LITHIUM: SEJARAH, STRUKTUR, SIFAT, RISIKO DAN PENGGUNAAN - KIMIA - 2026

The litium adalah unsur logam yang kimia simbol adalah Li dan nombor atom 3. Ia adalah elemen yang ketiga dalam jadual berkala dan membawa kumpulan 1 logam alkali. Daripada semua logam, ia adalah logam dengan ketumpatan terendah dan haba spesifik tertinggi. Ia sangat ringan sehingga boleh terapung di atas air.

Namanya berasal dari perkataan Yunani 'lithos' yang bermaksud batu. Mereka memberikannya nama ini kerana ditemukan tepat sebagai bagian dari beberapa mineral dalam batuan beku. Di samping itu, ia menunjukkan sifat ciri yang serupa dengan logam natrium dan kalsium, yang terdapat dalam abu sayuran.

Bahagian logam litium yang dilapisi dengan lapisan nitrida yang disimpan dalam argon. Sumber: Imej Hi-Res Elemen Kimia

Ia mempunyai elektron valensi tunggal, kehilangannya menjadi kation Li ⁺ dalam kebanyakan tindak balasnya; atau dengan membaginya dalam ikatan kovalen dengan karbon, Li-C dalam sebatian organolithium (seperti alkil litium).

Penampilannya, seperti logam lain, adalah padatan keperakan yang boleh berubah menjadi kelabu jika terdedah kepada kelembapan. Ia dapat menunjukkan lapisan kehitaman (gambar atas), ketika ia bertindak balas dengan nitrogen di udara untuk membentuk nitrida.

Secara kimia ia serupa dengan kongenernya (Na, K, Rb, Cs, Fr), tetapi kurang reaktif kerana elektron tunggal mengalami daya tarikan yang jauh lebih besar kerana lebih dekat dengannya, dan juga kerana kesan saringan kedua yang lemah elektron dalaman. Sebaliknya, ia bertindak balas seperti magnesium kerana kesan bias.

Di makmal, garam litium dapat dikenalpasti dengan memanaskannya dengan lebih ringan; kemunculan api merah yang kuat akan mengesahkan kehadirannya. Sebenarnya, ia sering digunakan di makmal pengajaran untuk menjalankan analisis.

Aplikasinya berbeza dari digunakan sebagai bahan tambahan untuk seramik, gelas, aloi atau campuran pengecoran, hingga sebagai media penyejuk dan reka bentuk bateri yang sangat efisien dan kecil; walaupun meletup, memandangkan sifat reaktif litium. Ia adalah logam dengan kecenderungan paling besar untuk mengoksidasi dan, oleh itu, yang paling mudah melepaskan elektronnya.

Sejarah

Penemuan

Kemunculan pertama litium di alam semesta bermula sejak beberapa saat selepas Big Bang, ketika inti hidrogen dan helium menyatu. Namun, duniawi memerlukan masa bagi manusia untuk mengenalinya sebagai unsur kimia.

Pada tahun 1800, ketika saintis Brazil José Bonifácio de Andrada e Silva menemui mineral spodumene dan petalite di pulau Utö di Sweden. Dengan ini, dia telah menemui sumber litium rasmi pertama, tetapi masih belum diketahui apa-apa mengenai dirinya.

Pada tahun 1817, ahli kimia Sweden Johan August Arfwedson dapat mengasingkan dari dua mineral ini garam sulfat yang mengandungi unsur selain kalsium atau natrium. Pada masa itu, Johan bekerja di makmal ahli kimia Sweden terkenal Jöns Jacob Berzelius.

Berzelius yang menyebut elemen baru ini, hasil pemerhatian dan eksperimennya, 'lithos', yang bermaksud batu dalam bahasa Yunani. Oleh itu, litium akhirnya dapat dikenali sebagai elemen baru, tetapi masih diperlukan untuk mengasingkannya.

Pengasingan

Hanya setahun kemudian, pada tahun 1821, William Thomas Brande dan Sir Humphry Davy berjaya mengasingkan litium sebagai logam dengan menerapkan elektrolisis ke litium oksida. Walaupun dalam jumlah yang sangat kecil, jumlah tersebut cukup untuk melihat kereaktifannya.

Pada tahun 1854, Robert Wilhelm Bunsen dan Augustus Matthiessen dapat menghasilkan logam litium dalam kuantiti yang lebih besar daripada elektrolisis litium klorida. Dari sinilah pengeluaran dan perdagangannya telah dimulai, dan permintaan akan meningkat ketika aplikasi teknologi baru ditemukan sebagai hasil dari sifatnya yang unik.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Struktur kristal litium logam adalah kubik berpusat badan (bcc). Dari semua struktur padu padat, ini adalah yang paling padat dan sesuai dengan ciri khasnya sebagai logam paling ringan dan paling padat.

Di dalamnya, atom Li dikelilingi oleh lapan jiran; iaitu, Li berada di tengah-tengah kubus, dengan empat Li di bahagian atas dan bawah di sudut. Fasa bcc ini juga disebut α-Li (walaupun nama ini nampaknya tidak begitu meluas).

Fasa

Seperti sebahagian besar logam pepejal atau sebatian, mereka boleh menjalani peralihan fasa apabila mereka mengalami perubahan suhu atau tekanan; selagi mereka tidak diasaskan. Oleh itu, litium mengkristal dengan struktur rhombohedral pada suhu yang sangat rendah (4.2 K). Atom Li hampir beku dan kurang bergetar pada kedudukannya.

Apabila tekanan meningkat, ia memperoleh struktur heksagon yang lebih padat; dan dengan meningkat lebih banyak lagi, litium mengalami peralihan lain yang belum sepenuhnya dicirikan oleh difraksi sinar-X.

Oleh itu, sifat "lithium termampat" ini masih dalam kajian. Begitu juga, belum difahami bagaimana tiga elektronnya, salah satunya adalah valensi, campur tangan dalam tingkah lakunya sebagai semikonduktor atau logam pada keadaan tekanan tinggi ini.

Tiga elektron dan bukannya satu

Nampaknya ingin tahu bahawa litium pada masa ini tetap menjadi "buku legap" bagi mereka yang terlibat dalam analisis kristalografi.

Ini kerana, walaupun konfigurasi elektronik adalah 2s ¹ , dengan begitu sedikit elektron, ia hampir tidak dapat berinteraksi dengan sinaran yang diterapkan untuk menjelaskan kristal logamnya.

Selanjutnya, secara teori dinyatakan bahawa orbit 1s dan 2s bertindih pada tekanan tinggi. Iaitu, elektron dalaman (1s ² ) dan elektron valensi (2s ¹ ) mengatur sifat elektronik dan optik litium dalam fasa super kompak ini.

Nombor pengoksidaan

Setelah mengatakan bahawa konfigurasi elektron lithium adalah 2s ¹ , ia dapat kehilangan satu elektron; dua yang lain, dari orbit dalaman 1s ² , memerlukan banyak tenaga untuk dikeluarkan.

Oleh itu, litium mengambil bahagian dalam hampir semua sebatiannya (bukan organik atau organik) dengan bilangan pengoksidaan +1. Ini bermaksud bahawa dalam ikatannya, Li-E, di mana E menjadi unsur apa pun, kewujudan kation Li ⁺ dianggap (sama ada ikatan ini bersifat ionik atau kovalen).

Nombor pengoksidaan -1 tidak mungkin untuk litium, kerana ia mesti mengikat unsur yang jauh lebih sedikit elektronegatif daripada itu; kenyataan bahawa dengan sendirinya sukar menjadi logam ini sangat elektropositif.

Nombor pengoksidaan negatif ini akan mewakili konfigurasi elektronik 2s ² (untuk mendapatkan satu elektron), dan juga isoelektronik untuk berilium. Kini keberadaan Li ^- anion akan diasumsikan , dan garam yang berasal dari itu disebut lithuros.

Oleh kerana potensi pengoksidaannya yang besar, sebatiannya kebanyakannya mengandungi kation Li ⁺ , yang, kerana sangat kecil, dapat memberikan kesan polarisasi pada anion besar untuk membentuk ikatan kovalen Li-E.

Hartanah

Nyalaan sebatian litium. Sumber: Antti T. Nissinen (https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964)

Penampilan fizikal

Logam putih keperakan dengan tekstur halus, permukaannya berubah menjadi kelabu apabila teroksidasi atau gelap apabila ia bertindak balas secara langsung dengan nitrogen di udara untuk membentuk nitrida yang sesuai. Ia sangat ringan sehingga terapung di dalam air atau minyak.

Ini sangat halus sehingga dapat diiris menggunakan pisau, atau bahkan dengan kuku anda, yang sama sekali tidak disarankan.

Jisim molar

6.941 g / mol.

Takat lebur

180.50 ° C.

Takat didih

1330 ° C.

Ketumpatan

0.534 g / mL pada suhu 25 ° C.

Keterlarutan

Ya, ia terapung di dalam air, tetapi ia segera bertindak balas dengannya. Ia larut dalam amonia, di mana ketika ia melarutkan elektronnya dilarutkan untuk menghasilkan warna biru.

Tekanan wap

0,818 mm Hg pada suhu 727 ° C; iaitu, bahkan pada suhu tinggi atomnya hampir tidak dapat keluar ke fasa gas.

Elektronegativiti

0.98 pada skala Pauling.

Tenaga pengionan

Pertama: 520.2 kJ / mol

Kedua: 7298.1 kJ / mol

Ketiga: 11815 kJ / mol

Nilai-nilai ini sesuai dengan tenaga yang diperlukan untuk mendapatkan ion gas Li ⁺ , Li ²⁺ dan Li ³⁺ , masing-masing.

Suhu autoignition

179 ° C.

Ketegangan permukaan

398 mN / m pada titik leburnya.

Kelikatan

Dalam keadaan cair ia kurang likat daripada air.

Panas pelakuran

3.00 kJ / mol.

Haba pengewapan

136 kJ / mol.

Kapasiti haba molar

24,860 J / mol · K. Nilai ini sangat tinggi; yang paling tinggi dari semua elemen.

Mohs kekerasan

0.6

Isotop

Secara semula jadi, litium berlaku dalam bentuk dua isotop: ⁶ Li dan ⁷ Li. Jisim atom 6.941 u sahaja menunjukkan yang mana yang paling banyak: ⁷ Li. Yang terakhir merangkumi sekitar 92.4% daripada semua atom litium; sementara ⁶ Li, sekitar 7.6% daripadanya.

Pada makhluk hidup, organisma lebih suka ⁷ Li hingga ⁶ Li; Walau bagaimanapun, dalam matriks mineralogi, isotop ⁶ Li diterima dengan lebih baik dan, oleh itu, peratusan kelimpahannya meningkat melebihi 7.6%.

Kereaktifan

Walaupun kurang reaktif daripada logam alkali yang lain, logam ini masih cukup aktif, jadi ia tidak boleh terkena atmosfera tanpa mengalami pengoksidaan. Bergantung pada keadaan (suhu dan tekanan), ia bertindak balas dengan semua unsur gas: hidrogen, klorin, oksigen, nitrogen; dan dengan pepejal seperti fosforus dan sulfur.

Tatanama

Tidak ada nama lain untuk logam litium. Mengenai sebatiannya, sebahagian besar daripadanya diberi nama mengikut tata nama sistematik, tradisional atau stok. Keadaan pengoksidaannya +1 hampir tidak berubah, jadi dalam nomenklatur saham (I) tidak ditulis pada akhir nama.

Contoh

Sebagai contoh, pertimbangkan sebatian Li ₂ O dan Li ₃ N.

Li ₂ O menerima nama-nama berikut:

- Lithium oxide, menurut nomenklatur stok

- Oksida litik, mengikut tatanama tradisional

- Dilithium monoksida, mengikut tatanama sistematik

Sementara Li ₃ N disebut:

- Lithium nitride, tatanama stok

- Nitrida litik, tatanama tradisional

- Trilithium mononitride, tatanama sistematik

Peranan biologi

Sejauh mana litium mungkin atau tidak penting bagi organisma tidak diketahui. Begitu juga, mekanisme yang dapat dimetabolisme tidak pasti dan masih dikaji.

Oleh itu, tidak diketahui kesan positif yang boleh dimiliki oleh diet "kaya" dengan litium; walaupun boleh dijumpai di semua tisu badan; terutamanya di buah pinggang.

Pengatur tahap seratonin

Kesan farmakologi garam litium tertentu pada tubuh diketahui, terutama pada otak atau sistem saraf. Sebagai contoh, ia mengatur tahap serotonin, molekul yang bertanggungjawab untuk aspek kebahagiaan kimia. Namun, tidak jarang berfikir bahawa ia mengubah atau mengubah mood pesakit yang memakannya.

Namun, mereka menyarankan agar tidak memakan litium bersama dengan ubat-ubatan yang memerangi kemurungan, kerana terdapat risiko peningkatan serotonin terlalu banyak.

Ia bukan sahaja membantu melawan kemurungan, tetapi juga gangguan bipolar dan skizofrenia, serta gangguan neurologi lain yang mungkin.

Kekurangan

Dengan spekulasi, individu yang mempunyai diet lithium yang lemah disyaki lebih cenderung kepada kemurungan atau bunuh diri atau pembunuhan. Walau bagaimanapun, secara rasmi kesan kekurangannya tidak diketahui.

Tempat mencari dan pengeluaran

Lithium tidak dapat dijumpai di kerak bumi, lebih kurang di laut atau atmosfer, dalam keadaan tulen, sebagai logam putih berkilat. Sebaliknya, ia telah mengalami transformasi selama berjuta-juta tahun yang menjadikannya ion Li ⁺ (terutamanya) dalam mineral dan kumpulan batuan tertentu.

Dianggarkan bahawa kepekatannya di kerak bumi berkisar antara 20 dan 70 ppm (bahagian per juta), yang setara dengan kira-kira 0.0004% daripadanya. Semasa di perairan laut, kepekatannya berada dalam urutan 0.14 dan 0.25 ppm; iaitu, litium lebih banyak terdapat pada batu dan mineral daripada air garam atau dasar laut.

Mineral

Spodumene quartz, salah satu sumber semula jadi litium. Sumber: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

Mineral di mana logam ini dijumpai adalah berikut:

- Spodumene, LiAl (SiO ₃ ) ₂

- Petalite, LiAlSi ₄ O ₁₀

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

Ketiga-tiga mineral ini mempunyai persamaan bahawa mereka adalah lithium aluminosilicates. Terdapat mineral lain di mana logam juga dapat diekstraksi, seperti ambligonite, elbaite, tripillite, eucriptite, atau tanah liat hectorite. Walau bagaimanapun, spodumene adalah mineral dari mana jumlah litium terbesar dihasilkan. Mineral-mineral ini membentuk beberapa batuan beku seperti granit atau pegmatit.

Perairan laut

Berkaitan dengan laut, ia diekstrak dari air garam sebagai litium klorida, hidroksida atau karbonat, LiCl, LiOH dan Li ₂ CO ₃ , masing-masing. Dengan cara yang sama dapat diperoleh dari tasik atau lagun, atau dalam air garam yang berlainan.

Secara keseluruhan, litium berada di kedudukan ke-25 dalam banyak unsur di Bumi, yang berkorelasi dengan baik dengan kepekatannya yang rendah di darat dan air, dan oleh itu dianggap sebagai unsur yang agak jarang berlaku.

Bintang

Lithium terdapat pada bintang muda dengan jumlah yang lebih besar daripada pada bintang yang lebih tua.

Untuk mendapatkan atau menghasilkan logam ini dalam keadaan tulen, terdapat dua pilihan (mengabaikan aspek ekonomi atau keuntungan): ekstrak melalui tindakan perlombongan atau kumpulkan di dalam air garam. Yang terakhir adalah sumber utama dalam penghasilan litium logam.

Pengeluaran litium logam dengan elektrolisis

Dari air garam, campuran LiCl cair diperoleh, yang kemudiannya dapat menjalani elektrolisis untuk memisahkan garam menjadi komponen unsurnya:

LiCl (l) → Li (s) + 1/2 Cl ₂ (g)

Sementara mineral dicerna dalam media berasid untuk mendapatkan ion Li ⁺ mereka setelah proses pemisahan dan pemurnian.

Chile diposisikan sebagai pengeluar litium terbesar di dunia, memperolehnya dari flat garam Atacama. Di benua yang sama, Argentina mengikuti, sebuah negara yang mengambil LiCl dari Salar del Hombre Muerto dan, akhirnya, Bolivia. Walau bagaimanapun, Australia adalah pengeluar litium terbesar melalui eksploitasi spodumena.

Reaksi

Reaksi litium yang paling terkenal adalah reaksi yang berlaku ketika bersentuhan dengan air:

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

LiOH adalah litium hidroksida dan, seperti yang dapat dilihat, ia menghasilkan gas hidrogen.

Bertindak balas dengan oksigen dan nitrogen gas untuk membentuk produk berikut:

4Li + O ₂ (g) → 2Li ₂ O (s)

2Li + O ₂ (g) → 2Li ₂ O ₂ (s)

Li ₂ O adalah litium oksida, yang cenderung terbentuk di atas Li ₂ O ₂ , peroksida.

6Li + N ₂ (g) → 2Li ₃ N (s)

Lithium adalah satu-satunya logam alkali yang mampu bertindak balas dengan nitrogen dan menyebabkan nitrida ini. Dalam semua sebatian ini, kewujudan kation Li ⁺ dapat diasumsikan, berpartisipasi dalam ikatan ion dengan watak kovalen (atau sebaliknya).

Ia juga boleh bertindak balas secara langsung dan kuat dengan halogen:

2Li + F ₂ (g) → LiF (s)

Juga bertindak balas dengan asid:

2Li (2) + 2HCl (ringkas) → 2LiCl (aq) + H ₂ (g)

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

Sebatian LiF, LiCl dan LiNO ₃ masing-masing adalah litium fluorida, klorida dan nitrat.

Mengenai sebatian organiknya, yang paling terkenal ialah butil litium:

2 Li + C ₄ H ₉ X → C ₄ H ₉ Li + LiX

Di mana X adalah atom halogen dan C ₄ H ₉ X adalah alkil halida.

Risiko

Logam tulen

Lithium bertindak balas dengan kuat dengan air dan dapat bertindak balas dengan kelembapan pada kulit. Itulah sebabnya jika seseorang menanganinya dengan tangan kosong, mereka akan mengalami luka bakar. Dan jika berbentuk butiran atau dalam bentuk serbuk, api akan terbakar pada suhu bilik, sehingga menimbulkan bahaya kebakaran.

Sarung tangan dan cermin mata keselamatan harus digunakan untuk menangani logam ini, kerana sentuhan minimum dengan mata dapat menyebabkan kerengsaan yang teruk.

Sekiranya dihirup, kesannya boleh menjadi lebih teruk lagi, membakar saluran udara dan menyebabkan edema paru kerana pembentukan dalaman LiOH, bahan kaustik.

Logam ini mesti disimpan tenggelam dalam minyak, atau di atmosfera kering dan lebih lengai daripada nitrogen; contohnya dalam argon, seperti yang ditunjukkan pada gambar pertama.

Sebatian

Sebatian yang berasal dari litium, terutamanya garamnya, seperti karbonat atau sitrat, jauh lebih selamat. Selagi orang yang mengambilnya menghormati petunjuk yang ditetapkan oleh doktor mereka.

Beberapa kesan yang tidak diingini dapat ditimbulkan pada pesakit adalah: cirit-birit, mual, keletihan, pening, pening, gegaran, kencing berlebihan, dahaga dan kenaikan berat badan.

Kesannya boleh menjadi lebih serius pada wanita hamil, mempengaruhi kesihatan janin, atau peningkatan kecacatan kelahiran. Begitu juga, pengambilannya tidak digalakkan pada ibu yang menyusu, kerana litium boleh berpindah dari susu ke bayi, dan dari situ terdapat pelbagai jenis anomali atau kesan negatif.

Permohonan

Kegunaan yang paling terkenal untuk logam ini pada tahap popular terletak di bidang perubatan. Namun, aplikasi ini dapat diterapkan di daerah lain, terutama dalam penyimpanan tenaga melalui penggunaan bateri.

Metalurgi

Garam litium, khususnya Li ₂ CO ₃ , berfungsi sebagai bahan tambahan dalam proses pengecoran untuk tujuan yang berbeza:

-Degass

-Mengelupaskan

-Menentukan butiran logam bukan ferus

-Meningkatkan kelancaran sanga dari acuan pemutus

-Mengurangkan suhu lebur pada coran aluminium berkat kepanasannya yang tinggi.

Organometallik

Sebatian alkil litium digunakan untuk alkilasi (tambah rantai sisi R) atau struktur molekul arylar (tambah kumpulan aromatik Ar). Mereka menonjol kerana kelarutannya dalam pelarut organik dan tidak terlalu reaktif dalam medium tindak balas; oleh itu, ia berfungsi sebagai reagen atau pemangkin untuk pelbagai sintesis organik.

Pelincir

Lithium stearate (produk tindak balas antara minyak dan LiOH) ditambahkan ke dalam minyak untuk menghasilkan campuran pelincir.

Pelincir litium ini tahan terhadap suhu tinggi, tidak mengeras ketika disejukkan, dan tidak lengai kepada oksigen dan air. Oleh itu, ia digunakan dalam aplikasi ketenteraan, aeroangkasa, perindustrian, automotif, dll.

Bahan tambahan seramik dan kaca

Cermin mata atau seramik yang dirawat dengan Li ₂ O memperoleh kelikatan yang lebih rendah ketika cair dan ketahanan yang lebih besar terhadap pengembangan haba. Sebagai contoh, peralatan dapur diperbuat daripada bahan-bahan ini dan kaca Pyrex juga mempunyai sebatian ini dalam komposisinya.

Aloi

Kerana ia adalah logam ringan, begitu juga dengan aloi; antaranya, aluminium-litium. Apabila ditambahkan sebagai bahan tambahan, ia tidak hanya memberi mereka lebih sedikit berat, tetapi juga ketahanan yang lebih besar terhadap suhu tinggi.

Penyejuk

Panasnya yang tinggi menjadikannya ideal untuk digunakan sebagai bahan pendingin dalam proses di mana banyak haba dibebaskan; contohnya, dalam reaktor nuklear. Ini kerana "kos" untuk menaikkan suhunya, dan oleh itu menghalang haba daripada mudah memancar ke luar.

Bateri

Dan penggunaan yang paling menjanjikan adalah di pasaran untuk bateri lithium-ion. Ini memanfaatkan kemudahan di mana lithium dioksidakan menjadi Li ⁺ untuk menggunakan elektron yang dilepaskan dan mengaktifkan litar luaran. Oleh itu, elektrod diperbuat daripada logam litium, atau aloi daripadanya, di mana Li ⁺ dapat berpasangan dan bergerak melalui bahan elektrolitik.

Sebagai rasa ingin tahu terakhir, kumpulan muzik Evanescense, mendedikasikan sebuah lagu dengan tajuk "Lithium" untuk mineral ini.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
2. Makmal Nasional Lawrence Livermore. (23 Jun 2017). Mengintai struktur kristal litium. Dipulihkan dari: phys.org
3. F. Degtyareva. (sf). Struktur kompleks litium padat: asal elektronik. Institut Fizik Negeri Akademi Sains Rusia, Chernogolovka, Rusia.
4. Advameg, Inc. (2019). Litium. Dipulihkan dari: chemistryexplained.com
5. Pusat Maklumat Nasional Bioteknologi. (2019). Litium. Pangkalan Data PubChem. CID = 3028194. Dipulihkan dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
6. Eric Eason. (30 November 2010). Bekalan Lithium Dunia. Dipulihkan dari: large.stanford.edu
7. Wietelmann, U., & Klett, J. (2018). 200 Tahun Lithium dan 100 Tahun Kimia Organolithium. Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie, 644 (4), 194–204. doi: 10.1002 / zaac.201700394