ЛИТИЙ

Содержание статьи

• Распространение лития в природе и его промышленное извлечение.
• Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического лития.
• Соединения лития.

ЛИТИЙ (Lithium) Li, химический элемент 1-й (Ia) группы Периодической системы, относится к щелочным элементам. Атомный номер 3, относительная атомная масса 6,941. Состоит из двух стабильных изотопов ⁶Li (7,52%) и ⁷Li (92,48%). Искусственным путем получены еще два изотопа лития: у ⁸Li период полураспада равен 0,841 с, а у ⁹Li 0,168 с.

Степень окисления +1.

Литий был открыт в 1817 шведским химиком и минералогом Августом Арфведсоном (Arfvedson August) (1792–1841), когда он работал в качестве ассистента в лаборатории Йёнса Якоба Берцелиуса. На основании химического анализа петалита (LiAlSi₄O₁₀) Арфведсон предположил, что в этом слоистом силикатном минерале есть некий щелочной элемент. Он отметил, что его соединения похожи на соединения натрия и калия, однако карбонат и гидроксид менее растворимы в воде. Арфведсон предложил для нового элемента название литий (от греческого liqoz – камень), указывающее на его происхождение. Он показал также, что этот элемент содержится в сподумене (силикатный пироксен) LiAlSi₂O₆ и в лепидолите (слюда), который имеет примерный состав K₂Li₃Al₄Si₇O₂₁(OH,F)₃.

В 1818 английский химик и физик Гемфри Дэви выделил металлический литий электролизом расплавленного гидроксида лития.

Распространение лития в природе и его промышленное извлечение.

Содержание лития в кристаллических горных породах составляет 1,8·10^–3% по массе, что косвенно отражает относительное малую распространенность элемента во Вселенной. На Земле он имеет почти такую же распространенность как галлий (1,9·10^–3%) и ниобий (2,0·10^–3%). Промышленные месторождения минералов лития есть на всех континентах. Наиболее важным минералом является сподумен, большие месторождения которого имеются в США, Канаде, Бразилии, Аргентине, странах СНГ, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве и Конго.

Почти всю мировую добычу минералов лития контролируют три главных компании – Sons of Gwalia (Австралия), Tanco (Канада) и Bikita Minerals (Зимбабве). Добыча минералов лития за период 1994–2000 увеличилась с 6300 до 11 900 т. в год. При этом 50% мировых мощностей по добыче сподумена, лепидолита и других литиевых минералов в последние годы простаивает. Таким образом, есть необходимые резервы для наращивания объемов выпуска литиевой продукции и дефицит лития потребителям не грозит.

Содержание лития в большинстве коммерческих руд составляет 1–3%. Оно может быть увеличено флотацией до 4–6%.

Для получения нужных соединений лития сподумен нагревают до ~1100° С, а затем промывают серной кислотой при 250° С и выщелачивают образовавшийся сульфат лития водой. Действием карбоната натрия или хлороводорода его переводят в карбонат или хлорид, соответственно. Другим способом хлорид может быть получен прокаливанием промытой руды с известняком (карбонатом кальция) при 1000° С с последующим выщелачиванием водой в виде гидроксида лития и действием хлороводорода. В США также широко используется добыча соединений лития из природных рассолов.

Потребление минералов лития распределяется следующим образом: 25% используют заводы по производству огнеупорных изделий, 20% идет в производство специальных сортов стекол, столько же – на изготовление керамических изделий и глазурей, 12% потребляет собственно химическая промышленность, 10% – металлургическая, 5% литиевых минералов используется в производстве стекловолокна и 8% идет на нужды других отраслей. К областям специального применения относится растущий рынок сегнетоэлектриков, таких как танталат лития, для модулирования лазерных лучей. Предполагается, что в будущем будет резко расти спрос на металл и его соли в производстве литиевых батарей, используемых в мобильных телефонах и переносных компьютерах (в 1990-х темпы роста составляли 20–30% в год). В то же время будет падать потребление карбоната лития в алюминиевой промышленности, где новые технологии вообще не предусматривают использование этой соли.

Характеристика простого вещества и промышленное получение металлического лития.

Литий – серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, тверже натрия, но мягче свинца. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой.

При комнатной температуре металлический литий имеет кубическую объемноцентрированную решетку (координационное число 8), которая при холодной обработке переходит в кубическую плотноупакованную решетку, где каждый атом, имеющий двойную кубооктаэдрическую координацию, окружен 12 другими. Ниже 78 К устойчивой кристаллической формой является гексагональная плотноупакованная структура, в которой каждый атом лития имеет 12 ближайших соседей, расположенных в вершинах кубооктаэдра.

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340° С, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см³).

В 1818 немецкий химик Леопольд Гмелин (Gmelin Leopold) (1788–1853) установил, что соли лития окрашивают бесцветное пламя в карминово-красный цвет.

Маленькие размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только ниже 380° С и не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием, в то время как другие пары щелочных металлов смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

В целом, литий менее реакционноспособен, чем его аналоги. В то же время он намного легче других щелочных металлов реагирует с азотом, углеродом, кремнием и этим напоминает магний. Литий легко вступает в прямую реакцию с азотом с образованием нитрида Li₃N (ни один другой щелочной металл не обладает этим свойством). Эта реакция, хотя и медленно, идет уже при комнатной температуре, а при 250° C ход ее значительно ускоряется. При сжигании литий образует оксид Li₂O (с примесью пероксида Li₂O₂),

С водой литий реагирует с образованием гидроксида и выделением водорода. Литий растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор с металлической проводимостью. Если сравнить молярные отношения, то он почти на 50% более растворим, чем натрий (15,66 и 10,93 моль на килограмм NH₃, соответственно). В таком растворе литий медленно реагирует с аммиаком с выделением водорода и образованием амида LiNH₂.

Потенциал восстановления для лития (–3,045 В) на первый взгляд кажется аномальным, так как он ниже, чем у других щелочных элементов. Это связано с тем, что катиону лития, имеющему наименьший радиус, соответствует максимальная энергия гидратации, что делает образование гидратированного катиона энергетически более выгодным по сравнению с другими щелочными металлами.

В значительных количествах металлический литий первыми выделили в 1855 (независимо друг от друга) немецкий химик Роберт Бунзен и англичанин О.Матиссен. Как и Дэви, они получали литий электролизом, только электролитом в их опытах служил расплав хлорида лития. Первое промышленное производство лития было налажено в Германии в 1923. Металлический литий и сейчас получают электролизом расплавленной смеси 55% хлорида лития и 45% хлорида калия при ~450° С. Выделяющийся на аноде хлор – ценный побочный продукт.

Для получения лития иногда применяют и восстановление другими элементами, образующими устойчивые оксиды:

2Li₂O + Si = SiO₂ + 4Li

Сегодня в мире производится более 1000 т лития в год.

Металлический литий был впервые использован в коммерческих целях в 1920-е в виде сплава со свинцом для изготовления подшипников. Сейчас он применяется в производстве высокопрочных легких алюминиевых сплавов для строительства самолетов. С магнием литий образует чрезвычайно легкие сплавы, используемые для изготовления бронированных пластин и элементов космических объектов. Например, сплав, содержащий 14% лития, 1% алюминия и 85% магния, имеет плотность 1,35 г см^–3.

Литий стал эффективным средством для удаления из расплавленных металлов растворенных в них газов. Небольшими добавками лития легируют чугун, бронзы, монель-металл (сплав, выплавляемый из медно-никелевых руд), а также сплавы на основе магния, алюминия, цинка, свинца и некоторых других металлов.

Мелкодисперсный элементарный литий намного ускоряет реакцию полимеризации изопрена. Расплавленный металлический литий-7, имеющий малое сечение захвата тепловых нейтронов, используется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах.

В будущем, возможно, перспективными источниками электроэнергии станут системы из батарей Li/FeS_x. Эти батареи похожи на обычные свинцовые кислотные батареи наличием твердых электродов (отрицательный из сплава Li/Si, положительный из FeS_x) и жидкого электролита (расплав LiCl/KCl при 400° С).

Соединения лития.

Литий большее сходен с магнием, чем со своими соседями по группе. Эта так называемая диагональная периодичность является следствием близости ионных радиусов элементов: R(Li⁺) 76 пм, R(Mg²⁺) 72 пм; для сравнения R(Na⁺) 102 пм. Арфведсон первым отметил при открытии лития как нового элемента, что его гидроксид и карбонат значительно менее растворимы, чем соответствующие соединения натрия и калия, и что карбонат (подобно карбонату магния) легче разлагается при нагревании. Подобным образом, фторид лития (как и фторид магния) гораздо менее растворим в воде, чем фториды других щелочных элементов. Это связано с высокой энергией кристаллической решетки, образованной катионами и анионами малых размеров. Напротив, соли лития с большими неполяризуемыми анионами, такими как перхлорат-ион, значительно более растворимы, чем соли других щелочных элементов, вероятно, из-за высокой энергии сольватации катиона лития. По той же причинам безводные соли очень гигроскопичны.

Соли лития склонны к образованию гидратов, обычно тригидратов, например LiX·3H₂O (X = Cl, Br, I, ClO₃, ClO₄, MnO₄, NO₃, BF₄ и т.д.). В большинстве этих соединений литий координирует шесть молекул Н₂О, образуя цепочки из октаэдров с общими гранями. Сульфат лития, в отличие от сульфатов других щелочных элементов, не образует квасцы, так как гидратированный катион лития слишком мал, чтобы занять соответствующее место в структуре квасцов.

Оксид лития Li₂O – единственный среди оксидов щелочных элементов, образующихся в качестве основного продукта при нагревании металла выше 200° С (на воздухе). Его получают и прокаливанием нитрата при 600° С (в присутствии меди):

4LiNO₃ = 2Li₂O + 4NO₂ + O₂

Он образуется при нагревании нитрита лития выше 190° С или карбоната лития выше 700° С в токе высушенного водорода.

Оксид лития добавляют к смесям реагентов при твердофазном синтезе двойных и тройных оксидов для понижения температуры процесса. Он является компонентом рентгенопрозрачных стекол и стекол с небольшим температурным коэффициентом линейного расширения. Оксид лития добавляют в глазури и эмали. Он повышает их химическую и термическую стойкость и прочность, снижает вязкость расплавов.

Пероксид лития Li₂O₂ в промышленности получают реакцией LiOH·H₂O с пероксидом водорода с последующей дегидратацией гидропероксида острожным нагреванием при пониженном давлении. Это белое кристаллическое вещество разлагается до оксида лития при нагревании выше 195° С. Его используют в космических аппаратах для получения кислорода:

2Li₂O₂ + 2CO₂ = 2Li₂CO₃ +O₂

Гидроксид лития LiOH плавится при 470° С, при более высокой температуре испаряется и частично диссоциирует на оксид лития и воду:

2LiOH = Li₂O + H₂O

В парах при 820–870° С содержится 90% димера (LiOH)₂.

Растворимость гидроксида лития в воде составляет 12,48 г на 100 г при 25° С. При выпаривании водных растворов гидроксида лития образуется моногидрат, который легко теряет воду при нагревании в инертной атмосфере или при пониженном давлении.

Гидроксид лития используется в производстве смазок на основе стеарата лития и для поглощения диоксида углерода в закрытых помещениях, например, в космических кораблях и на подводных лодках. Его преимущество по сравнению с другими щелочами – малая атомная масса. Добавка гидроксида лития к электролиту щелочных аккумуляторов примерно на одну пятую увеличивает их емкость и в 2–3 раза – срок службы.

Карбонат лития Li₂CO₃ – наиболее промышленно важное соединение лития и исходное вещество для получения большинства других его соединений. В отличие от других солей лития, Li₂CO₃ является безводным. Он мало растворим в воде, причем растворимость карбоната лития понижается с повышением температуры. При 25° С она равна 1,27 г на 100 г воды, а при 75° С – 0,85 г на 100 г воды.

Термическая устойчивость карбоната лития существенно ниже, чем аналогичных соединений других щелочных элементов. Выше температуры плавления (732° С) он разлагается:

Li₂CO₃ = Li₂O + CO₂

Карбонат лития используется в качестве флюса при нанесении фарфоровой эмали и в производстве специальных закаленных стекол, при этом ионы лития замещают более крупные ионы натрия. Соединение лития либо вводят в состав стеклянной шихты, либо натриевое стекло обрабатывают расплавом солей, содержащих ионы лития, чтобы вызвать обмен катионов на его поверхности.

Еще одна область применения карбоната лития – в производстве алюминия. Он на 7–10% увеличивает качество продукции за счет снижение температуры плавления электролита и увеличения силы тока. Кроме того, на 25–50% уменьшается нежелательное выделение фтора.

В 1949 было обнаружено, что небольшие (1–2 г) дозы карбоната лития при приеме через рот приводят к эффективному воздействию на маниакально-депрессивные психозы. Механизм воздействия еще не совсем понятен, однако побочные явления пока не обнаружены. Такие дозы поддерживают концентрацию лития в крови около 1 ммоль л^–1, и его действие может быть связано с влиянием лития на баланс Na/K и (или) Mg/Ca.

Нитрат лития LiNO₃ гигроскопичен и хорошо растворим в воде (45,8 масс. % при 25° С, то есть 6,64 моль л^–1). Из водных растворов кристаллизуется в виде тригидрата.

Нитрат лития используется в виде низкотемпературных расплавов в лабораторных термостатах. Например смесь LiNO₃:KNO₃ (1:1) плавится при 125° С. Кроме того, нитрат лития применяют в пиротехнических смесях.

Фторид лития LiF мало растворим в воде (1,33 г/л при 25° С). Его получают взаимодействием гидроксида лития или солей лития с фтороводородом, фторидом аммония, гидродифторидом аммония или их водными растворами.

Еще в прошлом веке это вещество начали применять в металлургии как компонент многих флюсов. Фторид лития обладает термолюминесцентными свойствами. Он используется в рентгеновской и g-дозиметрии. Кристаллы фтористого лития, прозрачные для ультракоротких волн длиной до 100 нм, применяют в производстве оптических приборов, кроме того, фторид лития является компонентом электролитов при получении алюминия и фтора. Он входит в состав эмалей, глазурей, керамики, люминофоров и лазерных материалов.

Для атомной техники важно моноизотопное соединение пития – ⁷LiF, применяемое для растворения соединений урана и тория непосредственно в реакторах.

Хлорид лития LiCl хорошо растворим в воде (84,67 г на 100 г при 25° С) и многих органических растворителях. Большое сродство к воде служит основой для широкого применения рассолов хлорида (и бромида) лития в осушителях и воздушных кондиционерах.

Хлорид лития является сырьем для получения металлического лития. Другая область применения этого соединения – в качестве флюса при пайке алюминиевых частей автомобиля. Его используют и в производстве флотационных жидкостей, как катализатор органического синтеза. Хлорид лития служит средством против обледенения самолетов. Он является твердым электролитом в химических источниках тока для имплантированных кардиостимуляторов.

Гидрид лития LiH получают взаимодействием расплавленного лития с водородом при 630–730° С в сосуде из железа, не содержащего углерод. Он образует бесцветные кристаллы с кубической решеткой типа хлорида натрия. Гидрид лития имеет плотность 0,776 г/см³, температуру плавления 692° С (в инертной атмосфере). При электролизе в расплаве проводит электрический ток с выделением водорода на аноде. Под действием электромагнитного излучения в видимой, ультрафиолетовой или рентгеновской области окрашивается в голубой цвет благодаря образованию коллоидного раствора лития в гидриде лития.

Гидрид лития относительно устойчив в сухом воздухе, быстро гидролизуется парами воды. Реагирует с водой, кислотами и спиртами с выделением водорода. Из 1 кг гидрида лития можно получить 2,82 м³ этого газа. Гидрид лития используется для получения водорода, которым наполняют метеорологические шары-зонды в полевых условиях. Кроме того, он служит восстановителем в органическом синтезе, а также для получения бороводородов, алюмогдидрида лития LiAlH₄ и других гидридных соединений.

Дейтерид лития-6 применяется в термоядерном оружии. Будучи твердым веществом, он позволяет хранить дейтерий при плюсовых температурах, кроме того, второй его компонент (литий-6) – это единственный промышленный источник получения трития:

6₃Li +¹₀n ®3₁H + ⁴₂He

Стеарат лития Li(C₁₇H₃₅COO) легко образуется из гидроксида лития и животного или другого природного жира, применяется как загуститель и желирующий агент при превращении масел в консистентные смазки. Эти многоцелевые смазки сочетают высокую устойчивость к действию воды, хорошие свойства при низких температурах (–20° С) и отличную стабильность при высоких температурах (более 150° С). Они занимают почти половину общего рынка автомобильных смазок в США.

Комплексные соединения. Из всех щелочных элементов литий наиболее склонен к образованию комплексов, образует стабильный комплекс с ЭДТА (натриевой солью этилендиаминтетрауксусной кислоты). Устойчивыми являются комплексы лития с краун-эфирами.

Литиеорганические соединения легко получаются непосредственным взаимодействием лития с алкилгалогенидами (обычно используют хлориды) в петролейном эфире, циклогексане, бензоле или диэтиловом эфире:

2Li + RX ® LiR + LiX

Из-за высокой химической активности как реагентов, так и продуктов реакции нужно использовать инертную атмосферу, исключающую воздух и влагу. Выход продукта существенно увеличивается в присутствии 0,5–1% натрия в металлическом литии. Арильные производные лития получают из бутиллития (LiBu) и арилиодида:

LiBu + ArI ® LiAr + BuI

Наиболее удобный путь для получения винильных, аллильных и других ненасыщенных производных – реакция фениллития с тетравинилоловом:

4LiPh + Sn(CH=CH₂)₄® 4LiCH=CH₂ + SnPh₄

Если важнее выделить продукт реакции, чем использовать его в дальнейшем синтезе, используют реакцию между избытком лития и ртутьорганическим соединением:

2Li + HgR₂® 2LiR + Hg

Литиеорганические соединения термически неустойчивы, и большинство из них постепенно разлагается до гидрида лития и алкена при комнатной или более высокой температуре. Среди наиболее устойчивых соединений – бесцветные кристаллические LiСН₃ (разлагается выше 200° С) и LiС₄Н₉ (разлагается в небольшой степени при выдерживании в течение нескольких дней при 100° С). Обычно алкильные производные лития имеют тетрамерное или гексамерное строение.

Металлоорганические соединения лития (в частности, LiСН₃ и LiС₄Н₉) являются ценными реактивами. Последние десятилетия они все более используются в промышленном и лабораторном органическом синтезе. Ежегодное производство одного только LiС₄Н₉ подскочило от нескольких килограммов до 1000 т. В большом количестве он применяется как катализатор полимеризации, алкилирующий агент и предшественник металлированных органических реагентов. Многие синтезы, подобные реакциям с участием реактивов Гриньяра, имеют явные преимущества по сравнению с ними по скорости реакции, отсутствию усложняющих процесс побочных реакций или удобству работы.

В реакциях литиеорганических соединений с алкилиодидами или, что более полезно, с карбонилами металлов образуются новые связи С–С. В последнем случае продуктами являются альдегиды или кетоны. Термическое разложение LiR приводит к удалению b-водородного атома с образованием олефина и LiH, этот процесс промышленно значим для получения алкенов с длинной концевой цепью. Арилпроизводные лития в неполярных растворителях дают карбоновые кислоты с диоксидом углерода и третичные спирты – с ароматическими кетонами. Литиеорганические соединения являются также ценными реагентами в синтезе других металлоорганических соединений путем обмена металл – галоген.

Наиболее ионными из металлоорганических соединений лития являются карбиды, образующиеся при взаимодействии лития с алкинами в жидком аммиаке. Самая крупная область промышленного применения LiHC₂ – производство витамина А. Он влияет на этинилирование метилвинилкетона, приводящего к образованию ключевого промежуточного карбинольного соединения.

Елена Савинкина