Литий - что это такое? Атом, ядро, энергия лития. Литий-ионные аккумуляторы

Литий – что это такое? В данной статье мы постараемся ответить именно на этот вопрос. Здесь будет дано определение как атома лития, так и металла, который он образует. Также мы рассмотрим его физические и химические свойства, применение и нахождение в природе, способы добычи и некоторые исторические данные.

Введение

Li – это элемент химической таблицы Д. И. Менделеева. Он входит в первую группу (в соответствии с устаревшей классификацией) 2-го периода. Атомный номер - №3. Простое вещество, которое образовано атомами лития, представлено в виде щелочного и мягкого метала серебристо-белого цвета.

Исторические данные

Литий открыли в 1817 году. Сделал это шведский химик Иоганн Арфведсон. Сначала Li был обнаружен в составе минерала петалита, а далее его нашли в сподумене и лепидолите. Металлическую форму получил первым Гемфри Дэви в 1818 году.

Название было дано ввиду того, что обнаружили Li впервые в камнях, которые в переводе с греческого имеют созвучное строение слова с самим литием. Изначально его называли литионом, однако затем Я. Берцелиус предложил изменить название.

Физический ряд характеристик

Литий – что это такое? Отвечая на этот вопрос, важно будет отметить его физические и химические характеристики.

Li – это металл, обладающий серебристо-белым цветом, он довольно мягкий и пластичный. Данное простое вещество поддается обработке прессованием и/или прокаткой.

В условиях комнатной температуры этому металлу свойственна объемноцентрированная решетка, а его пространственная группа – m3m. В условиях ниже температуры ниже 78 К он становится устойчивым, а кристаллическая форма решетки переходит в состояние гексагональной плотной структуры, в которой все атомы лития имеют по двенадцать «близких соседей», расположившихся в вершине кубооктаэдра.

Среди всех металлов щелочного типа литий обладает самой высокой температурой, при которой он начинает кипеть (1340 °C) или плавиться (180,54 °C). При комнатной температуре плотность лития, среди той же группы металлов, самая низкая и даже меньше плотности H₂O.

Немного о химических особенностях

Li – щелочной металл, однако он обладает относительной устойчивостью на воздухе. Он наименее активный среди своей группы металлов. Например, он почти не реагирует с молекулами сухого кислорода в условиях комнатной температуры. По этой причине литий никогда не хранят в керосине. Находясь в воздухе с умеренным количеством влаги, может вступать в реакцию с различными газами. Примером могут служить газы нитрида, гидроксида и карбоната. Атомная масса лития равна 6.941 а. е. м.

По этой причине Li держат в петролейных эфирах, парафине, минеральных маслах или газолине. При этом жестяная коробка должна быть герметичной. Одной из интересных особенностей лития является его способность покрываться оксидной пленкой с высокой плотностью при температуре от 100 до 300 °C.

Получение

Литий – что это такое? Еще одним пунктом в рассмотрении данного вопроса является определение путей его получения и добычи.

На сегодняшний день этот металл получают из природных минералов. Также широко применяются разложение серных кислот, спекание с CaO или CaCO₃. Среди менее широко используемых способов выделяют обработку K₂SO₄, с последующим выщелачиванием при помощи воды. Каким бы ни был метод получения, в конечном итоге образуется карбонат лития, который плохо растворяется в воде. Затем это вещество переносят в хлорид (LiCl). Хлорид лития подвергают электролизу с применением смесей KCl или BaCl₂, которые понижают температуру плавления. Очистка лития происходит посредством использования метода вакуумной дистилляции.

Крупнейшая выработка Li происходит на территории Австралии, Чили и Аргентины. В 2015 году было добыто около 32,5 тысячи тонн этого металла. Распад СССР привел к полной утрате производства лития на территории РФ, однако в 2017 году была запущена экспериментальная установка, позволяющая добывать его из бедных руд, затрачивая на это малое количество средств.

Эксплуатация

Отвечая на вопрос о том, что это такое – литий, крайне важно будет ознакомиться со способами его использования.

В настоящее время существует огромнейшее количество способов применения металла Li. Одним из таких примеров служит изготовление полупроводников из сплава сульфидов меди и лития, которые применяют в термоэлектропреобразователях.

Из лития создают аноды для химических источников тока и элементов гальванического типа с твердыми электролитами.

Кобальтаты и молибдаты лития показывают одно из лучших эксплуатационных свойств, а также высокий уровень энергоемкости в качестве литиевых электродов с положительным зарядом для аккумуляторов. Соединения гидроксида лития используют в качестве элемента при создании аккумуляторов щелочного типа. Добавление этого же вещества в тяговые батареи некоторых видов аккумуляторов может повысить срок годности устройства в 2-3 раза.

Энергию лития используют при создании лазеров с высоким КПД (около 80 %). Если точнее, то применяют монокристаллы фторида лития. Также с применением этого вещества изготавливают оптику с широкими спектральными полосами пропускания.

Сплавы Li с другими металлами также широко применяются человеком. Например, соединение серебра, золота и лития является крайне эффективным средством припоя. Этот же металл, но в соединении с Mg, Cd, Al и Cu не так давно начали использовать в авиационной и космической промышленности. Алюминаты и силикаты лития являются основой для создания керамики, которая затвердевает в условиях комнатой температуры. Она используется в военном ремесле, металлургической деятельности. Стекла, созданные на основе Li, отличаются огромной прочностью и могут укрепляться волокном карбида кремния. Также данный металл упрочняет свинцовые сплавы, увеличивая их показатель пластичности и стойкости к коррозии.

В электронике трибораты лития-цезия используют в качестве оптического материала для радиоаппаратуры. Ниобад и танталат лития (LiNbO₃ и LiTaO₃) также применяются в отраслях производства акустооптики, оптоэлектроники и нелинейной оптики. Еще литий применяют для наполнения осветительных ламп газоразрядного металлогалогенового типа.

В металлургических отраслях Li используют с целью раскисления и/или увеличения показателя пластичности и прочности определенного сплава. Иногда литий применяют в качестве восстановителя в ходе метода металлотермии, который используют для возобновления редкого ряда металлов.

Литий в биологии

Человеческий организм нуждается в небольшом количестве Li (суточная норма около 100 мкг для взрослого). Большая часть металла находится в тканях сердца, печени, лимфоузлах, плазме крови, надпочечниках, а также в щитовидной железе.

Литий участвует в некоторых важнейших биохимических процессах:

• играет важную роль в обмене жиров и углеводов;
• оказывает поддержку иммунной системе;
• участвует в предупреждении возникновения аллергии;
• понижает нервную возбудимость.

Препараты на основе лития используются в терапии с целью устранения или подавления психических дисфункций сознания и мозга. Выводится этот металл из организма с помощью почек.

Об аккумуляторах

Литий-ионные аккумуляторы – один из видов электрических приборов, которые используют для сохранения и эксплуатации энергетических ресурсов, а потому им мы уделим немного отдельного внимания.

Такие аккумуляторы широко распространены в среде современной бытовой техники и применяются, например, в электромобилях или накопителях, установленных в энергетических системах. В сотовых телефонах, ноутбуках, цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и ранее упомянутых электромобилях такой вид аккумулятора является самым распространенным. Первый подобный прибор был выпущен корпорацией Sony в 1991 году.

Устройство аккумулятора

Литий-ионные аккумуляторы состоят из электродов, которые разделены сепаратором с порами. При этом его пропитывают электролитами. Электродный пакет помещают в герметичную оболочку, а набор катодов и анодов прикрепляют к токосъемным клеммам. Оболочку (корпус) могут оснащать предохранительными клапанами, сбрасывающими внутреннее давление в случае возникновения аварийной ситуации или нарушения в работе эксплуатации. Различают такие аккумуляторы по типу катодных материалов, которые используют в устройстве. Ядро лития в них обладает количеством протонов, которое отличается от суммы электронов, окруживших ядро. Поэтому такие устройства и называют ионными. Переносят электроны в аккумуляторе ионы Li с положительным зарядом. Такие частички способны внедряться в кристаллические решетки другого ряда материалов и образовывать химические связи, вследствие чего образуются окислы и соли металлов.