Литий - Lithium

Литий,  3 Li
Литиевый парафин.jpg
Литий в масле
Литий
Произношение / Л ɪ & thetas ; я ə м / ( LITH -ее-əm )
Появление серебристо-белый
Стандартный атомный вес A r, std (Li) [6,9386.997 ] условный: 6,94
Литий в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
H

Li

Na
гелийлитийбериллий
Атомный номер ( Z ) 3
Группа группа 1: водород и щелочные металлы
Период период 2
Блокировать   s-блок
Электронная конфигурация [ He ] 2s 1
Электронов на оболочку 2, 1
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 453,65  К (180,50 ° С, 356,90 ° F)
Точка кипения 1603 К (1330 ° С, 2426 ° F)
Плотность (около  rt ) 0,534 г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. ) 0,512 г / см 3
Критическая точка 3220 К, 67 МПа (экстраполировано)
Теплота плавления 3,00  кДж / моль
Теплота испарения 136 кДж / моль
Молярная теплоемкость 24,860 Дж / (моль · К)
Давление газа
P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс.
при  T  (K) 797 885 995 1144 1337 1610
Атомные свойства
Состояния окисления +1 (сильно основной оксид)
Электроотрицательность Шкала Полинга: 0,98
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 152  пм
Ковалентный радиус 128 ± 19 часов
Радиус Ван-дер-Ваальса 182 вечера
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии лития
Прочие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура объемно-центрированной кубической (ОЦК)
Объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура лития
Скорость звука тонкого стержня 6000 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение 46 мкм / (м⋅K) (при 25 ° C)
Теплопроводность 84,8 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление 92,8 нОм⋅м (при 20 ° C)
Магнитный заказ парамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость +14,2 × 10 -6  см 3 / моль (298 К)
Модуль для младших 4,9 ГПа
Модуль сдвига 4,2 ГПа
Объемный модуль 11 ГПа
Твердость по шкале Мооса 0,6
Твердость по Бринеллю 5 МПа
Количество CAS 7439-93-2
История
Открытие Йохан Август Арфведсон (1817)
Первая изоляция Уильям Томас Бранде (1821)
Основные изотопы лития
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
6 Ли 7,59% стабильный
7 Ли 92,41% стабильный
Категория Категория: Литий
| использованная литература

Литий (от греческого : λίθος , латинизированныйlithos , букв. «Камень») - химический элемент с символом Li и атомным номером  3. Это мягкий серебристо-белый щелочной металл . В стандартных условиях это самый легкий металл и самый легкий твердый элемент. Как и все щелочные металлы, литий обладает высокой реакционной способностью и легковоспламеняем, поэтому его необходимо хранить в вакууме, в инертной атмосфере или в инертной жидкости, такой как очищенный керосин или минеральное масло. В разрезе он имеет металлический блеск , но влажный воздух быстро разъедает его до тускло-серебристо-серого, а затем и черного тусклого налета. Он никогда не встречается в природе свободно, а только в (обычно ионных) соединениях , таких как пегматитовые минералы, которые когда-то были основным источником лития. Благодаря своей растворимости в виде иона он присутствует в океанской воде и обычно получается из рассолов . Металлический литий выделяют электролитически из смеси хлорида лития и хлорида калия .

Ядро атома лития граничащих на нестабильности, так как две устойчивой литию изотопов в природе имеет один из самых низких энергий связи на нуклон всех стабильных нуклидов . Из-за относительной ядерной нестабильности литий менее распространен в Солнечной системе, чем 25 из первых 32 химических элементов, хотя его ядра очень легкие: это исключение из тенденции, согласно которой более тяжелые ядра встречаются реже. По связанным причинам литий имеет важное применение в ядерной физике . Превращение атомов литии в гелии в 1932 году была первым полностью техногенная ядерной реакцией и лития дейтерид служит в качестве слитого топлива в ступенчатом термоядерное оружие .

Литий и его соединения имеют несколько промышленных применений, включая термостойкое стекло и керамику , литиевые консистентные смазки, флюсовые добавки для производства чугуна, стали и алюминия, литиевые батареи и литий-ионные батареи . На эти виды использования уходит более трех четвертей производства лития.

Литий присутствует в биологических системах в следовых количествах; его функции неопределенны. Соли лития оказались полезными в качестве стабилизатора настроения и антидепрессанта при лечении психических заболеваний, таких как биполярное расстройство .

Характеристики

Диаграмма лития-7, показывающая, что у него 3 протона, 4 нейтрона и 3 электрона.
Атомная структура лития-7

Атомный и физический

Литиевые слитки с тонким слоем черного нитридного налета

Эти щелочные металлы также называют семейство лития , после того, как ее ведущего элемента. Как и другие щелочные металлы ( натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) и франций (Fr)), литий имеет один валентный электрон, который легко отдается с образованием катиона. . Из-за этого литий является хорошим проводником тепла и электричества, а также элементом с высокой реакционной способностью, хотя он наименее реактивен из щелочных металлов. Низкая реакционная способность лития связана с близостью его валентного электрона к его ядру (оставшиеся два электрона находятся на 1s-орбитали , имеют гораздо меньшую энергию и не участвуют в химических связях). Расплавленный литий значительно более активен, чем его твердая форма.

Металлический литий достаточно мягкий, чтобы его можно было разрезать ножом. В разрезе он приобретает серебристо-белый цвет, который быстро меняется на серый, поскольку окисляется до оксида лития . Его точка плавления 180,50 ° C (453,65 K; 356,90 ° F) и точка кипения 1342 ° C (1615 K; 2448 ° F) являются наивысшими из всех щелочных металлов, а его плотность составляет 0,534. грамм/см 3 самый низкий.

Литий имеет очень низкую плотность (0,534 г / см 3 ), сравнимую с сосновой древесиной . Это наименее плотный из всех элементов, находящихся в твердом состоянии при комнатной температуре; следующий по легкости твердый элемент (калий 0,862 г / см 3 ) более чем на 60% плотнее. Помимо гелия и водорода , в твердом виде он менее плотен, чем любой другой элемент в виде жидкости, будучи только на две трети плотнее жидкого азота (0,808 г / см 3 ). Литий может плавать в самых легких углеводородных маслах и является одним из трех металлов, которые могут плавать в воде, два других - натрий и калий .

Литий в масле

Коэффициент теплового расширения лития в два раза больше, чем у алюминия, и почти в четыре раза больше, чем у железа . Литий является сверхпроводящим ниже 400 мкК при стандартном давлении и при более высоких температурах (более 9 К) при очень высоких давлениях (> 20 ГПа). При температурах ниже 70 К литий, как и натрий, претерпевает бездиффузионные фазовые превращения . При 4,2 К он имеет ромбоэдрическую кристаллическую систему (с девятислойным повторяющимся интервалом); при более высоких температурах он переходит в гранецентрированную кубическую, а затем в объемноцентрированную кубическую . При температурах жидкого гелия (4 К) преобладает ромбоэдрическая структура. Для лития при высоких давлениях были идентифицированы множественные аллотропные формы.

Литий имеет удельную теплоемкость 3,58 килоджоулей на килограмм-кельвин, что является самым высоким показателем среди всех твердых веществ. Из-за этого металлический литий часто используется в охлаждающих жидкостях для теплопередачи .

Изотопы

Встречающийся в природе литий состоит из двух стабильных изотопов , 6 Li и 7 Li, причем последний является более распространенным ( естественное содержание 92,5% ). Оба естественных изотопа имеют аномально низкую ядерную энергию связи на нуклон (по сравнению с соседними элементами периодической таблицы , гелием и бериллием ); литий - единственный элемент с низким номером, который может производить чистую энергию посредством ядерного деления . Два ядра лития имеют более низкую энергию связи на нуклон, чем любые другие стабильные нуклиды, кроме дейтерия и гелия-3 . В результате литий, хотя и очень легкий по атомному весу, встречается в Солнечной системе реже, чем 25 из первых 32 химических элементов. Было охарактеризовано семь радиоизотопов , наиболее стабильным из которых является 8 Li с периодом полураспада 838 мс и 9 Li с периодом полураспада 178 мс. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 8,6 мс. Самым короткоживущим изотопом лития является 4 Li, который распадается из-за испускания протонов и имеет период полураспада 7,6 × 10 -23 с.

7 Li - один из первичных элементов (или, точнее, первичных нуклидов ), образующихся в процессе нуклеосинтеза Большого взрыва . Небольшое количество как 6 Li, так и 7 Li вырабатывается в звездах во время звездного нуклеосинтеза , но в дальнейшем оно сжигается, « сжигается » так же быстро, как и произведено. 7 Li также может образовываться в углеродных звездах . Дополнительные небольшие количества как 6 Li, так и 7 Li могут образовываться из солнечного ветра, космических лучей, поражающих более тяжелые атомы, и из-за радиоактивного распада 7 Be и 10 Be в ранней солнечной системе .

Изотопы лития существенно фракционируются во время самых разнообразных природных процессов, включая образование минералов (химическое осаждение), метаболизм и ионный обмен . Ионы лития замещают магний и железо в октаэдрических участках глинистых минералов, где 6 Li предпочтительнее 7 Li, что приводит к обогащению легкого изотопа в процессах гиперфильтрации и изменения горных пород. Известно, что экзотический 11 Li обладает ядерным гало . Процесс, известный как лазерное разделение изотопов, может использоваться для разделения изотопов лития, в частности 7 Li от 6 Li.

Производство ядерного оружия и другие приложения ядерной физики являются основным источником искусственного фракционирования лития, при этом легкий изотоп 6 Li остается в промышленных и военных запасах до такой степени, что вызвал небольшое, но измеримое изменение в соотношении 6 Li к 7 Li. в естественных источниках, таких как реки. Это привело к необычной неопределенности в стандартизованном атомном весе лития, поскольку это количество зависит от естественных соотношений содержания этих природных стабильных изотопов лития, поскольку они доступны в коммерческих источниках лития.

Оба изотоп устойчивых литии может быть лазерным охлаждением и были использованы для получения первых квантового вырожденного Бозе - Ферми смеси.

Вхождение

Литий примерно так же распространен в верхней континентальной коре Земли, как и хлор , в расчете на один атом.

Астрономический

Хотя он был синтезирован во время Большого взрыва , лития (вместе с бериллием и бором) во Вселенной заметно меньше, чем других элементов. Это результат сравнительно низких звездных температур, необходимых для разрушения лития, а также отсутствия общих процессов его производства.

Согласно современной космологической теории, литий - в обоих стабильных изотопах (литий-6 и литий-7) - был одним из трех элементов, синтезированных во время Большого взрыва. Хотя количество лития, образующегося при нуклеосинтезе Большого взрыва, зависит от количества фотонов на барион , для принятых значений можно вычислить содержание лития, и существует « космологическое несоответствие лития » во Вселенной: более старые звезды, похоже, содержат меньше лития. чем должны, а у некоторых молодых звезд их гораздо больше. Недостаток лития в старых звездах, по-видимому, вызван «подмешиванием» лития внутрь звезд, где он разрушается, в то время как литий образуется в более молодых звездах. Хотя он превращается в два атома гелия из-за столкновения с протоном при температуре выше 2,4 миллиона градусов Цельсия (большинство звезд легко достигают этой температуры в своих недрах), лития более распространено, чем предсказывают расчеты в звездах более позднего поколения.

Новая Центавра 2013 - первая, в которой были обнаружены доказательства лития.

Литий также содержится в коричневых карликовых субзвездных объектах и ​​некоторых аномальных оранжевых звездах. Поскольку литий присутствует в более холодных и менее массивных коричневых карликах, но разрушается в более горячих красных карликах, его присутствие в спектрах звезд можно использовать в «литиевом тесте» для различения этих двух, поскольку оба они меньше Солнца. . Некоторые оранжевые звезды также могут содержать высокую концентрацию лития. Эти оранжевые звезды, как было обнаружено, имеют более высокую, чем обычно, концентрацию лития (например, Центавр X-4 ), вращаются вокруг массивных объектов - нейтронных звезд или черных дыр - чья гравитация, очевидно, притягивает более тяжелый литий к поверхности водородно-гелиевой звезды, вызывая больше лития. быть замеченным.

27 мая 2020 года астрономы сообщили, что взрывы классических новых звезд являются галактическими производителями лития-7.

Наземный

Хотя литий широко распространен на Земле, он не встречается в природе в элементарной форме из-за его высокой реакционной способности. Общее содержание лития в морской воде очень велико и оценивается в 230 миллиардов тонн, где элемент существует в относительно постоянной концентрации от 0,14 до 0,25 частей на миллион (ppm), или 25 микромоль ; более высокие концентрации, приближающиеся к 7 ppm, обнаруживаются возле гидротермальных источников .

Оценки содержания земной коры колеблются от 20 до 70 частей на миллион по весу. Литий составляет около 0,002 процента земной коры. В соответствии со своим названием литий составляет незначительную часть магматических пород , а наибольшие его концентрации - в гранитах . Гранитные пегматиты также содержат наибольшее количество литийсодержащих минералов, при этом сподумен и петалит являются наиболее коммерчески выгодными источниками. Другой важный минерал лития - лепидолит, который в настоящее время является устаревшим названием группы, образованной полилитионитом и трилитионитом. Новым источником лития является гекторитовая глина, единственная активная разработка которой осуществляется через Western Lithium Corporation в США. Литий, содержащий 20 мг лития на кг земной коры, занимает 25-е место по распространенности.

Согласно Справочнику по литию и природному кальцию , «Литий является сравнительно редким элементом, хотя он содержится во многих породах и некоторых рассолах, но всегда в очень низких концентрациях. Существует довольно большое количество залежей литиевых минералов и рассолов, но лишь сравнительно немногие из них имеют реальную или потенциальную коммерческую ценность. Многие из них очень малы, другие - слишком низкого качества ».

Согласно оценкам (2020 г.), самые большие запасы на сегодняшний день (9,2 млн. Т), а Австралия - самая высокая годовая добыча (40 000 т). Одна из крупнейших резервных баз лития находится в районе Салар-де-Уюни в Боливии, где имеется 5,4 миллиона тонн. Другие крупные поставщики включают Австралию, Аргентину и Китай. По состоянию на 2015 год Чешская геологическая служба считала все Рудные горы в Чешской Республике литиевой провинцией. Зарегистрировано пять месторождений, одно около Чиновца  [ cs ] считается потенциально экономичным и содержит 160 000 тонн лития. В декабре 2019 года финская горнодобывающая компания Keliber Oy сообщила, что на ее литиевом месторождении Рапасаари оценочные доказанные и вероятные запасы руды составляют 5,280 миллиона тонн.

В июне 2010 года The New York Times сообщила, что американские геологи проводили наземные исследования на сухих соленых озерах в западном Афганистане, полагая, что там находятся большие залежи лития. Эти оценки «основаны главным образом на старых данных, которые были собраны в основном Советским Союзом во время оккупации Афганистана с 1979 по 1989 год». Министерство обороны США оценили запасы лития в Афганистане сумму на те , в Боливии и окрестил ее как потенциал «Саудовская Аравия литии». В Корнуолле , Англия, присутствие рассола, богатого литием, было хорошо известно из-за исторической горнодобывающей промышленности региона , и частные инвесторы провели испытания для изучения потенциальной добычи лития в этой области.

Биологические

Литий в следовых количествах содержится во многих растениях, планктоне и беспозвоночных в концентрациях от 69 до 5760 частей на миллиард (ppb). У позвоночных концентрация немного ниже, и почти все ткани и жидкости организма позвоночных содержат литий в диапазоне от 21 до 763 частей на миллиард. Морские организмы склонны к биоаккумуляции лития больше, чем наземные организмы. Неизвестно, играет ли литий физиологическую роль в любом из этих организмов.

Исследования концентраций лития в богатой минералами почве дают диапазоны от 0,1 до 50-100 частей на миллион , а некоторые концентрации достигают 100-400 частей на миллион, хотя маловероятно, что весь он доступен для усвоения растениями . Концентрация лития в тканях растений обычно составляет около 1 ppm , при этом некоторые семейства растений биоаккумулируют больше лития, чем другие; Накопление лития, по-видимому, не влияет на состав основных питательных веществ растений. Толерантность к литию варьируется в зависимости от вида растений и обычно соответствует толерантности к натрию ; кукуруза и трава родоса , например, очень устойчивы к повреждению литием, в то время как авокадо и соя очень чувствительны. Точно так же литий в концентрации 5 частей на миллион снижает прорастание семян у некоторых видов (например, азиатского риса и нута ), но не у других (например, ячменя и пшеницы ). Многие из основных биологических эффектов лития можно объяснить его конкуренцией с другими ионами. Одновалентного литий ионный Li+
конкурирует с другими ионами, такими как натрий (непосредственно под литием в периодической таблице ), который, как и литий, также является одновалентным щелочным металлом . Литий также конкурирует с двухвалентными ионами магния , чей ионный радиус (86 мкм ) примерно равен иону лития (90 мкм). Механизмы, переносящие натрий через клеточные мембраны, также переносят литий. Например, натриевые каналы (как потенциалзависимые, так и эпителиальные ) являются особенно важными путями проникновения лития. Ионы лития также могут проникать через ионные каналы, управляемые лигандами, а также пересекать ядерные и митохондриальные мембраны . Как и натрий, литий может проникать и частично блокировать (но не проникать ) калиевые и кальциевые каналы . Биологические эффекты лития многочисленны и разнообразны, но механизмы его действия изучены лишь частично. Например, исследование литий-лечение пациентов с биполярным расстройством , показывает , что, среди многих других эффектов, литий частично компенсирует теломер укорочения у этих пациентов , а также увеличивает митохондриальную функцию, хотя , как литий производит эти фармакологические эффекты не понимают. Даже точные механизмы, влияющие на токсичность лития , до конца не изучены.

История

Йохану Августу Арфведсону приписывают открытие лития в 1817 году.

Петалит (LiAlSi 4 O 10 ) был открыт в 1800 году бразильским химиком и государственным деятелем Хосе Бонифасио де Андрада-э-Силва в шахте на острове Утё , Швеция. Однако только в 1817 году Йохан Август Арфведсон , тогда работавший в лаборатории химика Йенса Якоба Берцелиуса , обнаружил присутствие нового элемента при анализе петалитовой руды. Этот элемент образовывал соединения, подобные соединениям натрия и калия , хотя его карбонат и гидроксид были менее растворимы в воде и менее щелочны . Берцелиус дал щелочному веществу название « литион / литина » от греческого слова λιθoς (транслитерированного как lithos , что означает «камень»), чтобы отразить его открытие в твердом минерале, в отличие от калия, который был обнаружен в золе растений. , и натрий, который был известен отчасти своим высоким содержанием в крови животных. Он назвал металл внутри материала «литием».

Позже Арфведсон показал, что этот же элемент присутствует в минералах сподумен и лепидолит . В 1818 году Кристиан Гмелин первым заметил, что соли лития придают пламени ярко-красный цвет. Однако и Арфведсон, и Гмелин попытались, но не смогли изолировать чистый элемент от его солей. Он не был изолирован до 1821 года, когда Уильям Томас Бранд получил его путем электролиза из оксида лития , процесс , который ранее был использован в химик сэр Гемфри Дэви , чтобы изолировать металлы калий и натрий щелочи. Бранде также описал некоторые чистые соли лития, такие как хлорид, и, оценив, что литий ( оксид лития ) содержит около 55% металла, оценил атомную массу лития примерно в 9,8 г / моль (современное значение ~ 6,94 г / моль. ). В 1855 году Роберт Бунзен и Август Маттиссен произвели большее количество лития путем электролиза хлорида лития . Открытие этой процедуры привело к промышленному производству лития в 1923 году немецкой компанией Metallgesellschaft AG , которая выполнила электролиз жидкой смеси хлорида лития и хлорида калия .

Австралийскому психиатру Джону Кейду приписывают повторное внедрение и популяризацию использования лития для лечения мании в 1949 году. Вскоре после этого, в середине 20-го века, применение лития для стабилизации настроения при мании и депрессии стало популярным в Европе и Соединенных Штатах.

История производства и использования лития претерпела несколько кардинальных изменений. Первое крупное применение лития было в высокотемпературных литиевых смазках для авиационных двигателей и аналогичных приложений во время Второй мировой войны и вскоре после этого. Это использование подтверждается тем фактом, что мыла на основе лития имеют более высокую температуру плавления, чем другие щелочные мыла, и менее агрессивны, чем мыла на основе кальция. Небольшой спрос на литиевое мыло и консистентные смазки поддерживался несколькими небольшими горнодобывающими предприятиями, в основном в США.

Спрос на литий резко увеличился во время холодной войны с производством ядерного термоядерного оружия . И литий-6, и литий-7 производят тритий при облучении нейтронами и, таким образом, полезны для производства самого трития, а также в виде твердого термоядерного топлива, используемого внутри водородных бомб в виде дейтерида лития . США стали основным производителем лития в период с конца 1950-х до середины 1980-х годов. В конце концов, запасы лития составляли примерно 42000 тонн гидроксида лития. Накопленный литий был обеднен литием-6 на 75%, чего было достаточно, чтобы повлиять на измеренный атомный вес лития во многих стандартизированных химических веществах и даже на атомный вес лития в некоторых «естественных источниках» иона лития, которые были «загрязнены». «солями лития, сбрасываемыми из установок разделения изотопов, которые попали в грунтовые воды.

alt1
alt2
Спутниковые образы Салар дель Hombre Muerto, Аргентина (слева) и Уюни , Боливия (справа), солончаки , которые богаты литием. Богатый литием рассол концентрируется путем перекачивания его в солнечные пруды-испарители (видно на левом изображении).

Литий используется для снижения температуры плавления стекла и улучшения плавления оксида алюминия в процессе Холла-Эру . Эти два вида использования доминировали на рынке до середины 1990-х годов. После окончания гонки ядерных вооружений спрос на литий снизился, и продажа запасов энергии на открытом рынке еще больше снизила цены. В середине 1990-х годов несколько компаний начали выделять литий из рассола, что оказалось менее дорогостоящим вариантом, чем подземная или открытая добыча. Большинство рудников закрылись или переключились на другие материалы, потому что только руду из зональных пегматитов можно было добывать по конкурентоспособной цене. Например, американские шахты возле Кингс-Маунтин в Северной Каролине закрылись до начала 21 века.

Разработка ионно-литиевых батарей увеличила спрос на литий и стала доминирующей областью применения в 2007 году. С резким ростом спроса на литий в батареях в 2000-х годах новые компании расширили усилия по изоляции рассола, чтобы удовлетворить растущий спрос.

Утверждалось, что литий будет одним из основных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии и зависящем от батарей, но эта точка зрения также подвергалась критике за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.

Свойства элемента

Гексамерная структура фрагмента н-бутиллития в кристалле

При размещении над пламенем соединения лития приобретают поразительный малиновый цвет, но когда металл горит сильно, пламя становится сверкающим серебром. Литий воспламеняется и сгорает в кислороде при контакте с водой или водяными парами.

Химия

Металлического лития

Литий легко реагирует с водой, но заметно менее активно, чем другие щелочные металлы. В результате реакции образуется газообразный водород и гидроксид лития . Во влажном воздухе литий быстро тускнеет с образованием черного покрытия из гидроксида лития (LiOH и LiOH · H 2 O), нитрида лития (Li 3 N) и карбоната лития (Li 2 CO 3 , результат вторичной реакции между LiOH и CO 2 ). Литий - один из немногих металлов, вступающих в реакцию с газообразным азотом .

Из-за его реакционной способности с водой, и особенно с азотом, металлический литий обычно хранится в углеводородном герметике, часто в вазелине . Хотя более тяжелые щелочные металлы могут храниться в минеральном масле , литий недостаточно плотен, чтобы полностью погрузиться в эти жидкости.

Литий имеет диагональные отношения с магнием , элементом аналогичного атомного и ионного радиуса . Химическое сходство между двумя металлами включает образование нитрида в результате реакции с N 2 , образование оксида ( Li
2
O
) и перекисью ( Li
2
О
2
) при сжигании в O 2 , солях с аналогичной растворимостью и термической нестабильности карбонатов и нитридов. Металл реагирует с газообразным водородом при высоких температурах с образованием гидрида лития (LiH).

Литий образует множество бинарных и тройных материалов путем прямой реакции с элементами основной группы. Эти фазы Zintl , хотя и имеют высокую ковалентность, могут рассматриваться как соли многоатомных анионов, таких как Si 4 4- , P 7 3- и Te 5 2- . С графитом литий образует множество интеркаляционных соединений .

Он растворяется в аммиаке (и аминах) с образованием [Li (NH 3 ) 4 ] + и сольватированного электрона .

Неорганические соединения

Литий образует солеподобные производные со всеми галогенидами и псевдогалогенидами. Некоторые примеры включают галогениды LiF , LiCl , LiBr , LiI , а также псевдогалогениды и родственные анионы. Карбонат лития был описан как важнейшее соединение лития. Это белое твердое вещество является основным продуктом обогащения литиевых руд. Это предшественник других солей, включая керамику и материалы для литиевых батарей.

Соединения LiBH
4
и LiAlH
4
полезные реагенты . Эти соли и многие другие соли лития проявляют отчетливо высокую растворимость в простых эфирах, в отличие от солей более тяжелых щелочных металлов.

В водном растворе для многих солей лития преобладает координационный комплекс [Li (H 2 O) 4 ] + . Известны родственные комплексы с аминами и простыми эфирами.

Органическая химия

Литийорганические соединения многочисленны и полезны. Они определяются наличием связи между углеродом и литием. Они служат в качестве карбанионов , стабилизированных металлом , хотя их решения и твердотельные структуры более сложны, чем это упрощенное представление. Таким образом, это чрезвычайно мощные основания и нуклеофилы . Они также применялись в асимметричном синтезе в фармацевтической промышленности. Для лабораторного органического синтеза многие литийорганические реагенты коммерчески доступны в виде растворов. Эти реагенты обладают высокой реакционной способностью, а иногда и пирофорными.

Как и его неорганические соединения, почти все органические соединения лития формально подчиняются правилу дуэта (например, BuLi, MeLi). Однако важно отметить, что в отсутствие координирующих растворителей или лигандов литийорганические соединения образуют димерные, тетрамерные и гексамерные кластеры (например, BuLi на самом деле представляет собой [BuLi] 6, а MeLi - на самом деле [MeLi] 4 ), которые обладают множественными свойствами. связывание центра и увеличение координационного числа вокруг лития. Эти кластеры распадаются на более мелкие или мономерные единицы в присутствии растворителей, таких как диметоксиэтан (DME) или лигандов, таких как тетраметилэтилендиамин (TMEDA). В качестве исключения из правила дуэтов кристаллографически охарактеризован двухкоординатный литатный комплекс с четырьмя электронами вокруг лития, [Li (thf) 4 ] + [((Me 3 Si) 3 C) 2 Li] - .

Производство

Диаграммы разброса содержания и тоннажа лития для отдельных месторождений мира, по состоянию на 2017 год

Производство лития значительно увеличилось после окончания Второй мировой войны . Основные источники лития - рассолы и руды.

Металлический литий получают путем электролиза из смеси расплавленного 55% хлорида лития и 45% хлорида калия при температуре около 450 ° C.

Запасы и возникновение

Мировые выявленные запасы в 2020 и 2021 годах были оценены Геологической службой США (USGS) в 17 миллионов и 21 миллион тонн соответственно. Точная оценка мировых запасов лития затруднена. Одна из причин этого заключается в том, что большинство схем классификации лития разработано для залежей твердых руд, тогда как рассол - это жидкость, которую проблематично обрабатывать по той же схеме классификации из-за различных концентраций и эффектов перекачки.

Мировые запасы лития, выявленные Геологической службой США, начали увеличиваться в 2017 году в связи с продолжающимися разведочными работами. Выявленные ресурсы в 2016, 2017, 2018, 2019 и 2020 годах составляли 41, 47, 54, 62 и 80 млн тонн соответственно.

По оценкам, в 2013 году в мире было около 15 миллионов тонн запасов лития, в то время как 65 миллионов тонн известных ресурсов были разумными. В общей сложности 75% всего обычно можно найти в десяти крупнейших месторождениях мира. Другое исследование отметило, что 83% геологических ресурсов лития находятся в шести месторождениях рассола, двух пегматитовых и двух осадочных месторождениях.

В США литий извлекают из бассейнов с рассолом в Неваде . Месторождение, обнаруженное в 2013 году на возвышенности Рок-Спрингс штата Вайоминг, оценивается в 228 000 тонн. Дополнительные месторождения в том же пласте оцениваются в 18 миллионов тонн.

Литиевый треугольник

Согласно данным Геологической службы США, в четверку ведущих стран-производителей лития с 2019 года входят Австралия, Чили, Китай и Аргентина. На пересечении Чили , Боливии и Аргентины образуется регион, известный как Литиевый треугольник . Литиевый треугольник известен своими высококачественными солончаками, включая Салар де Уюни в Боливии , Салар де Атакама в Чили и Салар де Арисаро в Аргентине . Считается, что в Литиевом треугольнике содержится более 75% существующих известных запасов лития. Отложения находятся в Южной Америке по всей горной цепи Анд . Чили является ведущим производителем, за ним следует Аргентина. Обе страны извлекают литий из бассейнов с рассолом. По данным Геологической службы США, в пустыне Уюни в Боливии содержится 5,4 млн тонн лития. Половина известных мировых запасов находится в Боливии вдоль центрально-восточного склона Анд. С 2009 года правительство Боливии искало инвесторов для разработки рудника Салар де Уюни, среди которых были японские, французские и корейские фирмы. В 2019 году боливийская государственная компания YLB подписала контракт с немецкой ACI Systems на сумму 1,2 миллиарда долларов на строительство заводов по производству гидроксида лития и литий-ионных аккумуляторов, но быстро расторгла сделку.

Производство литиевых рудников (2020 г.), запасы и ресурсы в тоннах по данным USGS
Страна Производство Резервы Ресурсы
Аргентина 6 200 1 900 000 19 300 000
Австралия 40 000 4 700 000 6 400 000
Австрия - - 50 000
Боливия - - 21 000 000
Бразилия 1 900 95 000 470 000
Канада 0 530 000 2 900 000
Чили 18 000 9 200 000 9 600 000
Чехия - - 1 300 000
ДР Конго - - 3 000 000
Финляндия - - 50 000
Германия - - 2 700 000
Гана - - 90 000
Казахстан - - 50 000
Мали - - 700 000
Мексика - - 1,700,000
Намибия - - 50 000
Китайская Народная Республика 14 000 1 500 000 5 100 000
Перу - - 880 000
Португалия 900 60 000 270 000
Сербия - - 1,200,000
Испания - - 300 000
Соединенные Штаты 870 750 000 7 900 000
Зимбабве 1,200 220 000 500 000
Всего в мире 82 000 21 000 000 86 000 000+

Известно, что с 2018 года в Демократической Республике Конго находится крупнейшее в мире месторождение твердых пород литиевого сподумена. Общие ресурсы месторождения, расположенного в Маноно, центральная часть ДРК , потенциально могут составить 1,5 миллиарда тонн литиевых сподуменовых твердых пород. Два крупнейших пегматита (известные как Carriere de l'Este Pegmatite и Roche Dure Pegmatite) имеют одинаковый размер или больше, чем знаменитый пегматит Greenbushes в Западной Австралии. Ожидается, что в ближайшем будущем к 2023 году Демократическая Республика Конго станет крупным мировым поставщиком лития с его высоким содержанием и низким содержанием примесей.

Согласно более позднему 2011 исследовании Национальной лаборатории Лоренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли , тогда оценивается сырьевая база лития не должно быть ограничивающим фактором для крупномасштабного производства батарей для электрических транспортных средств , поскольку , по оценкам 1000000000 40 кВт Li- Базовые батареи могли быть построены с этими запасами - около 10 кг лития на машину. Другое исследование 2011 года, проведенное Мичиганским университетом и компанией Ford Motor Company, показало, что достаточно ресурсов для поддержания мирового спроса до 2100 года, включая литий, необходимый для потенциально широкого использования в транспортных средствах. В исследовании оцениваются мировые запасы в 39 миллионов тонн, а общий спрос на литий в течение 90-летнего периода в годовом исчислении составляет 12–20 миллионов тонн, в зависимости от сценариев экономического роста и темпов утилизации.

В 2014 году The Financialist заявил, что спрос на литий растет более чем на 12% в год. По данным Credit Suisse, эта ставка превысила прогнозируемую доступность на 25%. В публикации сравнивается ситуация с литием в 2014 году с нефтью, где «более высокие цены на нефть стимулировали инвестиции в дорогостоящие глубоководные технологии и технологии добычи нефтеносных песков»; то есть цена на литий будет продолжать расти до тех пор, пока более дорогие методы производства, которые могут увеличить общий объем производства, не привлекут внимание инвесторов.

16 июля 2018 года на месторождении твердых пород Фалчани в регионе Пуно, Перу, было обнаружено 2,5 миллиона тонн высококачественного лития и 124 миллиона фунтов ресурсов урана.

В 2019 году мировое производство лития из сподумена составляло около 80 000 тонн в год, в основном из пегматита Greenbushes и некоторых китайских и чилийских источников. Рудник Талисон в Гринбуше считается крупнейшим и имеет самое высокое содержание руды 2,4% Li 2 O (данные 2012 г.).

По оценкам, океаны содержат 230 миллиардов тонн лития, но его концентрация составляет 0,1-0,2 частей на миллион, что делает его более дорогостоящим для изоляции с помощью технологии 2020 года, чем из наземных рассолов и горных пород.

Источники

Еще один потенциальный источник лития По состоянию на 2012 год был идентифицирован как выщелачивание геотермальных скважин , выносимое на поверхность. Восстановление этого типа лития было продемонстрировано в полевых условиях; литий отделяется простой фильтрацией. Запасы более ограничены, чем запасы соленых водоемов и твердых пород.

Ценообразование

В 1998 году цена металлического лития составляла около 95 долларов США за кг (или 43 доллара США за фунт ). После финансового кризиса 2007 года основные поставщики, такие как Sociedad Química y Minera (SQM), снизили цены на карбонат лития на 20%. В 2012 году цены выросли. В статье Business Week 2012 года описывалась олигополия в сфере лития: «SQM, контролируемая миллиардером Хулио Понсе , является вторым по величине, за ней следуют Rockwood , которую поддерживает KKR & Co. Генри Крависа , и Филадельфия. на базе FMC », при этом Талисон упоминается как крупнейший производитель. Мировое потребление может вырасти до 300 000 метрических тонн в год к 2020 году с примерно 150 000 тонн в 2012 году, чтобы удовлетворить спрос на литиевые батареи, который растет примерно на 25% в год, опережая общий прирост производства лития на 4–5%.

Добыча

Анализы извлечения лития из морской воды, опубликованные в 1975 году.

Литий и его соединения были исторически выделены и извлечены из твердой породы , но в 1990 - х минеральных источниках , рассол бассейнов и рассол месторождений стали основным источником. Большинство из них было в Чили, Аргентине и Боливии.

К началу 2021 года большая часть лития, добываемого во всем мире, будет поступать либо из « сподумена , минерала, содержащегося в твердых породах, обнаруженных в таких местах, как Австралия и Северная Каролина», либо из соленого рассола, откачиваемого непосредственно из-под земли, как в местах в Чили.

Катоды с низким содержанием кобальта для литиевых батарей, как ожидается, потребуют гидроксида лития, а не карбоната лития в качестве сырья, и эта тенденция отдает предпочтение горным породам в качестве источника.

В одном из методов получения промежуточных продуктов лития из рассола рассол сначала откачивают из подземных бассейнов и концентрируют путем испарения на солнце. Когда концентрация лития достаточна, карбонат лития и гидроксид лития осаждают путем добавления карбоната натрия и гидроксида кальция соответственно. Каждая партия занимает от 18 до 24 месяцев.

Было предложено использование электродиализа и электрохимической интеркаляции для извлечения соединений лития из морской воды (которая содержит литий в количестве 0,2 частей на миллион ), но это пока коммерчески нецелесообразно.

Экологические проблемы

Процессы производства лития, включая растворитель и отходы горнодобывающей промышленности , представляют значительную опасность для окружающей среды и здоровья. Извлечение лития может быть фатальным для водных организмов из-за загрязнения воды . Известно, что он вызывает загрязнение поверхностных вод, загрязнение питьевой воды, респираторные заболевания, деградацию экосистем и ущерб ландшафту. Это также приводит к нерациональному водопотреблению в засушливых регионах (1,9 миллиона литров на тонну лития). Образование большого количества побочных продуктов при экстракции лития также представляет собой нерешенные проблемы, такие как образование большого количества магния и отходов извести .

В Соединенных Штатах существует активная конкуренция между экологически катастрофической добычей открытым способом , горной добычей с удалением горных пород и менее опасной добычей рассола в попытке радикально расширить внутренние мощности по добыче лития. Экологические проблемы включают деградацию среды обитания диких животных, загрязнение питьевой воды, включая загрязнение мышьяком и сурьмой , неустойчивое снижение уровня грунтовых вод и массивные отходы горнодобывающей промышленности , включая побочные продукты радиоактивного урана и выбросы серной кислоты .

Инвестиции

На рынке доступен ряд вариантов инвестирования в металл. Хотя покупка физических запасов лития вряд ли возможна, инвесторы могут покупать акции компаний, занимающихся добычей и производством лития. Кроме того, инвесторы могут приобрести специальный литиевый ETF, предлагающий доступ к группе товаропроизводителей.

В связи со значительным ростом спроса на литий в 2020-х годах компании по добыче и производству лития растут, и некоторые из них испытывают заметный рост рыночной стоимости. Цены на акции Lithium Americas, Piedmont Lithium , AVZ Minerals и MP Materials существенно выросли в результате возросшего значения лития для мировой экономики. В 2021 году австралийская компания AVZ Minerals разрабатывает проект Manono Lithium and Tin в Маноно, Демократическая Республика Конго , ресурс содержит высокосортные и низкие примеси с 1,65% Li2O (оксид лития), сподуменовые твердые породы на основе исследований и бурение Roche Dure, одного из нескольких пегматитов на месторождении. ЕС и основные производители автомобилей ( OEM ) во всем мире настаивают на том, чтобы весь литий производился и получался устойчивым образом с помощью инициатив ESG и с нулевым или низким углеродным следом . В рамках проекта AVZ Minerals Manono в 2021 году было завершено исследование выбросов парниковых газов в атмосферу в будущем. В настоящее время для компаний цепочки поставок аккумуляторов стало более обычным явлением соблюдать экологические, социальные и управленческие нормы (ESG) , устойчивые практики, соответствие государственным экологическим нормам, EIA и показатели низкого углеродного следа, чтобы их можно было рассмотреть для финансирования / инвестиционной деятельности. и портфели фондов. Ответственные инвестиции имеют решающее значение для достижения Парижского соглашения и ЦУР ООН. Исследование показывает, что проект AVZ Minerals DRC Manono, вероятно, будет иметь один из самых низких углеродных выбросов среди всех производителей твердых пород сподумена на 30-40% и некоторых производителей рассола во всем мире. AVZ Minerals подписала долгосрочное партнерство с крупным китайским производителем литиевых соединений Ganfeng Lithium. Важно отметить, что партнерство дает возможность обеим сторонам сосредоточиться на экологическом, социальном и корпоративном развитии (ESG) .

По состоянию на начало 2021 года австралийская компания Piedmont Lithium Ltd, основанная в 2016 году, изучает 2 300 акров (930 га) земли, которой она владеет или имеет права на добычу полезных ископаемых в округе Гастон, Северная Каролина . «Современная промышленность по добыче лития началась в этом регионе Северной Каролины в 1950-х годах, когда металл использовался для изготовления компонентов для ядерных бомб . Одна из крупнейших в мире компаний по добыче лития, Albemarle Corp , базируется в соседней Шарлотте. литий из него, однако, добывается в Австралии и Чили, где есть большие и доступные месторождения этого металла ». По состоянию на 2021 год только один процент мировых поставок лития добывается и перерабатывается в Соединенных Штатах (3150 т (6 940 000 фунтов)), а 233 550 т (514 890 000 фунтов) производится в Австралии и Чили.

Ожидается, что в будущем литий будет перерабатываться из литий-ионных аккумуляторов с истекшим сроком службы, но по состоянию на 2020 г. количество аккумуляторов для переработки будет недостаточным, а технология еще недостаточно развита. В любом случае наиболее ценным компонентом, вероятно, останется катодный материал NCM , и ожидается, что извлечение этого материала будет движущей силой.

Приложения

Оценки глобального использования лития в 2011 г. (рисунок) и 2019 г. (цифры ниже)
  Керамика и стекло (18%)
  Аккумуляторы (65%)
  Консистентные смазки (5%)
  Непрерывное литье (3%)
  Очистка воздуха (1%)
  Полимеры
  Производство первичного алюминия
  Фармацевтические препараты
  Другое (5%)

Аккумуляторы

В 2021 году большая часть лития будет использоваться для производства литий-ионных аккумуляторов для электромобилей и мобильных устройств .

Керамика и стекло

Оксид лития широко используется в качестве флюса для обработки диоксида кремния , снижения температуры плавления и вязкости материала и получения глазурей с улучшенными физическими свойствами, включая низкие коэффициенты теплового расширения. Во всем мире это одно из самых крупных применений соединений лития. Глазурь, содержащая оксид лития, используется для изготовления посуды. Карбонат лития (Li 2 CO 3 ) обычно используется в этом приложении, потому что он превращается в оксид при нагревании.

Электрические и электронные

В конце 20 века литий стал важным компонентом электролитов и электродов аккумуляторных батарей из-за высокого электродного потенциала . Из-за своей малой атомной массы он имеет высокое отношение заряда и мощности к массе. Типичный литий-ионный аккумулятор может генерировать примерно 3 вольта на элемент, по сравнению с 2,1 вольтом для свинцово-кислотного аккумулятора и 1,5 вольт для углеродно-цинкового . Литий-ионные батареи, которые являются перезаряжаемыми и имеют высокую плотность энергии , отличаются от литиевых батарей , которые представляют собой одноразовые ( первичные ) батареи с литием или его соединениями в качестве анода . Другие перезаряжаемые батареи, в которых используется литий, включают литий-ионную полимерную батарею , литий-железо-фосфатную батарею и батарею с нанопроволокой .

На протяжении многих лет мнения о потенциальном росте расходились. Исследование 2008 года пришло к выводу, что «реально достижимого производства карбоната лития будет достаточно только для небольшой части будущих потребностей глобального рынка PHEV и EV », что «спрос со стороны сектора портативной электроники поглотит большую часть запланированного увеличения производства в следующем десятилетии». и что «массовое производство карбоната лития не является экологически безопасным, оно нанесет непоправимый экологический ущерб экосистемам, которые следует защищать, и что литий-ионная силовая установка несовместима с понятием« зеленого автомобиля »».

Консистентные смазки

Третье место по распространению лития - смазки. Гидроксид лития является сильным основанием и при нагревании с жиром дает мыло из стеарата лития . Литиевое мыло обладает способностью загущать масла и используется для производства универсальных высокотемпературных консистентных смазок .

Металлургия

Литий (например, в виде карбоната лития) используется в качестве добавки к флюсовым шлакам кристаллизаторов для непрерывной разливки, где он увеличивает текучесть, что составляет 5% от общемирового использования лития (2011 г.). Соединения лития также используются в качестве добавок (флюсов) к формовочному песку для литья чугуна для уменьшения образования прожилок.

Литий (как фторид лития ) используется в качестве добавки к алюминиевым плавильным заводам ( процесс Холла – Эру ), снижая температуру плавления и увеличивая электрическое сопротивление, на использование которого приходится 3% производства (2011 г.).

При использовании в качестве флюса для сварки или пайки металлический литий способствует плавлению металлов во время процесса и устраняет образование оксидов , поглощая примеси. Сплавы металла с алюминием, кадмием , медью и марганцем используются для изготовления деталей самолетов с высокими эксплуатационными характеристиками (см. Также Литий-алюминиевые сплавы ).

Кремниевая нано-сварка

Было обнаружено, что литий эффективен в содействии совершенствованию кремниевых нано-сварных швов в электронных компонентах электрических батарей и других устройств.

Использование лития в факелах и пиротехнике связано с его розово-красным пламенем.

Пиротехника

Соединения лития используются в качестве пиротехнических красителей и окислителей в красных фейерверках и факелах .

Очистка воздуха

Хлорид лития и бромид лития являются гигроскопичными и могут быть использованы в качестве сиккативов для газовых потоков. Гидроксид лития и пероксид лития - соли, наиболее часто используемые в замкнутых пространствах, например на борту космических кораблей и подводных лодок , для удаления углекислого газа и очистки воздуха. Гидроксид лития поглощает диоксид углерода из воздуха, образуя карбонат лития, и предпочтительнее других щелочных гидроксидов из-за его небольшого веса.

Пероксид лития (Li 2 O 2 ) в присутствии влаги не только реагирует с диоксидом углерода с образованием карбоната лития, но также выделяет кислород. Реакция следующая:

2 Li 2 O 2 + 2 CO 2 → 2 Li 2 CO 3 + O 2 .

Некоторые из указанных выше соединений, а также перхлората лития , используются в кислородных свечей , которые поставляют подводные лодки с кислородом . Они также могут включать небольшие количества бора , магния , алюминия , кремния , титана , марганца и железа .

Оптика

Фторид лития , искусственно выращенный в виде кристалла , является прозрачным и прозрачным и часто используется в специальной оптике для ИК , УФ и ВУФ ( вакуумного УФ ) приложений. У него один из самых низких показателей преломления и самый дальний диапазон пропускания в глубоком УФ из наиболее распространенных материалов. Тонкоизмельченный порошок фторида лития использовался для термолюминесцентной дозиметрии излучения (ТЛД): когда образец такового подвергается воздействию излучения, в нем накапливаются дефекты кристаллов, которые при нагревании разрешаются посредством испускания голубоватого света, интенсивность которого пропорциональна поглощенной дозе. , что позволяет количественно оценить это. Фторид лития иногда используется в фокусных линзах телескопов .

Высокая нелинейность ниобата лития также делает его полезным в приложениях нелинейной оптики . Он широко используется в телекоммуникационных продуктах, таких как мобильные телефоны и оптические модуляторы , для таких компонентов, как резонансные кристаллы . Литиевые приложения используются более чем в 60% мобильных телефонов.

Органическая и полимерная химия

Литийорганические соединения широко используются в производстве полимеров и тонкой химии. В полимерной промышленности, которая является основным потребителем этих реагентов, алкиллитиевые соединения являются катализаторами / инициаторами . в анионной полимеризации из нефункционализированных олефинов . В производстве тонких химикатов литийорганические соединения действуют как сильные основания и как реагенты для образования углерод-углеродных связей . Литийорганические соединения получают из металлического лития и алкилгалогенидов.

Многие другие соединения лития используются в качестве реагентов для получения органических соединений. Некоторые популярные соединения включают алюмогидрид лития (LiAlH 4 ), триэтилборгидрид лития , н-бутиллитий и трет-бутиллитий .

Запуск торпеды с использованием лития в качестве топлива

Военный

Металлический литий и его сложные гидриды , такие как Li [AlH 4 ] , используются в качестве высокоэнергетических добавок к ракетному топливу . Литийалюминийгидрид также может использоваться сам по себе в качестве твердого топлива .

В двигательной установке с накоплением химической энергии торпеды Mark 50 (SCEPS) используется небольшой резервуар с гексафторидом серы , который распыляется на блок твердого лития. Реакция генерирует тепло, создавая пар, который приводит в движение торпеду по замкнутому циклу Ренкина .

Гидрид лития, содержащий литий-6, используется в термоядерном оружии , где он служит топливом для термоядерной стадии бомбы.

Ядерная

Литий-6 ценится как исходный материал для производства трития и как поглотитель нейтронов в ядерном синтезе . Природный литий содержит около 7,5% лития-6, из которого путем разделения изотопов было произведено большое количество лития-6 для использования в ядерном оружии . Литий-7 заинтересовался использованием в теплоносителях ядерных реакторов .

Дейтерид лития использовался в качестве топлива в ядерной установке Castle Bravo .

Дейтерид лития был предпочтительным термоядерным топливом в ранних версиях водородной бомбы . При бомбардировке нейтронами и 6 Li, и 7 Li производят тритий - эта реакция, которая не была полностью понята, когда водородные бомбы были впервые испытаны, была ответственна за безудержную мощность ядерного испытания Castle Bravo . Тритий соединяется с дейтерием в реакции синтеза, которую относительно легко осуществить. Хотя детали остаются в секрете, дейтерид лития-6, по-видимому, все еще играет роль в современном ядерном оружии в качестве термоядерного материала.

Фторид лития , когда он сильно обогащен изотопом лития-7, образует основной компонент смеси фторидных солей LiF- BeF 2, используемой в жидких фторидных ядерных реакторах . Фторид лития исключительно химически стабилен, а смеси LiF-BeF 2 имеют низкие температуры плавления. Кроме того, 7 Li, Be и F являются одними из немногих нуклидов с достаточно низкими сечениями захвата тепловых нейтронов, чтобы не отравлять реакции деления внутри ядерного реактора деления.

В концептуальных (гипотетических) термоядерных электростанциях литий будет использоваться для производства трития в реакторах с магнитным ограничением, использующих дейтерий и тритий в качестве топлива. Встречающийся в природе тритий чрезвычайно редок и должен производиться синтетическим путем, окружая реагирующую плазму «бланкетом», содержащим литий, где нейтроны дейтерий-тритиевой реакции в плазме расщепляют литий с образованием большего количества трития:

6 Li + n → 4 He + 3 H.

Литий также используется в качестве источника альфа-частиц или ядер гелия . При бомбардировке 7 Li ускоренными протонами образуется 8 Be , который подвергается делению с образованием двух альфа-частиц. Этот подвиг, в то время называемый «расщеплением атома», был первой полностью искусственной ядерной реакцией . Он был произведен Кокрофтом и Уолтоном в 1932 году.

В 2013 году Счетная палата правительства США сообщила, что нехватка лития-7, критически важного для работы 65 из 100 американских ядерных реакторов, «подвергает их способность продолжать обеспечивать электроэнергию определенным риском». Castle Bravo впервые применил литий-7 в Shrimp , своем первом устройстве, которое весило всего 10 тонн, и вызвало массивное ядерное загрязнение атмосферы атолла Бикини . Возможно, этим объясняется упадок ядерной инфраструктуры США. Оборудование, необходимое для отделения лития-6 от лития-7, в основном является пережитком времен холодной войны. США остановили большую часть этого оборудования в 1963 году, когда у него был огромный избыток выделенного лития, который в основном потреблялся в течение двадцатого века. В отчете говорится, что потребуется пять лет и от 10 до 12 миллионов долларов, чтобы восстановить способность отделять литий-6 от лития-7.

Реакторы, в которых используется литий-7, нагревают воду под высоким давлением и передают тепло через теплообменники, подверженные коррозии. В реакторах используется литий для противодействия коррозионному воздействию борной кислоты , которая добавляется в воду для поглощения избыточных нейтронов.

Медицина

Литий полезен при лечении биполярного расстройства . Соли лития также могут быть полезны при родственных диагнозах, таких как шизоаффективное расстройство и циклическая большая депрессия . Активной частью этих солей является ион лития Li + . Они могут увеличить риск развития сердечной аномалии Эбштейна у младенцев, рожденных женщинами, принимающими литий в первом триместре беременности.

Литий также исследовался как возможное средство от кластерных головных болей .

Меры предосторожности

Литий
Опасности
Пиктограммы GHS GHS02: ЛегковоспламеняющийсяGHS05: Коррозийный
Сигнальное слово GHS Опасность
H260 , H314
P223 , P231 + 232 , P280 , P305 + 351 + 338 , P370 + 378 , P422
NFPA 704 (огненный алмаз)
3
2
2

Металлический литий вызывает коррозию и требует особого обращения во избежание контакта с кожей. Дыхание лития пыль или литиевые соединения (которые часто являются щелочные ) изначально раздражают в нос и горло, в то время как выше воздействие может вызвать накопление жидкости в легких , что приводит к отеку легких . Сам металл представляет опасность при обращении, поскольку при контакте с влагой образуется едкий гидроксид лития . Литий безопасно хранится в нереактивных соединениях, таких как нафта .

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки