Lítium (Li): vlastnosti, izotopy a použitie v batériách

Lítium (Li) — prehľad vlastností, izotopov a využitia v lítiových batériách a medicíne. Zistite chemické charakteristiky, reaktivitu a praktické aplikácie.

Lítium (z gréckeho lithos "kameň") je mäkký, striebornobiely kov so symbolom Li. Je to tretí chemický prvok v periodickej tabuľke prvkov. To znamená, že má vo svojom jadre 3 protóny a okolo neho 3 elektróny. Jeho atómové číslo je 3. Jeho hmotnostné číslo je 6,94. Má dva bežné izotopy: ⁶Li a ⁷Li. ⁷Li je bežnejší — tvorí približne 92,5 % prírodného lítia. Lítium je veľmi reaktívny alkalický kov, ktorý sa používa v lítiových batériách, v niektorých štandardných a špeciálnych zliatinách a aj v liekoch (napr. pri liečbe bipolárnej poruchy).

Fyzikálne vlastnosti

• Hustota: približne 0,534 g·cm−3 pri 20 °C (ľahší než voda).
• Bod topenia: približne 180,5 °C.
• Bod varu: približne 1342 °C.
• Elektrónová konfigurácia: 1s2 2s1 — jeden valenčný elektrón, čo vysvetľuje jeho silnú reaktivitu (typické pre alkalické kovy).
• Fyzikálny vzhľad: mäkký, striebornobiely kov, ľahko sa dá narezať nožom; pri styku so vzduchom sa rýchlo pokryje oxidickou vrstvou.
• Plameňová farba: červená až karminovočervená pri skúške v plameni (lítne ióny dávajú charakteristickú farbu).

Chemické vlastnosti

Lítium patrí do skupiny alkalických kovov (skupina 1). Reaguje s vodou za vzniku hydroxidu lítneho a uvoľnenia vodíka:

2 Li + 2 H₂O → 2 LiOH + H₂

Preto sa skladá pod minerálnym olejom alebo v hermetických obaloch, aby sa zabránilo kontaktu s vlhkosťou a vzduchom. Tvorí oxidy, hydroxidy, halogenidy a ďalšie zlúčeniny (napr. Li₂O, LiOH, LiCl). V zlúčeninách sa obvykle vyskytuje ako Li+ kation.

Izotopy

• ⁶Li — prirodzené zastúpenie približne 7,5 %. Má významné využitie v jadrovej technike (napr. pri výrobe trícia cez reakciu ⁶Li(n,α)³H) a v niektorých špeciálnych aplikáciách.
• ⁷Li — tvorí väčšinu prírodného lítia (~92,5 %). Má nižšiu schopnosť absorbovať neutróny než ⁶Li, preto sa pre jadrové a vysokoteplotné aplikácie často preferuje upravené (obohatené alebo depleované) lítne zloženie podľa potreby.

Výskyt a ťažba

Lítium sa v prírode vyskytuje v malých koncentráciách v mineráloch (spodumén, lepidolit, petalit) a v soľankách (soľné jazerá, tzv. briny). Hlavné zdroje lítia sú ťažba z pegmatitových ložísk a extrakcia z brín. Najväčšie ložiská a produkcia sa sústreďujú v krajinách ako Austrália, Chile, Argentína, a Bolívia (tzv. Lítiový trojuholník), ale dôležitá je aj ťažba a spracovanie v Číne a inde. Ťažba z brín má významný vodný a environmentálny dopad — veľké množstvo vody sa využíva pri odparovaní solí, čo môže ovplyvniť miestne ekosystémy a komunity.

Použitie

• Batérie: Najvýznamnejšie dnešné využitie — lítiové batérie (Li-ion, Li‑polymer, a lítiové kovové batérie) poskytujú vysokú energetickú hustotu pri nízkej hmotnosti. Používajú sa v mobilných telefónoch, notebookoch, elektromobiloch, skladovacích systémoch pre obnoviteľné zdroje a v množstve prenosných zariadení.
• Priemyselné zlúčeniny: LiOH a Li₂CO₃ sa používajú pri výrobe skla a keramiky s vysokou odolnosťou voči teplu, v mazivách (litné mydlá), a v niektorých špeciálnych syntézach.
• Zliatiny: pridáva sa do hliníka (Al‑Li zliatiny) pre letecký priemysel kvôli vyššej pevnosti pri nižšej hmotnosti.
• Jadrový priemysel: použitie ⁶Li pri výrobe trícia a iných jadrových aplikácií; ⁷Li sa často využíva v chladivách a kontrole neutronového toku v reaktoroch (po úprave čistoty podľa potreby).
• Medicína: lítne soli (napr. lítia karbonát) sa používajú ako stabilizátory nálady pri liečbe bipolárnej poruchy; dávkovanie musí byť starostlivo monitorované kvôli úzkemu terapeutickému indexu a možným vedľajším účinkom.

Lítium v batériách — bližšie

Lítium a jeho zlúčeniny sú kľúčové pre moderné dobíjateľné batérie. Najrozšírenejší typ je lithium‑iónová batéria (Li‑ion), v ktorej sa lítium pohybuje počas nabíjania a vybíjania medzi kladným pólom (katódou) a záporným pólom (anódou) prostredníctvom elektrolytu. Medzi bežné katódové materiály patria LiCoO₂, NMC (nikl‑mangán‑kobalt), NCA (nikl‑kobalt‑hliník) a LFP (železo‑fosfát). Anódy sú často z grafitu, kde sa lítium interkalizuje (vkladá) do medzivrstiev grafitovej štruktúry. Existujú aj batérie s metalickým lítiom na anóde (vyššia energetická hustota), avšak tie čelia problémom s tvorbou dendritov a bezpečnosťou.

Výhody lítiových batérií: vysoká energetická hustota, nízka sebazapručnosť, dobrá životnosť pri správnom manažovaní. Nevýhody: riziko prehrievania a vzniku termálneho úniku (thermal runaway), degradácia so starnutím a po určitom počte nabíjacích cyklov, citlivosť na extrémne teploty.

Bezpečnosť, recyklácia a environmentálne aspekty

• Bezpečnosť: lítiové batérie môžu pri poškodení alebo chybe v správe dôjsť k skratom a termálnemu úniku. Moderné systémy BMS (Battery Management Systems) a konštrukčné opatrenia (separator, elektrolytické zložky) znižujú riziko.
• Recyklácia: rastúca potreba opätovného získavania lítia (a ďalších cenných prvkov ako Ni, Co) z použitých batérií. Používajú sa pyrometallurgické, hydrometallurgické a priame metódy obnovy. Recyklácia znižuje environmentálny dopad a závislosť na primárnej ťažbe.
• Environmentálne a sociálne otázky: ťažba z brín môže vyžadovať veľké množstvá vody a ovplyvniť miestne komunity; je potrebné sledovať udržateľnosť ťažby a sociálne dopady v regiónoch s intenzívnou produkciou lítia.

Lítium v medicíne

Lítne soli, predovšetkým lítia karbonát, sú používané ako stabilizátory nálady pri liečbe bipolárnej poruchy a pri niektorých ďalších psychiatrických indikáciách. Majú preukázaný účinok pri prevencii epizód mánie a znižovaní rizika samovrážd u niektorých pacientov. Terapia lítom si však vyžaduje pravidelné monitorovanie hladín v krvi (úzky terapeutický index), funkcie obličiek a štítnej žľazy, pretože predávkovanie alebo dlhodobé užívanie môže viesť k nežiaducim účinkom.

Zhrnutie

Lítium je ľahký, vysoko reaktívny kov s unikátnymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami, ktoré ho robia nenahraditeľným v moderných technológiách—najmä v oblasti batérií a energetického uloženia. Súčasne prináša výzvy týkajúce sa udržateľnej ťažby, bezpečnosti batérií a recyklácie, ktoré si vyžadujú technologické a regulačné riešenia v globálnom meradle.

Vlastnosti

Fyzikálne vlastnosti

Lítium patrí medzi alkalické kovy. Lítium je strieborný pevný kov (keď je čerstvo rozrezaný). Je veľmi mäkký. Preto sa dá ľahko krájať nožom. Topí sa pri nízkej teplote. Je veľmi ľahký, podobný drevu. Je to najmenej hustý kov a najmenej hustý prvok v pevnom alebo kvapalnom stave. Dokáže udržať viac tepla ako ktorýkoľvek iný pevný prvok. Ľahko vedie teplo a elektrinu.

Chemické vlastnosti

Reaguje s vodou, pričom sa uvoľňuje vodík a vzniká zásaditý roztok (hydroxid lítny). Z tohto dôvodu sa lítium musí skladovať vo vazelíne. Sodík a draslík sa môžu skladovať v oleji, ale lítium nie, pretože je veľmi ľahké. Bude len plávať na oleji a nebude ním chránené.

Lítium reaguje aj s halogénmi. Môže reagovať s plynným dusíkom na nitrid lítia. So vzduchom reaguje na čierny decht a potom na biely prášok hydroxidu lítneho a uhličitanu lítneho.

Chemické zlúčeniny

Pozri tiež: Kategória:Zlúčeniny lítia

Lítium tvorí chemické zlúčeniny len s jedným oxidačným stavom: +1. Väčšina z nich je biela a nereaktívna. Pri zahrievaní v plameni vytvárajú jasne červenú farbu. Sú málo jedovaté. Väčšina z nich sa rozpúšťa vo vode. Uhličitan lítny je vo vode menej rozpustný ako iné uhličitany alkalických kovov, napríklad uhličitan sodný.

• Uhličitan lítny, používaný v medicíne
• Chlorid lítny, bezfarebná kryštalická tuhá látka, pri zahrievaní červený plameň
• Hydroxid lítny, silná zásada, používaná na odstraňovanie oxidu uhličitého v kozmických lodiach
• Dusičnan lítny, oxidačné činidlo
• Nitrid lítia, silná báza
• Oxid lítny, rozpúšťa sa vo vode na hydroxid lítny
• Peroxid lítny, reaguje s vodou na kyslík

·        

Dusičnan lítny

·        

Hydroxid lítny

·        

Uhličitan lítny

·        

Chlorid lítny

Plamenná skúška lítia

Otázky a odpovede

Otázka: Aký je symbol pre lítium?

Otázka: Aké je atómové číslo lítia?

Otázka: Koľko protónov je v jadre atómu lítia?

Otázka: Aké sú dva bežné izotopy lítia?

Otázka: Ktorý izotop je bežnejší?

Otázka: Aké vlastnosti má lítium?

Hľadajte podľa písmena