Как найти относительную атомную массу лития

Ли́тий (от греч. λίθος – камень; лат. Lithium), Li, химический элемент I группы короткой формы (1-й группы длинной формы) периодической системы, атомный номер 3, атомная масса 6,941 а. е. м.; относится к щелочным металлам. Природный литий состоит из двух стабильных изотопов ⁶Li (7,59 %) и ⁷Li (92,41 %), для которых сечения захвата тепловых нейтронов сильно различаются (9,45·10^–26 м² и 3,3·10^–30 м² соответственно). Искусственно получены радиоизотопы с массовыми числами 4–11. Литий открыт в 1817 г. шведским химиком А. Арфведсоном в минерале петалите. Металлический литий впервые получен в 1818 г. Г. Дэви.

Распространённость в природе

Содержание лития в земной коре составляет 6,5·10^–3 % по массе; в свободном состоянии вследствие высокой химической активности не встречается. Литий накапливается преимущественно в пегматитах. Близость ионных радиусов Li+, Fe²⁺ и Mg²⁺ обусловливает вхождение Li+ в решётки магнезиально-железистых силикатов – пироксенов и амфиболов; литий содержится в виде изоморфной примеси в слюдах и др. Все минералы лития (силикаты, фосфаты и др.) редкие. Основные минералы: сподумен LiAl[Si₂O₆], лепидолит KLi_1,5Al_1,5[Si₃AlO₁₀](F,OH)₂, петалит LiAl[Si₄O₁₀] и амблигонит LiAl[PO₄](F,OH). Основные промышленные источники лития – пегматиты редких и рассеянных элементов (около 60 %) и рапа некоторых соляных озёр (до 40 %).

Образец лития.

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома лития 2s¹; в соединениях проявляет степень окисления +1; энергия ионизации Li⁰→Li⁺ 5,392 эВ, электроотрицательность по Полингу 0,98; атомный радиус 145 пм, ионный радиус Li⁺ (в скобках приведены координационные числа) 73 пм (4); 90 пм (6); 106 пм (8).

Компактный литий – серебристо-белый металл, быстро покрывающийся тёмно-серым налётом, состоящим из нитрида Li₃N и оксида Li₂O. При обычной температуре литий кристаллизуется в кубической объёмноцентрированной решётке; при температуре ниже –193 °C решётка гексагональная плотноупакованная; t_пл 180,54 °C, t_кип 1342 °C; самый лёгкий металл, плотность 0,534 г/см³ (25 °C); при 298 К температурный коэффициент линейного расширения 5,6·10^–5 К^–1, теплопроводность 85 Вт/(м·К), удельное электрическое сопротивление 9,4·10^–8 Ом·м. Литий парамагнитен.

Литий – мягкий и пластичный металл, хорошо обрабатывается прессованием и прокаткой, легко протягивается в проволоку, твёрдость по Бринеллю 5 МПа (твёрже других щелочных металлов). Пары́ лития окрашивают пламя в тёмно-красный цвет.

Многие химические реакции лития протекают менее энергично, чем у других щелочных металлов. С сухим воздухом литий практически не реагирует при комнатной температуре, окисляется только при нагревании. Во влажном воздухе образуется преим. Li₃N, при влажности воздуха более 80 % – LiOH и Li₂CO₃. С сухим O₂ при комнатной температуре не реагирует, при нагревании горит голубым пламенем с образованием Li₂O (пероксид Li₂O₂ получают только косвенным путём). С водой реагирует менее энергично, чем другие щелочные металлы, при этом образуется гидроксид LiOH и выделяется H₂. Расплав лития при контакте с водой взрывается. Разбавленные минеральные кислоты энергично растворяют литий. В жидком аммиаке растворяется, образуя синий раствор. Литий непосредственно соединяется с F₂, Cl₂, Br₂, при нагревании также и с I₂, образуя галогениды (важнейший – хлорид лития LiCl). При нагревании (500 °С) взаимодействует с H₂, образуя лития гидрид LiH, с серой – сульфид Li₂S. С азотом литий медленно реагирует при комнатной температуре, энергично – при 250 °С с образованием нитрида Li3N. С фосфором литий непосредственно не взаимодействует, в специальных условиях могут быть получены фосфиды Li₃P, LiP, Li₂P₂. Нагревание лития с углеродом приводит к образованию карбида Li₂C₂. Бинарные соединения лития – Li₂O, LiH, Li₃N, Li₂C₂, LiCl и др. и LiOH очень реакционноспособны; при нагревании или плавлении они разрушают многие металлы, фарфор, кварц и др. Литий легко сплавляется со многими металлами (кроме Fe и Ni), образуя твёрдые растворы (с Mg, Zn, Al) или интерметаллиды (с Ag, Hg, Mg, Al и др.). Литий образует многочисленные литийорганические соединения, что определяет его важную роль в органическом синтезе.

Мелкая крошка лития вызывает ожоги влажной кожи и глаз. Загоревшийся литий засыпают NaCl или содой. Хранят литий в герметически закрытых жестяных коробках под слоем пастообразной массы из парафина и минеральные масла.

Наиболее важные соединения лития: лития карбонат Li₂CO₃ (бесцветные кристаллы с плотностью 2110 кг/м³ и t_пл 732 °С, плохо растворимые в воде; используют для получения других соединений лития, а также в производстве ситаллов, керамики, электроизоляционного фарфора, эмалей, глазурей, в пиротехнике, в чёрной металлургии, в качестве добавки в электролит алюминиевых электролизёров и пр.); лития хлорид LiCl (бесцветные гигроскопичные кристаллы с плотностью 2070 кг/м³ и t_пл 610 °С, растворимые в воде и во многих органических растворителях; используют как высаливающий и дегидратирующий агент, в промышленности – для получения металлического лития электролизом, для кондиционирования воздуха, в производстве флюсов для плавки металлов и пр.); лития фторид LiF (бесцветные кристаллы с плотностью 2600 кг/м³ и t_пл 849 °С; используют как материал термолюминесцентных дозиметров, как оптический материал, компонент электролитов, эмалей, глазурей и пр.); лития гидроксид LiOH (бесцветные кристаллы с плотностью 1440 кг/м³ и t_пл 473 °С, менее растворимы в воде, чем гидроксиды других щелочных металлов; используют как добавки к электролиту щелочных аккумуляторов, в качестве реагента для получения, например, олеатов, стеаратов и пальмитатов – компонентов консистентных смазок для авиации и военной техники с рабочим интервалом от –50 до +150 °С, как поглотитель CO₂ на подводных лодках, самолётах и космических кораблях); лития ниобат (метаниобат лития) LiNbO₃ (бесцветные кристаллы с плотностью 4628 кг/м³ и t_пл 1260 °С; монокристаллы LiNbO₃ выращивают по методу Чохральского и используют в качестве преобразователей энергии и звукопроводов, элементов модуляторов и другого в электрооптике, модуляторов лазерного излучения, пироэлектрических приёмников лучистой энергии и др.).

Получение

Соединения лития получают в результате гидрометаллургической переработки концентратов – продуктов обогащения литиевых руд. Основной промышленный минерал лития – сподумен – перерабатывают по известковому, сульфатному, сернокислотному и щёлочно-солевому методам. По известковому методу сподумен разлагается известняком при 1150–1200 °С:

Li2O⋅Al2O3⋅4SiO2+8CaCO3=Li2O⋅Al2O3+4(2CaO⋅SiO2)+8CO2.Li₂O· Al₂O₃· 4SiO₂ + 8CaCO_3= Li₂O· Al₂O₃ +4(2CaO·SiO₂) +8CO₂. Спек выщелачивают водой в присутствии избытка извести, при этом алюминат лития Li₂O·Al₂O₃ разлагается: Li2O⋅Al2O3+Ca(OH)2=2LiOH+CaO⋅Al2O3.Li₂O·Al₂O₃ + Ca(OH)₂=2LiOH +CaO·Al₂O₃.По сульфатному методу сподумен (и другие алюмосиликаты) спекают с K₂SO₄ (при 1050–1100 °С): Li2O⋅Al2O3⋅4SiO2+K2SO4=Li2SO4+K2O⋅Al2O3⋅4SiO2,Li₂O· Al₂O₃· 4SiO₂ + K₂SO₄= Li₂SO₄ + K₂O· Al₂O₃· 4SiO₂,сульфат лития растворяют в воде и из раствора содой осаждают карбонат лития: Li2SO4+Na2CO3=Li2CO3+Na2SO4.Li₂SO₄ +Na₂CO₃=Li₂CO₃ +Na₂SO₄.По сернокислотному способу получают раствор сульфата лития, затем карбонат; реакция применима только для β-модификации сподумена. При щёлочно-солевом методе после разложения сподумена смесью CaCO₃ и CaCl₂ в раствор переходит LiCl.

Металлический литий получают электролизом расплавленной смеси LiCl и KCl при 400–460 °С с последующей очисткой от примесей (Na, K, Mg, Ca, Al, Fe) вакуумной дистилляцией, ректификацией или зонной плавкой. Металлический литий получают также вакуум-термическим восстановлением алюмината лития (алюминием при температуре 1150–1200 °С и давлении 15–66 Па), Li₂O (кремнием или алюминием в присутствии CaO при температуре 950–1000 °С и давлении 0,1 Па), сподумена (ферросилицием в присутствии CaCO₃ при температуре 1050–1150 °С и давлении 1,3–4,4 Па). Объём мирового производства лития около 7·10⁶ т/год.

Применение

Важнейшая область применения лития – ядерная энергетика. Изотоп ⁶Li – единственный промышленный источник для производства трития. Жидкий литий используют в качестве теплоносителя в урановых реакторах, расплавленный ⁷LiF – как растворитель U и Th в гомогенных реакторах. Дейтерид ⁶Li – основа термоядерного оружия. Литий применяют в производстве анодов для химических источников тока на основе неводных и твёрдых электролитов; как компонент сплавов с Mg и Al, антифрикционных сплавов (баббитов), сплавов с Si для изготовления катодов в электровакуумных приборах; для раскисления, дегазации, рафинирования Cu, медных, цинковых и никелевых сплавов; как катализатор полимеризации (например, изопрена), ацетилирования и др. Соединения лития (например, карбонат) применяются для лечения психических заболеваний.