LITIO: STORIA, STRUTTURA, PROPRIETÀ, RISCHI E USI - CHIMICA - 2024

Il litio è un elemento metallico il cui simbolo chimico è Li e numero atomico 3. È il terzo elemento della tavola periodica e guida i metalli alcalini del gruppo 1. Di tutti i metalli, è quello con la densità più bassa e il calore specifico più elevato. È così leggero che può galleggiare sull'acqua.

Il suo nome deriva dalla parola greca "lithos" che significa pietra. Gli hanno dato questo nome perché è stato scoperto proprio come parte di alcuni minerali nelle rocce ignee. Inoltre, mostrava proprietà caratteristiche simili a quelle dei metalli sodio e calcio, che si trovavano nelle ceneri vegetali.

Parti metalliche al litio rivestite con uno strato di nitruro immagazzinato in argon. Fonte: immagini ad alta risoluzione di elementi chimici

Ha un singolo elettrone di valenza, perdendolo per diventare il catione Li ⁺ nella maggior parte delle sue reazioni; o condividendolo in un legame covalente con il carbonio, Li-C in composti organolitici (come gli alchil litio).

Il suo aspetto, come molti altri metalli, è quello di un solido argenteo che può diventare grigiastro se esposto all'umidità. Può presentare strati nerastri (immagine in alto), quando reagisce con l'azoto nell'aria per formare un nitruro.

Chimicamente è identico ai suoi congeneri (Na, K, Rb, Cs, Fr), ma meno reattivo poiché il suo singolo elettrone subisce una forza di attrazione molto maggiore a causa della sua vicinanza, nonché a causa dello scarso effetto schermante dei suoi due elettroni interni. A sua volta, reagisce come fa il magnesio a causa dell'effetto bias.

In laboratorio i sali di litio possono essere identificati riscaldandoli in un accendino; la comparsa di un'intensa fiamma cremisi ne certificherà la presenza. In effetti, è spesso utilizzato nei laboratori didattici per le corse analitiche.

Le sue applicazioni variano dall'essere utilizzato come additivo per ceramiche, vetri, leghe o miscele per fonderia, a come mezzo di raffreddamento e alla progettazione di batterie ad alta efficienza e piccole; sebbene esplosivo, data la natura reattiva del litio. È il metallo con la maggiore tendenza ad ossidarsi e, quindi, quello che cede più facilmente il proprio elettrone.

Storia

Scoperta

La prima apparizione del litio nell'universo risale a molto tempo fa, pochi minuti dopo il Big Bang, quando i nuclei dell'idrogeno e dell'elio si fusero. Tuttavia, sulla terra ci è voluto del tempo prima che l'umanità lo identificasse come un elemento chimico.

Era il 1800 quando lo scienziato brasiliano José Bonifácio de Andrada e Silva scoprì i minerali spodumene e petalite sull'isola svedese di Utö. Con questo aveva trovato le prime fonti ufficiali di litio, ma ancora non si sapeva nulla di lui.

Nel 1817, il chimico svedese Johan August Arfwedson riuscì a isolare da questi due minerali un sale solfato che conteneva un elemento diverso dal calcio o dal sodio. A quel punto August Johan stava lavorando nei laboratori del famoso chimico svedese Jöns Jacob Berzelius.

Fu Berzelius a chiamare questo nuovo elemento, un prodotto delle sue osservazioni ed esperimenti, "lithos", che in greco significa pietra. Così, il litio poteva finalmente essere riconosciuto come un nuovo elemento, ma era ancora necessario isolarlo.

Isolamento

Solo un anno dopo, nel 1821, William Thomas Brande e Sir Humphry Davy riuscirono a isolare il litio come metallo applicando l'elettrolisi all'ossido di litio. Sebbene in quantità molto piccole, erano sufficienti per osservarne la reattività.

Nel 1854, Robert Wilhelm Bunsen e Augustus Matthiessen furono in grado di produrre litio metallico in quantità maggiori dall'elettrolisi del cloruro di litio. Da qui era iniziata la sua produzione e il commercio e la domanda sarebbe cresciuta con la scoperta di nuove applicazioni tecnologiche grazie alle sue proprietà uniche.

Struttura e configurazione elettronica

La struttura cristallina del litio metallico è cubica centrata sul corpo (bcc). Di tutte le strutture cubiche compatte, questa è la meno densa ed è coerente con la sua caratteristica di metallo più leggero e meno denso di tutti.

In esso, gli atomi di Li sono circondati da otto vicini; cioè, il Li è al centro del cubo, con quattro Li in alto e in basso agli angoli. Questa fase bcc è anche chiamata α-Li (sebbene questo nome apparentemente non sia molto diffuso).

fasi

Come la stragrande maggioranza dei metalli o dei composti solidi, possono subire transizioni di fase quando subiscono cambiamenti di temperatura o pressione; fintanto che non sono fondati. Pertanto, il litio cristallizza con una struttura romboedrica a temperature molto basse (4,2 K). Gli atomi di Li sono quasi congelati e vibrano meno nelle loro posizioni.

All'aumentare della pressione acquista strutture esagonali più compatte; e aumentando ancora di più, il litio subisce altre transizioni che non sono state completamente caratterizzate dalla diffrazione dei raggi X.

Pertanto, le proprietà di questo "litio compresso" sono ancora in fase di studio. Allo stesso modo, non si è ancora capito come i suoi tre elettroni, uno dei quali è una valenza, intervengano nel suo comportamento come semiconduttore o metallo a queste condizioni di alta pressione.

Tre elettroni invece di uno

Sembra curioso che il litio a questo punto rimanga un "libro opaco" per chi si occupa di analisi cristallografica.

Questo perché, sebbene la configurazione elettronica sia 2s ¹ , con così pochi elettroni difficilmente può interagire con la radiazione applicata per delucidarne i cristalli metallici.

Inoltre, si teorizza che gli orbitali 1s e 2s si sovrappongano ad alte pressioni. Cioè, sia gli elettroni interni (1s ² ) che gli elettroni di valenza (2s ¹ ) governano le proprietà elettroniche ed ottiche del litio in queste fasi super compatte.

Numero di ossidazione

Detto questo, la configurazione elettronica del litio è 2s ¹ , può perdere un singolo elettrone; gli altri due, dall'orbitale interno 1s ² , richiederebbero molta energia per essere rimossi.

Pertanto, il litio partecipa a quasi tutti i suoi composti (inorganici o organici) con un numero di ossidazione di +1. Ciò significa che nei suoi legami, Li-E, dove E diventa qualsiasi elemento, si assume l'esistenza del catione Li ⁺ (se questo legame è ionico o covalente).

Il numero di ossidazione -1 è improbabile per il litio, poiché dovrebbe legarsi a un elemento molto meno elettronegativo di esso; fatto che di per sé è difficile essere questo metallo molto elettropositivo.

Questo numero di ossidazione negativo rappresenterebbe una configurazione elettronica 2s ² (per guadagnare un elettrone), e sarebbe anche isoelettronico al berillio. Ora si ipotizzerebbe l 'esistenza del Li ^- anione , e i suoi sali derivati ​​sarebbero chiamati lithuros.

A causa del suo grande potenziale di ossidazione, i suoi composti contengono principalmente il catione Li ⁺ , che, poiché è così piccolo, può esercitare un effetto polarizzante sugli anioni voluminosi per formare legami covalenti Li-E.

Proprietà

La fiamma cremisi dei composti di litio. Fonte: Antti T.Nissinen (https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964)

Aspetto fisico

Metallo bianco-argenteo con una consistenza liscia, la cui superficie diventa grigia quando ossidata o si scurisce quando reagisce direttamente con l'azoto nell'aria per formare il suo nitruro corrispondente. È così leggero che galleggia nell'acqua o nell'olio.

È così liscio che può anche essere tagliato con un coltello o anche con le unghie, il che non sarebbe affatto raccomandato.

Massa molare

6,941 g / mol.

Punto di fusione

180,50 ° C.

Punto di ebollizione

1330 ° C.

Densità

0,534 g / mL a 25 ° C.

solubilità

Sì, galleggia nell'acqua, ma inizia immediatamente a reagire con esso. È solubile in ammoniaca, dove quando si dissolve i suoi elettroni vengono solvatati per produrre colori blu.

Pressione del vapore

0,818 mm Hg a 727 ° C; vale a dire che nemmeno a temperature elevate i suoi atomi riescono a malapena a sfuggire alla fase gassosa.

elettronegatività

0,98 della scala Pauling.

Energie di ionizzazione

Primo: 520,2 kJ / mol

Secondo: 7298,1 kJ / mol

Terzo: 11815 kJ / mol

Questi valori corrispondono alle energie necessarie per ottenere gli ioni gassosi Li ⁺ , Li ²⁺ e Li ³⁺ , rispettivamente.

Temperatura di autoaccensione

179 ° C.

Tensione superficiale

398 mN / m al suo punto di fusione.

Viscosità

Allo stato liquido è meno viscoso dell'acqua.

Calore di fusione

3,00 kJ / mol.

Calore di vaporizzazione

136 kJ / mol.

Capacità termica molare

24.860 J / mol · K. Questo valore è straordinariamente alto; il più alto di tutti gli elementi.

Durezza di Mohs

0.6

isotopi

In natura, il litio si presenta sotto forma di due isotopi: ⁶ Li e ⁷ Li. La massa atomica 6,941 u da sola indica quale delle due è la più abbondante: ⁷ Li. Quest'ultimo costituisce circa il 92,4% di tutti gli atomi di litio; mentre ⁶ Li, circa il 7,6%.

Negli esseri viventi, l'organismo preferisce ⁷ Li a ⁶ Li; tuttavia, nelle matrici mineralogiche l'isotopo ⁶ Li è meglio ricevuto e, quindi, la sua percentuale di abbondanza aumenta oltre il 7,6%.

Reattività

Sebbene sia meno reattivo degli altri metalli alcalini, è comunque un metallo abbastanza attivo, quindi non può essere esposto all'atmosfera senza subire ossidazione. A seconda delle condizioni (temperatura e pressione) reagisce con tutti gli elementi gassosi: idrogeno, cloro, ossigeno, azoto; e con solidi come fosforo e zolfo.

Nomenclatura

Non ci sono altri nomi per il litio metallico. Per quanto riguarda i suoi composti, gran parte di essi sono denominati secondo le nomenclature sistematiche, tradizionali o stock. Il suo stato di ossidazione di +1 è praticamente invariato, quindi nella nomenclatura stock la (I) non è scritta alla fine del nome.

Esempi

Si consideri ad esempio i composti Li ₂ O e Li ₃ N.

Il Li ₂ O riceve i seguenti nomi:

- Ossido di litio, secondo la nomenclatura stock

- Ossido litico, secondo la nomenclatura tradizionale

- Monossido di dilitio, secondo la nomenclatura sistematica

Mentre Li ₃ N si chiama:

- Nitruro di litio, nomenclatura stock

- Nitruro litico, nomenclatura tradizionale

- Trilitio mononitruro, nomenclatura sistematica

Ruolo biologico

La misura in cui il litio può o meno essere essenziale per gli organismi non è nota. Allo stesso modo, i meccanismi con cui potrebbe essere metabolizzato sono incerti e sono ancora in fase di studio.

Non si sa quindi quali effetti positivi possa avere una dieta “ricca” di litio; anche se può essere trovato in tutti i tessuti del corpo; soprattutto nei reni.

Regolatore dei livelli di serotonina

È noto l'effetto farmacologico di alcuni sali di litio sul corpo, soprattutto sul cervello o sul sistema nervoso. Ad esempio, regola i livelli di serotonina, una molecola responsabile degli aspetti chimici della felicità. Detto questo, non è raro pensare che alteri o modifichi gli stati d'animo dei pazienti che li consumano.

Tuttavia, sconsigliano di consumare litio insieme a farmaci che combattono la depressione, poiché c'è il rischio di aumentare troppo la serotonina.

Non solo aiuta a combattere la depressione, ma anche i disturbi bipolari e schizofrenici, così come altri possibili disturbi neurologici.

carenza

A titolo di speculazione, si sospetta che gli individui con diete povere di litio siano più inclini alla depressione, al suicidio o all'omicidio. Tuttavia, formalmente gli effetti della sua carenza rimangono sconosciuti.

Dove trovare e produzione

Il litio non si trova nella crosta terrestre, tanto meno nei mari o nell'atmosfera, allo stato puro, come un metallo bianco lucido. Invece, ha subito trasformazioni nel corso di milioni di anni che lo hanno posizionato come ione Li ⁺ (principalmente) in alcuni minerali e gruppi rocciosi.

Si stima che la sua concentrazione nella crosta terrestre sia compresa tra 20 e 70 ppm (parte per milione), che equivale a circa lo 0,0004% di essa. Mentre nelle acque marine, la sua concentrazione è dell'ordine di 0,14 e 0,25 ppm; cioè, il litio è più abbondante nelle pietre e nei minerali che nelle salamoie o nei fondali marini.

minerali

Quarzo spodumene, una delle fonti naturali di litio. Fonte: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

I minerali in cui si trova questo metallo sono i seguenti:

- Spodumene, LiAl (SiO ₃ ) ₂

- Petalite, LiAlSi ₄ O ₁₀

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

Questi tre minerali hanno in comune il fatto di essere alluminosilicati di litio. Ci sono altri minerali dove il metallo può anche essere estratto, come le argille di ambligonite, elbaite, tripillite, eucriptite o ectorite. Tuttavia, lo spodumene è il minerale da cui viene prodotta la maggior quantità di litio. Questi minerali costituiscono alcune rocce ignee come il granito o la pegmatite.

Acque marine

In relazione al mare, viene estratto da salamoie come cloruro di litio, idrossido o carbonato, rispettivamente LiCl, LiOH e Li ₂ CO ₃ . Allo stesso modo può essere ottenuto da laghi o lagune, o in diversi depositi di salamoia.

Nel complesso, il litio è al 25 ° posto in termini di abbondanza degli elementi sulla Terra, il che si correla bene con la sua bassa concentrazione sia nella terra che nell'acqua, ed è quindi considerato un elemento relativamente raro.

Stelle

Il litio si trova nelle stelle giovani in maggiore abbondanza rispetto alle stelle più vecchie.

Per ottenere o produrre questo metallo allo stato puro, ci sono due opzioni (ignorando gli aspetti economici o di redditività): estrarlo per azione mineraria o raccoglierlo nelle salamoie. Quest'ultima è la fonte predominante nella produzione di litio metallico.

Produzione di litio metallico mediante elettrolisi

Dalla salamoia si ottiene una miscela fusa di LiCl, che può poi essere sottoposta ad elettrolisi per separare il sale nei suoi componenti elementari:

LiCl (l) → Li (s) + 1/2 Cl ₂ (g)

Mentre i minerali vengono digeriti in mezzi acidi per ottenere i loro ioni Li ⁺ dopo i processi di separazione e purificazione.

Il Cile si posiziona come il più grande produttore di litio al mondo, ottenendolo dalla distesa di sale di Atacama. Nello stesso continente segue l'Argentina, paese che estrae LiCl dal Salar del Hombre Muerto e, infine, la Bolivia. Tuttavia, l'Australia è il più grande produttore di litio attraverso lo sfruttamento dello spodumene.

reazioni

La reazione più nota del litio è quella che si verifica quando viene a contatto con l'acqua:

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

LiOH è idrossido di litio e, come si può vedere, produce idrogeno gassoso.

Reagisce con l'ossigeno gassoso e l'azoto per formare i seguenti prodotti:

4Li (s) + O ₂ (g) → 2Li ₂ O (s)

2Li (s) + O ₂ (g) → 2Li ₂ O ₂ (s)

Li ₂ O è ossido di litio, che tende a formarsi sopra Li ₂ O ₂ , il perossido.

6Li (s) + N ₂ (g) → 2Li ₃ N (s)

Il litio è l'unico metallo alcalino in grado di reagire con l'azoto e causare questo nitruro. In tutti questi composti si può ipotizzare l'esistenza del catione Li ⁺ , che partecipa a legami ionici a carattere covalente (o viceversa).

Può anche reagire direttamente e vigorosamente con gli alogeni:

2Li (s) + F ₂ (g) → LiF (s)

Reagisce anche con gli acidi:

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

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

I composti LiF, LiCl e LiNO ₃ sono rispettivamente fluoruro di litio, cloruro e nitrato.

E per quanto riguarda i suoi composti organici, il più noto è il litio butile:

2 Li + C ₄ H ₉ X → C ₄ H ₉ Li + LiX

Dove X è un atomo di alogeno e C ₄ H ₉ X è un alogenuro alchilico.

rischi

Metallo puro

Il litio reagisce violentemente con l'acqua e può reagire con l'umidità sulla pelle. Ecco perché se qualcuno lo maneggiasse a mani nude subirebbe ustioni. E se è granulato o in polvere, prende fuoco a temperatura ambiente, creando così rischi di incendio.

Guanti e occhiali di sicurezza devono essere usati per maneggiare questo metallo, poiché un contatto minimo con gli occhi potrebbe causare gravi irritazioni.

Se inalato, gli effetti possono essere anche peggiori, bruciando le vie aeree e provocando edema polmonare dovuto alla formazione interna di LiOH, una sostanza caustica.

Questo metallo deve essere immagazzinato immerso nell'olio, o in atmosfere asciutte e più inerte dell'azoto; per esempio in argon, come mostrato nella prima immagine.

Composti

I composti derivati ​​dal litio, in particolare i suoi sali, come il carbonato o il citrato, sono molto più sicuri. Ciò purché le persone che le ingeriscono rispettino le indicazioni prescritte dai propri medici.

Alcuni dei molti effetti indesiderati che può generare nei pazienti sono: diarrea, nausea, affaticamento, vertigini, vertigini, tremori, minzione eccessiva, sete e aumento di peso.

Gli effetti possono essere ancora più gravi nelle donne in gravidanza, influenzando la salute del feto o aumentando i difetti alla nascita. Allo stesso modo, la sua assunzione è sconsigliata nelle madri che allattano, poiché il litio può passare dal latte al bambino e da lì sviluppare anomalie di ogni tipo o effetti negativi.

applicazioni

Gli usi più conosciuti di questo metallo a livello popolare risiedono nell'area della medicina. Tuttavia, trova applicazione in altri settori, soprattutto nello stoccaggio di energia attraverso l'uso di batterie.

Metallurgia

I sali di litio, in particolare Li ₂ CO ₃ , servono come additivo nei processi di fonderia per diversi scopi:

-Degass

-Desulfurizes

-Raffina i grani di metalli non ferrosi

-Aumenta la fluidità delle scorie degli stampi di colata

-Riduce la temperatura di fusione nelle fusioni di alluminio grazie al suo elevato calore specifico.

organometallica

I composti alchil litio sono usati per alchilare (aggiungere catene laterali R) o arilare (aggiungere gruppi aromatici) strutture molecolari. Si distinguono per la loro buona solubilità in solventi organici e per non essere così reattivi nel mezzo di reazione; pertanto, serve come reagenti o catalizzatori per più sintesi organiche.

lubrificanti

All'olio viene aggiunto litio stearato (prodotto della reazione tra un grasso e LiOH) per creare una miscela lubrificante.

Questo lubrificante al litio è resistente alle alte temperature, non si indurisce quando viene raffreddato ed è inerte all'ossigeno e all'acqua. Pertanto, trova impiego in applicazioni militari, aerospaziali, industriali, automobilistiche, ecc.

Additivo per ceramica e vetro

I vetri o le ceramiche trattate con Li ₂ O acquisiscono minori viscosità quando fusi e maggiore resistenza alla dilatazione termica. Ad esempio, gli utensili da cucina sono realizzati con questi materiali e anche il vetro Pyrex ha questo composto nella sua composizione.

leghe

Perché è un metallo così leggero, così sono le sue leghe; tra questi, quelli di alluminio-litio. Quando aggiunto come additivo, non solo conferisce loro meno peso, ma anche una maggiore resistenza alle alte temperature.

Refrigerante

Il suo elevato calore specifico lo rende ideale per essere utilizzato come refrigerante nei processi in cui viene rilasciato molto calore; ad esempio, nei reattori nucleari. Questo perché "costa" aumentare la sua temperatura, e quindi impedisce al calore di irradiarsi facilmente verso l'esterno.

Batterie

E l'uso più promettente di tutti è nel mercato delle batterie agli ioni di litio. Questi sfruttano la facilità con cui il litio viene ossidato a Li ⁺ per utilizzare l'elettrone rilasciato e attivare un circuito esterno. Pertanto, gli elettrodi sono fatti di litio metallico, o di sue leghe, dove il Li ⁺ può intercalarsi e viaggiare attraverso il materiale elettrolitico.

Come ultima curiosità, il gruppo musicale Evanescense, ha dedicato a questo minerale una canzone dal titolo "Lithium".

Riferimenti

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