Свойства и применение лития и его соединений. Литий – металл или неметалл? Свойства и применение лития
Фармакологическая группа: нормотимические средства (препараты лития)
Систематическое (IUPAC) название: Литий (1+)
Торговые названия: Eskalith, Lithobid и др.
Правовой статус: только по рецепту
Применение: перорально, парентерально
Биодоступность: зависит от формулы
Период полураспада: 24 ч
Выделение: > 95% почечное
Формула: Li+
Мол. масса: 6,941 г/моль
Соединения лития обычно используются в качестве психиатрических лекарств. Некоторые соли лития используются в качестве стабилизирующих настроение препаратов, прежде всего для лечения биполярного расстройства; они играют определенную роль в лечении депрессии и особенно мании, как острой, так и длительной. В качестве стабилизатора настроения, литий, вероятно, более эффективен в предотвращении мании, чем депрессии, а также снижает риск самоубийства у больных биполярным расстройством. При депрессии (однополярном расстройстве), литий может применяться для усиления действия других антидепрессантов. Среди препаратов лития наиболее часто назначается карбонат лития (Li2CO3), продающийся под разными торговыми наименованиями. Также часто используется цитрат лития (Li3C6H5O7). В качестве альтернативы этим препаратам применяются сульфат лития (Li2SO4), литий оротат (C5H3LiN2O4) и литий аспартат. В прошлом использовались бромид лития и хлорид лития, однако в 1940-х годах была обнаружена их возможная токсичность, и эти вещества вышли из употребления. Кроме того, существуют многие другие соли и соединения лития, такие как фторид лития и йодид лития, однако они считаются токсичными веществами и никогда не тестировались в качестве фармакологических препаратов. После попадания в пищевод литий широко распространяется в центральной нервной системе и взаимодействует с рядом нейротрансмиттеров и рецепторов, снижая высвобождение норадреналина и увеличивая синтез серотонина.
Медицинское использование Лития
Литий используется для лечения мании при биполярном расстройстве. Первоначально литий часто применяли в сочетании с антипсихотическими препаратами, поскольку для проявления его эффекта иногда может потребоваться целый месяц. Литий также используется для профилактики депрессии и мании при биполярном расстройстве. Иногда литий используется в случае других психиатрических расстройств, таких как циклоидный психоз и большое депрессивное расстройство. Литий обладает очень важным антисуицидальным действием, которым не обладают другие стабилизирующие препараты, например, противосудорожные препараты. Препарат редко используется в непсихиатрических целях, однако, он зарекомендовал себя в профилактике некоторых видов головных болей, связанных с кластерной головной болью, особенно ночных головных болей. В итальянском пилотном исследовании на людях, проводимом в 2005-06 гг., было заявлено, что литий может снижать симптомы нейродегенеративных заболеваний, таких, как боковой амиотрофический склероз (БАС). Тем не менее, рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое исследование по сравнению безопасности и эффективности лития в сочетании с рилузолом для лечения БАС, не смогло продемонстрировать преимущества комбинированной терапии в сравнении с рилузолом. Литий иногда используется в качестве средства для усиления действия стандартных препаратов, используемых для лечения униполярной депрессии. Ранее литий считался непригодным для детей препаратом, однако более поздние исследования показали его эффективность для лечения раннего биполярного расстройства у детей в возрасте восьми лет. Требуемая доза (15-20 мг на кг массы тела) немного меньше уровня токсичности, поэтому во время лечения следует тщательно контролировать уровни лития в крови. Чтобы назначить правильную дозировку, следует принимать во внимание всю медицинскую историю пациента, как в физическом, так и в психологическом плане. Начальная доза лития должна составлять 400-600 мг в ночное время и еженедельно увеличиваться в зависимости от мониторинга сыворотки. Пациентам, принимающим литий, следует регулярно тестировать уровни сыворотки и следить за функционированием и возможными аномалиями щитовидной железы и почек, поскольку вещество вмешивается в регулирование уровней натрия и воды в организме и может вызывать обезвоживание. Обезвоживание, усугубляемое воздействием тепла, может привести к увеличению уровней лития. Обезвоживание происходит из-за ингибирования литием действия антидиуретического гормона, который обеспечивает почечное поглощение воды из мочи. Это приводит к неспособности концентрировать мочу, что ведет к последующей потере воды в организме и жажде. Сочетание лития с высокими дозами , или может быть опасным; поступали сообщения о необратимой токсической энцефалопатии, вызываемой совместным применением этих препаратов. Соли лития имеют узкое терапевтическое/токсическое соотношение, поэтому их не следует назначать при отсутствии средств для мониторинга концентраций в плазме. Пациентов следует тщательно тестировать. Дозы регулируют до достижении концентраций в плазме от 0.4 до 1,2 ммоль Li+/л (нижняя граница диапазона для поддерживающей терапии и у пациентов пожилого возраста, более высокий уровень – для педиатрических пациентов) в образцах, взятых через 12 часов после приема предыдущей дозы. Передозировка при плазменной концентрации более 1,5 ммоль Li+/л, может быть смертельной; токсичные эффекты включают тремор, атаксию, дизартрию, нистагм, почечную недостаточность, спутанность сознания и судороги. При возникновении этих потенциально опасные симптомов лечение необходимо немедленно прекратить, уточнить плазменные концентрации лития, и предпринять шаги, необходимые для обращения токсичности лития. Токсичность лития усугубляется истощением натрия. Одновременный прием мочегонных средств, ингибирующих поглощение натрия в дистальных канальцах (например, тиазидов), является опасным и его следует избегать, поскольку это может привести к повышенной резорбции лития в проксимальных извитых канальцах, что приводит к повышенным, потенциально токсичным уровням лития в организме. Иногда, при незначительном отравлении, токсичность может обратить при прекращении приема лития и назначении большого количества натрия и жидкости. Плазменные концентрации более 2,5 ммоль Li+/л, как правило, связаны с серьезной токсичностью, требующей неотложной помощи. При токсических концентрациях максимальная токсичность может проявиться через один-два дня. При длительном применении лития в терапевтических концентрациях могут наблюдаться гистологические и функциональные изменения в почках. Значение таких изменений не ясно, длительный прием лития не рекомендуется. При возникновении проблем с почками врачи могут изменить лечение пациента, больного биполярным расстройством и назначить вместо лития другой стабилизирующий настроение препарат, например, вальпроат (Depakote). Важным потенциальным следствием долгосрочного использования лития является развитие почечного несахарного диабета (неспособность концентрировать мочу). Поэтому на протяжении трех-пяти лет литий следует применять только при наличии видимого положительного эффекта. В продаже доступны традиционные таблетки и таблетки с замедленным высвобождением. Препараты различаются по биодоступности, и изменение в используемом составе требует тех же мер предосторожности, как и начало лечения. Можно отдать предпочтение какой-либо одной простой соли лития; карбонат используется более широко, также доступен цитрат. Литий может быть использован в качестве средства для лечения себорейного дерматита (8% гель литий глюконата). Кроме того, литий увеличивает производство белых кровяных клеток в костном мозге и может быть прописан пациентам, страдающим лейкопенией. Ограниченное количество данных свидетельствует о том, что литий может быть полезен в лечении злоупотребления психоактивными веществами у некоторых пациентов с двойным расстройством. В 2009 году японские исследователи из университета Оита сообщили о том, что низкие уровни естественного лития в питьевой воде кореллируют с низким уровнем самоубийств. В предыдущем докладе аналогичные данные были продемонстрированы в американском штате Техас. В ответ на это, психиатр Питер Крамер поднял вопрос о гипотетической возможности добавления лития в питьевую воду в качестве минеральной добавки, а не в качестве терапевтического средства (терапевтическая доза карбоната лития (таблетки, капсулы) или цитрата (жидкость), «обычно находится в диапазоне от 900-1200 мг/день» и регулируется в соответствии с реакцией пациента и уровнями крови. Это аналогично ниацину, когда низкие дозы поливитаминов в таблетках принимают в качестве витаминной добавки для предотвращения болезни пеллагры, связанной с дефицитом ниацина, в то время как высокую дозу назначают в качестве терапевтической для повышения уровней липопротеинов высокой плотности («хорошего» холестерина).
Побочные эффекты Лития
Наиболее распространенными побочными эффектами Лития являются общая заторможенность и небольшой тремор рук. Эти побочные эффекты обычно присутствуют на всем продолжении лечения, но иногда у некоторых пациентов могут исчезать. Другие распространенные побочные эффекты, такие как тошнота и головная боль, обычно устраняются при более высоком потреблении воды. Литий вызывает дисбаланс электролитов; чтобы избежать этого, рекомендуется увеличить потребления воды. По данным австралийского исследования, «заболеваемость гипотиреозом у пациентов, принимавших литий, в шесть раз выше в сравнении с населением в целом. Гипотиреоз, в свою очередь, увеличивает вероятность развития клинической депрессии». Литий способствует увеличению веса на 1-2 кг. Увеличение веса может быть причиной низкой самооценки при клинической депрессии. Поскольку литий конкурирует с рецепторами за антидиуретический гормон в почках, он увеличивает выход воды в моче, вызывая нефрогенный несахарный диабет. Выведение лития почками обычно проходит успешно при приеме некоторых диуретиков, включая амилорид и триамтерен. Это увеличивает аппетит и жажду (полидипсия) и снижает активность гормонов щитовидной железы (гипотиреоз). Последнее лечится при приеме . Литий непрерывно влияет на функционирование почек, хотя это его свойство проявляется не всегда. Литий может вызывать развитие нистагма, для избавления от которого может потребоваться несколько месяцев воздержания от приема препарата. Большинство побочных эффектов лития зависят от дозы. Для ограничения риска побочных эффектов рекомендуется использовать максимально низкие эффективные дозы.
Тератогенность
Литий также является тератогенным веществом, которое способно вызывать врожденные дефекты у небольшого числа новорожденных. Имеющиеся данные и некоторое количество ретроспективных исследований говорят о том, что при приеме лития во время беременности возможно увеличение риска врожденного порока сердца, известного как аномалия Эбштейна. В связи с этим беременным женщинам, принимающим литий, необходимо регулярно проводить эхокардиография плода, чтобы исключить возможность сердечных аномалий. Ламотриджин представляет собой возможную альтернативу Литию для беременных женщин. Габапентин и Клоназепам также прописывают как препараты против паники в детородном возрасте и во время беременности. Вальпроевая кислота и Карбамазепин также являются тератогенными веществами.
Обезвоживание
У пациентов, принимающих соли лития, может наблюдаться очень опасное обезвоживание, особенно в сочетании с индуцированным литием нефрогенным несахарным диабетом с полиурией. Такие ситуации могут возникать при предоперационном ограничении приема жидкостей или в других случаях недостатка жидкости, теплых погодных условиях, спортивных мероприятиях и при пешем туризме. Другой опасностью является то, что быстрое обезвоживание может очень быстро вызывать гипонатриемию с опасными токсическими концентрациями лития в плазме.
Передозировка Лития
Токсичность лития может наблюдаться у лиц, случайно или преднамеренно принимающих чрезмерное количество лития, одномоментно или же накапливая высокие уровни в ходе текущей хронической терапии. Проявления токсичности включают тошноту, рвоту, понос, слабость, атаксию, спутанность сознания, заторможенность, полиурию, судороги и кому. Другие токсичные эффекты лития включают крупноамплитудный тремор, подергивания мышц, судороги и почечную недостаточность. У людей, переживших отравление, может развиться стойкая нейротоксичность. Некоторые авторы описывают «синдром необратимой литиевой нейротоксичности» (SILENT), связанный с эпизодами острой токсичности лития или длительным лечением в соответствующем диапазоне доз. Симптомы включают мозжечковую дисфункцию.
Измерения в жидкостях организма
Концентрации лития в цельной крови, плазме, сыворотке или моче могут быть измерены с помощью инструментальных методов, в качестве руководства к терапии, для подтверждения диагноза у потенциальных жертв отравления или для оказания помощи в судебно-медицинской экспертизе в случае фатальной передозировки. Концентрации лития в сыровотке, как правило, находятся в диапазоне 0,5-1,3 ммоль/л у контролируемых пациентов, но могут увеличиваться до 1,8-2,5 ммоль/л у пациентов, которые накапливают препарат с течением времени и до 3-10 ммоль/л у жертв острой передозировки.
Механизм действия
В отличие от других психоактивных веществ, прием Li+ в терапевтических концентрациях обычно не производит никаких очевидных психотропных эффектов (например, эйфории) у здоровых людей. Li+ может действовать, вмешиваясь в транспортировку одновалентных или двухвалентных катионов в нейронах. Однако, поскольку вещество является плохим субстратом на натриевом насосе, оно не может поддерживать мембранный потенциал и поддерживает только малый градиент через биологические мембраны. Li+ достаточно похож Na+, поэтому в экспериментальных условиях он может заменять Na+ для производства одного потенциала действия в нейронах. Последние исследования показывают, что эффект этого иона по стабилизации настроения, совместно или по отдельности, проявляют три различных механизма. В действие лития может быть вовлечен возбуждающий нейромедиатор глутамат, а также другие стабилизаторы настроения, такие как вальпроат и ламотриджин, оказывая влияние на глутамат, что может выступать в качестве возможного биологического объяснения такого явления, как мания. Другие механизмы, посредством которых литий может регулировать настроение, включают изменения в экспрессии генов. Литий может также увеличивать высвобождение серотонина нейронами головного мозга. Лабораторные исследования, проведенные на серотонинергических нейронах ядер шва у крыс показали, что при обработке этих нейронов литием усиливается высвобождение серотонина во время деполяризации по сравнению с отсутствием лития и такой же деполяризацией. Был предложен вариант несвязанного механизма действия, в котором литий деактивирует фермент GSK3-бета. Этот фермент обычно фосфорилирует белок фактор транскрипции Rev-Erb-альфа, предотвращая его деградацию. Rev-Erb-альфа, в свою очередь, подавляет BMAL1, компонент циркадных часов. Таким образом, литий, путем ингибирования GSK3бета, вызывает деградацию Rev-Erb-альфа и увеличивает экспрессию BMAL, что гасит циркадные часы. С помощью этого механизма литий способен блокировать сброс «таймера» в мозгу, в результате чего нарушается естественный цикл организма. При нарушении цикла нарушается график многих функций (обмен веществ, сон, температура тела). Литий может, таким образом, восстанавливать нормальное функционирование мозга после нарушений у некоторых людей. Некоторые авторы высказывают предположение, что рАр-фосфатаза может быть одной из терапевтических целей лития. Эту гипотезу поддерживает низкая Ki лития для рАр-фосфатазы человека, совместимой в пределах терапевтической концентрации лития в плазме пациентов (0,8-1 мМ). Важно отметить, что Кi рAр-фосфатазы человека в десять раз ниже, чем у GSK3бета (гликоген синтазы киназы 3бета). Ингибирование рAр-фосфатазы литием приводит к повышению уровня рАр (3"- 5 " фосфоаденизин фосфата), что ингибирует PARP-1. Другая теория, предложенная в 2007 году, состоит в том, что литий может взаимодействовать с сигнальным путем оксида азота (NO) в центральной нервной системе, который играет решающую роль в нейронной пластичности. Система NO, возможно, играет важную роль в антидепрессивном действии лития в тесте Porsolt у мышей. Кроме того, сообщается, что блокада NMDA рецепторов увеличивает антидепрессивное действие лития в тесте Porsolt у мышей (тест «поведение отчаяния», когда животных на 15 минут помещают в закрытую емкость с водой, а затем, через 24 часа, после воздействия антидепрессанта, помещают животное в эту же емкость уже на 5 минут, и измеряют время, когда животное находится в состоянии покоя и даже не пытается выбраться), что указывает на возможное участие рецепторов NMDA/сигнализации NO в действии лития в этой животной модели выученной беспомощности. Литий ингибируют фермент инозит монофосфатазы, что приводит к увеличению уровней инозит трифосфата. Этот эффект усиливается ингибитором обратного захвата синозит трифосфата. Дестабилизация работы инозитола связана с нарушениями памяти и депрессией.
История
Впервые литий стали использовать в 19 веке для лечения подагры, после того, как ученые обнаружили, что литий в лабораторных условиях способен растворять кристаллы мочевой кислоты, изолированные из почек. Однако, уровни лития, необходимые для растворения мочевой кислоты в организме, были токсичными. Из-за распространения теорий, связывающих избыток мочевой кислоты с расстройствами, в том числе депрессивными и маниакальными расстройствами, с 1870-х годов Carl Lange в Дании и William Alexander Hammond в Нью-Йорке начинают использовать литий для лечения мании, хотя об использовании литиевых родниковых вод для лечения мании было известно еще в древней Греции и Риме. На рубеже 20-го века от использования лития отказались, по словам Сьюзан Гринфилд, в связи с нежеланием фармацевтической промышленности инвестировать в препарат, который не может быть запатентован. Накопленные знания свидетельствуют о роли избыточного потребления натрия в развитии гипертонии и сердечных заболеваний. Литиевые соли назначают пациентам в качестве замены диетической поваренной соли (хлорида натрия). Эта практика была прекращена в 1949 году, когда были опубликованы сообщения о побочных эффектах и смертях в результате приема препарата, что привело к запрету продажи лития. Польза солей лития для лечения мании была заново открыта австралийским психиатром Джоном Кейдом в 1949 году. Кейд инъецировал грызунам экстракты мочи, взятой от больных шизофренией, в попытке выделить метаболическое соединение, которое может быть причиной развития психических симптомов. Поскольку было известно, что мочевая кислота является при подагре психоактивным веществом (ею стимулируются рецепторы аденозина на нейронах; их блокирует ), для контроля Кейду понадобились растворимые ураты. Он использовал ураты лития, которые, как уже было известно, являются наиболее растворимыми соединениями уратов, и выяснилось, что эти соединения действовали на грызунов как транквилизаторы. Кейд проследил влияние на ионы лития в отдельности. Вскоре Кейд предложил использовать соли лития в качестве транквилизаторов. При помощи солей лития ему удалось контролировать мании у хронически госпитализированных пациентов. Это было одним из первых успешных применений препарата для лечения психических заболеваний, и это открыло путь для разработки лекарств для лечения других психических проблем на ближайшие десятилетия. Остальной мир не спешил принимать этот метод лечения, в основном из-за смертей, наступающих даже при относительно небольшой передозировке, в том числе при использовании хлорида лития в качестве заменителя поваренной соли. Во многом благодаря исследованиям и усилиям Mogens Schou из Дании, Paul Baastrup в Европе, Samuel Gershon и Baron Shopsin в США, это сопротивление постепенно преодолевается. В 1970 году FDA США одобряет применение лития при маниакальных болезнях. В 1974 году препарат был одобрен для использования в качестве профилактического средства при маниакально-депрессивном психозе. Литий стал частью западной поп культуры. Главные герои фильмов «Pi», «Предчувствие», «Воспоминания о звёздной пыли», «Американский психопат», «Страна садов» «Незамужняя женщина», все принимают литий. У Sirius XM Satellite Radio в Северной Америке в 1990-х годах была альтернативная рок станция под названием Lithium. Кроме того, существуют песни, посвященные препаратам лития. К ним относятся композиции Mac Lethal «Lithium Lips», Koos Kombuis «Equilibrium met Lithium», Evanescence «Lithium», Nirvana «Lithium», Sirenia «Lithium and a Lover», Sting «Lithium Sunset»и Thin White Rope «Lithium».
Использование лития в напитке «7Up»
Известно, что раньше кокаин входил в состав Coca-Cola, а литий – в состав освежающего напитка 7Up. В 1920 году Чарльз Лейпер Григг, основавший в Сент-Луисе компанию «The Howdy Corporation», изобрел формулу безалкогольного напитка со вкусом лимон-лайм. Продукт, который первоначально назывался «Bib-Label Lithiated Lemon-Lime Soda», был выпущен на рынок за две недели до биржевого краха 1929 года. В состав напитка входил стабилизатор настроения литий цитрат, и этот напиток был одним из патентованных лекарственных продуктов, популярных в конце 19-го и начале 20-го века. Его название было вскоре изменено на «7Up»; в 1948 году все американские производители напитка были вынуждены изъять литий из его состава.
Доступность:
Препараты лития применяются для лечения маниакальной фазы биполярного психоза, для профилактики обострений маниакально-депрессивного психоза, агрессивности при психопатиях и хроническом алкоголизме, привыкания к психотропным препаратам, сексуальных отклонений, синдрома Меньера, мигрени. Препарат отпускается из аптек по рецепту врача.
История открытия:
В 1817 г. шведский химик и минералог Август Арфведсон, анализируя природный минерал петалит, установил, что в нем содержится "огнепостоянная щелочь до сих пор неизвестной природы". Позднее он нашел аналогичные соединения в составе других минералов. Арфведсон предположил, что это соединения нового элемента и дал ему название литий (от греческого liqoz
– камень).
Металлический литий был выделен в 1818 году английский химиком Гемфри Дэви электролизом расплава гидроксида лития.
Нахождение в природе и получение:
Природный литий состоит из двух стабильных изотопов - 6 Li (7,42%) и 7 Li (92,58%).
Литий - сравнительно мало распространенный элемент (массовая доля в земной коре 1,8*10 -3 %, 18 г/тонну). Кроме петалита LiAl, основными минералами лития являются слюда, лепидолит - KLi 1,5 Al 1,5 (F,OH) 2 и пироксен сподумен - LiAl.
В настоящее время для получения металлического лития его природные минералы или обрабатывают серной кислотой, или спекают с CaO или CaCO 3 , а затем выщелачивают водой. Получают растворы сульфата или гидроксида лития, из которых осаждают плохо растворимый карбонат Li 2 CO 3 , который затем переводят в хлорид LiCl. Электролизом расплава хлорида лития в смеси с хлоридом калия или бария получают металлический литий.
Физические свойства:
Простое вещество литий - мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета. Из всех щелочных металлов он самый твердый, высокоплавкий (Ткип=180,5 и Тпл=1340° С). Это самый легкий металл (плотность 0,533 г/см 3), он плавает не только в воде, но и в керосине. Литий и его соли окрашивают пламя в карминно-красный цвет.
Химические свойства:
Литий проявляет типичные свойства щелочных металлов, взаимодействуя с водой, кислородом, другими неметаллами. Хранить его приходится под слоем под слоем минерального масла, придавливая сверху, чтобы не всплывал.
В соответствии с положением в ПСХЭ, литий наименее активный щелочной металл. Так в реакции с кислородом он образует в основном оксид лития, а не пероксиды как другие металлы. Подобно натрию литий растворяется в жидком аммиаке, образуя синий раствор с металлической проводимостью. Растворенный литий постепенно реагирует с аммиаком: 2Li + 2NH 3 = 2LiNH 2 + H 2 .
Литий отличается повышенной активностью при взаимодействии с азотом, образуя с ним уже при обычной температуре нитрид Li 3 N.
По некоторым свойствам литий и его соединения напоминают соединения магния (диагональное сходство в таблице Менделеева).
Важнейшие соединения:
Оксид лития, Li 2 O - белое кристаллическое вещество, основный оксид, с водой образует гидроксид
Гидроксид лития - LiOH - белый порошок, обычно моногидрат, LiOH*H 2 O, сильное основание
Соли лития
- бесцветные кристаллические вещества, гигроскопичны, образуют кристаллогидраты состава LiX*3H 2 O. Карбонат и фторид лития подобно аналогичным солям магния малорастворимы.
Карбонат и нитрат лития при нагревании разлагаются, образуя оксид лития:
Li 2 CO 3 = Li 2 O + CO 2 ; 4LiNO 3 = 2Li 2 O + 4NO 2 + O 2
Пероксид лития - Li 2 O 2
- белое кристаллическое вещество, получают реакцией гидроксида лития с пероксидом водорода:
2LiOH + H 2 O 2 = Li 2 O 2 + 2H 2 O
Используют в космических аппаратах и подводных лодках для получения кислорода:
2Li 2 O 2 + 2CO 2 = 2Li 2 CO 3 +O 2
Гидрид лития LiH получают взаимодействием расплавленного лития с водородом. Бесцветные кристаллы, реагирует с водой и кислотами с выделением водорода. Источник водорода в полевых условиях.
Применение:
Металлический литий - высокопрочные и сверхлегкие сплавы с магнием и алюминием для авиационной и космической техники. Легирующая добавка в металлургии (связывает азот, кремний, углерод). Теплоноситель (расплав) в ядерных реакторах.
Из лития изготовляют аноды химических источников тока и гальванических элементов с твёрдым электролитом.
Соединения: специальные стекла, глазури, эмали, керамика. Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80 %) лазеров
LiOH как добавка в электролит щелочных аккумуляторов. Карбонат лития – добавка в расплав при производстве алюминия: снижает температуру плавления электролита, увеличивает силу тока, уменьшает нежелательное выделение фтора.
Металлоорганические соединения лития (например бутиллитий LiС 4 Н 9) - широко применяются в промышленном и лабораторном органическом синтезе и как катализаторы полимеризации.
Дейтерид лития-6: как источник дейтерия и трития в термоядерном оружии (водородная бомба).
Содержание лития в организме человека составляет около 70 мг. В течение суток в организм взрослого человека поступает около 100 мкг лития. Литий способствует высвобождению магния из клеточных «депо» и тормозит передачу нервного импульса, ингибируя проводимость нервной системы. Соли лития применяются психотропные лекарственные средства, оказывая успокаивающий эффект при лечении шизофрении и депрессии. Однако передозировка может привести к тяжелым осложнениям и летальному исходу.
Нурмаганбетов Т.
ТюмГУ, 582 группа, 2011 г.
Источники:
Литий // Википедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Литий (дата обращения: 23.05.2013).
Литий // Онлайн Энциклопедия Кругосвет. URL: http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/himiya/LITI.html (дата обращения: 23.05.2013).
Элемент №3, названный литием (от греческого λιτοσ – камень), открыт в 1817 г.
Шведский химик И.А. Арфведсон, ученик знаменитого Берцелиуса, анализировал минерал, найденный в железном руднике Уто. Он быстро установил, что этот минерал – типичный алюмосиликат, и выяснил, сколько в нем кремния, алюминия и кислорода – на долю этих трех распространеннейших элементов приходилось 96% веса минерала.
Теперь оставалось выяснить химическую природу веществ, составляющих оставшиеся 4%. Эти вещества, будучи отделенными от Si, Al, и O 2 и растворенными в воде, придавали раствору щелочные свойства. На этом основании Арфведсон предположил, что в минерале есть некий щелочной металл. Одна из солей этого металла растворялась в воде в шесть раз лучше, чем аналогичные соли калия и натрия. А поскольку в то время были известны лишь два щелочных металла, Арфведсон решил, что открыл новый элемент, подобный натрию и калию.
С виду минерал, в котором нашли новый элемент, был камень как камень, и потому Берцелиус предложил Арфведсону назвать новый элемент литием. Тот, видимо, не стал спорить, ибо это название сохранилось до наших дней. В большинстве европейских языков, как и в латыни, элемент №3 называется Lithium.
На этом история элемента №3 не заканчивается. Это очень своеобразный элемент, и не только потому, что литий – первый среди металлов по легкости и удельной теплоемкости, а также по положению в ряду напряжений металлов. Говорить о том, что история лития продолжается, можно хотя бы потому, что некоторые соединения лития, да и сам металл в последнее время приобрели исключительную важность для судеб всего мира.
Поэтому слово «история» в подзаголовках этой статьи нам кажется оправданным.
Древнейшая история
Когда-то давным-давно, в доисторические времена, происходил синтез элементов Вселенной. Несколько позже, но тоже в неопределенно далеком прошлом шли процессы формирования нашей планеты. На этой стадии литий проник более чем в 150 минералов, из них около 30 стали собственными минералами лития. Промышленное значение приобрели только пять: сподумен LiAl , лепидолит Kli 1,5 Al 1,5 (F, OH) 2 , петалит – минерал, в котором литий обнаружен впервые, LiAl , амблигонит LiAl (F, OH) и циннвальдит KLi (Fe, Mg) Al· (F, OH) 2 .
Географически промышленные запасы элемента №3 распределились довольно равномерно: промышленные месторождения минералов лития есть на всех континентах. Важнейшие из них находятся в Канаде, США, СССР, Испании, Швеции, Бразилии, Австралии, а также в странах Южной Африки.
Древняя история
Слово «древняя» здесь употребляется весьма условно – речь пойдет о временах, не столь отдаленных.
Человечество знакомо с литием чуть больше полутора веков, и этот раздел нашего рассказа охватит годы с 1817 по 1920. Это время познания лития как химического индивидуума, время получения и исследования его многих соединений и не очень широкого применения некоторых из них.
Вскоре после открытия Арфведсона новым элементом заинтересовались многие химики. В 1818 г. немецкий химик Л. Гмелин установил, что соли лития окрашивают бесцветное пламя в карминово-красный цвет. Вскоре сам Арфведсон обнаружил литий в сподумене, позже ставшем важнейшим минералом элемента №3, и в лепидолите. В 1825 г. Йенс Якоб Берцелиус нашел литий в водах германских минеральных источников. Вскоре выяснилось, что этот элемент есть и в морской воде (7·10 6 %).
Металлический литий впервые получил выдающийся английский ученый Хэмфри Дэви в 1818 г. Тогда и выяснилось, что литий очень легок, почти вдвое легче воды, и что он обладает ярким металлическим блеском. Но этот блеск серебристо-белого лития можно увидеть только в том случае, если металл получают в вакууме: как и все щелочные металлы, литий быстро окисляется кислородом воздуха и превращается в окись – бесцветные кристаллы кубической формы. Li 2 O легко, но менее энергично, чем окислы других щелочных металлов, соединяется с водой, превращаясь в щелочь – LiOH. И эти кристаллы бесцветны. В воде гидроокись лития растворяется хуже, чем гидроокиси калия и натрия. Как бесцветные кристаллы, выглядят и литиевые соли галогеноводородных кислот.
Иодид, бромид и хлорид лития весьма гигроскопичны, расплываются на воздухе и очень хорошо растворяются в воде. Фторид лития, в отличие от них, в воде растворяется очень слабо и практически совсем не растворяется в органических растворителях. Еще в прошлом веке это вещество начали применять в металлургии как компонент многих флюсов.
В значительных количествах металлический литий первыми получили в 1855 г. (независимо друг от друга) немецкий химик Р. Бунзен и англичанин О. Матиссен. Как и Дэви, они получали литий электролизом, только электролитом в их опытах служил расплав не гидроокиси, а хлорида лития. Этот способ до сих пор остается главным промышленным способом получения элемента №3. Правда, теперь в электролитическую ванну помещают смесь LiCl и KCl и подбирают такие характеристики тока, чтобы на катоде осаждался только литий. Выделяющийся на аноде хлор – ценный побочный продукт.
Есть и другие способы получения металлического лития, но всерьез конкурировать с электролитическим они пока не могут.
Еще в XIX в. были получены соединения лития с почти всеми элементами периодической системы и с некоторыми органическими веществами. Но практическое применение нашли лишь немногие из них. В 1912...1913 гг. мировое производство лития и его соединений не превышало 40...50 т.
В 1919 г. вышла брошюра В.С. Сырокомского «Применение редких элементов в промышленности». Есть в ней, в частности, и такие строки: «Главнейшее применение литий находит в данный момент в медицине, где углекислый и салицилово-кислый литий служат средством для растворения мочевой кислоты, выделяющейся в организме человека при подагре и некоторых других болезнях...»
История средних веков
«Средние века» истории лития – это всего три десятилетия, 20, 30, 40-е годы нашего века. В эти годы литий и его соединения пришли во многие отрасли промышленности, в первую очередь в металлургию, в органический синтез, в производство силикатов и аккумуляторов.
Литий имеет сродство к кислороду, водороду, азоту. Последнее особенно важно, так как ни один элемент не реагирует с азотом так активно, как литий. Эта реакция, хотя и медленно, идет уже при комнатной температуре, а при 250°C ход ее значительно ускоряется. Литий стал эффективным средством для удаления из расплавленных металлов растворенных в них газов. Небольшими добавками лития легируют чугун, бронзы, монель-металл (монель-металл – «природный» сплав, выплавляемый из медно-никелевых руд), а также сплавы на основе магния, алюминия, цинка, свинца и некоторых других металлов.
Установлено, что литий в принципе улучшает и свойства сталей – уменьшает размеры «зерен», повышает прочность, но трудности введения этой добавки (литий практически нерастворим в железе и к тому же он закипает при температуре 1317°C) помешали широкому внедрению лития в производство легированных сталей.
Соединения лития нужны и в силикатной промышленности. Они делают стеклянную массу более вязкой, что упрощает технологию, и, кроме того, придают стеклу большую прочность и сопротивляемость атмосферной коррозии. Такие стекла, в отличие от обычных, частично пропускают ультрафиолетовые лучи; поэтому их применяют в телевизионной технике. А в производстве оптических приборов довольно широко стали использовать кристаллы фтористого лития, прозрачные для ультракоротких волн длиной до 1000 А.
В химической промышленности стали применять металлический литий и литийорганические соединения. В частности, мелкодисперсный элементарный литий намного ускоряет реакцию полимеризации изопрена, а бутил литий – дивинила.
По химическим свойствам литий напоминает не только (и не столько) другие щелочные металлы, но и магний. Литийорганические соединения применяют там же, где и магнийорганические (в реакциях Гриньяра), но соединения элемента №3 – более активные реагенты, чем соответствующие гриньяровские реактивы.
В годы второй мировой войны стало стратегическим материалом одно соединение лития, известное еще в прошлом веке. Речь идет о гидриде лития – бесцветных кристаллах, приобретающих при хранении голубоватую окраску.
Из всех гидридов щелочных и щелочноземельных металлов гидрид лития – самое устойчивое соединение. Однако, как и прочие гидриды, LiH бурно реагирует с водой. При этом образуются гидроокись лития и газообразный водород. Это соединение стало служить легким (оно действительно очень легкое – плотность 0,776) и портативным источником водорода – для заполнения аэростатов и спасательного снаряжения при авариях самолетов и судов в открытом море. Из килограмма гидрида лития получается 2,8 м 3 водорода...
Примерно в то же время стал быстро расти спрос еще на одно соединение элемента №3 – его гидроокись. Как оказалось, добавка этого вещества к электролиту щелочных аккумуляторов примерно на одну пятую увеличивает их емкость и в 2...3 раза – срок службы.
К началу второй мировой войны производство литиевых концентратов в капиталистических странах достигло 3 тыс. т. Для такого рассеянного элемента, как литий, это много. Но та же цифра покажется до смешного малой, если сравнить ее с данными 1957 г. – 250 тыс. т. (без СССР). Этот бурный рост объясняется прежде всего тем, что в 50-е годы литий стал «атомным» металлом и, если можно так выразиться, разносторонне атомным.
Новая история
К этому времени уже во многих странах работали ядерные реакторы или, как их тогда называли, атомные котлы. Конструкторов этих котлов по многим причинам не устраивала вода, которую приходилось применять в качестве теплоносителя.
Появились реакторы, в которых избыточное тепло отводилось расплавленными металлами, в первую очередь натрием и калием.
Но по сравнению с этими металлами у лития много преимуществ. Во-первых, он легче. Во-вторых, у него больше теплоемкость. В-третьих, меньше вязкость. В-четвертых, диапазон жидкого состояния – разница между температурами плавления и кипения – у лития значительно шире. Наконец, в-пятых, коррозионная активность лития намного меньше, чем натрия и калия.
Одних этих преимуществ было бы вполне достаточно для того, чтобы сделать литий «атомным» элементом. Но оказалось, что ему суждено стать одним из незаменимых участников реакции термоядерного синтеза.
Пожалуй, строительство завода по разделению изотопов лития – единственный в своем роде факт из истории американского предпринимательства. Контракт на строительство этого завода заключил банкрот, и, тем не менее, строительство велось буквально в бешеном темпе. Банкротом был не кто иной, как Комиссия по атомной энергии. Средства, отпущенные на создание «сверх бомбы», были израсходованы полностью, но ничего реального у физиков не получалось. Было это в июле 1951 г. А о том, что при реакции соединения ядер тяжелых изотопов водорода – дейтерия и трития – должна высвободиться энергия, во много раз большая, чем при распаде ядер урана, знали намного раньше. Но на пути этого превращения лежало одно неразрешимое, казалось, противоречие.
Для того чтобы смогли слиться ядра дейтерия и трития, нужна температура порядка 50 млн градусов. Но для того чтобы реакция пошла, нужно еще, чтобы атомы столкнулись. Вероятность такого столкновения (и последующего слияния) тем больше, чем плотнее «упакованы» атомы в веществе. Расчеты показали, что это возможно только в том случае, если вещество находится хотя бы в жидком состоянии. А изотопы водорода становятся жидкостями лишь при температурах, близких к абсолютному нулю.
Итак, с одной стороны, необходимы сверхвысокие температуры, а с другой – сверхнизкие. И это – в одном и том же веществе, в одном и том же физическом теле!
Водородная бомба стала возможной только благодаря разновидности гидрида лития – дейтериду лития- 6. Это соединение тяжелого изотопа водорода – дейтерия и изотопа лития с массовым числом 6.
Дейтерид лития-6 важен по двум причинам: он – твердое вещество и позволяет хранить «сконцентрированный» дейтерий при плюсовых температурах, и, кроме того, второй его компонент – литий-6 – это сырье для получения самого дефицитного изотопа водорода – трития. Собственно, 6 Li – единственный промышленный источник получения трития:
6 3 Li + 1 0 n → 3 1 H + 4 2 He.
Нейтроны, необходимые для этой ядерной реакции, дает взрыв атомного «капсюля» водородной бомбы, он же создает условия (температуру порядка 50 млн градусов) для реакции термоядерного синтеза.
В США идею использовать дейтерид лития-6 первым предложил доктор Э. Теллер. Но, по-видимому, советские ученые пришли к этой идее раньше: ведь не случайно первая термоядерная бомба в Советском Союзе была взорвана почти на полгода раньше, чем в США, и тем самым был положен конец американской политике ядерного и термоядерного шантажа.
Для атомной техники важно еще одно моно изотопное соединение пития – 7 LiF. Оно применяется для растворения соединений урана и тория непосредственно в реакторах.
Кстати, как теплоноситель в реакторах применяется именно литий-7, имеющий малое сечение захвата тепловых нейтронов, а не природная смесь изотопов элемента №3.
Вот уже много лет ученые во всем мире работают над проблемой управляемого, мирного термоядерного синтеза, и рано или поздно эта проблема будет решена. Тогда «демилитаризуется» и литий. (Этот странный оборот – производное заголовка зарубежной статьи, попавшейся несколько лет назад на глаза одному из авторов этого рассказа: статья называлась «Литий милитаризуется».) Но независимо от того, как скоро это произойдет, бесспорна справедливость другого высказывания. Оно заимствовано нами из «Краткой химической энциклопедии»: «По значимости в современной технике литий является одним из важнейших редких элементов».
Надеемся, что в справедливости этого высказывания у вас нет сомнений.
Изотопы лития
Природный литий состоит из двух изотопов с массовыми числами 6 и 7. По способности захватывать тепловые нейтроны (поперечное сечение захвата) ядра этих изотопов отличаются очень сильно. Тяжелый изотоп 7 Li имеет сечение захвата 0,033 барна, он практически прозрачен для нейтронов. Зато литнй-6 активно поглощает тепловые нейтроны, его сечение захвата – около тысячи (точнее, 912) барн. Несмотря на то, что в природе легкого лития в 12 раз меньше, чем тяжелого, сечение захвата природного лития довольно велико – 71 барн. Понятно, что «виновник» этого – изотоп 6 Li. Интересная деталь: стоимость изотопов лития совсем не пропорциональна их распространенности. В начале этого десятилетия в США относительно чистый литий-7 стоил почти в 10 раз дороже лития-6 очень высокой чистоты.
Искусственным путем получены еще два изотопа лития. Время их жизни крайне невелико: у лития-8 период полураспада равен 0,841 секунды, а у лития-9 0,168 секунды.
Как и прочие щелочные металлы, литий активен, мягок (режется ножом), всегда и во всех случаях проявляет строго постоянную валентность 1+. А отличается он тем, что значительно легче остальных щелочных металлов, реагирует с азотом, углеродом, водородом; зато с водой он взаимодействует менее активно: хотя и вытесняет из нее водород, но не воспламеняет его. Не только фторид, о котором рассказано в основной статье, но и карбонат, и ортофосфат лития плохо растворяются в воде – соответствующие соединения прочих щелочным металлов очень хорошо растворимы. И еще: литий – единственный щелочной металл, способный к образованию комплексных соединений.
Окись и перекись
С кислородом литий соединяется даже при обычной температуре, а при нагревании он воспламеняется и горит голубоватым пламенем. И в том и в другом случае образуется окись лития Li 2 O – тугоплавкое вещество, малорастворимое в воде. Другое соединение лития с кислородом – перекись лития Li 2 О 2 – в реакции между этими элементами никогда не образуется, его получают иным способом – при взаимодействии перекиси водорода с насыщенным спиртовым раствором гидрата окиси лития. При этом из раствора выпадает вещество такого состава: Li 2 O 2 ·H 2 O 2 ·3H 2 O. Если этот кристаллогидрат перекисей водорода и лития выдержать в вакууме над фосфорным ангидридом, то образуется свободная перекись лития.
Тот факт, что это соединение получается только «окольными путями», свидетельствует, что образование перекисных соединений для лития нехарактерно.
Для кондиционирования воздуха
Литиевые соли галогеноводородных кислот (кроме LiF) очень хорошо растворяются в воде. Но не это их главное достоинство. Растворы этих солей способны поглощать из воздуха аммиак, амины и другие примеси и, кроме того, при изменении температуры они обратимо поглощают пары воды. Это свойство позволило применить хлорид и бромид лития в установках для кондиционирования воздуха.
Как получают литий
Сказать, что литий получают электролизом – значит, почти ничего не сказать. Электролиз – лишь последняя стадия производства этого рассеянного элемента. Даже в сподумене и амблигоните – самых богатых литием минералах – содержание окиси элемента №3 редко превышает 7%.
Один из распространенных методов извлечения лития из сподумена – обработка раздробленного минерала серной кислотой. При этом образуются окиси кремния и алюминия и растворимый в воде сульфат лития. Его выщелачивают водой и превращают сначала в карбонат, а затем в хлорид, который и идет на электролиз.
Литий и кремний
Силицид лития – соединение, полученное еще в прошлом веке, но его формула, а, следовательно, и состав до сих пор не считаются окончательно установленными. Первым получил это вещество известный французский ученый Анри Муассан . Он нагревал в вакууме до 400...500°C смесь лития и кремния и получал легкие (чуть тяжелее воды) голубоватые кристаллы. Согласно Муассану, формула этого соединения Li 6 Si 2 . Эта формула и вызывает сомнения. Абсолютно достоверного ответа на вопрос, прав Муассан или нет, не получено не только оттого, что силицид лития не нашел пока практического применения, но и потому, что это соединение сложно получать, а исследовать еще сложнее. На воздухе силицид лития быстро разлагается.
Литий в психотерапии
Медики не раз наблюдали, что некоторые соединения лития (в соответствующих дозах, разумеется) оказывают положительное влияние на больных, страдающих маниакальной депрессией. Объясняют этот эффект двояко. С одной стороны, установлено, что литий способен регулировать активность некоторых ферментов, участвующих в переносе из межклеточной жидкости в клетки мозга ионов натрия и калия. С другой стороны, замечено, что ионы лития непосредственно воздействуют на ионный баланс клетки. А от баланса натрия и калия зависит в значительной мере состояние больного: избыток натрия в клетках характерен для депрессивных пациентов, недостаток – для страдающих маниями. Выравнивая натрий калиевый баланс, соли лития оказывают положительное влияние и на тех, и на других.
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.
(первый электрон)
(по Полингу)
кубическая объёмноцентрированая
| Li | 3 |
| 6,941 | |
| 2s 1 | |
| Литий | |
Основные минералы лития — слюда лепидолит — KLi 1,5 Al 1,5 (F, OH) 2 и пироксен сподумен — LiAl . Когда литий не образует самостоятельных минералов, он изоморфно замещает калий в широко распространенных породообразующих минералах.
Месторождения лития приурочены к редкометалльным гранитным интрузиям, в связи с которыми развиваются литиеносные пегматиты или гидротермальные комплексные месторождения, содержащие также олово , вольфрам , висмут и другие металлы. Стоит особо отметить специфические породы онгониты — граниты с магматическим топазом, высоким содержанием фтора и воды, и исключительно высокими концентрациями различных редких элементов, в том числе и лития.
Другой тип месторождений лития — рассолы некоторых сильносоленых озёр.
Применение
Термоэлектрические материалы
Сплав сульфида лития и сульфида меди — эффективный полупроводник для термоэлектропреобразователей (ЭДС около 530 мкВ/К).
Литий используют в анодах химических источников тока (аккумуляторов, например литий-хлорных аккумуляторов) и гальванических элементов с твёрдым электролитом (например, литий-хромсеребряный, литий-висмутатный, литий-окисномедный, литий-двуокисномарганцевый, литий-иодсвинцовый, литий-иодный, литий-тионилхлоридный, литий-оксидванадиевый, литий-фторомедный, литий-двуокисносерный элементы), работающих на основе неводных жидких и твёрдых электролитов (тетрагидрофуран, пропиленкарбонат, метилформиат, ацетонитрил).
Кобальтат лития и молибдат лития показали лучшие эксплуатационные свойства и энергоёмкость в качестве положительного электрода литиевых аккумуляторов.
Гидроксид лития используется как один из компонентов для приготовления электролита щелочных аккумуляторов. Добавление гидрооксида лития к электролиту тяговых железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых аккумуляторных батарей повышает их срок службы в 3 раза и ёмкость на 21 % (за счёт образования никелатов лития).
Алюминат лития — наиболее эффективный твёрдый электролит (наряду с цезий -бета-глинозёмом).
Ракетное топливо
Теоретические характеристики ракетных топлив, образованных литием с различными окислителями.
| Окислитель | Удельная тяга (Р1, сек) | Температура сгорания °С | Плотность топлива г/см 3 | Прирост скорости, ΔVид,25, м/сек | Весовое содерж.горючего % |
|---|---|---|---|---|---|
| Фтор | 378,3 сек | 5350 °C | 0,999 | 4642 м/сек | 28 % |
| Тетрафторгидразин | 348,9 сек | 5021 °C | 0,920 | 4082 м/сек | 21,07 % |
| ClF 3 | 320,1 сек | 4792 °C | 1,163 | 4275 м/сек | 24 % |
| ClF 5 | 334 сек | 4946 °C | 1,128 | 4388 м/сек | 24,2 % |
| Перхлорилфторид | 262,9 сек | 3594 °C | 0,895 | 3028 м/сек | 41 % |
| Окись фтора | 339,8 сек | 4595 °C | 1,097 | 4396 м/сек | 21 % |
| Кислород | 247,1 сек | 3029 °C | 0,688 | 2422 м/сек | 58 % |
| Перекись водорода | 270,5 сек | 2995 °C | 0,966 | 3257 м/сек | 28,98 % |
| N 2 O 4 | 239,7 сек | 3006 °C | 0,795 | 2602 м/сек | 48 % |
| Азотная кислота | 240,2 сек | 3298 °C | 0,853 | 2688 м/сек | 42 % |
Лазерные материалы
Монокристаллы фторида лития используются для изготовления высокоэффективных (КПД 80 %) лазеров на центрах свободной окраски, и для изготовления оптики с широкой спектральной полосой пропускания.
Окислители
Перхлорат лития используют в качестве окислителя.
Дефектоскопия
Лития сульфат используют в дефектоскопии.
Пиротехника
Нитрат лития используют в пиротехнике.
Сплавы
Сплавы лития с серебром и золотом, а также медью являются очень эффективными припоями. Сплавы лития с магнием , скандием , медью , кадмием и алюминием — новые перспективные материалы в авиации и космонавтике. На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре и используемая в военной технике, металлургии, и, в перспективе, в термоядерной энергетике. Огромной прочностью обладает стекло на основе литий-алюминий-силиката, упрочняемого волокнами карбида кремния. Литий очень эффективно упрочняет сплавы свинца и придает им пластичность и стойкость против коррозии.
Электроника
Триборат лития-цезия используется как оптический материал в радиоэлектронике. Кристаллические ниобат лития LiNbO 3 и танталат лития LiTaO 3 являются нелинейными оптическими материалами и широко применяются в нелинейной оптике, акустооптике и оптоэлектронике. Литий также используется при наполнении осветительных газоразрядных металлогалогеновых ламп.
Металлургия
В чёрной и цветной металлургии литий используется для раскисления и повышения пластичности и прочности сплавов. Литий иногда применяется для восстановления методами металлотермии редких металлов.
Металлургия алюминия
Карбонат лития является важнейшим вспомогательным веществом (добавляется в электролит) при выплавке алюминия и его потребление растет с каждым годом пропорционально объёму мировой добычи алюминия (расход карбоната лития 2,5-3,5 кг на тонну выплавляемого алюминия).
Легирование алюминия
Введение лития в систему легирования позволяет получить новые сплавы алюминия с высокой удельной прочностью.
Литий-6 (термояд)
Применяется в термоядерной энергетике.
При облучении нуклида 6 Li тепловыми нейтронами получается радиоактивный тритий 3 1 H (Т):
6 3 Li + 1 0 n = 3 1 H + 4 2 He.
Благодаря этому литий-6 может применяться как замена радиоактивного, нестабильного и неудобного в обращении трития как в военных (термоядерное оружие), так и в мирных (управляемый термоядерный синтез) целях. В термоядерном оружии обычно применяется дейтерид лития-6 6 LiD.
Перспективно также использование лития-6 для получения гелия-3 (через тритий) с целью дальнейшего использования в дейтерий-гелиевых термоядерных реакторах.
Литий-7 (теплоноситель)
Применяется в ядерных реакторах, использующих реакции с участием тяжёлых элементов, таких как уран , торий или плутоний .
Благодаря очень высокой удельной теплоёмкости и низкому сечению захвата тепловых нейтронов, жидкий литий-7 (часто в виде сплава с натрием или цезием-133) служит эффективным теплоносителем. Фторид лития-7 в сплаве с фторидом бериллия (66 % LiF + 34 % BeF 2) носит название «флайб» (FLiBe) и применяется как высокоэффективный теплоноситель и растворитель фторидов урана и тория в высокотемпературных жидкосолевых реакторах, и для производства трития.
Сушка газов
Высокогигроскопичные бромид LiBr и хлорид лития LiCl применяются для осушения воздуха и других газов.
Медицина
Соли лития обладают психотропным действием и используются в медицине при профилактике и лечении ряда психических заболеваний. Наиболее распространен в этом качестве карбонат лития. применяется в психиатрии для стабилизации настроения людей, страдающих биполярным расстройством и частыми перепадами настроения. Он эффективен в предотвращении мании депрессии и уменьшает риск суицида.Медики не раз наблюдали, что некоторые соединения лития (в соответствующих дозах, разумеется) оказывают положительное влияние на больных, страдающих маниакальной депрессией. Объясняют этот эффект двояко. С одной стороны, установлено, что литий способен регулировать активность некоторых ферментов, участвующих в переносе из межклеточной жидкости в клетки мозга ионов натрия и калия. С другой стороны, замечено, что ионы лития непосредственно воздействуют на ионный баланс клетки. А от баланса натрия и калия зависит в значительной мере состояние больного: избыток натрия в клетках характерен для депрессивных пациентов, недостаток - для страдающих маниями. Выравнивая натрий калиевый баланс, соли лития оказывают положительное влияние и на тех, и на других.
Смазочные материалы
Стеарат лития — литиевое мыло используется в качестве высокотемпературной смазки.
Регенерация кислорода в автономных аппаратах
Гидроксид лития LiOH, пероксид Li 2 O 2 и супероксид LiO 2 применяются для очистки воздуха от углекислого газа; при этом последние два соединения реагируют с выделением кислорода (например, 4LiO 2 + 2CO 2 → 2Li 2 CO 3 + 3O 2), благодаря чему они используются в изолирующих противогазах, в патронах для очистки воздуха на подлодках, на пилотируемых космических аппаратах и т. д.
Силикатная промышленность
Литий и его соединения широко применяют в силикатной промышленности для изготовления специальных сортов стекла и покрытия фарфоровых изделий.
Прочие области применения
Соединения лития используются в текстильной промышленности (отбеливание тканей), пищевой (консервирование) и фармацевтической (изготовление различной косметики).
Дополнительные данные
Соединения лития
Литий, Lithium, Li (3)
Когда Дави производил свои знаменитые опыты по электролизу щелочных земель, о существовании лития никто и не подозревал. Литиевая щелочная земля была открыта лишь в 1817 г. талантливым химиком-аналитиком, одним из учеников Берцелиуса Арфведсоном. В 1800 г. бразильский минералог де Андрада е Сильва, совершая научное путешествие по Европе, нашел в Швеции два новых минерала, названных им петалитом и сподуменом, причем первый из них через несколько лет был вновь открыт на острове Уте. Арфведсон заинтересовался петалитом, произвел полный его анализ и обнаружил необъяснимую вначале потерю около 4% вещества. Повторяя анализы более тщательно, он установил, что в петалите содержится «огнепостоянная щелочь до сих пор неизвестной природы». Берцелиус предложил назвать ее литионом (Lithion), поскольку эта щелочь в отличие от кали и натра впервые была найдена в «царстве минералов» (камней); название зто произведено от греч.- камень.
Позднее Арфведсон обнаружил литиевую землю,или литину, и в некоторых других минералах, однако его попытки выделить свободный металл не увенчались успехом. Очень небольшое количество металлического лития было получено Дэви и Бранде путем злектролиза щелочи. В 1855 г. Бунзен и Маттессен разработали промышленный способ получения металлического лития злектролизом хлорида лития. В русской химической литературе начала XIX в. встречаются названия: литион, литин (Двигубский, 1826) и литий (Гесс); литиевую землю (щелочь) называли иногда литина.
