Применение лития, его соединений и сплавов

Введение

Литий (Li) - это самый лёгкий редкий щелочной металл. Однако от остальных щелочных металлов литий отличает небольшой размер атома и иона; литий по свойствам напоминает также магний. Обладает малой плотностью.

Литий -3й элемент периодической системы химических элементов Д.И.Менделеева и представляет собой мягкий щелочной металл серебристо-белого цвета.

Литий придает сплавам ряд ценных физико-химических свойств. Например, у сплавов алюминия с содержанием до одного процента лития повышается механическая прочность и коррозионная стойкость, введение двух процентов лития в техническую медь значительно увеличивает ее электропроводность и т.д.

Он образует многочисленные литийорганические соединения, что определяет его большую роль в органическом синтезе.

Важнейшей областью применения лития, как источника трития является атомная энергия. Кроме того, он используется в качестве теплоносителя в атомных реакторах.

Известны 7 искусственных радиоактивных изотопов лития и два ядерных изомера.

Содержание лития в верхней континентальной коре составляет 21 г/т, в морской воде 0,17 мг/л.

Большинство редких металлов мало распространены, а часто и рассеяны в земной коре; их извлечение из сырья и получение в чистом виде связаны с большими технологическими трудностями. В этом причины относительно позднего открытия, изучения и технического освоения редких металлов.

Общие сведения о металле

Историческая справка

Литий (Li) – 3й элемент главной подгруппы первой группы, второго периода Периодической Системы химических элементов Менделеева и относится к группе лёгких редких металлов.

Литий был открыт в 1817 году шведским химиком и минералогом Иоганном Арфведсоном сначала в минерале петалите (Li,Na)[Si₄AlO₁₀], а затем в сподумене LiAl[Si₂O₆] и в лепидолите KLi_1.5Al_1.5[Si₃AlO₁₀](F,OH)₂.

Металлический литий впервые получил Гемфри Дэви в 1825 году.

Своё название литий получил из-за того, что был обнаружен в «камнях» (греч. λίθος — камень). Первоначально назывался «литион», современное название было предложено Берцелиусом.

Литий отличается от всех остальных металлов лёгкостью и наименьшей плотностью.

 

Физические и химические свойства лития

Физические свойства

Литий — серебристо-белый металл, мягкий и пластичный, твёрже натрия, но мягче свинца. Его можно обрабатывать прессованием и прокаткой.

При комнатной температуре металлический литий имеет кубическую объемно-центрированную решётку (координационное число 8), пространственная группа I m3m, параметры ячейки a = 0,35021 нм, Z = 2. Ниже 78 К устойчивой кристаллической формой является гексагональная плотноупакованная структура, в которой каждый атом лития имеет 12 ближайших соседей, расположенных в вершинах кубооктаэдра. Кристаллическая решетка относится к пространственной группе P 6₃/mmc, параметры a = 0,3111 нм, c = 0,5093 нм, Z = 2.

Из всех щелочных металлов литий характеризуется самыми высокими температурами плавления и кипения (180,54 и 1340 °C, соответственно), у него самая низкая плотность при комнатной температуре среди всех металлов (0,533 г/см³, почти в два раза меньше плотности воды).

Маленькие размеры атома лития приводят к появлению особых свойств металла. Например, он смешивается с натрием только при температуре ниже 380 °C и не смешивается с расплавленными калием, рубидием и цезием, в то время как другие па́ры щелочных металлов смешиваются друг с другом в любых соотношениях.

Химические свойства

Литий является щелочным металлом, однако относительно устойчив на воздухе. Литий является наименее активным щелочным металлом, с сухим воздухом (и даже с сухим кислородом) при комнатной температуре практически не реагирует. По этой причине литий является единственным щелочным металлом, который не хранят в керосине (к тому же плотность лития столь мала, что он будет в нём плавать) и может непродолжительное время храниться на воздухе.

Во влажном воздухе медленно реагирует с азотом и другими газами, находящимися в воздухе, превращаясь в нитрид Li₃N, гидроксид LiOH и карбонат Li₂CO₃. В кислороде при нагревании горит, превращаясь в оксид Li₂O. Интересная особенность лития в том, что в интервале температур от 100 °C до 300 °C он покрывается плотной оксидной плёнкой, и в дальнейшем не окисляется. В отличие от остальных щелочных металлов, дающих стабильные надпероксиды и озониды, надпероксид и озонид лития — нестабильные соединения.

В 1818 немецкий химик Леопольд Гмелин установил, что литий и его соли окрашивают пламя в карминово-красный цвет, это является качественным признаком для определения лития. Температура самовоспламенения находится в районе 300 °C. Продукты горения раздражают слизистую оболочку носоглотки.

Спокойно, без взрыва и возгорания, реагирует с водой, образуя LiOH и H₂. Реагирует также с этиловым спиртом (с образованием алкоголята), с водородом (при 500—700 °C) с образованием гидрида лития, с аммиаком и с галогенами (с иодом — только при нагревании). При 130 °C реагирует с серой с образованием сульфида. В вакууме при температуре выше 200 °C реагирует с углеродом (образуется ацетиленид). При 600—700 °C литий реагирует с кремнием с образованием силицида. Химически растворим в жидком аммиаке (−40 °C), образуется синий раствор.

В водном растворе литий имеет самый низкий стандартный электродный потенциал (-3,045 В) из-за малого размера и высокой степени гидратации иона лития.

Длительно литий хранят в петролейном эфире, парафине, газолине и/или минеральном масле в герметически закрытых жестяных коробках. Металлический литий вызывает ожоги при попадании на влажную кожу, слизистые оболочки и в глаза.

Биологическая роль

Литий постоянно входит в состав живых организмов, однако его биологическая роль выяснена недостаточно. Установлено, что у растений Литий повышает устойчивость к болезням, усиливает фотохимическую активность хлоропластов в листьях (томаты) и синтез никотина (табак). Способность концентрировать Литий сильнее всего выражена среди морских организмов у красных и бурых водорослей, а среди наземных растений - у представителей семейства Ranunculaceae (василистник, лютик) и семейства Solanaceae (дереза). У животных литий концентрируется главным образом в печени и легких.

Содержание лития в организме взрослого человека составляет около 70 мг. Преимущественно он находится (по уменьшению концентрации) в мозге, печени, почках, костях, сердце, легких.

Литий может оказывать следующие эффекты:

o снижает возбудимость центральной нервной системы (препараты лития применяются в психиатрии)

o регулирует транспорт натрия в нервных и мышечных клетках

o снижает количество доступного свободного норадреналина в центральной нервной системе

o снижает содержание серотонина в центральной нервной системе

o увеличивает чувствительность нейронов некоторых областей мозга к действию дофамина

Наиболее важными источниками лития являются некоторые растения (томаты), рыба и морепродукты, а также печень и легкие.

 

Применение лития, его соединений и сплавов

Литий на протяжении века применяли в медицине как средство от подагры.

Промышленное использование лития началось с первой мировой войны, когда немецкие войска стали использовать сплав лития и свинца.

Полученная немецкая разработка оказалась отличным материалом для покрытия трущихся поверхностей. С этого момента литий получил свое законное место в металлургии. Его используют во многих промышленных сплавах.

Литий стали широко использовать при удалении газов, растворенных в расплавах металлов. Сейчас известно, что литий способен повысить прочность стали. Но его активному использованию в этом направлении мешает малая растворимость в железе.

В черной металлургии Литий, его соединения и сплавы широко применяют для раскисления, легирования и модифицирования многих марок сплавов. В цветной металлургии литием обрабатывают сплавы для получения хорошей структуры, пластичности и высокого предела прочности.

Хорошо известны алюминиевые сплавы, содержащие всего 0,1% Лития,- аэрон и склерон; помимо легкости, они обладают высокой прочностью, пластичностью, стойкостью против коррозии и очень перспективны для авиастроения. Добавка 0,04% лития к свинцово-кальциевым подшипниковым сплавам повышает их твердость и понижает трение.

Соединения лития используются для получения пластичных смазок, изготовления стекла, для придачи стеклянной массе вязкости. Стекла изготовленные по данной технологии отличаются теплостойкостью и прочностью. Они также пропускают ультрафиолет.
В связи с высокой химической активностью лития, он применяется в химической промышленности.

По значимости в современной технике литий - один из важнейших редких элементов.
Литий применяется в ядерной энергетике, как теплоноситель.

 

Минералы и руды

Известно более 40 минералов, в которых литий присутствует в заметных количествах (более 0,1% атомной массы). В их число входят как собственно литиевые, так и породообразующие минералы (слюды, турмалины и др.), в которых литий присутствует в виде изоморфных примесей в небольшом количестве.

Главнейшие литийсодержащие минералы, имеющие промышленное значение:

· сподумен (содержание Li₂О 5,9-7,6%)

· петалит (3,5-4,1%)

· амблигонит (6-9%)

· эвкриптит,циннвальдит(3,0-3,5%)

· лепидолит (3,5-5,5%)

· полилитионит(5,5-8,8%)

 

Распределение литийсодержащих минералов подчинено закономерностям зонального строения рудных тел редкометалльных месторождений. В отдельных случаях литийсодержащие минералы образуют крупные выделения. Так, кристаллы сподумена достигают иногда длины 2-10 м.

Литиевые руды образуются в связи с постмагматическими процессами при температурах 500-700°С на глубине 3-7 км. Основной промышленно-генетический тип месторождений литиевых руд — гранитные редкометалльные пегматиты, среди которых различают; сподумен-микроклин-альбитовые и альбит-сподуменовые пегматиты (1,0-1,3% Li₂О, запасы 100-500 тысяч т); лепидолит-сподуменовые и лепидолит-петалитовые пегматиты (0,6-1,2% Li₂О, запасы до 100 тысяч т).

Главные пегматитовые месторождения литиевых руд; Кинг-Маунтин в США (запасы более 400 тысяч т Li2О, содержание 1-1,15%), Бёрник-Лейк в Канаде (более 200 тысяч т, 1-1,3%), Маноно-Китотоло в Заире (более 200 тысяч т, 0,6%), Бикита в Зимбабве (около 70 тысяч т, 1,4%), а также месторождения в Намибии, Мозамбике, Афганистане.

Попутно литий может получаться из редкометалльных танталоносных гранитов литий-фтористого типа (0,2-0,3% Li₂О, запасы до 100-200 тысяч т), циннвальдитовых или лепидолитовыхгрейзенов (промышленное значение невелико).

Концентрации лития (0,05-1,0% Li₂О) выявлены также в осадочных глинистых породах (ресурсы весьма значительны) и слюдисто-флюоритовых метасоматитах (0,3-0,5% Li₂О, запасы 100-200 тысяч т).

Практически все месторождения литиевых руд являются комплексными и отрабатываются либо для получения лития с попутным извлечением ряда других ценных компонентов, либо литиевые минералы извлекаются в процессе обогащения комплексных руд и сами являются попутными компонентами. В литиевых рудах обычно присутствуют тантал, ниобий, бериллий, рубидий, цезий, иногда олово, вольфрам и др. Полевой шпат, кварц и слюда, постоянно встречающиеся в месторождениях литиевых руд, также могут быть предметом промышленного использования.

Добыча руд ведётся преимущественно открытым, реже подземным способом.

Обычно литиевые руды обогащаются флотационным способом или в тяжёлых суспензиях. Промышленность использует концентраты различного качества: сподуменовый (содержание Li₂О 4,5-6%), петалитовый (2,5-3,5%), лепидолитовый (3-4%), амблигонитовый (7-8%). Переработка концентратов на большинстве заводов ведётся по сернокислотной технологии, основанной на сульфатизации серной кислотой обожжённого при температуре 1000°С сподумена (петалита). Получаемый после нейтрализации раствора карбонат лития пригоден для дальнейшего использования без дополнительной очистки. По этой схеме могут перерабатываться как концентраты, так и руды с содержанием Li₂О более 1%. Важное преимущество схемы — отсутствие жидких сбросов.

 

 

 

Мировой рынок лития

Месторождения лития известны в России (более 50% запасов страны сосредоточено в редкометальных месторождениях Мурманской области), Боливии (Солончак Уюни - крупнейшее в мире), Аргентине, Мексике, Афганистане, Чили, США, Канаде, Бразилии, Испании, Швеции, Китае, Австралии, Зимбабве, Конго.

Чили и Аргентина производят самую большую часть мирового лития из солей озер, в совокупности примерно 46% всего производства лития (компании FMC, Rockwood и S.Q.M.). Компания Talison Lithium поставляет ~34% мирового лития и около 65% литиевого минерала сподумен. Что касается мирового спроса, то запасы лития представлены в изобилии, и действующие производители, как ожидают, планируют расширять производство для удовлетворения растущих потребностей.

Сейчас крупнейшим мировым экспортёром лития является Чили (44%), далее следуют Австралия (25%), Китай (13%) и Аргентина (11%). В то же время в Боливии находится 50% мировых запасов лития, в Чили — 25% (пустыня Атакама), а в Аргентине — около 10%.

Далее представлены некоторые аналитические данные по мировому рынку лития на 2012 г.

 

 

Таблица 1.Запасы на месторождениях лития в 2012 году, тыс.тонн *

 

Аргентина	850.0
Австралия	1000.0
Бразилия	46.0
Чили	7500.0
Китай	3500.0
Португалия	10.0
США	38.0
Зимбабве	23.0
Всего	12967.0

* данные US Geological Survey

 

Рисунок 1. Добыча лития в мире, тыс.тонн*

 

Таблица 2.Производство и потребление лития в мире, тонн*

Страна/год
Всего производства	25.2	18.8	24.0	24.7	26.0
США	2.3	1.3	1.0	2.0	2.0
Всего потребление	22.6	19.2	24.5	25.9	26.5
Баланс рынка	2.6	-0.4	-0.5	-1.2	-0.5
Цена	5.5	5.0	4.0	4.0	4.4

* данные Roskill

Потребление лития продолжает устойчиво расти, несмотря на мировой экономический кризис, кризис задолженности в Еврозоне и замедление темпов роста в Китае.

Перезаряжающиеся литиевые батареи продолжают поддерживать этот рост на высоком уровне, чему способствует увеличение производства портативной бытовой электроники так же как и увеличение мощности батарей. Уникальные свойства лития также подкрепляют рост на других рынках, которые испытывали спад, включая производство жиров, стеклокерамику, и металлургические порошки. Потребление лития уже превзошло уровни 2008 года и составило 26,500 т в 2012 году. Спрос на литий будет расти в пределах 8% в год при базовом варианте развития событий с рынком электромобилей, становящимся все более и более важным для роста по мере приближения к 2017 году.

Перспектива новых поставок, выходящих на рынок компаний, действует как барьер для повышения цен, несмотря на возрастающий спрос.

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: