У розквіті сил. - Екскурс в минуле сторіччя. - Цілющі води Карлсбада. - Що легше? - Вазелиновые ванни. - Льотчики надягають жилети. - Засіб проти подагри. - Нужда змусила. - В воді не тоне. - Ні мороз не страшний, ні спека. - В глиб Антарктиди. - Вічна змазка. - Смачні чи скла? - Блакитне полум'я. - Перша скрипка. - Результати бомбардування. - Літій "ковтає" нейтрони. - Двадцять Дніпрогесів. - Добрий старий гас. - Літій проти ... літію. - Ядерний "клей". - Кристал з Південної Дакоти. - "Сезам! Отворись!". - Підозріле спекотне.
У 1967 році літій, стоїть у Періодичній системі Менделєєва Д. І. першим серед металів, відзначав 150-річчя з дня відкриття. Свій ювілей елемент зустрів у розквіті сил: діяльність його в сучасній техніці цікава і багатогранна. Тим не менш, фахівці вважають, що літій аж ніяк не розкрив ще повністю свої можливості, і пророкують йому велике майбутнє. Але давайте зробимо екскурс у минуле століття - заглянемо в тиху лабораторію шведського хіміка Йоганна Серпня Арфведсона. Отже: Швеція, 1817 рік.
...Ось уже який день вчений аналізує мінерал петалит, знайдений на руднику Уто поблизу Стокгольма. Знову і знову він перевіряє результати аналізу, але кожен раз сума всіх компонентів виявляється дорівнює 96%. Де ж губляться 4%? А що, якщо...? Так, сумнівів немає: в мінералі міститься якийсь невідомий досі елемент. Арфведсон проводить досвід за досвідом, і ось, нарешті, мета досягнута: відкрито новий лужний метал. А оскільки, на відміну від своїх близьких "родичів" - калію і натрію, вперше виявлених в органічних продуктах, новачок був знайдений в мінералі, вчений вирішує назвати його літієм ("литеос" по-грецьки - камінь).
Незабаром Арфведсон знаходить елемент і в інших мінералах, а відомий шведський хімік Берцеліус знаходить в мінеральних водах Карлсбада і Мариенбада. До речі, і в наші дні широкою популярністю користуються джерела курорту Віші у Франції, які завдяки присутності солей літію володіють високими бальнеологічними властивостями.
В 1818 році англієць Деві зумів вперше виділити частки чистого літію електролізом його гідроксиду, а в 1855 році німецькому хіміку Бунзену і незалежно від нього англійському фізику Матиссену електролізом розплавленого хлориду вдалося отримати чистий літій. Він виявився м'яким сріблясто-білим металом, майже вдвічі легше води. В цьому відношенні літій не знає конкурентів серед металів: алюміній важче його в 5 разів, залізо - в 15, свинець - у 20, а осмій - в 40 разів!
Навіть при кімнатній температурі літій енергійно реагує з азотом і киснем повітря. Спробуйте залишити шматочок літію в скляному посуді з притертою пробкою. Метал поглине весь наявний там повітря, в посудині виникне вакуум, і атмосферний тиск так міцно "припечатает" пробку, що вам навряд чи вдасться її витягти. Тому зберігати літій дуже непросто. Якщо натрій, наприклад, можна легко заховати в гас або бензин, то для літію такий спосіб неприйнятний - він тут же спливає і спалахує. Щоб зберегти літієві прутки, їх зазвичай вдавлюють у ванну з вазеліном або парафіном, які обволікають метал і не дозволяють йому проявляти свої реакційні нахили.
Ще більш активно літій з'єднується з воднем. Невелика кількість металу може зв'язати колосальні обсяги цього газу: в 1 кілограмі гідриду літію міститься 2800 літрів водню! У роки другої світової війни таблетки гідриду літію служили американським льотчикам портативними джерелами водню, якими вони користувалися при аваріях над морем: під дією води таблетки моментально розкладалися, наповнюючи воднем рятувальні засоби - надувні човни, жилети, сигнальні кулі-антени.
Надзвичайно висока здатність сполук літію поглинати вологу зумовила їх широке застосування для очищення повітря на підводних човнах, у авіаційних респіраторах, в системах кондиціонування повітря.
Перші спроби промислового використання літію відносяться до початку нашого століття. До цього протягом майже ста років його використовували головним чином у медицині як засіб проти подагри.
Під час першої світової війни Німеччина мала крайню нужду в олові, вельми необхідному промисловості. Оскільки своїм олов'яним сировиною країна не мала, ученим довелося терміново шукати заміну цього металу. З допомогою літію проблему вдалося успішно вирішити: сплав свинцю з літієм ("бан-метал") виявився відмінним антифрикційним матеріалом. З цього моменту техніка не розлучається з літієвими сплавами. Відомі сплави літію з алюмінієм, берилієм, міддю, цинком, сріблом та іншими елементами. Особливо широкі перспективи відкриваються перед сплавами літію з іншим металом-легкоатлетом - магнієм, що володіє до того ж хорошими конструкційними властивостями: адже такий сплав, якщо в ньому переважає літій, легше води. Але біда в тому, що сплави такого складу нестійкі - легко окислюються на повітрі. Металурги давно прагнули створити композицію і технологію, які забезпечили б литиймагниевым сплавів довговічність. Цю задачу змогли вирішити вчені Інституту металургії імені А.А. Байкова Академії наук СРСР: у вакуумній тигельної електропечі в атмосфері інертного газу аргону був отриманий сплав літію з магнієм, не тускнеющій на повітрі і не тоне у воді.
Багато цінні властивості літію - висока реакційна здатність, низька температура плавлення (всього 180,5°С), мала щільність його хімічних сполук - роблять цей елемент бажаним учасником технологічних процесів чорної і кольорової металургії. Він відмінно справляється, наприклад, з роллю дегазатора і розкислювача - видаляє з розплавлених металів розчинені в них гази, такі, як азот, кисень. Завдяки літію структура деяких сплавів стає дрібнозернистою і тим самим поліпшуються їх механічні властивості. У виробництві алюмінію він успішно виступає в ролі прискорювача процесу. Добавка його сполук в електроліт збільшує продуктивність алюмінієвого електролізера; при цьому знижується необхідна температура ванни, помітно скорочується витрата електроенергії.
Перш електроліт лужних акумуляторів складався тільки з розчинів їдкого натру. При введенні в нього декількох грамів гідроксиду літію термін служби акумулятора зростає втричі. Крім того, значно розширяється температурний діапазон його дії: він не розряджається навіть при підвищенні температури до 40°С і не замерзає при двадцатиградусных морозах. Безлитиевому електроліту ці випробування не під силу. Унікальний мініатюрний акумулятор для електронних наручних годинників створений в Японії: товщина цього акумулятора, в якому анодом служить найтонша плівка літію (катод виконаний з дисульфіду титану) усього 34 мікрона, тобто він тонше людської волосини. Крихітна електричне пристрій витримує 2000 зарядних циклів, а кожен заряд дозволяє щогодини працювати 200-300 годин. Чималі надії покладають на літій і конструктори автомобільних фірм: у США, наприклад, створена літієва електрична батарея, призначена для електромобіля, який зможе розвивати швидкість до 100 кілометрів у годину і проходити без підзарядки не одну сотню кілометрів.
Деякі органічні сполуки літію (стеарат, пальмиат та ін) зберігають свої фізичні властивості в широкому інтервалі температур. Це дозволяє використовувати їх як основу для мастильних матеріалів, застосовуваних у військовій техніці. Мастило, до складу якої входить літій, допомагає всюдиходам, які працюють у Антарктиді, здійснювати рейди вглиб континенту, де морози часом досягають -80°С. Літієва змазка - надійний помічник автомобілістів. У цьому вже переконалися власники "Жигулів", не випадково називають її "вічного": достатньо один раз до початку експлуатації змастити нею деякі тертьові деталі машини, і довгі роки вони не будуть мати потребу в цій операції.
Хто з нас не чув про чудеса, що творяться індійськими йогами. На очах здивованої публіки вони розгризають скляний стакан на дрібні шматочки, як звичайний сухар, і проковтують з виразом такого задоволення, ніби в житті не куштував нічого смачнішого. А вам не доводилося вживати скло в їжу? "Що за безглузде запитання? Зрозуміло, немає!" - так, мабуть, подумає кожен, кому доведеться читати ці рядки, - і помилиться. Виявляється, що звичайне скло розчиняється у воді. Звичайно, не в такій мірі, як, припустимо, цукор, але все ж розчиняється. Точні аналітичні ваги показують, що разом зі склянкою гарячого чаю ми випиваємо близько однієї десятитисячної грама скла. Але якщо при варінні скла до нього додати щіпку солей лантану, цирконію та літію, його розчинність у воді зменшується у сотні разів. Воно знаходить стійкість навіть по відношенню до сірчаної кислоти.
Діяльність літію у скляному виробництві не вичерпується зниженням розчинності скла. Літієві скла характеризуються цінними оптичними властивостями, гарною термостійкістю, високим питомим опором, малими діелектричними втратами. Літій, зокрема, входить до складу скла, з яких виготовляють телевізійні кінескопи. Якщо звичайне віконне скло обробити в розплаві солей літію, на ньому утворюється щільний захисний шар: скло стає вдвічі міцніше і стійкіше до підвищених температур. Невеликі добавки цього елемента значно знижують температуру варіння скла.
Здавна символом прозорості служила крапля роси. Але навіть прозорі, як роса, скла вже не задовольняють сучасну техніку: їй потрібні оптичні матеріали, які пропускали б не тільки видимі оком промені світла, але і невидимі, наприклад ультрафіолетові. За допомогою звичайних телескопів астрофізики не можуть вловити випромінювання дуже далеких галактик. З усіх відомих оптиці матеріалів самою високою прозорістю для ультрафіолетових променів має фторид літію. Лінзи з монокристалів цієї речовини дозволяють дослідникам значно глибше проникати в таємниці Всесвіту.
Важливу роль відіграє літій у виробництві спеціальних глазурей, емалей, фарб, високоякісного фарфору і фаянсу. У текстильній промисловості одні сполуки цього елемента служать для відбілювання та протруювання тканин, інші - для їх фарбування.
Піротехнікам добре знайомі солі літію: вони фарбують в яскравий синьо-зелений колір слід трасуючих куль і снарядів.
На піротехнічних здібностях літію заснований наступний фокус. Спробуйте підпалити шматочок цукру сірником - у вас нічого не вийде: цукор почне плавитися, але не загориться. Якщо ж перед цим цукор натерти тютюновим попелом, то він легко спалахне красивим блакитним полум'ям. Пояснюється це тим, що в тютюні, як і в багатьох інших рослинах, у відносно великих кількостях міститься літій. При згорянні тютюнових листків частина його сполук залишається в попелі. Вони-то і дозволяють провести цей нескладний хімічний фокус.
Але все, про що ми поки розповіли, - це лише другорядні, побічні заняття літію. Є у нього справи і серйозніші. Мова йде про ядерній енергетиці, де літій, можливо, незабаром почне грати роль однією з перших скрипок. Вчені встановили, що ядра ізотопу літію-6 можуть бути легко зруйновані нейтронами. Поглинаючи нейтрон, ядро літію стає нестійким і розпадається, в результаті чого утворюються два нових атома: легкого інертного газу гелію і рідкісного надважкого водню - тритію. При дуже високих температурах атоми тритію та іншого ізотопу водню - дейтерію об'єднуються. Цей процес супроводжується виділенням колосальної кількості енергії, званої зазвичай термоядерної.
Особливо енергійно термоядерні реакції протікають при бомбардуванні нейтронами з'єднання ізотопу літію-6 з дейтерієм - дейтериду літію. Ця речовина служить ядерним пальним в літієвих реакторах, які володіють рядом переваг у порівнянні з урановими: літій значно доступніше і дешевше урану, при реакції не утворюється радіоактивних продуктів поділу, процес легше регулюється.
Відносно висока здатність літію-6 захоплювати повільні нейтрони лягла в основу використання його в якості регулятора інтенсивності реакцій, що протікають і в уранових реакторах. Завдяки цій властивості ізотоп знайшов також застосування в захисних екранах проти радіації, в атомних батареях з великим терміном служби. Не виключено, що незабаром літій-6 стане працювати поглиначем повільних нейтронів на атомних літальних апаратах.
Подібно деяким іншим лужним металам, літій застосовують як теплоносій в ядерних установках. Тут можна використовувати його менш дефіцитний ізотоп - літій-7 (в природному літії на його частку припадає близько 93%). Цей ізотоп, на відміну від свого більш легкого "брата", не може служити сировиною для виробництва тритію і тому не представляє інтересу для термоядерної техніки. Але з роллю теплоносія він справляється цілком успішно. У цьому йому допомагають висока теплоємність і теплопровідність, великий температурний інтервал рідкого стану, незначна в'язкість, мала щільність.
Останнім часом серйозні права на літій починає пред'являти ракетна техніка. Багато енергії необхідно затратити, щоб подолати сили земного тяжіння і вирватися в космічні простори. Ракета, яка вивела на орбіту корабель-супутник з першим у світі космонавтом Юрієм Гагаріним, мала шість двигунів загальною потужністю 20 мільйонів кінських сил! Це потужність двадцяти таких гідроелектростанцій, як Дніпрогес.
Природно, що вибір ракетного палива являє собою проблему виняткової важливості. Поки найбільш ефективним пальним вважається гас (так-так, добрий старий гас!), окисляемый рідким киснем. При згорянні цього палива виділяється в півтора з зайвим разів більше енергії, ніж при вибуху такої ж кількості нітрогліцерину - сильної вибухової речовини.
Відмінні перспективи може мати застосування металевого пального. Теорію і методику використання металів в якості палива для ракетних двигунів вперше розробили понад півстоліття тому чудові радянські вчені Ф.О. Цандер та Ю.В. Кондратюк. Одним з найбільш підходящих для цієї мети металів є літій (більшою теплотворністю може похвалитися лише берилій). У США опубліковані патенти на тверде ракетне паливо, що містить 51-68% металевого літію.
Цікаво, що в процесі роботи ракетних двигунів літій виступає проти... літію. Будучи компонентом пального, він дозволяє розвивати колосальні температури, а володіють високою термостійкістю і жароупорностью літієві керамічні матеріали (наприклад, ступалит), що використовуються як покриття сопел і камер згоряння, оберігають їх від руйнівної дії літію-пального.
У наші дні техніка має в своєму розпорядженні великою кількістю різноманітних синтетичних матеріалів - полімерів, з успіхом замінюють сталь, латунь, скло. Але у технологів часом виникають великі труднощі, коли при виготовленні деяких виробів їм необхідно з'єднати полімери між собою або з іншими матеріалами. Так, фторвмісний полімер тефлон - ідеальне антикорозійне покриття - довгий час не знаходив практичного застосування із-за того, що погано склеювався з металом. Радянськими вченими розроблена оригінальна технологія ядерної зварювання полімерів з різними матеріалами. На зварювані поверхні наносять невеликі кількості сполук літію або бору, які і служать своєрідним "ядерним клеєм". При опроміненні цих шарів нейтронами виникають ядерні реакції, що супроводжуються значним виділенням енергії, завдяки чому на дуже короткий час (менше десятимиллиардной частки секунди) в матеріалах з'являються мікроділянки з температурою в сотні і навіть тисячі градусів. Але й за ці миті молекули прикордонних шарів встигають перемішатися, а іноді і утворити між собою нові хімічні зв'язки - відбувається ядерна зварювання.
Як правило, елементи, розташовані в лівому верхньому куті таблиці Д.І. Менделєєва, широко поширені в природі. Але, на відміну від більшості своїх сусідів - натрію, калію, магнію, кальцію, алюмінію, якими багата наша планета, літій - порівняно рідкісний. У природі зустрічається близько тридцяти мінералів, що містять цей цінний елемент. Основне природне поєднання літію - сподумен. Кристали цього мінералу, за формою нагадують залізничні шпали або стовбури дерев, часом досягають гігантських розмірів: у Південній Дакоті (США) знайдено кристал довжиною понад 15 метрів; маса його вимірювалася десятками тонн. В американських родовищах виявлені дуже красиві смарагдово-зелені і рожево-фіолетові різновиди сподумена - напівкоштовні мінерали гидденит і кунцит.
Велике значення як сировина для виробництва літію можуть мати гранітні пегматити. Підраховано, що в одному кубічному кілометрі граніту укладено понад сто тисяч тонн літію - це у багато разів більше, ніж видобувається щорічно у всіх країнах світу. Пліч-о-пліч з літієм гранітних коморах зберігаються ніобій, тантал, цирконій, торій, уран, неодим, цезій, церій, празеодім і багато інші рідкісні елементи. Але як змусити граніт поділитися з людиною своїми багатствами? Вчені зайняті пошуками, і, безумовно, їм вдасться створити такі методи, які, подібно казковим словами "Сезам! Отворись!", дозволять людям розкрити гранітні комори.
Закінчуючи розповідь про літії, розповімо про одну кумедну історію, в якій цей елемент зіграв дуже важливу роль. У 1891 році випускник Гарвардського університету Роберт Вуд (згодом знаменитий американський фізик) приїхав в Балтімор, щоб позайматися хімією в місцевому університеті. Поселившись в студентському пансіоні, Вуд незабаром почув, що господиня нібито частенько готує ранкове печеня з... залишків вчорашнього обіду, зібраних з тарілок. Але як це довести?
Великий любитель знаходити для будь-якої задачі оригінальне і разом з тим просте рішення, Вуд не зрадив собі і на цей раз. Одного разу, коли на обід був поданий біфштекс, він залишив на тарілці кілька великих шматків м'яса, посипавши їх хлоридом літію - абсолютно нешкідливою речовиною, схожою за виглядом і смаком на звичайну кухонну сіль. На наступний день шматочки смаженого м'яса, поданого студентам на сніданок, були віддані спалення" перед щілиною спектроскопа. Червона лінія спектру, притаманна літію, поставила крапку над i: надмірно економна господиня пансіону була викрита. А сам Вуд багато років із задоволенням згадував про своє слідчому експерименті.
