CHƯƠNG 1. Tổng quan chung về nguyên tố lithi 1. Giới thiệu chung về nguyên tố lithi Lithi là một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn hóa học có ký hiệu là Li và số nguyên tử bằng 3. Ở điều kiện tiêu chuẩn, Li là kim loại nhẹ nhất và là nguyên tố rắn có mật độ thấp nhất.
Dạng tinh thể, Li tinh khiết là nguyên tố có màu trắng bạc, mềm. Trong các kim loại kiềm khác, Li vẫn là kim loại có hoạt tính hóa học thấp nhất. Lithi là một chất dễ cháy, nó có thể nổ khi tiếp xúc với không khí và đặc biệt là với nước. Lithi dễ phản ứng với nước nhưng tạo năng lượng ít hơn so với các kim loại kiềm khác, phản ứng tạo ra khí H2 và LiOH.
Vì vậy, Li thường được bảo quản bằng cách ngâm trong hydrocacbon, thường là dầu. Các đám cháy Li rất khó dập tắt, nó cần các bột chữa cháy khô. Lithi là kim loại duy nhất phản ứng với N2 ở nhiệt độ thường. Li có ánh kim loại nhưng khi tiếp xúc với không khí ẩm nó bị ăn mòn bề mặt và bị chuyển màu nhanh chóng thành xám bạc mờ, sau đó là xỉn đen.
Li không tồn tại ở dạng đơn chất trong tự nhiên do tính hoạt động hóa học cao, tuy nhiên nó có tính hoạt động hóa học thấp hơn so với các nguyên tố cùng chu kỳ như Na. Khi đưa Li vào trong ngọn lửa, kim loại này phát ra ánh sáng màu đỏ thắm, nhưng khi cháy mạnh thì ngọn lửa đổi sang màu trắng chói. Lithi là kim loại có hóa trị + 1. Giống như các kim loại kiềm khác, Li có một electron hóa trị tự do ở lớp ngoài cùng, dễ bị tách ra khỏi nguyên tố để tạo thành ion Li+.
Do đó, đây là một chất bán dẫn nhiệt và điện tốt đồng thời cũng là một chất phản ứng mạnh. Kim loại Li đủ mềm để có thể cắt bằng dao. Li là một trong số các kim loại có điểm nóng chảy thấp nhất (1800C). Tỷ trọng của Li là 0,534g/cm3, nó có mật độ thấp nhất so với các nguyên tố ở dạng rắn trong điều kiện nhiệt độ phòng.
Li là một trong 3 kim loại có thể nổi trên nước. Trong điều kiện tiêu chuẩn, Li là một chất siêu dẫn. Chuyên ngành Hóa phân tích 3 Trường ĐHKHTN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Mến- K27 Hóa Học Lithi tác dụng với hidro ở 6000C-7000C tạo lithi hydrid (LiH). Đốt Li trong không khí hoặc trong oxi, Li phản ứng với oxi tạo Li2O và một ít Li2O2.
Khi đun nóng với nitơ, cacbon, silic, Li có thể tương tác trực tiếp tạo Li3N, Li2C2, Li6Si2. Đây là những tính chất điển hình của Li [14]. Trạng thái tồn tại Theo lý thuyết vũ trụ hiện đại, Li (bao gồm cả 6Li và 7Li) là một trong 3 nguyên tố được tổng hợp trong vụ nổ Big Bang. Mặc dù, Li là một trong 3 nguyên tố được tổng hợp từ Big Bang nhưng Li có số lượng thấp hơn đáng kể so với các nguyên tố lân cận.
Trong tự nhiên và trong khoáng chất, Li là hỗn hợp của 2 đồng vị bền là 6Li và 7Li với mức độ phổ biến lần lượt là 7,59% và 92,41% [24]. Trong các mẫu tự nhiên mức độ phổ biến của 6Li có thể thấp hơn 3,75% và 7Li có thể cao hơn 96,25% [41]. Cả 2 động vị tự nhiên đều có năng lượng liên kết hạt nhân thấp trên mỗi hạt nhân so với các nguyên tố nhẹ hơn và nặng hơn nằm kề nó trong bảng tuần hoàn là Heli và Berylli. Vì vậy, hạt nhân của Li tương đối kém ổn định, đây là lý do mà Li ít phổ biến trong hệ mặt trời so với 25 trong số 32 nguyên tố hóa học đứng đầu mặc dù hạt nhân của nó có khối lượng rất nhẹ.
Ngoài ra, các nhà khoa học cũng đã tìm ra được 7 đồng vị phóng xạ khác. Trong đó ổn định nhất là 8Li có chu kì bán rã là 838 ms (mili giây) và 9Li có chu kỳ bán rã 178,3 ms. Các đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã dưới 8,6 ms. Đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn nhất là 4Li với chu kỳ bán rã theo bức xạ proton và chu kỳ bán rã là 7,6x10-23s.
Đồng vị 11Li được biết là có tính chất quang hạt nhân. Quá trình chia tách hạt nhân bằng laser có thể được sử dụng để tách các hạt nhân Li. Tỷ lệ các đồng vị Li ổn định đáng kể trong nhiều quá trình tự nhiên, bao gồm sự tạo thành các khoáng vật, trao đổi chất và trao đổi ion. Đồng thời chúng phân chia trong các quá trình tự nhiên, bao gồm cả việc hình thành khoáng chất (kết tủa hóa học), thủy phân, trao đổi ion (Li thay thế cho Mg và Fe trong các cấu trúc bát Chuyên ngành Hóa phân tích 4 Trường ĐHKHTN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Mến- K27 Hóa Học diện của đất sét, trong đó 6Li chiếm ưu thế hơn 7Li) trong các quá trình siêu lọc cũng như sự biến đổi đá [55].
Hàm lượng Li trong vỏ trái đất ước tính dao động từ 20 đến 70 ppm [28]. Lượng Li trong nước biển khoảng 0,18 ppm, trong khi đó ở một số nguồn nước mặn tự nhiên hàm lượng Li có thể lên tới 1000 ppm. Trong các mạch nhiệt dịch hàm lượng Li khoảng 7 ppm. Mặc dù Li phân bố rộng rãi trên Trái đất, nhưng Li không tồn tại ở dạng đơn chất.
Chúng là một thành phần phụ trong các đá magma với hàm lượng cao nhất trong các đá granit. Các đá pegmatite cũng có hàm lượng Li lớn nhất ở dạng khoáng vật với spodumene (Li2O chiếm 8,03%) và petalite (Li2O chiếm 4,88%) là các nguồn khai thác Li thương mại phổ biến [28]. Một loại khoáng vật chứa hàm lượng đáng kể khác là lepidolite, một nguồn Li mới là sét hectorit. Ứng dụng của Li Lithi có nhiều ứng dụng khác nhau, việc sử dụng lượng lớn Li thì thay đổi theo thời gian.
Trong những ngày đầu của ngành công nghiệp, Li được sử dụng nhiều nhất trong sản xuất pin, sau đó là bom nguyên tử và sau nhiều năm thì được sử dụng nhiều trong sản xuất thủy tinh và đồ gốm [12]. Theo ước tính lượng tiêu thụ Li trong công nghiệp năm 2018, lĩnh vực sử dụng nhiều Li nhất là pin với 46%, sau đó là gốm, sứ và thủy tinh và chất bôi trơn với lượng tiêu thụ lần lượt là 27 % và 7% [5]. Dưới đây là một số ứng dụng của Li [12,28]. Pin: Li là một vật liệu quan trọng trong chế tạo anot của pin vì khả năng điện hóa học cao của nó.
Do có khối lượng nguyên tử thấp, Li có tỉ lệ khối lượng tích điện và năng lượng cao. Loại pin ion Li có thể tạo ra khoảng 3 V mỗi ô so với 2,1 V đối với pin axit chì và 1,5 V đối với pin kẽm – cacbon. Thủy tinh: trong ngành công nghiệp thủy tinh, Li có nhiều ứng dụng như tạo ra các sản phẩm thủy tinh borosilicate, bình chứa, chai, sợi thủy tinh, gốm thủy tinh nhân tạo…Li2O được sử dụng để làm chất tẩy trong việc xử lý silic, giảm điểm nóng chảy và độ nhớt của vật liệu, giảm số lượng hạt trong thủy tinh, cung cấp độ bền hóa học cao hơn cho thành phẩm. Chuyên ngành Hóa phân tích 5 Trường ĐHKHTN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Mến- K27 Hóa Học Gốm sứ: Li được sử dụng ở dạng Li2O hoặc kết hợp với một vài vật liệu tương thích khác như feldspar… để làm giảm nhiệt độ nung, làm cho các sản phẩm có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn, ít biến dạng, màu sắc đẹp hơn, độ bóng của men cao hơn.
Chất bôi trơn: LiOH là một bazơ mạnh và khi nung với mỡ, nó tạo ra một loại xà phòng có tên là stearate được sử dụng chủ yếu trong quân sự, công nghiệp, ô tô, máy bay và hàng hải. Luyện kim: Li2CO3 được dùng làm phụ gia trong công nghiệp đúc LiF được sử dụng làm phụ gia nấu chảy nhôm, làm giảm nhiệt độ nóng chảy và làm tăng điện trở suất. Các hợp kim của Li với Al, Cu và Mn còn được sử dụng trong các bộ phận của máy bay (thân, cánh hoặc bình nhiên liệu). Ngoài các lĩnh vực chủ yếu trên thì Li còn được sử dụng trong một số lĩnh vực khác như: hạt nhân, y học, tổng hợp các hợp chất hữu cơ, vô cơ.
Vai trò của Li và đồng vị Li trong nghiên cứu địa chất Phong hóa hóa học của khoáng silicat là một quá trình địa chất chính tạo nên bề mặt của trái đất, tạo thành đất, che phủ các lục địa và đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển lâu dài của khí hậu trái đất thông quá việc tiêu thụ khí CO2 trong khí quyển [47]. Theo các quan điểm của địa hóa, sự phong hóa hóa học là phản ứng giữa các khoáng chất chính, nước và axit. Nó dẫn đến việc giải phóng các yếu tố hòa tan vào pha nước, các yếu tố không hòa tan tích tụ trong đất tạo thành trầm tích sông. Trong các nguyên tố kiềm bị hòa tan, Li và các đồng vị của nó là một chất đánh dấu của quá trình phong hóa đó.
Nó đại diện cho một loạt các quá trình phong hóa hóa học, bao gồm: quá trình phong hóa lục địa, sự biến đổi của lớp vỏ đại dương [55]; Các quá trình thủy nhiệt [7], cũng như sự hình thành của hệ thống nước ngầm [36]. Li có nhiều ưu điểm như một chất đánh dấu đồng vị của quá trình phong hóa. Li là một nguyên tố vi lượng tương đối linh động, vì vậy Li phân bố rộng rãi trong lớp vỏ của trái đất. Hơn nữa, Li chỉ có trạng thái hóa trị 1 nên thành phần đồng vị Chuyên ngành Hóa phân tích 6 Trường ĐHKHTN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn Thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Mến- K27 Hóa Học của Li không bị ảnh hưởng bởi các phản ứng oxi hóa khử.
Sự khác biệt lớn về khối lượng của hai đồng vị bền của Li là 6Li và 7Li xấp xỉ khoảng 15 đến 16% làm cho đồng vị Li dễ bị phân chia trong môi trường có nhiệt độ thấp [27], trong các tương tác nước - đá [45]. Trong suốt quá trình phong hóa, đồng vị 6Li sẽ được ưu tiên giữ lại trong pha rắn, trong khi 7Li bị hòa tan vào pha nước [55]. Do bán kính nguyên tử của Li+ tương tự như của Mg2+ nên nó có thể thay thế Mg trong một số cấu trúc bát diện của đất sét, khoáng olivine, enstatite, diopside [55].