлечен, като амглигонит, елбаит, трилипит, евкриптит или хекторитни глини. Сподуменът обаче е минералът, от който се произвежда най-голямото количество литий. Тези минерали съставляват някои магматични скали като гранит или пегматит.

Морски води

По отношение на морето, той се извлича от саламури като литиев хлорид, хидроксид или карбонат, LiCl, LiOH и Li ₂ CO ₃, съответно. По същия начин може да се получи от езера или лагуни, или в различни находища на саламура.

Като цяло литият е на 25-о място по изобилие от елементи на Земята, което корелира добре с ниската му концентрация както в сушата, така и във водата и поради това се счита за сравнително рядък елемент.

Звезди

Литият се намира в младите звезди в по-голямо изобилие, отколкото в по-старите звезди.

За да се получи или произведе този метал в чисто състояние, има две възможности (игнориране на икономическите или рентабилните аспекти): извличане на него чрез минно действие или събиране в саламури. Последният е преобладаващият източник в производството на метален литий.

Производство на метален литий чрез електролиза

От саламурата се получава разтопена смес от LiCl, която след това може да бъде подложена на електролиза, за да се раздели солта на нейните елементарни компоненти:

LiCl (l) → Li (s) + 1/2 Cl ₂ (g)

Докато минералите се усвояват в кисела среда, за да получат своите Li ⁺ йони след процеси на разделяне и пречистване.

Чили е позициониран като най-големият производител на литий в света, получавайки го от солта на Атакама. На същия континент следва Аржентина, държава, която извлича LiCl от Salar del Hombre Muerto и накрая - Боливия. Австралия обаче е най-големият производител на литий чрез експлоатация на сподумен.

реакции

Най-известната реакция на литий е тази, която възниква при контакт с вода:

2Li (и) + 2Н ₂ O (л) → 2LiOH (вод) + Н ₂ (г)

LiOH е литиев хидроксид и, както се вижда, той произвежда водороден газ.

Реагира с газообразен кислород и азот, за да образува следните продукти:

4Li (s) + O ₂ (g) → 2Li ₂ O (s)

2Li (s) + O ₂ (g) → 2Li ₂ O ₂ (s)

Li ₂ O е литиев оксид, който има тенденция да се образува отгоре на Li ₂ O ₂, пероксида.

6Li (s) + N ₂ (g) → 2Li ₃ N (s)

Литият е единственият алкален метал, способен да реагира с азот и да причинява този нитрид. Във всички тези съединения може да се предположи съществуването на катиона Li ⁺, участващ в йонни връзки с ковалентен характер (или обратно).

Също така може да реагира директно и енергично с халогени:

2Li (s) + F ₂ (g) → LiF (s)

Също така реагира с киселини:

2Li (s) + 2HCl (конц) → 2LiCl (aq) + H ₂ (g)

3Li (s) + 4HNO ₃ (разредено) → 3LiNO ₃ (aq) + NO (g) + 2H ₂ O (l)

Съединенията LiF, LiCl и LiNO ₃ са литиев флуорид, хлорид и нитрат, съответно.

А по отношение на неговите органични съединения, най-известният е литиев бутил:

2 Li + C ₄ H ₉ X → C ₄ H ₉ Li + LiX

Когато X е халогенен атом и С, ₄ Н ₉ X е алкилхалогенид.

Рискове

Чист метал

Литият реагира бурно с вода и може да реагира с влагата върху кожата. Ето защо, ако някой се справи с голи ръце, той ще получи изгаряне. И ако е гранулирана или в прахообразна форма, тя се запалва при стайна температура, като по този начин представлява опасност от пожар.

За боравене с този метал трябва да се използват ръкавици и предпазни очила, тъй като минималният контакт с очите може да причини силно дразнене.

Ако се вдиша, ефектите могат да бъдат още по-лоши, изгаряне на дихателните пътища и причиняване на белодробен оток поради вътрешното образуване на LiOH, каустично вещество.

Този метал трябва да се съхранява потопен в масло или в суха атмосфера и по-инертен от азот; например в аргон, както е показано на първото изображение.

Съединения

Съединенията, получени от лития, особено неговите соли, като карбонат или цитрат, са много по-безопасни. Това стига хората, които ги приемат, да спазват показанията, предписани от техните лекари.

Някои от многото нежелани ефекти, които може да предизвика при пациенти, са: диария, гадене, умора, виене на свят, замаяност, треперене, прекомерно уриниране, жажда и наддаване на тегло.

Ефектите могат да бъдат още по-сериозни при бременни жени, засягащи здравето на плода или увеличаващи се вродени дефекти. По същия начин приемът му не се препоръчва при кърмещи майки, тъй като литият може да премине от мляко в бебето и от там да се развият всякакви аномалии или негативни ефекти.

Приложения

Най-известните приложения за този метал на популярно ниво са в областта на медицината. Той обаче има приложение и в други области, особено при съхранение на енергия чрез използване на батерии.

металургия

Литиевите соли, по-специално Li ₂ CO ₃, служат като добавка в леярските процеси за различни цели:

-Degass

-Desulfurizes

-Определя зърната на цветните метали

-Увеличава течливостта на шлаките на леярските форми

-Намалява температурата на топене в алуминиевите отливки благодарение на високата си специфична топлина.

Organometallic

Алкил литиевите съединения се използват за алкилиране (добавяне на R странични вериги) или арилар (добавяне на Ar ароматни групи) молекулни структури. Те се открояват с добрата си разтворимост в органични разтворители и не са толкова реактивни в реакционната среда; следователно, той служи като реагенти или катализатори за множество органични синтези.

смазочни материали

Литиев стеарат (продукт на реакцията между грес и LiOH) се добавя към маслото, за да се създаде смазваща смес.

Тази литиева смазка е устойчива на високи температури, не се втвърдява при охлаждане и е инертна на кислород и вода. Следователно той намира приложение във военни, космически, промишлени, автомобилни и др. Приложения.

Керамична и стъклена добавка

Чашите или керамика, които са лекувани с Li ₂ О придобиват по-ниски вискозитети когато разтопи и по-голяма устойчивост на термично разширение. Например, кухненските съдове са направени от тези материали, а стъклото Pyrex също има това съединение в състава си.

сплави

Понеже е толкова лек метал, толкова са и неговите сплави; сред тях тези от алуминий-литий. Когато се добавя като добавка, това не само им дава по-малко тегло, но и по-голяма устойчивост на високи температури.

охладителен

Високата му специфична топлина го прави идеален да се използва като хладилен агент в процеси, при които се отделя много топлина; например в ядрени реактори. Това е така, защото "струва" да повиши температурата си и следователно не позволява топлината лесно да се излъчва навън.

Батерии

И най-обещаващата употреба от всички е на пазара на литиево-йонни батерии. Те се възползват от лекотата, с която литият се окислява до Li ^{+, за} да използва освободения електрон и да активира външна верига. По този начин, електродите са или направени от метален литий, или от негови сплави, където Li ⁺ може да се преплита и да преминава през електролитичния материал.

Като последно любопитство музикалната група Evanescense посвети песен със заглавие „Lithium“ на този минерал.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Лоурънс Ливърмор Национална лаборатория. (23 юни 2017 г.). Надникване към кристалната структура на лития. Възстановено от: phys.org
3. Ф. Дегтярева. (SF). Сложни структури от плътен литий: електронен произход. Институт по физика на твърдото тяло РАН, Черноголовка, Русия.
4. Advameg, Inc. (2019). Литиево. Възстановена от: chemistryexplained.com
5. Национален център за информация за биотехнологиите. (2019). Литиево. PubChem база данни. CID = 3028194. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Ерик Ейсън. (30 ноември 2010 г.). Световна доставка на литий Възстановено от: large.stanford.edu
7. Wietelmann, U., & Klett, J. (2018). 200 години литий и 100 години органиолитиева химия. Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie, 644 (4), 194–204. doi: 10.1002 / zaac.201700394