LITIU: ISTORIC, STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, RISCURI ȘI UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Litiu este un element metalic al cărui simbol chimic este Li și numărul atomic 3. Acesta este al treilea element din tabelul periodic și conduce grupul 1 metale alcaline. Dintre toate metalele, este cea cu cea mai mică densitate și cea mai mare căldură specifică. Este atât de ușor încât poate pluti pe apă.

Numele său derivă din cuvântul grecesc „lithos” care înseamnă piatră. I-au dat acest nume pentru că a fost descoperită tocmai ca parte a unor minerale din rocile ignee. În plus, a prezentat proprietăți caracteristice similare cu cele ale metalelor sodiu și calciu, care au fost găsite în cenușa vegetală.

Piese metalice de litiu acoperite cu un strat de nitru depozitat în argon. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

Are un singur electron de valență, pierzându-l pentru a deveni cationul Li ⁺ în majoritatea reacțiilor sale; sau prin împărtășirea acestuia într-o legătură covalentă cu carbonul, Li-C în compuși organolitici (cum ar fi alchil-litii).

Aspectul său, ca multe alte metale, este cel al unui solid argintiu care poate deveni cenușiu dacă este expus la umiditate. Poate prezenta straturi negricioase (imaginea superioară), atunci când reacționează cu azot în aer pentru a forma o nitrură.

Chimic este identic cu congenerii săi (Na, K, Rb, Cs, Fr), dar mai puțin reactiv, deoarece un singur electron are o forță de atracție mult mai mare datorită a fi mai aproape de acesta, precum și datorită efectului slab de screening al celor doi. electroni interni La rândul său, reacționează așa cum face magneziul datorită efectului de prejudecată.

În laborator, sărurile de litiu pot fi identificate încălzindu-le într-o brichetă; apariția unei flăcări crimson intense îi va certifica prezența. De fapt, este adesea folosit în predarea laboratoarelor pentru rulări analitice.

Aplicațiile sale variază de la a fi utilizate ca aditiv pentru ceramică, pahare, aliaje sau amestecuri de turnătorie, ca mediu de răcire și proiectarea bateriilor mici și eficiente; deși exploziv, având în vedere natura reactivă a litiului. Este metalul cu cea mai mare tendință de oxidare și, prin urmare, cel care renunță cel mai ușor la electroni.

Istorie

Descoperire

Prima apariție a litiului în univers datează de departe, la câteva minute după Big Bang, când nucleele de hidrogen și heliu s-au contopit. Cu toate acestea, pământean a fost nevoie de timp pentru ca umanitatea să o identifice ca un element chimic.

A fost în 1800, când omul de știință brazilian José Bonifácio de Andrada e Silva a descoperit mineralele spodumene și petalite pe insula suedeză Utö. Cu aceasta, el găsise primele surse oficiale de litiu, dar încă nu se știa nimic despre el.

În 1817, chimistul suedez Johan August Arfwedson a putut izola din aceste două minerale o sare sulfatată care conținea un alt element decât calciul sau sodiul. Până atunci, August lucra în laboratoarele celebrului chimist suedez Jöns Jacob Berzelius.

Berzelius a numit acest nou element, produs al observațiilor și experimentelor sale, „lithos”, care înseamnă piatră în limba greacă. Astfel, litiu ar putea fi în sfârșit recunoscut ca un element nou, dar era totuși necesară izolarea acestuia.

Izolare

La doar un an mai târziu, în 1821, William Thomas Brande și Sir Humphry Davy au reușit să izoleze litiu ca un metal prin aplicarea electrolizei la oxidul de litiu. Deși în cantități foarte mici, au fost suficiente pentru a-i observa reactivitatea.

În 1854, Robert Wilhelm Bunsen și Augustus Matthiessen au putut produce metal litiu în cantități mai mari din electroliza clorurii de litiu. De aici a început producția și comerțul său, iar cererea va crește pe măsură ce noi aplicații tehnologice vor fi găsite ca urmare a proprietăților sale unice.

Structura și configurația electronică

Structura cristalină a litiului metalic este cubică centrată pe corp (bcc). Dintre toate structurile cubice compacte, aceasta este cea mai puțin densă și este în concordanță cu caracteristica sa ca fiind cel mai ușor și cel mai puțin dens dintre toate.

În ea, atomii Li sunt înconjurați de opt vecini; adică Li este în centrul cubului, cu patru Li în vârf și în jos la colțuri. Această fază bcc se mai numește α-Li (deși acest nume aparent nu este foarte răspândit).

faze

La fel ca marea majoritate a metalelor sau compușilor solizi, pot suferi tranziții de fază atunci când suferă modificări ale temperaturii sau presiunii; atâta timp cât nu sunt fondate. Astfel, litiu se cristalizează cu o structură romboedrică la temperaturi foarte scăzute (4,2 K). Atomii Li sunt aproape înghețați și vibrează mai puțin în pozițiile lor.

Când presiunea este crescută, dobândește structuri hexagonale mai compacte; și prin creșterea și mai mare, litiu suferă alte tranziții care nu au fost pe deplin caracterizate de difracția de raze X.

Prin urmare, proprietățile acestui „litiu comprimat” sunt încă studiate. De asemenea, nu se înțelege încă modul în care cei trei electroni ai săi, dintre care unul este o valență, intervin în comportamentul său de semiconductor sau metal în aceste condiții de înaltă presiune.

Trei electroni în loc de unul

Pare curios că litiul în acest moment rămâne o „carte opacă” pentru cei angajați în analize cristalografice.

Acest lucru se datorează faptului că, deși configurația electronică este 2s ¹ , cu atât de puțini electroni, abia poate interacționa cu radiația aplicată pentru a elucida cristalele sale metalice.

Mai mult, se teoretizează că orbitalele 1 și 2 se suprapun la presiuni mari. Adică, atât electronii interni (1s ² ), cât și electronii de valență (2s ¹ ) guvernează proprietățile electronice și optice ale litiului în aceste faze super compacte.

Numărul de oxidare

Acestea fiind spuse că configurația electronilor de litiu este 2s ¹ , poate pierde un singur electron; celelalte două, de la orbitalul intern 1s ² , ar necesita multă energie pentru a îndepărta.

Prin urmare, litiu participă la aproape toți compușii săi (anorganici sau organici) cu un număr de oxidare de +1. Aceasta înseamnă că în legăturile sale, Li-E, unde E ajunge să fie orice element, se presupune existența cationului Li ⁺ (dacă această legătură este ionică sau covalentă în realitate).

Numărul de oxidare -1 este puțin probabil pentru litiu, deoarece ar trebui să se lege cu un element mult mai puțin electronegativ decât acesta; Faptul că în sine este dificil să fie acest metal foarte electropozitiv.

Acest număr negativ de oxidare ar reprezenta o configurație electronică 2s ² (pentru a câștiga un electron) și ar fi, de asemenea, izoelectronic la beriliu. Acum , existența Li ^- anionul ar fi presupus , și sărurile sale derivate ar fi numit lithuros.

Datorită potențialului său mare de oxidare, compușii săi conțin mai ales cationul Li ⁺ , care, deoarece este atât de mic, poate exercita un efect polarizant asupra anionilor voluminoși pentru a forma legături covalente Li-E.

Proprietăți

Flama crimson a compușilor de litiu. Sursa: Antti T. Nissinen (https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964)

Aspectul fizic

Metal alb argintiu, cu o textură netedă, a cărui suprafață devine gri când este oxidată sau se întunecă atunci când reacționează direct cu azot în aer pentru a forma nitrura corespunzătoare. Este atât de ușor încât plutește în apă sau ulei.

Este atât de neted încât poate fi chiar feliat folosind un cuțit, sau chiar cu unghiile, ceea ce nu ar fi deloc recomandat.

Masă molară

6,941 g / mol.

Punct de topire

180,50 ° C

Punct de fierbere

1330 ° C.

Densitate

0,534 g / ml la 25 ° C.

Solubilitate

Da, plutește în apă, dar începe imediat să reacționeze cu ea. Este solubil în amoniac, unde atunci când se dizolvă, electronii săi sunt solvați pentru a produce culori albastre.

Presiunea de vapori

0,818 mm Hg la 727 ° C; adică nici măcar la temperaturi ridicate atomii săi abia mai pot scăpa în faza gazoasă.

electronegativitate

0,98 pe scara Pauling.

Energii de ionizare

Prima: 520,2 kJ / mol

Al doilea: 7298,1 kJ / mol

Al treilea: 11815 kJ / mol

Aceste valori corespund energiilor necesare obținerii ionilor gazoși Li ⁺ , Li ²⁺ și respectiv Li ³⁺ .

temperatură de autoaprindere

179 ° C.

Tensiune de suprafata

398 mN / m în punctul său de topire.

Viscozitate

În stare lichidă este mai puțin vâscoasă decât apa.

Căldură de fuziune

3.00 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

136 kJ / mol.

Capacitate termică molară

24,860 J / mol · K. Această valoare este extraordinar de mare; cel mai înalt dintre toate elementele.

Duritate Mohs

0.6

izotopi

În natură, litiu se prezintă sub formă de doi izotopi: ⁶ Li și ⁷ Li. Masa atomică 6,941 u singură indică care dintre cele două este cea mai abundentă: ⁷ Li. Acesta din urmă reprezintă aproximativ 92,4% din totalul atomilor de litiu; în timp ce ⁶ Li, aproximativ 7,6% dintre ei.

La ființele vii, organismul preferă ⁷ Li până la ⁶ Li; Cu toate acestea, în matricile mineralogice, izotopul de ⁶ Li este mai bine primit și, prin urmare, procentul său de abundență crește peste 7,6%.

reactivitatea

Deși este mai puțin reactiv decât celelalte metale alcaline, este totuși un metal destul de activ, deci nu poate fi expus la atmosferă fără a fi supus oxidării. În funcție de condiții (temperatură și presiune), reacționează cu toate elementele gazoase: hidrogen, clor, oxigen, azot; și cu solide precum fosforul și sulful.

Nomenclatură

Nu există alte nume pentru litiu metal. În ceea ce privește compușii săi, o mare parte dintre aceștia sunt numiți conform nomenclaturilor sistematice, tradiționale sau stocuri. Starea sa de oxidare de +1 este practic neschimbată, astfel încât în ​​nomenclatura de stoc (I) nu este scrisă la sfârșitul numelui.

Exemple

De exemplu, ia în considerare compușii Li ₂ O și Li ₃ N.

Li ₂ O primește următoarele nume:

- Oxid de litiu, conform nomenclaturii de stoc

- Oxid litic, conform nomenclaturii tradiționale

- Monoxid de diliu, conform nomenclaturii sistematice

În timp ce Li ₃ N este numit:

- Nitrură de litiu, nomenclator de stoc

- Nitrură litică, nomenclatură tradițională

- Mononitrida Trilithium, nomenclatură sistematică

Rolul biologic

Nu se cunoaște măsura în care litiu poate fi sau nu esențial pentru organisme. De asemenea, mecanismele prin care ar putea fi metabolizate sunt incerte și sunt încă studiate.

Prin urmare, nu se știe ce efecte pozitive poate avea o dietă „bogată” în litiu; chiar dacă poate fi găsit în toate țesuturile corpului; mai ales la rinichi.

Regulator al nivelurilor de seratonină

Efectul farmacologic al anumitor săruri de litiu asupra organismului este cunoscut, în special asupra creierului sau sistemului nervos. De exemplu, reglează nivelurile de serotonină, o moleculă responsabilă de aspectele chimice ale fericirii. Acestea fiind spuse, nu este neobișnuit să crezi că modifică sau modifică stările de spirit ale pacienților care le consumă.

Cu toate acestea, ei sfătuiesc să consume litiu împreună cu medicamente care combate depresia, deoarece există riscul de a crește prea mult serotonină.

Nu numai că ajută la combaterea depresiei, ci și la tulburările bipolare și schizofrenice, precum și la alte tulburări neurologice posibile.

Deficienta

Prin speculații, persoanele cu diete sărace în litiu sunt suspectate că sunt mai predispuse la depresie sau la sinucidere sau omucidere. Cu toate acestea, efectele deficienței sale rămân necunoscute.

Unde găsiți și produceți

Litiu nu poate fi găsit în scoarța terestră, cu atât mai puțin în mări sau în atmosferă, în starea sa pură, ca un metal alb strălucitor. În schimb, a suferit transformări de-a lungul a milioane de ani care l-au poziționat ca ion Li ⁺ (în principal) în anumite minerale și grupuri de roci.

Se estimează că în scoarța terestră concentrația sa este cuprinsă între 20 și 70 ppm (parte per milion), ceea ce este echivalent cu aproximativ 0,0004% din aceasta. În timp ce în apele marine, concentrația sa este de 0,14 și 0,25 ppm; adică litiu este mai abundent în pietre și minerale decât în ​​saramuri sau albiuri.

minerale

Cuarț spodumen, una dintre sursele naturale de litiu. Sursa: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mineralele în care se găsește acest metal sunt următoarele:

- spodumene, LiAI (SiO ₃ ) ₂

- Petalit, LiAlSi ₄ O ₁₀

- Lepidolit, K (Li, Al, Rb) ₂ (Al, Si) ₄ O ₁₀ (F, OH) ₂

Aceste trei minerale au în comun că sunt aluminosilicați de litiu. Există și alte minerale din care metalul poate fi extras, cum ar fi argilele ambligonite, elbaite, tripilite, eucriptite sau hectorite. Cu toate acestea, spodumena este mineralul din care este produsă cea mai mare cantitate de litiu. Aceste minerale alcătuiesc unele roci igene, cum ar fi granitul sau pegmatita.

Apele marine

În raport cu marea, este extras din saramuri sub formă de clorură de litiu, hidroxid sau carbonat, LiCl, LiOH și , respectiv, Li ₂ CO ₃ . În același mod poate fi obținut din lacuri sau lagune sau în diferite depuneri de saramură.

În general, litiu se situează pe locul 25 în abundența elementelor de pe Pământ, ceea ce se corelează bine cu concentrația sa scăzută atât în ​​uscat, cât și în apă și, prin urmare, este considerat un element relativ rar.

stele

Litiu se găsește la stele tinere în abundență mai mare decât la stelele mai vechi.

Pentru a obține sau produce acest metal în stare pură, există două opțiuni (ignorând aspectele economice sau de rentabilitate): extragerea acestuia prin acțiuni miniere sau colectarea acestuia în saramuri. Aceasta din urmă este sursa predominantă în producția de litiu metalic.

Producția de litiu metalic prin electroliză

Din saramură se obține un amestec topit de LiCl, care poate fi apoi supus electrolizei pentru a separa sarea în componentele sale elementare:

LiCI (l) → Li (s) + 1/2 Cl ₂ (g)

În timp ce mineralele sunt digerate în mediu acid pentru a-și obține ionii Li ⁺ după procesele de separare și purificare.

Chile este poziționat drept cel mai mare producător de litiu din lume, obținându-l din apartamentul de sare Atacama. Pe același continent, urmează Argentina, o țară care extrage LiCl din Salar del Hombre Muerto și, în sfârșit, Bolivia. Cu toate acestea, Australia este cel mai mare producător de litiu prin exploatarea spodumenului.

reacţii

Cea mai cunoscută reacție a litiului este cea care apare atunci când vine în contact cu apa:

2Li (s) + 2H ₂ O (l) → 2LiOH (aq) + H ₂ (g)

LiOH este hidroxid de litiu și, după cum se poate observa, produce gaz hidrogen.

Reacționează cu oxigen gazos și azot pentru a forma următoarele produse:

4Li (s) + O ₂ (g) → 2Li ₂ O (e)

2Li (s) + O ₂ (g) → 2Li ₂ O ₂ (s)

Li ₂ O este oxid de litiu, care tinde să se formeze pe partea de sus a Li ₂ O ₂ , peroxid.

6Li (s) + N ₂ (g) → 2Li ₃ N (s)

Litiu este singurul metal alcalin capabil să reacționeze cu azot și să provoace această nitrură. În toți acești compuși poate fi presupusă existența cationului Li ⁺ , participând la legături ionice cu caracter covalent (sau invers).

De asemenea, poate reacționa direct și puternic cu halogeni:

2Li (e) + F ₂ (g) → LiF (s)

De asemenea, reacționează cu acizii:

2Li (s) + 2HCI (conc) → 2LiCl (aq) + H ₂ (g)

3Li (s) + 4HNO ₃ (diluat) → 3LiNO ₃ (aq) + NO (g) + 2H ₂ O (l)

Compușii LiF, LiCl și LiNO ₃ sunt fluorură de litiu, respectiv clorură și nitrat.

În ceea ce privește compușii organici, cel mai cunoscut este butilul de litiu:

2 Li + C ₄ H ₉ X → C ₄ H ₉ Li + LiX

În cazul în care X este un atom de halogen și C ₄ H ₉ X este o halogenură de alchil.

riscuri

Metal pur

Litiu reacționează violent cu apa și poate reacționa cu umiditatea pielii. Acesta este motivul pentru care dacă cineva l-ar manipula cu mâinile goale, ar suferi arsuri. Și dacă este granulat sau sub formă de pulbere, ia foc la temperatura camerei, prezentând astfel pericol de incendiu.

Mănușile și ochelarii de siguranță trebuie folosiți pentru a trata acest metal, deoarece un contact minim cu ochii poate provoca iritații severe.

Dacă sunt inhalate, efectele pot fi și mai grave, arzând căile respiratorii și cauzând edem pulmonar datorită formării interne a LiOH, o substanță caustică.

Acest metal trebuie păstrat scufundat în ulei sau în atmosfere uscate și mai inert decât azot; de exemplu în argon, așa cum se arată în prima imagine.

compuşi

Compușii obținuți din litiu, în special sărurile sale, cum ar fi carbonatul sau citratul, sunt mult mai sigure. Asta atât timp cât persoanele care le ingerează respectă indicațiile prescrise de medicii lor.

Unele dintre numeroasele efecte nedorite pe care le poate genera la pacienți sunt: ​​diareea, greața, oboseala, amețelile, ușurința, tremorul, urinarea excesivă, setea și creșterea în greutate.

Efectele pot fi și mai grave la gravide, afectând sănătatea fătului sau crescând defectele la naștere. De asemenea, aportul său nu este recomandat la mamele care alăptează, deoarece litiu poate trece de la lapte la bebeluș, iar de acolo dezvolta tot felul de anomalii sau efecte negative.

Aplicații

Cele mai cunoscute utilizări pentru acest metal la un nivel popular se află în zona medicamentului. Cu toate acestea, are aplicație în alte domenii, în special în stocarea de energie prin utilizarea bateriilor.

Metalurgie

Sărurile de litiu, în special Li ₂ CO ₃ , servesc ca aditiv în procesele de turnare pentru diferite scopuri:

-Degass

-Desulfurizes

-Refineste boabele metalelor neferoase

-Crește fluiditatea zgurilor formelor de turnare

-Reduce temperatura de topire a turnărilor din aluminiu, datorită căldurii specifice specifice.

organometalică

Compușii de litiu alchilici sunt utilizați pentru a alchila (adăugați catene laterale R) sau a structurilor moleculare arilare (adăugați grupări Ar). Ei se remarcă pentru buna lor solubilitate în solvenți organici și pentru că nu sunt atât de reactivi în mediul de reacție; prin urmare, servește ca reactivi sau catalizatori pentru sinteze organice multiple.

lubrifianţi

Se adaugă în ulei stearat de litiu (produs al reacției dintre o grăsime și LiOH) pentru a crea un amestec lubrifiant.

Acest lubrifiant de litiu este rezistent la temperaturi ridicate, nu se întărește la răcire și este inert față de oxigen și apă. Prin urmare, își găsește utilizarea în aplicații militare, aerospațiale, industriale, auto etc.

Aditiv de ceramică și sticlă

Paharele sau ceramice care sunt tratate cu Li ₂ O dobândesc vâscozități mai mici atunci când sunt topite și o rezistență mai mare la dilatarea termică. De exemplu, ustensilele de bucătărie sunt fabricate din aceste materiale, iar sticla Pyrex are și acest compus în compoziția sa.

aliaje

Deoarece este un metal atât de ușor, la fel și aliajele sale; printre ele, cele din aluminiu-litiu. Când se adaugă ca aditiv, nu numai că le oferă mai puțină greutate, dar și o rezistență mai mare la temperaturi ridicate.

refrigerent

Căldura specifică ridicată îl face ideal pentru a fi utilizat ca agent frigorific în procesele în care se degajă multă căldură; de exemplu, în reactoarele nucleare. Acest lucru se datorează faptului că „costă” să-și ridice temperatura și, prin urmare, împiedică căldura să radiaze ușor către exterior.

Baterii

Iar cea mai promițătoare utilizare a tuturor este pe piață pentru bateriile cu ioni de litiu. Acestea profită de ușurința cu care litiu este oxidat la Li ⁺ pentru a utiliza electronul eliberat și a activa un circuit extern. Astfel, electrozii sunt fie din litiu metalic, fie din aliați ai acestora, unde Li ^{+ se} poate intercala și călători prin materialul electrolitic.

Ca o curiozitate finală, grupul muzical Evanescense și-a dedicat o melodie cu titlul „Lithium” acestui mineral.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică. (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Laboratorul Național Lawrence Livermore (23 iunie 2017). Uitându-se la structura cristalină a litiului. Recuperat de la: phys.org
3. F. Degtyareva. (Sf). Structuri complexe de litiu dens: origine electronică. Institutul de Fizică al Statului Solidar Academia Rusă de Științe, Cernogolovka, Rusia.
4. Advameg, Inc. (2019). Litiu. Recuperat de la: chemistryexplained.com
5. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2019). Litiu. Baza de date PubChem. CID = 3028194. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Eric Eason. (30 noiembrie 2010). Aprovizionare mondială cu litiu. Recuperat de la: large.stanford.edu
7. Wietelmann, U., & Klett, J. (2018). 200 de ani de litiu și 100 de ani de chimie organolitică. Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie, 644 (4), 194–204. doi: 10.1002 / zaac.201700394