Литий - химический элемент первой группы периодической системы с порядковым номером 3. Это мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета, который находит широкое применение в промышленности и технике.
История открытия лития
Литий был открыт шведским химиком Юханом Арфведсоном в 1817 году. Он выделил новый элемент из минерала петалита и дал ему название "литий" от греческого "lithos" - камень. Это название отражает тот факт, что литий был открыт в минерале.
Однако дальнейшее изучение свойств лития затянулось почти на 100 лет. Только в начале 20 века был получен металлический литий и исследованы его химические и физические характеристики.
Электронная структура лития
Электронная формула атома лития выглядит следующим образом:
1s2 2s1
Атом лития имеет всего 3 электрона. Два электрона заполняют внутренний 1s подуровень, а третий электрон на внешней 2s орбитали. Именно этот валентный электрон легко отдается атомом лития при химических реакциях, образуя стабильный ион лития Li+ с зарядом ядра +3e.
Химические свойства
Как типичный представитель щелочных металлов, литий проявляет высокую химическую активность. Он легко отдает свой валентный электрон, образуя катион Li+. Благодаря малому размеру, этот катион сильно поляризует и гидратирует молекулы воды, образуя гидроксид лития LiOH в водных растворах.
Литий вступает в реакции:
- с водой и кислородом, образуя оксиды лития;
- с галогенами, давая галогениды (фторид, хлорид и т.д.);
- с серой - реакция идет очень бурно с образованием сульфида лития;
- с азотом, углеродом и водородом.
Продукты этих реакций находят широкое применение в промышленности и технике. Например, карбонат лития используется:
- в производстве стекла;
- для очистки воздуха от CO2;
- в фармацевтике;
- при добыче алюминия и др.
Электронная и графическая формула лития
Графически электронная формула лития может быть представлена следующим образом:
| 1s | ↑↓ |
| 2s | ↑ |
Здесь стрелками обозначены спины электронов согласно принципу Паули. Как видно, последний 3й электрон имеет неспаренный спин.
Такая электронная конфигурация во многом объясняет физические и химические особенности лития, которые делают его незаменимым в современных технологиях.
Применение соединений лития
Соединения лития активно используются в различных областях техники и промышленности. Рассмотрим некоторые примеры.
Благодаря высокой реакционной способности, литий применяют для раскисления и получения сплавов цветных металлов. Добавки лития повышают пластичность и прочность алюминиевых сплавов, используемых в авиакосмической промышленности.
Электроника и электротехника
В электронике широко используются кристаллы на основе ниобата и танталата лития - LiNbO3 и LiTaO3. Они обладают уникальными нелинейно-оптическими свойствами.
Гидроксид лития LiOH применяют в щелочных аккумуляторах, а металлический литий - в литий-ионных батареях для повышения их емкости и ресурса.
Электронная формула
Изотоп лития-6 используется в ядерной энергетике - как компонент термоядерного топлива и теплоноситель в реакторах на быстрых нейтронах. А изотоп лития-7 применяют для получения трития.
Медицина
Соли лития (карбонат, цитрат и др.) используются в психиатрии для лечения биполярного аффективного расстройства и депрессии. Литий стабилизирует настроение и активность пациентов.
Гидроксид лития используется для очистки воздуха в изолирующих противогазах, в системах жизнеобеспечения подводных лодок, космических кораблей и станций.
Соединения лития нашли широкое применение в производстве специальных сортов стекла, керамики, в химической и пищевой промышленности.
Добыча и производство лития
Для удовлетворения растущих потребностей промышленности в литии, ведется активная разработка его месторождений и совершенствование технологий производства.
Основная доля добываемого лития поступает из «литиевого треугольника» в Южной Америке. Это соляные озера Чили, Боливии и Аргентины, содержащие рассолы с высокой концентрацией солей лития.
Перспективные месторождения лития имеются также в США, Китае, Австралии, Сербии и других странах. Россия пока полностью зависит от импорта лития.
Технологии производства
Металлический литий получают электролизом расплава хлорида лития при температуре около 450°C. В последние годы разрабатываются более эффективные и экологичные технологии, например, электролиз в ионных жидкостях.
Перспективным источником лития может стать вторичная переработка и утилизация литий-ионных батарей, выработавших свой ресурс. Это позволит создать замкнутый цикл производства и потребления лития.
Поиск альтернатив
Некоторые исследователи ведут работы по поиску альтернатив литию, которые могли бы заменить его в аккумуляторах и других областях применения. Однако пока не найдено ничего, что могло бы сравниться с литием по соотношению стоимости и эффективности.
Несмотря на активную разработку месторождений, запасы лития вполне достаточны, чтобы удовлетворять растущий спрос на ближайшие десятилетия и дольше. А новые технологии производства помогут сделать этот критически важный элемент более доступным.
