Литий

Литий (ежелгі грек тілінен λίθος (líthos) «тас») — химиялық элемент; оның Li символы және атомдық нөмірі 3. Бұл жұмсақ, күмістей ақ сілтілі металл. Стандартты жағдайларда ол ең аз тығыз металл және ең аз тығыз қатты элемент болып табылады. Барлық сілтілі металдар сияқты, литий де жоғары реактивті және тұтанғыш болып табылады және оны вакуумда, инертті атмосферада немесе тазартылған керосин немесе минералды май сияқты инертті сұйықтықта сақтау керек. Ол металл жылтырлығын көрсетеді. Ол ауада күңгірт күміс сұр түске дейін тез тоттанады, содан кейін қара дақ болады. Ол табиғатта еркін кездеспейді, негізінен бір кездері литийдің негізгі көзі болған пегматитті минералдар түрінде кездеседі. Ион ретінде ерігіштігіне байланысты ол мұхит суында болады және әдетте тұзды сулардан алынады. Литий металы литий хлориді мен калий хлориді қоспасынан электролиттік жолмен оқшауланады. Литий атомының ядросы тұрақсыздыққа ұшырайды, өйткені табиғатта кездесетін екі тұрақты литий изотоптары барлық тұрақты нуклидтердің бір нуклонына шаққандағы ең төменгі байланыс энергияларына ие. Салыстырмалы ядролық тұрақсыздығына байланысты, литий Күн жүйесінде оның ядролары өте жеңіл болғанымен, алғашқы 32 химиялық элементтің 25-іне қарағанда сирек кездеседі: бұл ауыр ядролар сирек кездесетін тенденциядан ерекшелік. Осыған байланысты себептерге байланысты литийдің ядролық физикада маңызды қолданылуы бар. 1932 жылы литий атомдарының гелийге ауысуы толық адам жасаған алғашқы ядролық реакция болды, ал литий дейтериді сатылы термоядролық қаруларда синтездік отын ретінде қызмет етеді. Литий және оның қосылыстары ыстыққа төзімді шыны мен керамика, литий-майлау майлары, темір, болат және алюминий өндірісіне арналған флюс қоспалары, литий металл батареялары және литий-иондық аккумуляторлар сияқты бірнеше өнеркәсіптік қолданбаларға ие . Бұл пайдаланулар литий өндірісінің төрттен үштен астамын тұтынады. [ цитата қажет ] [ қашан? ] Литий биологиялық жүйелерде аз мөлшерде болады. Оның белгіленген метаболикалық функциясы жоқ. Литий негізіндегі препараттар көңіл-күйді тұрақтандырғыш және биполярлық бұзылыс сияқты психикалық ауруларды емдеуде антидепрессант ретінде пайдалы Литийді 1817 жылы швед химигі және минералогы Иоганн Арфведсон алғаш рет Li[AlSi4O10] минералды петалитінде, содан кейін 2LiAl[Si2O6] сподуменнен және K 2 Li 3 Al 5 [Si 6 O 20 ](F,OH) 4 лепидолитінде ашты. Литий металын алғаш рет 1818 жылы Хамфри Дэви ашты. Литий өз атауын «тастардан» (ежелгі грекше λίθος - тас) тапқанына байланысты алды. Бастапқыда «литион» деп аталды, қазіргі атауды Берцелиус ұсынған. Қасиеттері Сілтілік металдар оның жетекші элементіне байланысты литий отбасы деп те аталады. Басқа сілтілік металдар сияқты ( натрий (Na), калий (K), рубидий (Rb), цезий (Cs) және франций (Fr)), литийде еріткіштердің қатысуымен бір валентті электрон бар. Li + түзу үшін оңай бөлінеді . Осыған байланысты литий жылу мен электр тогын жақсы өткізеді, сонымен қатар жоғары реактивті элемент болып табылады, бірақ ол сілтілі металдардың ең аз реактивтісі болып табылады. Литийдің төменгі реактивтілігі оның валенттік электронының ядросына жақын орналасуына байланысты (қалған екі электрон 1s орбитальда , энергиясы әлдеқайда төмен және химиялық байланыстарға қатыспайды). Балқытылған литий оның қатты түріне қарағанда әлдеқайда реактивті. Литий металы пышақпен кесуге жеткілікті жұмсақ. Ол күмістей ақ түсті. Ауада литий оксидіне дейін тотығады . Оның балқу температурасы 180,50 °C (453,65 К; 356,90 °F) және қайнау температурасы 1,342 °C (1,615 К; 2,448 °F) сілтілік металдардың әрқайсысының ең жоғарысы, ал оның 0,534 г/см 3 тығыздығы ең аз. Литий өте төмен тығыздыққа ие (0,534 г/см 3 ), қарағай ағашымен салыстыруға болады . Бөлме температурасында қатты дене болып табылатын барлық элементтердің ең аз тығыздығы; келесі ең жеңіл қатты элемент (калий, 0,862 г/см 3 ) 60%-дан астам тығызырақ. Гелий мен сутектен басқа , қатты зат ретінде ол сұйық түрдегі кез келген басқа элементке қарағанда тығыз емес, сұйық азоттың (0,808 г/см3 ) тек үштен екісі ғана тығыз . Литий ең жеңіл көмірсутекті майларда жүзе алады және суда жүзе алатын үш металдың бірі, қалған екеуі натрий мен калий . Литийдің термиялық кеңею коэффициенті алюминийден екі есе және темірден төрт есе дерлік . Литий стандартты қысымда 400 мкК- ден төмен және өте жоғары қысымда (>20 ГПа) жоғары температурада (9 К-ден жоғары) аса өткізгіш болып табылады. 70 К төмен температурада натрий сияқты литий де диффузиялық фазалық өзгерістерге ұшырайды . 4,2 К-де оның ромбоэдрлік кристалдық жүйесі бар (тоғыз қабатты қайталау аралығымен); жоғары температурада ол бет центрлі текшеге , содан кейін денеге центрленген текшеге айналады . Сұйық-гелий температурасында (4 К) ромбоэдрлік құрылым басым. Жоғары қысымдағы литийдің көптеген аллотропты формалары анықталды. Литийдің массалық меншікті жылу сыйымдылығы килограмм-кельвинге 3,58 килоджоуль құрайды, бұл барлық қатты денелердің ішіндегі ең жоғарысы. Осыған байланысты литий металы жиі салқындатқыштарда жылуды тасымалдауИзотоп Табиғи түрде кездесетін литий екі тұрақты изотоптан тұрады , 6 Li және 7 Li, соңғысы көбірек ( табиғи молшылық 95,15% ). Екі табиғи изотоптың да бір нуклонға шаққандағы ядролық байланыс энергиясы ( периодтық кестедегі көрші элементтермен , гелий және бериллиймен салыстырғанда ) аномальды төмен болады; литий - ядролық ыдырау арқылы таза энергияны шығара алатын жалғыз төмен нөмірлі элемент . Екі литий ядросының сутегі-1 , дейтерий және гелий-3- тен басқа кез келген басқа тұрақты нуклидтерге қарағанда бір нуклонға байланысты байланыс энергиясы төмен . Осының нәтижесінде атомдық салмағы өте жеңіл болғанымен, литий Күн жүйесінде алғашқы 32 химиялық элементтің 25-іне қарағанда азырақ кездеседі. Жеті радиоизотоптар сипатталды, олардың ең тұрақтысы жартылай шығарылу кезеңі 838 мс 8 Li және жартылай ыдырау периоды 178 мс 9 Li. Қалған радиоактивті изотоптардың барлығының жартылай ыдырау периоды 8,6 мс-тен қысқа. Литийдің ең қысқа өмір сүретін изотопы 4 Li, ол протонды шығару арқылы ыдырайды және жартылай ыдырау периоды 7,6 × 10 -23 с. 6 Li изотопы протондардың тақ саны мен нейтрондардың тақ санына ие тек бес тұрақты нуклидтің бірі , қалған төрт тұрақты тақ тақ нуклидтер сутегі -2 , бор-10 , азот-14 , және тантал - 180 м . 7 Li - Үлкен жарылыс нуклеосинтезінде түзілетін бастапқы элементтердің (немесе дәлірек айтқанда, бастапқы нуклидтердің ) бірі . Жұлдыздық нуклеосинтез кезінде жұлдыздарда 6 Li және 7 Li аз мөлшері түзіледі , бірақ ол өндірілгендей тезірек « жанып кетеді ». 7 Li көміртегі жұлдыздарында да түзілуі мүмкін . Қосымша аз мөлшерде 6 Li және 7 Li екі күн желінен, ауыр атомдарға түсетін ғарыштық сәулелерден және ерте күн жүйесінің 7 Be радиоактивті ыдырауынан туындауы мүмкін . Литий изотоптары әртүрлі табиғи процестер кезінде айтарлықтай бөлінеді, соның ішінде минерал түзілуі (химиялық жауын-шашын), метаболизм және ион алмасу . Литий иондары балшықты минералдардағы октаэдрлік учаскелерде магний мен темірді алмастырады , мұнда 6 Li 7 Li -ге артықшылық береді , нәтижесінде жарық изотопы гиперфильтрация және тау жыныстарының өзгеруі процестерінде байытылады. Экзотикалық 11 Li нейтронды гало көрсететіні белгілі , оның 3 протон және 6 нейтроннан тұратын ядросының айналасында 2 нейтрон айналады. Лазерлік изотоптарды бөлу деп аталатын процесс литий изотоптарын, атап айтқанда 7 Li-ден 6 Li-дан бөлу үшін пайдаланылуы мүмкін . Ядролық қаруды өндіру және басқа да ядролық физиканы қолдану жасанды литий фракциясының негізгі көзі болып табылады, 6 Li жеңіл изотопы өнеркәсіп пен әскери қорларда сақталады, осылайша ол 6 Лиден 7 Лиге дейінгі арақатынаста шамалы, бірақ өлшенетін өзгерістерге әкелді. өзендер сияқты табиғи көздерде. Бұл литийдің стандартталған атомдық салмағында әдеттен тыс белгісіздікке әкелді , өйткені бұл мөлшер осы табиғи түрде кездесетін тұрақты литий изотоптарының табиғи молшылық қатынасына байланысты, өйткені олар коммерциялық литий минералды көздерінде бар. Литийдің екі тұрақты изотоптары да лазермен салқындатылуы мүмкін және бірінші кванттық дегенеративті Бозе - Ферми қоспасын алу үшін пайдаланылды . Петалит (LiAlSi 4 O 10 ) 1800 жылы бразилиялық химик және мемлекет қайраткері Хосе Бонифасио де Андрада э Силвамен Швецияның Утё аралындағы шахтада ашылған . Алайда 1817 жылға дейін химик Йонс Якоб Берцелиустың зертханасында жұмыс істеген Йохан Август Арфведсон петалит кенін талдау кезінде жаңа элементтің бар екенін анықтады . Бұл элемент натрий мен калий қосылыстарына ұқсас қосылыстар құрады , бірақ оның карбонаты мен гидроксиді суда аз ериді және сілтілі болды . Берцелиус сілтілі материалға оның ашылған калийге қарағанда қатты минералдағы ашылуын көрсету үшін гректің λιθoς (транслитерациясында lithos , «тас» дегенді білдіреді) сөзінен шыққан « литион / литина » атауын берді. өсімдік күлінде және ішінара жануарлардың қанында көптігімен белгілі болған натрий. Ол жаңа элементті «литий» деп атады. Кейінірек Арфведсон көрсеткендей, дәл осы элемент сподумен және лепидолит минералдарында бар . 1818 жылы Кристиан Гмелин бірінші болып литий тұздары жалынға ашық қызыл түс беретінін байқады. Алайда, Арфведсон да, Гмелин де таза элементті оның тұздарынан бөліп алуға тырысты және сәтсіздікке ұшырады. Ол 1821 жылы Уильям Томас Бранде оны литий оксидінің электролизі арқылы алғанға дейін оқшауланған жоқ , бұл процесс бұрын химик сэр Хамфри Дэви сілтілі металдарды калий мен натрийді оқшаулау үшін қолданған болатын. Бранде сонымен қатар хлорид сияқты литийдің кейбір таза тұздарын сипаттады және литийдің ( литий оксиді ) шамамен 55% металдан тұратынын есептеп, литийдің атомдық салмағын есептеді. шамамен 9,8 г/моль болуы керек (қазіргі мән ~6,94 г/моль). 1855 жылы Роберт Бунсен мен Август Маттиссеннің литий хлоридінің электролизі арқылы литийдің көп мөлшері өндірілді . Бұл процедураның ашылуы 1923 жылы литий хлориді мен калий хлоридінің сұйық қоспасының электролизін орындаған Metallgesellschaft AG неміс компаниясының литийдің коммерциялық өндірісіне әкелді . Австралиялық психиатр Джон Кейд 1949 жылы манияны емдеу үшін литийді қолдануды қайта енгізген және танымал еткен деп танылды. Көп ұзамай, 20 ғасырдың ортасында литийдің көңіл-күйді тұрақтандырушы мания мен депрессияға қолданылуы Еуропа мен Құрама Штаттарда пайда болды. Литийді өндіру және пайдалану тарихта бірнеше күрт өзгерістерге ұшырады. Литийдің бірінші негізгі қолданылуы ұшақ қозғалтқыштары үшін жоғары температуралы литий майларында және Екінші дүниежүзілік соғыста және одан кейін көп ұзамай ұқсас қолданбаларда болды. Бұл қолдану литий негізіндегі сабындардың басқа сілтілі сабындарға қарағанда балқу температурасының жоғары болуы және кальций негізіндегі сабындарға қарағанда аз коррозияға ұшырауы фактісімен расталды. Литий сабындары мен майлау майларына сұраныстың аздығы негізінен АҚШ-та бірнеше шағын тау-кен жұмыстарымен қамтамасыз етілді. Литийге сұраныс қырғи-қабақ соғыс кезінде ядролық термоядролық қаруды өндірумен күрт өсті . Литий-6 да, литий-7 де нейтрондармен сәулелендіргенде тритийді шығарады және осылайша тритийді өздігінен өндіру үшін пайдалы, сондай-ақ литий дейтериді түріндегі сутегі бомбаларында қолданылатын қатты синтездік отын түрі . АҚШ 1950 жылдардың соңы мен 1980 жылдардың ортасында литийдің негізгі өндірушісі болды. Соңында литий қоры шамамен 42 000 тонна литий гидроксиді болды. Қойылған литий литий-6-да 75%-ға таусылды, бұл көптеген стандартталған химиялық заттардағы литийдің өлшенген атомдық салмағына , тіпті «ластанған» литий ионының кейбір «табиғи көздеріндегі» литийдің атомдық салмағына әсер ету үшін жеткілікті болды. « Жер асты суларына жол тапқан изотоптарды бөлу қондырғыларынан ағызылатын литий тұздары арқылы. Салар-дель-Гомбре Муэрто , Аргентина (сол жақта) және Уюни , Боливия (оң жақта), литийге бай тұзды жерлердің спутниктік суреттері . Литийге бай тұзды ерітінді күннің булану тоғандарына айдау арқылы шоғырланған (сол жақтағы суретте көрінеді). Литий шынының балқу температурасын төмендету үшін және Холл-Херу процесінде алюминий оксидінің балқу әрекетін жақсарту үшін қолданылады . Бұл екі қолдану 1990 жылдардың ортасына дейін нарықта үстемдік етті. Ядролық қарулану жарысы аяқталғаннан кейін литийге сұраныс төмендеді және ашық нарықта энергия қорларының сатылуы бағаны одан әрі төмендетті. 1990 жылдардың ортасында бірнеше компаниялар литийді тұзды ерітіндіден оқшаулай бастады , бұл жерасты немесе ашық тау-кен өндіруге қарағанда арзанырақ нұсқа болып шықты. Шахталардың көпшілігі жабылды немесе басқа материалдарға назар аударды, өйткені тек аудандастырылған пегматиттердің кенін бәсекеге қабілетті бағамен өндіруге болады. Мысалы, Солтүстік Каролина штатындағы Кингс-Маунтин маңындағы АҚШ шахталары 21 ғасырдың басына дейін жабылды. Литий-иондық аккумуляторлардың дамуы литийге деген сұранысты арттырды және 2007 жылы басым қолданыс болды. 2000-жылдары аккумуляторларға литий сұранысының артуына байланысты жаңа компаниялар өсіп келе жатқан сұранысты қанағаттандыру үшін тұзды суды оқшаулау жұмыстарын кеңейтті. Литий жаңартылатын энергиямен жұмыс істейтін және батареяларға тәуелді әлемде геосаяси бәсекелестіктің негізгі объектілерінің бірі болады деген пікір айтылды, бірақ бұл перспектива кеңейтілген өндіріс үшін экономикалық ынталандырулардың күшін бағаламау үшін де сынға ұшырады.