Metallist mustri osa 1 - kõige lihtsam

Eelmine artikkel lõppes eelvaatega eelmisel aastal Nobeli keemiaauhinna saanud liitiumelementidega seotud kogemustest. Kolmest episoodist koosnev sari, mis algab liitiumi esitlusega, on jätk detsembris lõppenud halogeenisarjale. 17. rühma elemendid on mudelmittemetallid ja liitium on metallilisuse standard.

Füüsikaliste omadustega tuttavad lugejad liitiummetallidvõib selline väide üllatuda. Ained, mis tavaliselt sulavad temperatuuril mitte üle 100 ° C, on piisavalt pehmed, et neid noaga lõigata, ja pealegi reageerivad kiiresti hapniku ja veega, kas need peaksid olema metallide standardid? Ja mida saab neist ehitada?

Liitiumisulamid ei sobi tõepoolest konstruktsioonimaterjaliks, kuid see ei muuda tõsiasja, et tegemist on täisväärtuslike metallidega. Lahknevuse põhjuseks on selle mõiste erinev arusaam igapäeva- ja teaduskeeles. Seetõttu ei ole iga metall tahke ja mittesüttiv aine – elavhõbe on näiteks.

Kerge juur...

Pärast gaasilist vesinikku ja heeliumi ilmub perioodilisustabelisse esimene metall - liitium. Kogu pere sai oma nime tema nime järgi (vesinik, kuigi kuulub ka 1. gruppi, oli selles vähe vajaduse tõttu - see teine ​​element tuli lihtsalt kuhugi panna). Tulles tagasi liitiumi juurde, ei ole see nimi juhuslik aine kohta, mille tihedus on 0,54 g/cm³see on sama mis männimets.

Tükk liitiumi hõljub vees, kuid mitte kaua, sest see reageerib sellega kiiresti. Mõlemal põhjusel hoitakse seda tahkunud parafiinis, kuna see voolab petrooleumi pinnale, mida kasutatakse ülejäänud leelismetallide kaitsmiseks hapniku ja niiskuse eest. Liitium sulab umbes 180°C juures (kõrgeim kõigist leelismetallidest), kuid keeb peaaegu 1200°C kõrgemal. Nii suurt erinevust näete harva. Lisaks on tegemist hõbehalli metalliga, mida saab noaga lõigata, kuid ristlõikepindala tumeneb kiiresti (küll aeglasemalt kui teised selle rühma elemendid) (1).

1800. aastal avastati temanimeline mineraal Rootsi saarelt. kroonlehtkuid alles seitseteist aastat hiljem uuriti selle keemilist koostist. Noormees asus asja kallale Johann August Arfvedson, 25-aastane kuulus õpilane Bercelius (millele võlgneme muuhulgas praegu kasutatavate elementide tähistused). Arfwedson järeldas, et mineraal kuulub alumosilikaatide rühma, mis on suur ühendite perekond, mis koosneb alumiiniumist, ränist ja hapnikust, millele järgneb metall, tavaliselt naatrium, kaalium või kaltsium. Kuigi analüüsid näitasid naatriumitaolise metalli olemasolu petaliidis, ei ühtinud selle mass. See oli umbes kolm korda väiksem, kui oleks pidanud olema, kui naatrium oleks tõesti osa mineraalist (naatriumi aatommass on 23 ühikut, liitiumi aatommass on 7 ühikut).

Selle aja vaieldamatu autoriteet Berzelius teatas, et avastati uus element, millele ta andis nime kreeka sõna lithos, mis tähendab kivi (2), järgi. Rõhutati, et kuigi valgustatud see sarnaneb juba tuntud naatriumi ja kaaliumiga, eraldatud mineraalidest, mitte taimsetest ja loomsetest ainetest (samas on see ka elusorganismide ainevahetusradades esinev mikroelement). Arfwedson leidis uue metalli ka mitmest teisest mineraalist, mis kinnitas nimetuse õigsust. Ainult puhast metallilist liitiumi saab eraldada (selle kloriidi elektrolüüsiga). Robert Bunsen i Augustus Mattiessen, aastal 1855. Esimese nimi on seotud kahe teise liitiumi avastamise ajalooga.

2. Olulised tegelased liitiumi ajaloos. Vasakul: selle avastaja Johan August Arfvedson (1792-1841). Paremal: Jens Jakob Berzelius (1779–1848).

Kui palju liitiumi on maa peal? Üsna palju, umbes 0,0065% kihi pinna massist, mis teeb selle elementide sisalduse poolest 26. kohal. Kuigi protsent ei tundu eriti suur, on liitiumis peaaegu sama palju kui lämmastikku ning rohkem kui tsinki ja tina. Ja universumis? Liitium tekkis vahetult pärast Suurt Pauku koos vesiniku, heeliumi, berülliumi ja booriga ning seda toodetakse endiselt tähtedes. Prootonitega reageerib see aga üsna kergesti, mistõttu on liitiumist kosmoses vaid jäljed.

…raske töö eest

Hoolimata oma filigraansest massist, ei kohku tagasi ka liitium tööst. Selle elemendi ühenditest massis on suurim osakaal liitiumoksiidi ja karbonaadi kasutamisel kuumakindlate klaaside ja keraamika katete komponentidena. Järgmine on liitiumi kasutamine energiaallikate loomiseks. See on suhteliselt uus rakendus, kuid see on tänapäeval maailmas laialt levinud, alustades väikestest liitiumelementidest kuni kellade või arvutite elektrooniliste süsteemide toiteallikani, mobiiltelefonide, sülearvutite ja elektritööriistade akudeni ning lõpetades elektrisõidukite akudega, näiteks elektrisõidukites. kuulus Tesla Roadster (3).

3. Laetav liitiumioonaku. Eelmisel aastal anti selle ehitamisel tehtud töö eest Nobeli keemiaauhind.

ja – metalli väikese kaalu tõttu – koguvad nad massiühiku kohta palju rohkem energiat kui muudel elementidel põhinevate konstruktsioonide puhul. Liitiumrasvhapete soolad (liitiumseebid, nt liitiumstearaat) on väärtuslik komponent laias temperatuurivahemikus (sh miinustemperatuuridel) töötavates määrdeainetes. Liitiumkarbonaat on vanim tänapäeval psüühikahäirete ravis kasutatav ravim, mis stabiliseerib närvisüsteemi talitlust.

Liitiummetalli kasutati esmakordselt alumiiniumi, plii ja magneesiumisulamite tugevuslisandina. Liitium ühineb kergesti vesinikuga, moodustades hüdriidi. Kuna see ühend vabastab veega suhtlemisel vesinikku, saab seda kasutada vesiniku hoidjana. Viimase sõja ajal kasutati liitiumhüdriidi päästevestide kiireks täitmiseks. Liitium-6 isotoop, kui seda pommitatakse neutronitega, tekitab proovida (vesinik-3), mis on vajalik termotuumade sünteesiks.

Miljonite temperatuurikraadide ja tohutu rõhu mõjul ühineb triitium deuteeriumiga (vesinik-2), vabastades tohutul hulgal energiat. Seni on see protsess toimunud vaid kontrollimatult, termotuumapommi plahvatusega (neutroneid varustav ja vastavaid reaktsioonitingimusi loov detonaator oli tavalise aatomipommi plahvatus) (4).

4. Liitiumdeuteriidi jõud – Castle Bravo termotuumapommi plahvatus Bikini atollil 1954. aastal.

liitium käepärast

Erinevalt teistest liitiummetallidest on liitiummetall tõesti teie käeulatuses. Teie allikas on liitiumaku. Ärge võtke patareisid ainult telefoni või sülearvuti toiteks, sest nende lahtivõtmine on ohtlik (ärge unustage kasutatud varustust kogumispunkti üle anda). Katsete läbiviimiseks on vaja ainult märgitud linki CR2032. Seda kasutatakse sageli teatud tüüpi kalkulaatorite ja arvuti emaplaadi kiipide toiteks.

5. Vasakul - element CR2032 koos selle "lõikamise" järgnevate tulemustega: metallilise liitiumikihiga korpus; mittevesipõhise elektrolüüdiga immutatud separaator; plastist rõngas (isolatsioon); mangaandioksiidi kiht; teine ​​kehaosa.

6. Liitium põleti leegis.

Suruge link tangidega kokku (see laguneb laiali) ja lao konstruktsiooni killud alusele. Lahter koosneb metallosadest, mis moodustavad kesta, musta kokkusurutud kihi, mis sisaldab mangaandioksiidi MnO.₂, veevaba orgaanilise elektrolüüdiga immutatud poorne separaator ja isoleeriv plastrõngas (5). Korpuse väiksemale osale (negatiivne elektrood) kantakse liitium, seda saab noaga lõigata ja on näha, et õhu käes tumeneb. Võtke raudtraadi otsast veidi pehmet metalli ja sisestage proov põleti leeki – see muutub karmiiniks (6). Värv on iseloomulik ka liitiumiühenditele. Märkate sarnast värvi, kui lisate põleti leegile 2. rühma strontsiumisoolasid.

Asetage korpus koos ülejäänud metalliga veega klaasi. Liitiumi lahustumisreaktsioon toimub anumas:

Saadud lahusesse kastetud universaalpaber muutub siniseks, mis tõestab, et liitiumhüdroksiid on tugev alus (7). Ärge valage lahust välja – järgmise katse kulutate sellega minuti pärast.

7. Vasakul: liitiumi lahustumine vees (keeduklaasi põhjas on näha rakukeha fragment). Paremal: indikaatorpaberi sinine värv näitab, et saadud liitiumhüdroksiidi lahus on aluseline.

Proteus

Avastaja on juba märganud, et liitium sarnaneb ülejäänud rühma 1 elementidega. Liitium käitub aga pisut teisiti kui tema suuremad vennad.

Valage eelnevalt saadud lahus aurustisse ja aurustage ettevaatlikult. Pärast jahutamist valage sade võimalikult vähese 5-10% vesinikkloriidhappe lahusega ja aurustage vesi uuesti. Sa saad liitiumkloriid LiCl.

Lahustage osa soolast väikeses koguses vees ja valage lahus katseklaasi. Lisage naatriumkarbonaadi lahus Na₂CO₃. Anumasse peaks tekkima valge sade ja kui te midagi sellist ei märka, soojendage katseklaasi. Liitiumkarbonaat Li₂CO₃ see lahustub vees vähe, lisaks väheneb selle lahustuvus temperatuuri tõustes. See on ebatavaline juhtum: enamiku ühendite lahustuvus suureneb lahuse kuumutamisel ja 1. rühma elementide soolad, sealhulgas karbonaadid, lahustuvad hästi. Sade tekib ka siis, kui liitiumkloriidi lahust töödeldakse fosfaadi või naatriumfluoriidi lahusega.

Reaktsiooni tulemused näitavad, et liitium ei ole tavaline liitiummetall. Selle omadused on mõnevõrra sarnased teise rühma naabritega, eriti magneesiumiga.

Proovige sarnaseid teste magneesiumiga: lisage selle elemendi soolalahusele mis tahes lahustuv karbonaadi, fosfaadi või fluoriidi lahus (kõige kättesaadavamad on kloriid või sulfaat). Igal juhul tekivad valged ladestused. Kas mäletate süsihappegaasi tuvastamist lubjaveega? Seal esineb ka karbonaadisademeid. Kuid ärge arvake, et liitium on perioodilisuse tabelis vales kohas. See on monovalentne element ja rühmajuhi teatud eraldatus teistest pereliikmetest on perioodilisuse tabeli reegel (vt kasti: Diagonaalsed nõod).

Rohkem liitiumi kuus, ei erine 1. rühma normist.

Vaata ka: