Литий - строение, характеристика и основные свойства металла

История открытия элемента

В 1817 году шведский химик Иоганн Арфведсон открыл вещество в минерале петалите, а затем — в пероксине сподуме и слюде лепидолите. А в 1818 году Гемфри Дэви получил его в виде металла в процессе разложения расплава гидроксида лития. Когда Леопольд Гмелин экспериментировал с солями, содержащими это вещество, он увидел, что при горении соединений пламя было окрашено в карминово-красный цвет.

Впервые литий был найден среди твёрдых горных пород, поэтому он получил наименование литион, что в переводе с греческого означает «камень». Современное название металлу дал Берцелиус.

Крупные месторождения лития были найдены в США, Боливии, Чили, Бразилии, Конго и Китае. В России почти 50% запасов природного ископаемого можно найти в Мурманской области. Вещество обнаружили в составе онгонитов и в сильносолёных озёрах, которые назвали рассолами.

Физические свойства

В периодической системе литий (Li) имеет атомный номер 3. Химический элемент расположен во втором периоде первой подгруппы. Он относится к классу щелочных металлов и характеризуется светло-серебристым оттенком. Его свойства обусловлены электронным строением атома. Литий относится к семейству s-элементов. Его валентность равна +1. Атом характеризуется наличием двух оболочек. На внешнем слое расположены валентные электроны, участвующие в формировании химических связей. Ядро атома имеет положительный заряд. В нём находятся 3 протона и 4 нейтрона. Вокруг ядра по орбитам движутся 3 электрона.

Основные характеристики лития:

• температура плавления — 180 °C;
• температура кипения — 1340 °C;
• плотность при комнатной температуре — 0,533 г/см³;
• атомная и молекулярная масса вещества — 6,941;
• удельный вес — 0,539;
• твёрдость по Моосу — 0,6.

Литий — самый лёгкий металл. Он способен воспламеняться при температуре выше 200 °C. На воздухе он покрывается оксидно-нитридной плёнкой. При комнатной температуре вещество обладает кубической объёмноцентрированной кристаллической решёткой. Пластичный металл мягче свинца и твёрже натрия. Он хорошо обрабатывается прокаткой и прессованием.

Особые физические свойства лития обусловлены небольшим размером его атома. С натрием он соединяется при температуре не выше 380 °C. С ним не смешиваются расплавленный калий, рубидий или цезий.

Химические особенности

Вещество реагирует с водой, аммиаком, кислотами и неметаллами, в чём проявляются типичные химические свойства лития. В металлической форме он обжигает слизистые оболочки и увлажнённую поверхность кожного покрова.

В соединениях степень окисления лития равна +1. Этот металл нельзя хранить в керосине, что нехарактерно для щелочных видов. При комнатной температуре он не взаимодействует с сухим воздухом или кислородом. Элемент вступает в медленные реакции с другими газами во влажном воздухе, образуя гидроксид, нитрид и карбонат. Поэтому вещество хранят в газолине, парафине или минеральном масле. Для этого используют герметично закрытые жестяные банки.

При нагревании в кислороде литий горит, превращаясь в оксид. Протекающая химическая реакция с уравнением и формулой:

4Li+O2 → 2Li2O

Одна из главных особенностей металла в том, что при 100−300°C на нём образуется плотная оксидная плёнка, после чего он не окисляется. Основным признаком для определения химического элемента служит тёмно-красное пламя во время горения его солей. При взаимодействии с водой, при котором не происходит взрыва или возгорания, образует гидроксид и простое вещество водород. Также реагирует с этиловым спиртом.

Происхождение в природе

Существует 2 природных стабильных и 7 искусственных изотопов лития. Кроме того, металл имеет два возбуждённых изомерных состояния некоторых его нуклеидов. Основная часть изотопов возникла при первичном нуклеосинтезе, а другая — в звёздном.

Вещество относится к группе крупноионных литофильных элементов. Он содержится в верхней материковой коре и морской воде. Литий образует такие самостоятельные минералы, как лепидолит и сподумен. Он выступает изоморфным заместителем калия в распространённых породообразующих ископаемых.

Большой объём элемента обнаружен в красном гиганте, который был открыт астрономами в 1982 году. Также высокое содержание металла отмечено в некоторых других крупных звёздах.

Специалисты используют минеральные формы или солевые растворы из соляных озёр для получения необходимого вещества. Из каждого вида сырья сначала извлекают карбонат металла. Сподумен перерабатывают путём спекания его с сульфатом калия. В результате реакции получается раствор сульфата лития, а затем при взаимодействии с карбонатом натрия получается карбонат лития. Металлическая форма вещества образуется путём электролиза расплава солей.

Биологическое значение

Элемент был обнаружен в числе постоянных компонентов в живых организмах. У растений он повышает стойкость к различным заболеваниям. Вещество усиливает фотохимическую активность хлоропластов в листве томатов и синтез никотина в табаке.

В человеческом организме литий образуется преимущественно в почках, но также находится в щитовидной железе, печени, сердце, лёгких и кишечнике. Этот элемент участвует в важных процессах жизнедеятельности организма человека:

• нормализует обмены жиров и углеводов;
• укрепляет иммунную систему;
• не даёт развиться аллергическим реакциям;
• снижает нервную возбудимость.

В большом количестве вещество снижает уровень серотонина в мозге. При высоком содержании натрия в организме препараты с литием назначают с осторожностью, поскольку лекарства могут быть опасны для здоровья и ухудшить состояние почек.

Сферы применения

Литий обладает уникальными свойствами и имеет много преимуществ перед другими металлами. Люди используют его в разных областях:

• Сульфид лития и меди выступает отличным полупроводником, предназначенным для создания термоэлектрических материалов.
• Металл, который даёт возможность получить тёмно-красное пламя, применяется при производстве пиротехники.
• Фторид вещества широко используется в изготовлении лазеров и оптики.
• В современной электронике применяют щелочные аккумуляторы с гидроксидом лития для получения максимальной мощности и продления срока службы средств.
• Вещество используется в качестве наполнителя для металлогалогенных ламп.
• Сплавы лития применяют в авиации и космонавтике.
• В металлургии материал используют как вспомогательное средство при выплавке алюминия. Полезное ископаемое повышает степень прочности и пластичности у разных сплавов.
• Из-за высокой удельной теплоёмкости металл распространён в производстве ядерных реакторов.
• В силикатной промышленности он необходим при создании определённых видов стекла и для покрытия изделий из фарфора.
• Гидроксид лития применяется для очистки помещений от углекислого газа.
• Соединения с этим веществом используют в текстильной промышленности для отбеливания тканей.

Различные соединения лития находят применение и в других областях. Поскольку его соли характеризуются целебными свойствами, вещество широко используется в сфере медицины. Лекарственные препараты с этим компонентом помогают в лечении аффективных расстройств и дерматологических заболеваний.