Физические свойства лития. Ракетно-космическая техника
Химический элемент Литий получил известность благодаря открытию Иоганна Августа Арфведсона в 1817 г в составе алюмосиликата, петалита. Затем «огнепостоянную щёлочь» нашли в других минералах естественного происхождения. Это белый, с серебристым блеском металл, который можно разрезать ножом. В таблице Менделеева занимает третье место и обозначается Li (от латинского Lithium).
Краткое описание химического элемента Литий
Порядковый (атомный) номер элемента в периодической системе химических элементов Менделеева равен трём. В обычных условиях металлический Li обладает самой низкой плотностью из всего числа известных металлов. Кроме того, он возглавляет семейство щелочных металлов по температуре плавления и кипения.
Исторические факты
Первый металлический образец был получен сэром Гемфри Дэви в процессе разложения электрическим током расплава гидроксида лития. Вместе с первым результатом электролиза лития, Леопольд Гмелин, экспериментируя с литий содержащими солями, отметил окрашивание пламени в тёмно-карминовый цвет.
Химические свойства лития
Литий проявляет «капризные» свойства при смешивании с натрием, совсем не реагирует с расплавами калия , рубидия и цезия. В условиях комнатной температуры литий не взаимодействует с сухим воздухом или водородом . В отличие от остальных щелочных металлов, его невозможно хранить в керосине. Для данной цели используют масло Шервуда, парафин, газовый бензин или минеральное масло в герметичных жестяных ёмкостях.
При температуре выше 100, но ниже 300 градусов цельсия, на поверхности лития образуется защитная оксидная плёнка, препятствующей дальнейшему взаимодействию хим. Элемента с окружающей средой, даже во влажном воздухе. Металлическая форма элемента обжигает при попадании на влажную поверхность кожи или слизистой.
Применение лития
Сам элемент и его соединения широко применяются для производства стекла, в качестве покрытия фарфора. Чёрная и цветная металлургия используют литий для придания сплавам прочности и пластичности, в изготовлении смазок. Текстильная промышленность применяет этот элемент в качестве отбеливателя тканей, пищевая – в роли консерванта, фармацевтика успешно использует в косметических препаратах.
Жидкий литий нашёл своё применение в ядерных реакторах, радиоактивный тритий получают при помощи изотопа лития-6. Широкое применение щелочной металл нашёл в химической промышленности, как катализатор многих процессов, компонент сплавов, из которых изготавливают холодные катоды, а также аноды источников тока.
Фторид лития в виде монокристаллов применяют для создания высокоточных лазеров с КПД 80%. Различные соединения с литием участвуют в дефектоскопии, пиротехнике, радиоэлектронике, оптоэлектронике.
Соли лития – психотропное вещество, положительное влияние которых на психическое состояние человека было подтверждено лишь в середине XX века. Карбонат лития с успехом применяется для лечения людей с биполярным расстройством, маниакальной депрессией, склонных к суициду.
Этим объясняется низкий уровень преступности в тех районах, где в значительной степени литий содержится в питьевой воде. Механизм воздействия элемента до сих пор изучен слабо, но существуют предположения, что положительный эффект достигается регулятивной функцией активности части ферментов, участвующих в переносе ионов натрия и калия в мозг. Баланс Na и К напрямую отвечает за состояние психики. Так доказано, что у людей, склонных к депрессии, в клетках избыточное содержание натрия, а литий выравнивает ионную картину.
Свойство лития уменьшать депрессию и риск суицида нашло свое отражение в творчестве групп Nirvana и Evanescence. В их дискографии имеются психоделические песни под названием Lithium.
На роли лития в активизации спящих клеток костного мозга основана надежда современной медицины в деле борьбы с раком крови. Экспериментально доказано, что литий благоприятно воздействует на области поражения генитальным герпесом. Положительно отмечено применения Li в комплексе лечения гипертонии и диабета. Безусловна эффективность в рамках предупреждения склероза и заболеваний сердечно-сосудистой системы.
Присутствуя в смазочных материалах, литий позволяет осваивать Антарктиду, в условиях критически низких температур. Без этого элемента техника попросту откажет. Его рассматривают как компонент твёрдого ракетного топлива, ведь результат сгорания 1 кг твёрдого Li более десяти тысяч килокалорий, что почти в пять раз больше, чем результат сгорания 1 кг керосина.
Представлены физические свойства лития Li в твердом и жидком состояниях при различных температурах (в интервале от минус 223 до 1227°С). Рассмотрены следующие свойства лития: плотность ρ , удельная теплоемкость C p , кинематическая ν и динамическая μ вязкость, число Прандтля Pr , температуропроводность a и удельное сопротивление лития ρ .
Литий обладает наименьшей плотностью — плотность лития при температуре 27°С равна 536 кг/м 3 . Этот щелочной металл почти в два раза и имеет плотность даже ниже, чем у таких органических растворителей, как и . Плотность лития зависит от температуры — при нагревании литий расширяется и становится менее плотным. Необходимо отметить, что температура плавления лития составляет 180,7°С. При этой температуре плотность лития в расплавленном состоянии имеет величину 513,4 кг/м 3 .
Литий имеет наибольшую массовую удельную теплоемкость, по сравнению с , поскольку имеет наименьшую плотность. Удельная теплоемкость лития при обычных температурах имеет величину 3390 Дж/(кг·град). Теплоемкость твердого лития при нагревании увеличивается. При плавлении лития не происходит существенного изменения его удельной теплоемкости — теплоемкость жидкого лития слабо зависит от температуры.
Такое физическое свойство лития, как теплопроводность, имеет относительно среднюю величину в ряду — литий менее теплопроводный, чем натрий, однако имеет больший коэффициент теплопроводности, чем у калия. Теплопроводность лития при комнатной температуре составляет величину 85 Вт/(м·град). Теплопроводность лития в твердом состоянии снижается при нагревании и по достижении температуры плавления становится равной 42,8 Вт/(м·град). При последующем нагревании расплавленного лития его теплопроводность увеличивается.
Вязкость жидкого лития снижается при росте его температуры. Это справедливо, как для кинематической, так и для динамической вязкости этого металла. Например, нагрев расплава лития с 200 до 700°С приводит почти к двукратному снижению его вязкости — кинематическая вязкость уменьшается с 111·10 -8 до 61,7·10 -8 м 2 /с. Число Прандтля жидкого лития также снижается при нагревании.
Температуропроводность лития при комнатной температуре составляет около 45·10 -6 м 2 /с. Характерной особенностью твердого лития и других щелочных металлов является быстрое уменьшение температуропроводности с повышением температуры. Однако, температуропроводность лития в жидком состоянии увеличивается при нагревании.
Удельное электрическое сопротивление лития увеличивается при росте температуры во всем ее диапазоне. Это справедливо, как для твердого металла, так и для расплавленного.
Литий — металл с минимальной плотностью
ЛИТИЙ, Li (от греческого lithos — камень * а. lithium; н. Lithium; ф. lithium; и. litio),- химический элемент I группы периодической системы Менделеева , атомный номер 3, атомная масса 6,941, относится к щелочным металлам. В природе встречаются 2 стабильных изотопа: 6 Li (7,42%) и 7 Li (92,58%). Открыт шведским учёным Ю. А. Арфведсоном в 1817 в минерале , металлический литий впервые получен в 1818 английским учёным Г. Дэви.
Физические свойства
Литий — серебристо-белый металл, кристаллизуется в кубической объёмноцентрированной решётке, а = 0,35098 нм. Ниже -195°С стабильна гексагональная модификация.
Литий — самый лёгкий металл. Плотность 539 кг/м 3 (20°С); t плавления 180,5°С; t кипения 1340°С, коэффициент теплопроводности 70,8 Вт/(м.К); удельная теплоёмкость 3,31.10 3 Дж/(кг.К); удельное электрическое сопротивление 9,29.10 -8 (Ом.м), температурный коэффициент электрического сопротивления 4,50.10 -3 К -1 (0-100°С); температурный коэффициент линейного расширения 5,6.10 -5 К -1 ; твердость по Moocy 0,6; модуль упругости 5 ГПа; предел прочности при растяжении 116 МПа; относительное удлинение 50-70%.
Химические свойства лития
Проявляет степень окисления +1. На воздухе покрывается плёнкой Li 3 N и Li 2 О, при нагревании горит голубым пламенем. Известен также пероксид Li 2 О 2 . С водой реагирует с образованием гидроксида LiOH и водорода . Литий, взаимодействуя с галогенами, водородом, серой и т. д., даёт соответственно , гидрид, и т, д. В специфических условиях могут быть получены различные фосфиды. Эти соединения и гидроксид очень реакционноспособны. Растворяясь в неорганических кислотах, литий даёт соли. Литий образует многочисленные литийорганические соединения. Известны твёрдые растворы лития с некоторыми металлами (Mg, Zn, Al), а со многими он образует интерметаллические соединения (например, LiAg, LiHg). Попадая в организм, литий вызывает слабость, головокружение, сонливость, потерю аппетита. Кларк лития в земной коре 3,2.10 -3 %. При дифференциации магматических расплавов литий накапливается в наиболее поздних продуктах — пегматитах . При выветривании литий захватывается глинами , его сравнительно мало в Мировом океане . Распределение лития в горных породах (% по массе): каменных метеориты 3.10 -4 , ультраосновные 5.10 -5 , основные 1,5.10 -3 , средние 2.10 -3 , кислые 4.10 -3 , карбонатные породы 5.10 -4 , глины 6,6.10 -3 , песчаники 5.10 -5 . Кларк лития в океанической воде 1,5.10 -5 . Установлено 28 минералов лития, среди них наиболее распространены сподумен , петалит, лепидолит , амблигонит . Близость ионных радиусов Li, Mg, Fe позволяет литию изоморфно входить в решётки железо-магнезиальных силикатов.
Литий был открыт в 1817 году шведским химиком Арфведсоном при анализе минерала петалита. Своё название литий получил от греческого “литос”-камень, так как в отличие от щелочных металлов калия и натрия, был обнаружен в каменной породе.
Металлический литий в очень малом количестве был получен в 1818 году, а в 1885 году металлический литий был получен в значительном количестве путём электролиза.
Литий – металл серебристо-белого цвета с жёлтым оттенком , мягок и пластичен как свинец — куётся, прокатывается и протягивается без нагревания.
Литий | 3 | — сайт
Литий — очень лёгкий металл , в два раза легче воды, он плавает в воде и даже в керосине. Очень активно реагирует с водой с бурным выделением водорода, вытесняемым литием из воды. На воздухе окисляется и покрывается белой плёнкой окиси, поэтому хранят его в вакууме или в масле. Обладает высокой теплоёмкостью и теплопроводностью, в жидком виде находится при температурах от 180 до 1327ОС.
Литий расплавляется в воздухе без заметного окисления, а при температуре выше 220ОС — загорается. В сухом воздухе, литий хорошо сохраняется, во влажном — быстро окисляется. Серый налёт при окислении лития — образовавшийся нитрид. Сухой кислород не действует на литий до температуры 200ОС. Сгорая на воздухе, при температуре выше 200ОС, литий образует оксид Li2O. При температуре500-800ОС Li образует с водородом гидрид — LiH.
В земной коре его в 800 раз меньше чем щелочных металлов калия и натрия. Минералами содержащих литий являются сподумен и лепидолит, в которых содержится от 1 до 3% оксида лития. Кристаллы сподумена достигают массы в несколько тонн. Иногда литий концентрируется в больших количествах в солёных озёрах, в водах нефтяных месторождений, в подземных горячих водах, в районе действующих вулканов. Мировые подтверждённые запасы оксида лития превышают 9 миллионов тонн, а вместе с минерализированными водами — до 30 миллионов тонн.
ПОЛУЧЕНИЕ.
Из минералов сподумена и лепидолита, литий переводится в растворимую хлористую соль (нагревание с мелом и хлористым аммонием), или в сернокислую соль (нагревание с K2SO4), которые, затем, извлекаются с водой.
Полученную соль очищают, переводя её последовательно в LiOH, Li2CO3, а затем в LiCl. Хлористый литий подвергают электролизу в расплаве, со значительным удельным расходом электроэнергии — 50 — 60 тысяч кВтч на тонну лития.
Литий рафинируется переплавкой в масле и отмывкой в бензине. Для более высокой очистки применяется процесс гидрирования лития при температурах 700-800ОС, при которых летит калий, а гидрид лития разлагается при температуре 1000ОС, в вакууме, на чистый литий и водород.
ПРИМЕНЕНИЕ.
В настоящее время литий очень широко применяется в различных отраслях промышленности.
Применение карбоната лития в виде окатышей в алюминиевой промышленности повышает выход годного металла и уменьшает выделение фтора при производстве алюминия.
Хранение и транспортировка водорода. Гидрид лития, выделяющий под действием воды большое количество водорода (3м3/кг), является удобным материалом для хранения и транспортировки связанного водорода.
Аккумуляторы. Гидроокись лития применяется в качестве щёлочи в аккумуляторах. Добавка едкого лития в щелочные аккумуляторы значительно повышает их электроёмкость.
Вакуумная техника. Металлический литий применяется в вакуумных приборах для получения вакуума. В закрытом сосуде литий поглощает азот и кислород, создавая в нём вакуум. Таким же образом производят очистку аргона и неона от азота, при изготовлении электрических ламп.
Очистка воздуха. Хлористый и бромистый литий, а также гидроокись лития хорошо поглощают углекислоту, аммиак, дым и влагу. Кондиционирование воздуха в замкнутых помещениях (подводные лодки, космические корабли) осуществляется с применением соединений лития.
Ракетно-космическая техника. Нитратные и перхлоратные соединения лития применяются в качестве окислителей твёрдого ракетного топлива, добавляются к жидкому топливу реактивных двигателей. Жаропрочные соединения лития используются для покрытия сопел и камер сгорания ракетных двигателей.
Медицина. Соединения лития(углекислый литий, силициловокислый литий) применяются для растворения мочевой кислоты при лечении подагры.
-
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 2Пероксид 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 2Гидрид 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).
Металлургия. Литий является компонентом многих сплавов. В чёрной металлургии литий применяется для раскисления и легирования сплавов. В цветной металлургии литий применяется как раскислитель и дегазатор при плавке меди и её сплавов, как легирующая присадка в сплавах со свинцом и лёгкими металлами. Небольшие добавки (до 0,005%) значительно быстрее и полнее обеспечивают раскисление цветных металлов, хромоникелевой стали и чугуна. Химически активный литий реагирует с кислородом, азотом и серой растворёнными в меди, связывает их и дегазирует медь. Добавки лития к алюминию и магнию повышают их прочность и делают более стойкими к действию кислот и щелочей. В парах лития осуществляется сварка алюминия. Парами лития создают защитную атмосферу в печах для нагревания некоторых металлов, так как литий, реагирует с водяными парами, кислородом и азотом.
Термоядерные процессы. Изотоп литий-6 используется для производства трития и применение лития в термоядерных процессах становится всё более значительным. В перспективе, литий как сырьё для производства трития, может стать значительной частью исходного горючего для термоядерных реакторов. Изотоп литий-6 применяется в атомных реакторах, как составная часть материалов защитных экранов против радиации.
Производство стекла и керамики. Соединения лития заменяют свинец при производстве стёкол для кинескопов электронно-лучевых приборов. В производстве стела присадка соединений лития позволяет получать стекло с большой проницаемостью для ультрафиолетовых лучей и малым тепловым расширением. Литий применяется при производстве фарфора, фаянса, термостойкой керамики, огнеупорных и диэлектрических материалов, глазурей и эмалей.
