Литий металлический

   Литий (Li) — серебристо-белый щелочной металл с атомным номером 3. Это самый лёгкий из всех металлов: его плотность при 25 °C составляет всего 0,534 г/см³, что почти вдвое меньше плотности воды. Литий металлический обладает мягкостью (легко режется ножом), пластичностью, поддаётся прокатке и прессованию. Несмотря на принадлежность к щелочной группе, по химическим свойствам литий ближе к магнию — так называемое диагональное сродство в периодической системе элементов. Благодаря уникальному сочетанию малой плотности, высокой электрохимической активности и способности образовывать устойчивые сплавы, литий находит широкое применение в ядерной энергетике, металлургии, химической промышленности и производстве источников тока.

Физические свойства лития

Среди щелочных металлов литий выделяется самыми высокими температурами плавления и кипения. При комнатной температуре он имеет кубическую объёмноцентрированную кристаллическую решётку. Ниже −195 °C устойчивой становится гексагональная плотноупакованная структура.

Из-за малой плотности литий всплывает не только в воде, но и в керосине. Это единственный щелочной металл, который не хранят в керосине. Удельная теплоёмкость лития — самая высокая среди всех металлов, что делает его перспективным теплоносителем.

Химические свойства металлического лития

Литий — наименее активный из щелочных металлов. С сухим воздухом при комнатной температуре он практически не реагирует. Однако во влажном воздухе на поверхности постепенно образуются нитрид Li₃N, гидроксид LiOH и карбонат Li₂CO₃ — характерный тёмно-серый налёт.

Литий — единственный щелочной металл, активно взаимодействующий с азотом уже при обычных условиях (энергично — при 250 °C). При нагреве до 500 °C реагирует с водородом, образуя гидрид LiH. При 130 °C — с серой (сульфид Li₂S). В вакууме выше 200 °C — с углеродом (ацетиленид Li₂C₂). При 600–700 °C реагирует с кремнием (силицид). С водой литий реагирует спокойно, без взрыва, образуя LiOH и H₂ — в отличие от натрия и калия. При контакте с галогенами (F₂, Cl₂) литий воспламеняется.

Получение металлического лития

Основной промышленный способ получения металлического лития — электролиз расплава хлорида лития (LiCl). Поскольку температура плавления чистого LiCl (610 °C) близка к температуре кипения лития, электролиз ведут в эвтектической смеси LiCl с хлоридом калия (KCl) или хлоридом бария (BaCl₂). Это снижает температуру расплава, и процесс проводится при 400–460 °C.

Технологическая цепочка переработки литиевого сырья

Природные минералы лития (сподумен LiAl[Si₂O₆], лепидолит, петалит) перерабатывают несколькими способами: кислотным (разложение серной кислотой), щелочным (спекание с CaO или CaCO₃) или солевым (обработка K₂SO₄). В каждом случае из полученного раствора выделяют карбонат лития Li₂CO₃ — плохо растворимую соль. Далее карбонат переводят в хлорид LiCl, пригодный для электролиза.

Очистка лития после электролиза

Полученный электролизом литий содержит примеси (в первую очередь натрий). Для повышения чистоты применяют вакуумную дистилляцию, ректификацию или зонную плавку. В зависимости от достигнутой степени очистки литий относят к соответствующей марке по ГОСТ 8774-75.

Марки лития по ГОСТ 8774-75

Действующий стандарт ГОСТ 8774-75 «Литий. Технические условия» распространяется на литий, получаемый методом электролиза. Стандарт устанавливает две марки: ЛЭ-1 и ЛЭ-2. Литий изготовляют в виде слитков. Масса партии — не более 1500 кг.

Литий приведённых марок применяется для производства активных катализаторов в промышленном синтезе, в качестве дегазатора и модификатора, а также как добавка к сплавам цветных металлов для снижения их плотности, повышения устойчивости к коррозии и улучшения механических характеристик.

Химический состав лития марки ЛЭ-1

Марка ЛЭ-1 — литий высокой чистоты. Содержание основного элемента — не менее 99,9 %.

Примечание: по согласованию изготовителя с потребителем допускается массовая доля натрия в марке ЛЭ-1 не более 0,005 %.

Химический состав лития марки ЛЭ-2

Марка ЛЭ-2 — литий технической чистоты. Содержание основного элемента — не менее 99,0 %.

Методы определения химического состава металлического лития регламентированы стандартами ГОСТ 8775.0-87 — ГОСТ 8775.4-87.

Применение лития в промышленности

Металлический литий и его соединения используются во множестве отраслей. Ниже рассмотрены основные направления, подтверждённые промышленной практикой.

Литий в ядерной энергетике

Ядерная энергетика — одна из важнейших областей применения лития. Изотоп ⁶Li является единственным промышленным источником для производства трития (³H), используемого в термоядерных технологиях. Жидкий литий, обогащённый изотопом ⁷Li, применяется как теплоноситель в ядерных реакторах благодаря высокой теплоёмкости, теплопроводности и низкой плотности. Расплавленный фторид ⁷LiF используется как растворитель урана и тория в гомогенных реакторах.

Литий в металлургии

В чёрной и цветной металлургии литий применяется как дегазатор и раскислитель. Добавки лития в медные, цинковые и никелевые сплавы позволяют провести рафинирование — удаление растворённых газов и неметаллических включений. Небольшие добавки лития (порядка 0,01–0,1 %) в чугунное литьё способствуют сфероидизации графита: вместо пластинчатых включений формируются шаровидные частицы, что повышает механические свойства отливок. Литий также применяется в методах металлотермии для восстановления редких металлов.

Литиевые сплавы для авиации и космонавтики

Сплавы лития с магнием, алюминием, скандием, медью и кадмием — перспективные конструкционные материалы в авиационной и космической технике. Добавка лития к алюминиевым сплавам (системы Al–Li, Al–Mg–Li) снижает плотность сплава и одновременно повышает модуль упругости, что критически важно для снижения массы авиационных конструкций. Каждый 1 % лития в алюминиевом сплаве снижает его плотность примерно на 3 % и увеличивает модуль упругости примерно на 6 %.

Литий в производстве припоев

Сплавы лития с серебром, золотом и медью являются эффективными припоями. Введение лития улучшает смачиваемость паяемых поверхностей и позволяет формировать прочные паяные соединения.

Литий в химической промышленности

Литий и его соединения используются в качестве катализаторов полимеризации (например, бутиллитий — катализатор производства синтетического каучука). Гидрид лития LiH применяется как компактный источник водорода: при реакции с водой 1 кг LiH выделяет около 2,8 м³ газообразного водорода. Литиевые смазки на основе стеарата лития остаются работоспособными в широком диапазоне температур.

Литий в производстве источников тока

Металлический литий используется для изготовления анодов первичных химических источников тока на основе неводных и твёрдых электролитов. Высокий электрохимический потенциал лития (−3,045 В) обеспечивает максимальную удельную энергию батарей. Литиевые первичные элементы применяются в военной технике, приборостроении, медицинских имплантатах.

Литий в керамике и стекольной промышленности

На основе алюмината и силиката лития создана керамика, затвердевающая при комнатной температуре. Такие материалы используются в военной технике и металлургии. Оксид лития Li₂O в качестве флюса снижает температуру плавления и вязкость стекольной массы, позволяя получать глазури и стёкла с улучшенными свойствами — в том числе с низкими коэффициентами теплового расширения. Стекло на основе системы Li₂O–Al₂O₃–SiO₂, армированное волокнами карбида кремния, обладает высокой прочностью.

Формы поставки лития металлического

В соответствии с ГОСТ 8774-75, литий металлический поставляется в виде слитков. Помимо слитков, на практике возможны и иные формы поставки: прутки и проволока (получаемые выдавливанием через матрицу), а также гранулы. Конкретная форма поставки согласовывается с потребителем в зависимости от технологических потребностей.

Упаковка, транспортировка и хранение лития

Литий — пожароопасное вещество (класс опасности при перевозке — 4.3 по ГОСТ 19433-88: вещества, выделяющие воспламеняющиеся газы при контакте с водой). Требования к обращению с металлическим литием определены разделами 4–6 ГОСТ 8774-75.

Упаковка литиевых слитков

Слитки упаковывают в герметичные стальные контейнеры вместимостью до 160 дм³, предварительно вложив в полиэтиленовый мешок (по ГОСТ 10354-82) и герметизировав его свариванием. Контейнер заполняют аргоном (по ГОСТ 10157-79) до избыточного давления не более 0,07 МПа. Альтернативный вариант — упаковка в барабаны по ГОСТ 5044-79 с заливкой смесью расплавленного парафина и осушённого трансформаторного масла в соотношении 1:1.

Хранение металлического лития

Литий хранят в герметичной таре под слоем защитной среды: петролейного эфира, парафина, газолина или минерального масла. Помещения для хранения должны быть сухими, защищёнными от попадания влаги. При длительном хранении барабаны маркируют водостойкой краской.

Транспортировка литиевых слитков

Литий транспортируют любыми видами транспорта в крытых транспортных средствах в соответствии с правилами перевозок опасных грузов. При воздушной перевозке масса нетто на одну упаковку — не более 10 кг. Маркировка должна содержать манипуляционные знаки: «Беречь от нагрева», «Беречь от влаги», «Герметичная упаковка», «Верх».

Техника безопасности при работе с литием

Работа с металлическим литием относится к категории взрыво-пожароопасных. Основные правила обращения регламентированы ГОСТ 8774-75 (раздел 6) и нормативами для работы со щелочными металлами в химической промышленности.

Пожарная опасность лития

Температура самовоспламенения лития на воздухе — 640 °C. Литий воспламеняется от воды. При горении образуется густой дым аэрозолей конденсации лития и его соединений. Продукты сгорания лития относятся к 1 классу опасности (чрезвычайно опасные вещества) по ГОСТ 12.1.007-76. Сам металлический литий не летуч и не представляет опасности при ингаляционном поражении — опасность несут именно продукты его горения.

Средства тушения горящего лития

Для тушения горящего лития применяют: порошкообразный хлористый калий технический (по ГОСТ 4568-95) при влажности порошка не более 1 %, сухой графитовый порошок (по ГОСТ 7478-75), аргон (по ГОСТ 10157-79). Категорически запрещено тушить литий водой, пеной или углекислотным огнетушителем — литий способен гореть даже в среде CO₂.

Защита персонала

Металлический литий вызывает ожоги при попадании на влажную кожу, слизистые оболочки и в глаза. Работа с литием должна проводиться в защитной одежде, перчатках и очках. Отходы лития утилизируют обработкой этиловым спиртом с образованием этилата лития, который затем разлагают водой.

Контроль качества лития по ГОСТ 8774-75

Литий принимают партиями. Каждая партия состоит из лития одной марки и сопровождается документом о качестве. Документ содержит: наименование металла, марку, номер партии, количество мест, результаты химического анализа, дату изготовления, штамп ОТК и обозначение стандарта.

Отбор проб проводится в атмосфере воздуха или аргона при влажности не более 0,2 г/м³. Одна проба направляется в лабораторию, вторая хранится на предприятии-изготовителе в течение трёх месяцев со дня отгрузки — на случай разногласий в оценке качества.

Смежные нормативные документы

Помимо основного стандарта ГОСТ 8774-75, при работе с литием и контроле его качества используется ряд смежных документов: