Lítio: história, estrutura, propriedades, riscos e usos

O lítio é um elemento de metal, cujo símbolo químico é Li e número atómico 3. É o terceiro elemento da tabela periódica e leva o grupo 1 metais alcalinos. De todos os metais, possui a menor densidade e o maior calor específico. É tão leve que pode flutuar na água.

Seu nome deriva da palavra grega “lithos”, que significa pedra. Eles deram esse nome porque foi descoberto precisamente como parte de alguns minerais em rochas ígneas. Além disso, mostrou propriedades características semelhantes às dos metais sódio e cálcio, encontradas nas cinzas vegetais.

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Peças metálicas de lítio revestidas com uma camada de nitreto armazenada em argônio. Fonte: Imagens em Alta Resolução de Elementos Químicos [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Possui um único elétron de valência, perdendo-o para se tornar o cátion Li + na maioria de suas reações; ou compartilhando-o em uma ligação covalente com carbono, Li-C em compostos organolítio (como alquilitos).

Sua aparência, como muitos outros metais, é a de um sólido prateado que pode ficar acinzentado se exposto à umidade. Pode exibir camadas enegrecidas (imagem superior), reagindo com o nitrogênio no ar para formar um nitreto.

Quimicamente, é idêntico aos seus congêneres (Na, K, Rb, Cs, Fr), mas menos reativo, pois seu único elétron experimenta uma força de atração muito maior por estar mais próximo a ele, bem como pelo fraco efeito de proteção de seus dois elétrons internos Por sua vez, reage como o magnésio, devido ao efeito diagonal.

Os sais de lítio podem ser identificados em laboratório se forem aquecidos em um isqueiro; o aparecimento de uma intensa chama carmesim atestará sua presença. De fato, é freqüentemente usado em laboratórios de ensino para marchas analíticas.

Suas aplicações variam desde o uso como aditivo em cerâmica, vidro, ligas ou misturas de fundição, como meio de resfriamento e design de baterias pequenas e altamente eficientes; embora explosivo, dada a natureza reativa do lítio. É o metal com maior tendência à oxidação e, portanto, o que produz seu elétron mais facilmente.

História

Descoberta

A primeira aparição do lítio no universo remonta há alguns minutos após o Big Bang, quando os núcleos de hidrogênio e hélio se fundiram. No entanto, terrestre levou tempo para a humanidade identificá-lo como um elemento químico.

Foi em 1800, quando o cientista brasileiro José Bonifácio de Andrada e Silva descobriu os minerais spodume e petalita na ilha sueca de Utö. Com isso, ele encontrou as primeiras fontes oficiais de lítio, mas nada se sabia sobre ele.

Em 1817, o químico sueco Johan August Arfwedson conseguiu isolar desses dois minerais um sal sulfato que continha outro elemento que não o cálcio ou o sódio. Até então agosto Johan trabalhava nos laboratórios do famoso químico sueco Jöns Jacob Berzelius.

Foi Berzelius quem chamou esse novo elemento, o produto de suas observações e experimentos, “lithos”, que significa pedra em grego. Assim, o lítio poderia finalmente ser reconhecido como um novo elemento, mas ainda precisava ser isolado.

Isolamento

Apenas um ano depois, em 1821, William Thomas Brande e Sir Humphry Davy conseguiram isolar o lítio como metal aplicando eletrólise ao óxido de lítio. Embora em quantidades muito pequenas, eles foram suficientes para observar sua reatividade.

Em 1854, Robert Wilhelm Bunsen e Augustus Matthiessen foram capazes de produzir lítio metálico em maiores quantidades a partir da eletrólise do cloreto de lítio. A partir daqui, sua produção e comércio começaram e a demanda aumentaria à medida que novas aplicações tecnológicas fossem encontradas como resultado de suas propriedades únicas.

Estrutura e configuração eletrônicas

A estrutura cristalina do metal de lítio é centrada no corpo cúbico ( corpo centrado cúbico , cco). De todas as estruturas cúbicas compactas, essa é a menos densa e é consistente com sua característica de metal mais leve e menos denso de todas.

Nele, os átomos de Li são cercados por oito vizinhos; isto é, o Li está no centro do cubo, com quatro Li para cima e para baixo nos cantos. Essa fase bcc também é chamada α-Li (embora aparentemente essa denominação não seja muito difundida).

Fases

Como a grande maioria dos metais ou compostos sólidos, eles podem sofrer transições de fase quando experimentam mudanças de temperatura ou pressão; desde que não sejam fundados. Assim, o lítio cristaliza com uma estrutura romboédrica a temperaturas muito baixas (4,2 K). Os átomos de Li estão quase congelados e vibram menos em suas posições.

Quando a pressão é aumentada, ela adquire estruturas hexagonais mais compactas; e, aumentando ainda mais, o lítio sofre outras transições que não foram totalmente caracterizadas por difração de raios-X.

Portanto, as propriedades desse “lítio comprimido” ainda estão sendo estudadas. Da mesma forma, ainda não se sabe como seus três elétrons, um dos quais é de Valência, intervêm em seu comportamento como semicondutor ou metal nessas condições de alta pressão.

Três elétrons em vez de um

Parece curioso que o lítio neste momento continue sendo um “livro sem graça” para aqueles que se dedicam à análise cristalográfica.

Isso ocorre porque, embora a configuração eletrônica seja 2s 1 , com tão poucos elétrons, ela mal consegue interagir com as radiações aplicadas para elucidar seus cristais de metal.

Além disso, teoriza-se que os orbitais 1s e 2s se sobrepõem a altas pressões. Ou seja, os elétrons internos (1s 2 ) e os da valência (2s 1 ) governam as propriedades eletrônicas e ópticas do lítio nessas fases super compactas.

Número de oxidação

Dito isto, a configuração eletrônica do lítio é 2s 1 , você pode perder um único elétron; os outros dois, do orbital 1s 2 interno , precisariam de muita energia para removê-los.

Portanto, o lítio participa de quase todos os seus compostos (inorgânicos ou orgânicos) com um número de oxidação +1. Isso significa que, em seus links, Li-E, onde E se torna qualquer elemento, é assumida a existência do cátion Li + (seja iônico ou covalente, na verdade, o referido link).

O número de oxidação -1 é improvável para o lítio, pois teria que se ligar a um elemento eletronegativo muito menos do que ele; fato de que por si só é difícil ser esse metal muito eletropositivo.

Esse número de oxidação negativa representaria uma configuração eletrônica 2s 2 (para ganhar um elétron) e também seria isoeletrônico ao berílio. Agora, a existência do Li ânion seria assumida e seus sais derivados seriam chamados de lituras.

Devido ao seu grande potencial de oxidação, seus compostos contêm principalmente o cátion Li + , que, por ser tão pequeno, pode exercer um efeito polarizador nos ânions volumosos para formar ligações covalentes Li-E.

Propriedades

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A chama carmesim dos compostos de lítio. Fonte: Antti T. Nissinen (https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964)

Aparência física

Metal branco prateado com uma textura macia, cuja superfície fica acinzentada quando oxidada ou escurece quando reage diretamente com o nitrogênio no ar para formar o nitreto correspondente. É tão leve que flutua na água ou no óleo.

É tão macio que pode até ser fatiado com uma faca ou até com as unhas, o que não seria recomendado.

Massa molar

6,941 g / mol.

Ponto de fusão

180,50 ° C.

Ponto de ebulição

1330 ° C.

Densidade

0,534 g / mL a 25 ° C.

Solubilidade

Sim, ele flutua na água, mas imediatamente começa a reagir com ela. É solúvel em amônia, onde quando dissolvidos seus elétrons são solvatados para causar cores azuis.

Pressão de vapor

0,818 mm Hg a 727 ° C; isto é, mesmo em altas temperaturas, seus átomos mal conseguem escapar da fase gasosa.

Eletronegatividade

0,98 na escala de Pauling.

Energias de ionização

Primeiro: 520,2 kJ / mol

Segundo: 7298,1 kJ / mol

Terceiro: 11815 kJ / mol

Esses valores correspondem às energias necessárias para obter os íons gasosos Li + , Li 2+ e Li 3+ , respectivamente.

Temperatura de auto-ignição

179 ° C

Tensão superficial

398 mN / m no seu ponto de fusão.

Viscosidade

No estado líquido, é menos viscoso que a água.

Calor de fusão

3,00 kJ / mol.

Calor de vaporização

136 kJ / mol.

Capacidade de calor molar

24.860 J / mol · K. Esse valor é extraordinariamente alto; o mais alto de todos os elementos.

Dureza de Mohs

0,6

Isótopos

Na natureza, o lítio vem na forma de dois isótopos: 6 Li e 7 Li. A massa atômica 6.941 u indica por si mesma qual dos dois é o mais abundante: 7 Li. O último compõe cerca de 92,4% de todos os átomos de lítio; enquanto 6 Li, cerca de 7,6% deles.

Nos seres vivos, o organismo prefere 7 Li a 6 Li; no entanto, em matrizes mineralógicas, o isótopo de 6 Li é melhor recebido e, portanto, sua porcentagem de abundância aumenta acima de 7,6%.

Reatividade

Embora seja menos reativo que outros metais alcalinos, ainda é um metal bastante ativo, portanto não pode ser exposto à atmosfera sem oxidação. Dependendo das condições (temperatura e pressão), ele reage com todos os elementos gasosos: hidrogênio, cloro, oxigênio, nitrogênio; e com sólidos como fósforo e enxofre.

Nomenclatura

Não há outros nomes para chamar metal de lítio. Quanto aos seus compostos, grande parte deles é nomeada de acordo com as nomenclaturas sistemáticas, tradicionais ou de ações. Seu estado de oxidação de +1 é praticamente inalterado; portanto, na nomenclatura das ações, o (I) não é escrito no final do nome.

Exemplos

Por exemplo, considere os compostos Li 2 O e Li 3 N.

Li 2 O recebe os seguintes nomes:

– Óxido de lítio, de acordo com a nomenclatura das ações

– Óxido lítico, de acordo com a nomenclatura tradicional

– Monóxido de dilítio, de acordo com a nomenclatura sistemática

Enquanto o Li 3 N é chamado:

– Nitreto de lítio, nomenclatura das unidades populacionais

– Nitreto de lítio, nomenclatura tradicional

– Mononitreto de trilítio, nomenclatura sistemática

Papel biológico

A extensão em que o lítio pode ou não ser essencial para o organismo é desconhecida. Da mesma forma, os mecanismos pelos quais ele poderia ser metabolizado são incertos e ainda estão sendo estudados.

Portanto, não se sabe quais efeitos positivos uma dieta “rica” ​​de lítio pode ter; mesmo que possa ser encontrado em todos os tecidos do corpo; especialmente nos rins.

Regulador de Nível de Seratonina

O efeito farmacológico de certos sais de lítio no corpo é conhecido, especialmente no cérebro ou no sistema nervoso. Por exemplo, regula os níveis de serotonina, a molécula responsável pelos aspectos químicos da felicidade. Dito isto, não é incomum pensar que altera ou modifica o humor dos pacientes que os consomem.

No entanto, eles recomendam não consumir lítio com medicamentos que combatam a depressão, pois existe o risco de aumentar demais a serotonina.

Não só ajuda a combater a depressão, mas também distúrbios bipolares e esquizofrênicos, bem como outros possíveis distúrbios neurológicos.

Deficiência

A título de especulação, suspeita-se que indivíduos com dietas pobres em lítio sejam mais propensos à depressão ou a cometer suicídio ou homicídio. No entanto, formalmente os efeitos de sua deficiência permanecem desconhecidos.

Onde está localizado e produção

O lítio não pode ser encontrado na crosta terrestre, muito menos nos mares ou na atmosfera, em sua forma mais pura, como metal branco brilhante. Em vez disso, passou por milhões de anos de transformações que o posicionaram como um íon Li + (principalmente) em certos minerais e grupos de rochas.

Estima-se que na crosta terrestre sua concentração varia entre 20 e 70 ppm (parte por milhão), o que equivale a aproximadamente 0,0004% dela. Enquanto em águas marinhas, sua concentração é da ordem de 0,14 e 0,25 ppm; isto é, o lítio é mais abundante em pedras e minerais do que em salmoura ou fundo do mar.

Minerais

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Quartzo de espodumeno, uma das fontes naturais de lítio. Fonte: Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Os minerais onde esse metal é encontrado são os seguintes:

– Spodumeno, LiAl (SiO 3 ) 2

– Petalite, LiAlSi 4 O 10

– Lepidolita, K (Li, Al, Rb) 2 (Al, Si) 4 O 10 (F, OH) 2

Esses três minerais têm em comum que são aluminossilicatos de lítio. Existem outros minerais nos quais o metal também pode ser extraído, como argilas ambligonita, elbaita, tripilita, erititerita ou hectorita. No entanto, o espodumeno é o mineral a partir do qual é produzida a maior quantidade de lítio. Esses minerais compõem algumas rochas ígneas, como granito ou pegmatita.

Águas marinhas

Em relação ao mar, é extraído das salmouras como cloreto, hidróxido ou carbonato de lítio, LiCl, LiOH e Li 2 CO 3 , respectivamente. Da mesma forma, pode ser obtido em lagos ou lagoas, ou em diferentes depósitos de salmoura.

No total, o lítio ocupa o 25º lugar em abundância dos elementos da Terra, o que se correlaciona bem com sua baixa concentração tanto na Terra quanto na água e, portanto, é considerado um elemento relativamente raro.

Estrelas

O lítio é encontrado nas estrelas jovens, em maior abundância do que nas estrelas mais antigas.

Para obter ou produzir esse metal em seu estado puro, existem duas opções (ignorando os aspectos econômicos ou a lucratividade): extraí-lo por ação de mineração ou coletá-lo nas salmouras. Este último é a fonte predominante na produção de lítio metálico.

Produção de lítio metálico por eletrólise

Uma mistura derretida de LiCl é obtida da salmoura, que pode ser submetida a eletrólise para separar o sal em seus componentes elementares:

LiCl (l) → Li (s) + 1/2 Cl 2 (g)

Enquanto os minerais são digeridos em meio ácido para obter seus íons Li + após os processos de separação e purificação.

O Chile está posicionado como o maior produtor de lítio do mundo, obtendo-o do sal de Atacama. No mesmo continente, a Argentina segue, um país que extrai o LiCl do salário do morto e, finalmente, da Bolívia. No entanto, a Austrália é o maior produtor de lítio ao explorar o spodumene.

Reacções

A reação mais conhecida do lítio é aquela que ocorre quando entra em contato com a água:

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

O LiOH é hidróxido de lítio e, como pode ser visto, produz gás hidrogênio.

Re
ge com oxigênio gasoso e nitrogênio para formar os seguintes produtos:

4Li (s) + O 2 (g) → 2Li 2 O (s)

2Li (s) + O 2 (g) → 2Li 2 O 2 (s)

Li 2 O é óxido de lítio, que tende a se formar acima de Li 2 O 2 , peróxido.

6Li (s) + N 2 (g) → 2Li 3 N (s)

O lítio é o único metal alcalino capaz de reagir com nitrogênio e causar esse nitreto. Em todos esses compostos, a existência do cátion Li + pode ser assumida participando de ligações iônicas com um caráter covalente (ou vice-versa).

Também pode reagir direta e vigorosamente com halogênios:

2Li (s) + F 2 (g) → LiF (s)

Também reage com ácidos:

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

3Li (s) + 4HNO 3 (diluído) → 3LiNO 3 (aq) + NÃO (g) + 2H 2 O (l)

O LiF, LiCl e compostos LiNO 3 são fluoreto, cloreto de lítio e de nitrato, respectivamente.

E com relação aos seus compostos orgânicos, o mais conhecido é o butil de lítio:

2 Li + C 4 H 9 X → C 4 H 9 Li + LiX

Em que X é um átomo de halogéneo e C 4 H 9 X é um halogeneto de alquilo.

Riscos

Metal puro

O lítio reage violentamente com a água e pode reagir com a umidade da pele. Por isso, se alguém o manipulasse com as próprias mãos, sofreria queimaduras. E se for granulado ou na forma de poeira, pega fogo à temperatura ambiente, representando riscos de incêndio.

Para manusear esse metal, luvas e óculos de segurança devem estar disponíveis, pois o contato mínimo com os olhos pode causar irritação grave.

Se inalados, os efeitos podem ser ainda piores, queimando as vias aéreas e causando edema pulmonar devido à formação interna de LiOH, uma substância cáustica.

Este metal deve ser armazenado imerso em óleo ou em atmosferas secas e mais inertes que o nitrogênio; por exemplo, em argônio, como mostrado na primeira imagem.

Compostos

Os compostos derivados do lítio, especialmente seus sais, como carbonato ou citrato, são muito mais seguros. Que, desde que as pessoas que os ingeram respeitem as diretrizes prescritas por seus médicos.

Alguns dos muitos efeitos indesejáveis ​​que podem ser gerados nos pacientes são: diarréia, náusea, fadiga, tontura, tontura, tremor, micção excessiva, sede e ganho de peso.

Os efeitos podem ser ainda mais graves em mulheres grávidas, afetando a saúde do feto ou aumentando os defeitos congênitos. Além disso, sua ingestão não é recomendada em nutrizes, pois o lítio pode passar do leite para o bebê e daí desenvolver todo tipo de anomalia ou efeitos negativos.

Usos

Os usos mais conhecidos desse metal no nível popular residem na área da medicina. No entanto, tem aplicação em outras áreas, especialmente no armazenamento de energia através do uso de baterias.

Metalurgia

Os sais de lítio, especificamente Li 2 CO 3 , servem como aditivo em processos de fundição para diferentes finalidades:

-Degasify

-Desulfurizar

-Refinir grãos de metais não ferrosos

-Aumentar a fluidez da escória dos moldes fundidos

-Reduz a temperatura de fusão nas fundições de alumínio, graças ao seu alto calor específico.

Organometálico

Os compostos de alquil-lítio são usados ​​para alugar (adicionar cadeias laterais R) ou arilato (adicionar grupos aromáticos Ar) às estruturas moleculares. Destacam-se por sua boa solubilidade em solventes orgânicos e por não serem tão reativos no meio de reação; portanto, serve como reagentes ou catalisadores para múltiplas sínteses orgânicas.

Lubrificantes

Estearato de lítio (o produto da reação entre uma graxa e LiOH) é adicionado ao óleo para criar uma mistura lubrificante.

Este lubrificante de lítio é resistente a altas temperaturas, não endurece quando resfriado e é inerte ao oxigênio e à água. Portanto, encontra uso em aplicações militares, aeroespaciais, industriais, automóveis, etc.

Aditivo de cerâmica e vidro

O vidro ou a cerâmica tratada com Li 2 O adquirem viscosidades mais baixas quando fundidas e maior resistência à expansão térmica. Por exemplo, utensílios de cozinha são feitos com esses materiais e o vidro Pyrex também possui esse composto em sua composição.

Ligas

Por ser um metal tão leve, suas ligas são as mesmas; entre eles, alumínio e lítio. Quando adicionado como aditivo, ele não apenas proporciona menos peso, mas também maior resistência a altas temperaturas.

Refrigerante

Seu alto calor específico o torna ideal para uso como refrigerante em processos onde é liberado muito calor; por exemplo, em reatores nucleares. Isso ocorre porque “custa” elevar a temperatura e, portanto, impede que o calor irradie facilmente para fora.

Baterias

E o uso mais promissor de todos é no mercado de baterias de íons de lítio. Eles aproveitam a facilidade com a qual o lítio oxida no Li + para usar o elétron liberado e ativar um circuito externo. Assim, os eletrodos são de lítio metálico ou de suas ligas, onde Li + pode intercalar e viajar através do material eletrolítico.

Como curiosidade final, o grupo musical Evanescense dedicou uma música com o título “Lithium” a esse mineral.

Referências

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