» » Свойства и применение лития и его соединений
28.04.2015

Литий — химический элемент первой группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, подгруппы щелочных металлов, порядковый номер 3, атомный вес 6,94. Известны два изотопа лития Li6 и Li7 с относительной распространенностью 7,3 и 92,7%; получен радиоактивный изотоп с массовым числом 8. Радиус атома 1,56, радиус иона 0,78 А.
Литий был открыт в 1817 г. шведским химиком А. Арфведсоном при анализе минерала петалита. В свободном виде был получен в 1855 г. Р. Бунзеном и О. Матиссеном путем электролиза расплавленного хлористого лития.
Литий — металл серебристо белого цвета. Его плотность 0,534 г/см3 (при 20°). Температура плавления лития 180 температура кипения 1330°, Расширение при плазлении 1,51%.
Электропроводность лития составляет около 20% от электропроводности серебра, он обладает наибольшей среди металлов удельной теплоемкостью, равной 0,941 кал (при 20—100°); твердость лития по шкале твердости 0,6; по своей пластичности он напоминает свинец. Стойкость лития несколько выше стойкости остальных щелочных металлов; он плавится, не загораясь; температура его воспламенения 220—250°. Потенциал ионизации лития 5,37 в. Электродный потенциал: в расплаве 2,1 в, в растворе 3,0 в.
Зависимость давления паров лития от температуры характеризуется следующими цифрами (мм рт. ст.): 300°—5,07*10в-20, 400° — 4,78*10в-13, 500° — 6,54*10в-9, 600 — 3,36*10в-6, 700° — 2,83*10в-4, 800 — 7,76*10в-3, 900° — 0,101; 1000о — 0,782, 1100° — 4,16, 1200° — 16,7, 1300° — 54,0, 1350° — 91,0.
На воздухе литий быстро покрывается темно-красной пленкой, состоящей из нитрида Li3N (65—75%) и окиси лития Li2O (35—25%); поэтому хранить литий необходимо в герметически закрытых сосудах или в инертной жидкости.
Литий очень энергично реагирует с водородом, азотом, окислами и сульфидами, образуя нерастворимые в металлах химические соединения; соединения эти имеют небольшой удельный вес и легко всплывают на поверхность расплавленного металла. На этом основано действие лития как раскислителя и дегазатора, для чего он применяется обычно в виде 2%-ных лигатур с металлами (в первую очередь с медью, но может применяться и с кальцием), подлежащими дегазации и раскислению. Прибавление даже очень небольших количеств лития обеспечивает полное раскиление цветных металлов, хромоникелевой стали и чугуна.
На способности лития легко соединяться с азотом основано его использование для очистки инертных газов (гелия или аргона), требующихся в производстве титана, циркония и других металлов. Металлический литий находит применение для создания защитной атмосферы в закалочных и других печах, предназначенных для термообработки деталей; вдуваемый в расплавленном виде в герметизированную закалочную печь литий активно соединяется с вредными газами печной атмосферы.
Литий применяется в качестве одного из компонентов легких сплавов. Технические литиевые сплавы обычно содержат очень небольшие добавки лития. В большинстве случаев литий образует с другими металлами интерметаллические соединения; известны, например, соединения его с магнием (LiMg2) и алюминием (AlLi и AlLi2), найденные советским химиком П.Я. Сальдау. С магнием, алюминием и цинком литий образует твердые растворы значительных концентраций. Литий входит в состав некоторых легких сплавов высокой прочности на алюминиевой основе, например склерона (4% Cu и 0,1% Li), применяемых для изготовления деталей грузовых автомашин и основных рам трамвайных и железнодорожных вагонов Сплав магния с 11,5% Li, 5% Ag и 15% Cd имеет плотность 1,6 г/см3, предел текучести 30,2 кг/мм2 и относительное удлинение 8%.
Использование лития как компонента антифрикционных сплавов основано на образовании интерметаллических соединений, обладающих большой твердостью и высокой температурой плавления: SnLi7 — 783° (15,8% Li), ZnLi2 — 520° (17,6% Li), Pb2Li7 — 726° (10,1% Li) и др. Образование интерметаллического соединения Pb2Li7 придает свинцу повышенную твердость. Добавка 0,2% лития повышает твердость свинцоволитиевого сплава более чем в три раза по сравнению с твердостью свинца.
Металлический литий применяется в качестве катализатора в производстве синтетического каучука.
Особенно важное значение приобретает литий для производства атомной энергии. Достаточно сказать, что тритий можно получить в термоядерных реакторах при бомбардировке нейтронами дейтерия или таких элементов, как бор, азот и литий.
Исходным веществом для получения трития является изотоп лития Li6 Расширяя производство лития и отделяя изотоп Li6 от изотопа Li7, можно направлять первый на производство атомной энергии, а второй — в различные отрасли народного хозяйства.
До 1914 г литий производился только для экспериментальных целей. В период с 1914 по 1942 г. мировое производство лития составляло около 2,25 т в год. В 1942 — 1946 гг. США производили до 4,5 т лития в год, а в период с 1947 по 1952 г. около 13,5 т. Потребность промышленности США в металлическом литии в 1955 г. составляла до 450 т. На одну водородную бомбу требуется около 4 т металлического лития, этим объясняется быстрый рост производства этого металла в капиталистических странах мира.
Одновременно наблюдается быстрый рост производства соединений лития, имеющих важное значение для промышленности и техники. Так, производство соединений лития в США в пересчете на Li2O характеризуется следующими цифрами (т/год): 1947 г. — 120; 1950 г. — 445; 1954 г. — 2020; 1956 г. — 6500, а на 1957 г. планировалось более 10 тыс. т.
Окись лития Li2O — белый порошок. Плотность его 2,02 г/с.м3, температура плавления 1700°. При высокой температуре окись лития разъедает поверхность платины; она не взаимодействует с водородом, углеродом и окисью углерода. При нагревании выше 1000° начинает возгоняться.
Окись лития может быть получена путем термического разложения углекислой соли лития или его гидрата окиси. Окись лития — исходный материал при вакуум-термическом получении лития.
Углекислый литий Li2CO3 белый порошок. Плотность его 2,111 г/см3, температура плавления 732°, коэффициент преломления 1,567. Упругость диссоциации (мм рт. ст.): при 610° — 1; при 723° — 4; при 810° — 15; при 888° — 32, при 965° — 63; при 1270° — 760. Карбонат лития испаряется при нагревании; он трудно растворяется в воде и на этом основано его отделение от карбонатов других щелочных металлов.
Из углекислого лития можно получить любой галогенид лития, а также металлический литий.
Гидрат окиси лития LiOH — белый порошок. Плотность его 2,54 г/см3, температура плавления 445°, температура кипения 925°. При нагревании гидрат окиси лития разлагается с образованием окиси лития и паров воды Упругость диссоциации (мм рт. ст.): при 520° — 2; при 610° -23; при 670° — 61; при 724° — 121, при 812° — 322; при 925° — 760. При высокой температуре гидрат окиси летит. Растворимость гидрата окиси лития в воде значительно меньше, чем гидратов окисей других щелочных металлов, на этом и основано его отделение.
Гидрат окиси лития — исходный материал для производства других литиевых соединений, галогенидов, углекислого лития и т. д. Добавка 50 г гидрата окиси лития на 1 л электролита щелочных аккумуляторов повышает их емкость на 20% и увеличивает вдвое срок службы. Применение гидрата окиси лития для производства литиевых солей ряда органических кислот, например стеариновой, позволяет получить специальные смазки, не замерзающие при низких температурах (-50°) и не разлагающиеся при высоких температурах (120—150°). Эти смазки применяются и в порошковой металлургии в качестве внутренней связки, позволяющей получить наибольшую плотность брикетов при пониженных давлениях. Высокая точка плавления стеарата лития позволяет использовать его в производстве винипластов.
Хлористый литий LiCl — белое кристаллическое вещество Плотность его 2,068 г/см3, температура плавления 614°, температура кипения — 1360° Упругость паров хлористого лития (мм рт. ст.): при 783°— 1, при 880° — 2, при 932° — 10; при 1045° — 40; при 1129° — 100; при 1290° — 400, при 1360° — 760.
Хлористый литий обладает высокой гигроскопичностью, но легко обезвоживается; это позволяет применять его в установках по кондиционированию воздуха и на производствах, где необходимо сохранять постоянную влажность (синтетическое и натуральное волокно, прецизионное машиностроение, полиграфия). Обезвоженный хлористый литий служит исходным сырьем для получения лития электролитическим способом.
Фтористый литий LiF — белый кристаллический порошок. Плотность его 2,295 г/см3, температура плавления 870°, температура кипения 1670° Плохо растворяется в воде.
Фтористый литий применяется в качестве добавки при электролитическом получении лития. Он нашел применение в производстве инфракрасной и ультрафиолетовой оптики; крупные прозрачные искусственные кристаллы фтористого лития служат для приготовления из них оптических систем. Фтористый и хлористый литий используются в качестве флюса при сварке алюминия и его сплавов.
Гидрид лития LiH — белое кристаллическое вещество. Плотность его 0.75 г/см3, температура плавления 680°, упругость диссоциации при 850° составляет 760 мм рт. ст. Гидрид лития образуется при взаимодействии металлического лития и водорода при повышенных температурах (450—500°), наибольшей скорости реакция достигает при 650°.
Гидрид лития — сильный восстановитель. При взаимодействии 1 кг гидрида с водой выделяется 2,8 м3 водорода. Поэтому гидрид лития используется как средство получения водорода для сигнальных и спасательных целей в морском флоте и в морской авиации, для заполнения выделяющимся при попадании в воду водородом спасательных поясов или сигнальных буйков.
Гидрид лития находит все более широкое применение при синтезе различных органических соединений, например полимеризации этилена, получении более реакционноопособных литиевых алкилов и арилов, определении ароматических нитросоединений и многих других реакциях органического синтеза.
Карбид лития Li2C2 — бесцветные или серые кристаллы. Образуется при взаимодействии лития с углеродом при температуре 650—700°; очень бурно реагирует с водой с образованием углерода и гидрата окиси лития.
Нитрид лития Li3N — очень темное, с зеленоватым оттенком вещество с металлическим блеском. Плавится при 845° и может быть переплавлен в атмосфере азота или в вакууме. Взаимодействие лития с азотом начинается при комнатной температуре и заметно возрастает с повышением температуры. При взаимодействии с водой нитрид лития выделяет аммиак.
Перекись лития Li2O2 содержит до 35% освобождаемого кислорода и поэтому может являться безбаллонным источником для получения этого газа, например в целях освежения воздуха в изолированных помещениях (при кесонных работах, в подводных лодках, самолетах и т. п.).
Все перечисленные выше соединения лития находят все большее применение в различных областях промышленности.