鋰號稱「稀有金屬」,關於它你不知道的知識,帶你了解化學元素

2020-12-05 世界大趨勢

鋰(Lithium),是一種化學元素,它的化學符號是Li,它的原子序數是3,三個電子其中兩個分布在K層,另一個在L層。鋰是鹼金屬中最輕的一種。鋰常呈+1或0氧化態,是否有-1氧化態則尚未得到證實。但是鋰和它的化合物並不像其他的鹼金屬那麼典型,因為鋰的電荷密度很大並且有穩定的氦型雙電子層,使得鋰容易極化其他的分子或離子,自己本身卻不容易受到極化。這一點就影響到它和它的化合物的穩定性[2]。鋰的英文為Lithium,來源於希臘文lithos,意為「石頭」。Lithos的第一個音節發音「裡」。因為是金屬,在左方加上部首「釒」。

銀白色的金屬。密度0.534克/釐米3。熔點180.54℃。沸點1317℃。是最輕的金屬。可與大量無機試劑和有機試劑發生反應。與水的反應非常劇烈。在500℃左右容易與氫發生反應,是唯一能生成穩定得足以熔融而不分解的氫化物的鹼金屬,電離能5.392電子伏特,與氧、氮、硫等均能化合,是唯一的與氮在室溫下反應,生成氮化鋰(Li3N)的鹼金屬。由於易受氧化而變暗,故應存放於液體石蠟中。

鋰在自然界中豐度較大,居第27位,在海水中大約2600億噸鋰,在地殼中約含0.0065%。鋰僅以化合物的形式廣泛存在於自然界中。鋰的礦物有30於種,主要存在於鋰輝石(LiAlSi2O6)和鋰雲母以及透鋰長石((LiNa)AlSi4O10)和磷鋁石中。在人和動物的有機體、土壤和礦泉水、可可粉、菸葉、海藻中都有鋰的存在。人和動物體內也有極少的鋰存在。體重70公斤的正常人體中,鋰的含量為2.2毫克。

發現人:阿爾費德森 發現年代:1817年發現過程:從金屬與酸作用所得的氣體中發現氫。 1817年,瑞典的阿爾費德森,最先在分析透鋰長石時發現了鋰。

鋰是繼鉀和鈉後發現的又一鹼金元素。發現它的是瑞典化學家貝齊裡烏斯的學生阿爾費特森。1817年,他在分析透鋰長石時,最終發現一種新金屬,貝齊裡烏斯將這一新金屬命名為lithium,元素符號定為Li。

該詞來自希臘文lithos(石頭)。鋰發現的第二年,得到法國化學家伏克蘭重新分析肯定。到1855的年本生和馬奇森採用電解熔化氯化鋰的方法才製得它,工業化制鋰是在1893年由根莎提出的,鋰從被認定是一種元素到工業化製取前後歷時76年。鋰在地殼中的含量比鉀和鈉少的多,它的化合物不多見,是它比鉀和鈉發現的晚的必然因素。現在電解LiCl製取鋰,仍要消耗大量的電能,每煉一噸鋰就耗電高達六、七萬度。

鋰是一種柔軟的,銀灰色,極易反應的鹼金屬元素。它在金屬中比重最輕。鋰在空氣中易被氧化,所以須貯存於固體石蠟或惰性氣體中。它能與水和酸作用放出氫氣,易與氧、氮、硫等化合。鋰鹽在水中的溶解度與鎂鹽類似,而不同於其他的鹼金屬鹽。

鋰不但是既輕又軟、比熱最大的金屬,而且還是在通常溫度下呈固體狀態的一般材料中最輕的一種,通常貯藏於煤油或液體石蠟中。純鋰的比重跟乾燥的木材差不多,等於一般稱作輕金屬的鋁的密度的五分之一,幾乎只有同體積水的重量的一半。即使把鋰放到汽油中,它也會象軟木塞一樣輕輕地浮起來。

在室溫條件下,鋰能和空氣中的氮氣和氧氣發生強烈的化學反應。由於鋰具有和氫、氧、氮、碳及氧化物、矽酸鹽等物質結合的能力,冶金工業部門把鋰作為「捕氣劑」、「脫流劑」,可以消除金屬鑄件中的孔隙氣泡、雜質和其他缺陷。

鋰的密度非常小,僅有0.534g/cm3,為非氣態單質中最小的一個。因為鋰原子半徑小,故其比起其他的鹼金屬,壓縮性最小,硬度最大,熔點最高。溫度高於-117℃時,金屬鋰是典型的體心立方結構,但當溫度降至-201℃時,開始轉變為面心立方結構,溫度越低,轉變程度越大,但是轉變不完全。在20℃時,鋰的晶格常數為3.50[3],電導約為銀的五分之一。鋰可以很容易的與除鐵以外的任意一種金屬熔合[4]。

金屬鋰的化學性質十分活潑,在一定條件下,能與除稀有氣體外的大部分金屬與非金屬反應,但不像其他的鹼金屬那樣容易。鋰能同滷素發生反應生成滷化鋰。常溫下,在除去二氧化碳的乾燥空氣中幾乎不與氧氣反應,但在100℃以上能與氧生成氧化鋰,發生燃燒,呈藍色火焰,但是其蒸汽火焰呈深紅色,反應如同點燃的鎂條一樣,十分激烈、危險;

儘管它不如其他鹼金屬那樣容易燃燒,但是它燃燒起來的猛烈程度卻是其他鹼金屬所無法比的,就如同鎂燃燒比鈉燃燒更激烈一樣。氧族其它元素也能在高溫下與鋰反應形成相應的化合物。鋰與碳在高溫下生成碳化鋰。在鋰的熔點附近,鋰很容易與氫反應,形成氫化鋰。鋰還可以與水較快地發生作用,但是反應並不特別劇烈,不燃燒,也不熔化,其原因是它的熔點、著火點較高,且因生成物LiOH溶解度較小(20℃:12.3~12.8g/100gH2O),易附著在鋰的表面阻礙反應繼續進行。

鋰很軟,可以用小刀輕輕切開,新切開的鋰有金屬光澤,但是暴露在空氣中會慢慢失去光澤,表面變黑,若長時間暴露,最後會變為白色。主要是生成氧化鋰和氮化鋰,氫氧化鋰,最後變為碳酸鋰[6]。塊狀鋰可以與水發生反應,粉末狀鋰與水發生爆炸性反應。鹽酸、稀硫酸、硝酸能與鋰劇烈反應,濃硫酸僅與鋰緩慢反應。鋰能同很多有機化合物發生反應,很多反應在有機合成上有重要的意義。

在自然界中,鋰是以兩種同位素組成,6Li和7Li,豐度分別為7.42%和92.58%。通過人工製備,已得到鋰的四种放射性同位素5Li、8Li、9Li、11Li。他們的衰變方式如下:鋰的同位素可以發生下列反應,放出熱量。也可以用來製作氚。

將質量數為6的同位素(6Li)放於原子反應堆中,用中子照射,可以得到氚。氚能用來進行熱核反應,有著重要的用途。鋰主要以硬脂酸鋰的形式用作潤滑脂的增稠劑。這種潤滑劑兼有高抗水性、耐高溫和良好的低溫性能。鋰化物用於陶瓷製品中,以起到助溶劑的作用。在冶金工業中也用來作脫氧劑或脫氯劑,以及鉛基軸承合金。鋰也是鈹、鎂、鋁輕質合金的重要成分。

螢光屏是把螢光物質塗在玻璃上製成的。不過這不是普通的玻璃,而是加進了鋰的鋰玻璃。在玻璃中加進鋰或鋰的化合物,可以提高玻璃的強度和韌性。把含鋰的陶瓷塗到鋼鐵或鋁、鎂等金屬的表面,形成一層薄而輕、光亮而耐熱的塗層,可作噴氣發動機燃燒室和火箭、飛彈外殼的保護層。鋰與鋁、鎂、鈹等「合作」組成合:金,既輕又韌,已被大量用於飛彈、火箭、飛機等製造上。潤滑劑中加進鋰的化合物,可以大大改善潤滑效能。此種潤滑劑適用於溫度在—50℃至200℃的範圍,因此被廣泛應用於航空、動力等部門的各種機械裝置和儀器儀表。

某些鋰的有機化合物,如硬脂酸鋰、軟脂酸鋰等,它們的物理姓能不隨環境溫度變化而改變,因此是二種安全可靠的潤滑劑,並具有「永久性」作用。如果在汽車的一些零件上加一次鋰潤滑劑,就足以用到汽車報廢為止。氫化鋰遇水發生猛烈的化學反應,產生大量的氫氣。兩公斤氫化鋰分解後,可以放出氫氣566千升。氫化鋰的確是名不虛傳的「製造氫氣的工廠」。第二次世界大戰期間,美國飛行員備有輕便的氫氣源——氫化鋰丸作應急之用。飛機失事墜落在水面時,只要一碰到水,氫化鋰就立即與水發生反應,釋放出大量的氫氣,使救生設備(救生艇、救生衣、訊號氣球等)充氣膨脹。

鹼性蓄電池組的電解溶液裡有氫氧化鈉溶液,現在加入幾克氫氧化鋰溶液,蓄電池的使用壽命可以增加兩倍,工作溫度範圍可加大到-20℃----40℃。鋰—氯、鋰—硒之類的電池,已在手機、筆記本電腦以及某些國防軍事部門中得到應用。用鋰電池發電來開動汽車,行車費用只有普通汽油發動機汽車的三分之一。鋰高能電池是一種很有前途的動力電池。它重量輕,貯電能力大,充電速度快,適用範圍廣,生產成本低,工作時不會產生有害氣體,不至於造成大氣汙染。由鋰製取氚,用來發動原子電池組,中間不需充電,可連續工作20年。

氫彈裡裝的不是普通的氫,而是比普通氫幾乎要重一倍的重氫或重二倍的超重氫。用鋰能夠生產出超重氫——氚,還能製造氫化鋰、氘化鋰、氚化鋰。早期的氫彈都用氘和氚的混和物作「炸藥」,當今的氫彈裡的「爆炸物」多數是鋰和氘的化合物——氘化鋰。我國1967年6月l7日成功地爆炸的第一顆氫彈,其中的「炸藥」就是氫化鋰和氘化鋰。

1公斤氘化鋰的爆炸力相當於5萬噸烈性梯恩梯炸藥。據估計,l公斤鈾的能量若都釋放出來可以使一列火車運行4萬公裡; l公斤氘和氚的混和物卻可以使一列火車從地球開到月球;而I公斤鋰通過熱核反應放出的能量,相當於燃燒20000多噸優質煤,比1公斤鈾通過裂變產生的原子能人10倍

在許多反應中,鋰可以作為原料或中間物。在合成與鋰相關的無機化合物時,常常是將金屬鋰於其他單質反應。若要求純度較高,可以用鋰與氣態單質或化合物反應。例如用鋰和硫化氫合成硫化鋰。反應方程式如下:2Li + H2S = Li2S + H2

主條目:Birch還原。金屬鋰溶於液氨和乙醇的混合溶劑中形成一個良好的還原劑,可以用來還原含芳環的有機化合物。比較貴重的甾族化合物通常用這種辦法來還原。這個方法的優點是產率較高,缺點是比用鈉還原昂貴,所以僅限於還原一些貴重的化合物。

鋰可用作丁二烯、異戊二烯等二烯烴聚合催化劑,也可以用來製造共聚物。

電池工業因為鋰的原子量很小,只有3,因此用鋰作陽極的電池具有很高的能量密度。鋰也能夠製造低於室溫或高溫下使用的電池。

低於室溫的電池,通常使用有機溶劑作為電解質,其中添加一些無機鹽增加導電性,常用無機鹽包括高氯酸鋰、六氟磷酸鋰、六氟砷酸鋰和硫化鋰等。二次鋰電池中正極材料也為含鋰化合物,如鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物、鋰鐵氧化物等等,以及其幾元化合物。二次鋰電池中負極材料,也與鋰的作用明顯。

電池陽極是鋰,陰極常用金屬氯化物。例如鋰-氯化銀電池的電池反應為:Li + AgCl = LiCl + Ag高溫下的電池,通常使用熔融的無機鹽作為電解質,因此必須在該鹽的熔點以上方可使用。例如:2Li + Cl2 = 2LiCl

摻有鋰的合金一般有強度大,密度小,耐高溫等特性。也有人用鋰合成了Li-Pb液態半導體合金。

用鋰作為燃料發射的魚雷。鋰還能用於:原子能工業中製造核反應堆的載熱劑。製造特種合金、特種玻璃等。作冶金工業中的脫氧劑,脫硫劑和脫泡劑作為燃料,可發射魚雷等武器。

鋰號稱「稀有金屬」,其實它在地殼中的含量不算「稀有」,地殼中約有0.0065%的鋰,鋰的地殼豐度為18x10-4%,居第二十七位,海水含鋰2x10-5%。已知含鋰的礦物有150多種,以鋰為主的礦物30種,具有工業價值的有六種,其中主要有鋰輝石(LiAlSi2O6)、鋰雲母[Li2(F,OH)2Al(SiO3)3]、透鋰長石等。海水中鋰的含量不算少,總儲量達2600億噸,可惜濃度太小,提煉實在困難。

某些礦泉水和植物機體裡,含有豐富的鋰。如有些紅色、黃色的海藻和菸草中,往往含有較多的鋰化合物,可供開發利用。世界鋰儲量約3 670萬噸,美國是鋰資源最豐富的國家。中國鋰資源豐富,產地主要分布在新疆、江西、湖南、四川等省,世界屋脊青藏高原,鹽湖星羅棋布,其中鋰、銣、銫含量之高,甚為罕見。我國的鋰礦資源豐富,以目前我國的鋰鹽產量計算,僅江西雲母鋰礦就可供開採上百年。

與鉀、鈉類似,金屬鋰很活潑,需隔絕空氣儲存。貯存和使用都要注意安全,由金屬鋰引起的火災,不能用水或泡沫滅火劑撲滅,而要用碳酸鈉乾粉。鋰也對皮膚有很強的腐蝕性。

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