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元素的奥秘——有锂说锂

	元素的奥秘——有锂说锂

说起锂,似乎很少有人不知道的,毕竟现在人手一部智能手机,里边装的也几乎全都是锂电池。

但你要问有几个人真正见过锂,怕真是很少,更别说搞清楚锂这种元素与别的金属相比有什么独特的优点了。

今天我们就来说一说锂——这种位于元素周期表第三位的奇妙元素。 最轻的金属古人说“读字读半边,不怕错上天”,至少放在“锂”这个字上是绝对没问题的:它念“里”,并且你一看这字的偏旁就知道它是一种金属。 没错,锂是在元素周期表上排在第一位的碱金属元素。

锂在元素周期表中位于碱金属的最上方细心的朋友可能会说了:“不对呀!氢在锂的上边,氢也有金属态呀!”没错,氢在极高压力下确实显示出金属态,这被称为氢的“金属相”,但从本质上来说,氢不是金属,那只不过是一部分氢的电子被挤出了它原来的轨道,变成类似自由电子,使液态或固态氢具有了类似金属的特征而已。 锂的原子核里有3个质子,它的原子核带3个正电荷,与此相对应,锂有3个电子,其中1s轨道有2个电子,2s轨道有1个电子。 由于1s轨道已经被电子占满,并且它们的能量很低,不参与化学键,锂相对容易失去它2s轨道上的那一个电子,形成阳离子Li。 锂的电子排布图锂与它下方的钠、钾等碱金属相比,由于其2s轨道更贴近原子核,原子核与电子间的静电力更强一些,它最外层的电子比较不容易失去,因此锂比其它碱金属更稳定。 如果你将一块金属锂扔进水里,它会跟水反应生成氢气,但不会燃烧。 钠、钾等不同,它们会燃烧甚至爆炸。

锂是最轻的金属,它实在是太轻了,密度仅为/cm3,你即使是把它泡在密度最低的烃油里它也能漂浮起来,因此为了不让锂在空气中被氧化,通常会把它包裹在凡士林里隔绝空气保存。 锂比所有的液体元素密度都低,它会漂浮在石蜡油的表面锂从何而来?“大爆炸”理论认为,锂大部分也是由宇宙大爆炸产生的。

在“大爆炸”后的一天里,宇宙中就产生了几乎所有的氢和氦,然后通过P-PII聚变分支产生了锂(Li)、铍(Be)和硼(B)。

P-PII聚变分支在P-PII聚变分支里:3He+He→Be+γBe+→Li+ν+/锂就是这么来的。

Li+1H→2He在那之后,锂在宇宙不同的区域的丰度也有了差别,老恒星中的锂在240万度的高温下更多地与质子反应而被“摧毁”为两个α粒子,而年轻恒星中则有更多的机会通过P-PII聚变产生新的锂。 太阳系中元素的丰度,可以看出锂的丰度比较低锂的同位素锂有两种稳定的天然同位素锂-6和锂-7,其中锂-7占了%,它的原子核中有3个质子和4个中子;锂-6的原子核中质子与中子的数量都是3个,它占%。

锂其它的同位素从锂-4、锂-5、锂-8到锂-13都是不稳定的放射性同位素,它们会迅速衰变成其它核素。 锂-6有一种重要的特性,它可以通过吸收中子转化为氚。 科研人员通过在核反应堆周边放置锂-6或它的化合物来合成氚;而核国家则利用锂-6的这一特性制造氢弹:Li+n→He+3H核武器设计者将氢弹弹头设计成两个部分:一个钚的原子弹引爆器和一个由锂-6氘化物燃料组成的聚变反应器,当钚弹爆炸时,它所产生的强大热能会加热锂-6氘化物燃料,同时释放出大量中子;压缩和加热的锂-6氘化物燃料与吸收中子后产生氚并开始强烈的聚变反应。 这就是氢弹引爆的过程。 氢弹引爆过程,氘化锂参与其中锂的应用除了造核弹,锂的应用非常广泛,最常见的莫过于我们使用的锂电池、锂离子电池和锂离子聚合物电池、磷酸铁锂电池了,这些电池给我们的工作与生活带来了极大的方便。

今天先不讨论电池,我们讲些大家不怎么熟悉的应用。

除了拿来制造电池外,锂最多的应用就是拿来生产各种各样的玻璃,据统计,世界上大约有三分之一的锂被加到了玻璃里边。

将氧化锂加入到二氧化硅里,可以降低原料的熔点和黏度,节约能源并且方便加工;氧化锂还可以改善玻璃和釉料的物理性能,许多烤箱用的玻璃在加工时都需要用到氧化锂或碳酸锂(LiCO),碳酸锂在高温加热后会转化为氧化锂,锂的加入能降低热膨胀系数,防止玻璃热爆;碳酸锂还是低火和高火陶瓷釉中的常见成分。 玻璃烤盘的制造中加入了锂化合物除了用作生产玻璃的原料,碳酸锂还是一种治疗精神疾病的主要药物,它对抑郁症、躁狂症等双相情感障碍疾病有疗效。 锂是很好的抗抑郁药物成份,并且是长期精神稳定剂的首选锂还被广泛用于冶金工艺,全世界有6%以上的锂产品被用于冶金添加。 例如将碳酸锂用作连续铸造助熔添加剂,它可以增加流动性;将氟化锂用作铝冶炼过程的添加剂,它可以降低熔化温度和增加电阻;锂与铝(铝锂合金)、镁、铜、镉和锰等金属的合金可以用于制造高性能飞机零件。

锂还有一个常见的应用是拿来做润滑脂,每年大约有12%的锂被用在了这个方面,这可能是出乎许多人意料的。 当将氢氧化锂与脂肪加热,就可以得到一种叫“锂皂”的硬脂酸,它是高温润滑脂的主要原料。

氢氧化锂从空气中吸收二氧化碳后会形成碳酸锂,航天器和潜艇中就是利用氢氧化锂来进行空气净化的。

在军事方面,氢化铝锂(LiAlH)不仅可以作为火箭推进剂的高能添加剂,氢化铝锂本身也是一种固体火箭的燃料。

空空导弹大多采用固体燃料推进锂的用途如此广泛,地球上的锂会不会越用越少,到哪一天出现资源枯竭呢?锂的生产锂很活泼,它在地球表面都是以化合物的形式存在的。 世界上已经探明的锂储量大约只有1600万吨,已知资源量大约是6500万吨,它们主要分布在南美洲的几个国家,比如智利、阿根廷、玻利维亚和巴西等,另外加拿大、美国、澳大利亚和我们也有一些锂矿藏。 锂的生产大国是澳大利亚、智利、阿根廷和津巴布韦等国。 玻利维亚一个富含锂的盐湖1600万吨的探明储量,相比于其它金属来说实在是太少,难道地球上就这么一点儿锂吗?也不对,我们的海水里大约有2300亿吨的锂,只不过海洋里锂的浓度实在是太低,元素的浓度相对恒定为~,从商业角度来看,从海水里提取锂是一件得不偿失的事情,所以至今没有人干这种事。

目前世界各主要产锂国都是从含锂的盐湖、或者从伟晶岩的锂矿中提纯锂的化合物,然后通过电解的方法提取锂。 富含锂的矿物主要有伟晶岩、锂辉石、锂云母等等。

锂辉石,它的主要成分是硅酸铝锂LiAl(SiO3)2在前一节“锂的应用”中我们已经了解到,大多数锂的应用实际上是对氧化锂、碳酸锂、氢氧化锂等锂化合物的应用,很多时候我们并不需要金属锂,所以从锂矿中提取化合物相对要容易些。 随着智能移动电子设备和新能源汽车的快速发展,世界锂消耗量会有个突破性的增长,因为每辆电动汽车的充电电池需要使用至少10千克锂。 未来人们在全力找矿的同时,还需要考虑对报废汽车电池、报废电子产品中锂的回收、加工和再利用。 我们应该相信,办法总比困难多。

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