Сульфат лития: свойства, структура и применение.

Введение

Сульфат лития — белая неорганическая соль с формулой Li2SO4. Это соль лития серной кислоты.

Физические свойства

Сульфат лития растворим в воде, хотя и не следует обычной тенденции увеличения растворимости большинства солей с повышением температуры. Напротив, его растворимость в воде уменьшается с ростом температуры, так как его растворение – экзотермический процесс. Это относительно необычное свойство, также называемое ретроградной растворимостью, свойственно немногим неорганическим соединениям, таким как гидроксид кальция (портландит, важная минеральная фаза гидратированной цементной пасты), сульфаты кальция (гипс, бассанит и ангидрит) и сульфаты лантаноидов, реакции растворения которых также экзотермичны. Ретроградная растворимость обычна для растворения газов в воде, но реже встречается при растворении твердых веществ. Карбонат кальция также демонстрирует ретроградную растворимость, однако она также зависит от поведения растворения в равновесиях карбоната кальция. Кристаллы сульфата лития, обладая пьезоэлектрическими свойствами, также используются в ультразвуковых неразрушающих испытаниях, поскольку они являются высокоэффективными приемниками звука. Тем не менее, их применение в этом качестве затруднено из-за их растворимости в воде. Благодаря гигроскопическим свойствам, наиболее распространенной формой сульфата лития является сульфат лития моногидрат. Безводный сульфат лития имеет плотность 2,22 г/см³, однако взвешивание безводного сульфата лития может быть затруднительным, так как требует проведения в атмосфере, лишенной влаги. Сульфат лития обладает пироэлектрическими свойствами. При нагревании водного раствора сульфата лития также увеличивается электропроводность. Молярность сульфата лития также влияет на электропроводность; оптимальная проводимость достигается при 2 М, после чего она снижается. При растворении твердого сульфата лития в воде происходит эндотермическая диссоциация. Это отличается от сульфата натрия, который диссоциирует экзотермически. Однако точное значение энергии диссоциации сложно определить, поскольку она, по-видимому, также зависит от количества (числа молей) соли, добавленной в воду. Небольшие количества растворенного сульфата лития вызывают гораздо большее изменение температуры на моль, чем большие количества.

Lithium sulfate is soluble in water, though it does not follow the usual trend of increasing solubility of most salts with temperature. To the contrary, its solubility in water decreases with increasing temperature, as its dissolution is an exothermic process. This relatively unusual property, also called retrograde solubility, is shared with few inorganic compounds, such as calcium hydroxide (portlandite, an important mineral phase of hydrated cement paste), the calcium sulfates (gypsum, bassanite, and anhydrite) and lanthanoid sulfates whose dissolution reactions are also exothermic. The retrograde solubility is common for gases dissolution in water, but less frequently encountered for the dissolution of solids. Calcium carbonate also exhibits a retrograde solubility, but it also depends on the behavior of dissolution in the calco carbonate equilibria. Lithium sulfate crystals, being piezoelectric, are also used in ultrasound type non destructive testing because they are very efficient sound receivers. However, they do suffer in this application because of their water solubility. Since it has hygroscopic properties, the most common form of lithium sulfate is lithium sulfate monohydrate. Anhydrous lithium sulfate has a density of 2.22 g/cm3 but, weighing lithium sulfate anhydrous can become cumbersome as it must be done in a water lacking atmosphere. Lithium sulfate has pyroelectric properties. When aqueous lithium sulfate is heated, the electrical conductivity also increases. The molarity of lithium sulfate also plays a role in the electrical conductivity; optimal conductivity is achieved at 2 M and then decreases. When solid lithium sulfate is dissolved in water it has an endothermic disassociation. This is different from sodium sulfate which has an exothermic disassociation. However, the exact energy of disassociation is difficult to quantify as it seems also to depend on the quantity (number of mols) of the salt added to water. Small amounts of dissolved lithium sulfate induce a much greater temperature change per mol than large amounts.

Свойства кристалла

Сульфат лития существует в двух различных кристаллических фазах. В обычной форме II сульфат лития имеет клиноромбическую моноклинную кристаллическую систему с длинами ребер a = 8,23 Å, b = 4,95 Å, c = 8,47 Å и углом β = 107,98°. При нагревании сульфата лития выше 130 °C он переходит в безводное состояние, но сохраняет свою кристаллическую структуру. Трансформация из фазы II в фазу I происходит только при 575 °C. Кристаллическая структура изменяется на гранецентрированную кубическую кристаллическую систему с длиной ребра 7,07 Å. Во время этого фазового перехода плотность сульфата лития изменяется с 2,22 до 2,07 г/см³.

Применение

Сульфат лития используется для лечения биполярного расстройства (см. фармакологию лития). Сульфат лития исследуется как потенциальный компонент ионно-проводящих стекол. Прозрачные проводящие пленки – активно изучаемая область, поскольку они применяются в таких устройствах, как солнечные панели, и перспективны для создания нового класса аккумуляторов. В этих применениях важно высокое содержание лития; более известный бинарный борат лития (Li₂O · B₂O₃) сложно получить в высоких концентрациях, и его трудно хранить из-за гигроскопичности. Добавление сульфата лития в систему позволяет получать легкопроизводимое, стабильное стекло с высокой концентрацией лития. Большинство современных прозрачных ионно-проводящих пленок изготавливаются из органических полимеров, поэтому разработка недорогого и стабильного неорганического стекла была бы весьма желательна. Сульфат лития испытывался в качестве добавки к портландцементу для ускорения твердения с положительными результатами. Сульфат лития ускоряет реакцию гидратации (см. Цемент), сокращая время твердения. Опасения по поводу сокращения времени твердения связаны с прочностью конечного продукта, однако при испытаниях портландцемент, модифицированный сульфатом лития, не показал заметного снижения прочности.

Литий-ионные аккумуляторы

Сульфат лития моногидрат (· H2O), содержащий около 10% лития, является полезным химическим веществом для производства гидроксида лития в цепочке поставок материалов для литий-ионных аккумуляторов. Он менее реактивен, чем LiOH, и поэтому его легче хранить и транспортировать. Исходное сырье – концентрат твердого минерала сподумена – перерабатывается путем кислотной обжарки с последующим водным выщелачиванием, что обеспечивает извлечение лития в диапазоне 84-88%. Затем очищенный раствор выщелачивания подвергается испарению, в результате чего получается первичный твердый продукт сульфата лития, состоящий преимущественно из моногидрата сульфата лития (· H2O).

Лекарства

Литий (Li+) используется в психиатрии для лечения мании, эндогенной депрессии и психоза, а также для лечения шизофрении. Обычно применяют карбонат лития, но иногда в качестве альтернативы используют цитрат лития, сульфат лития или лития оксибутират. Li+ не метаболизируется. Вследствие химического сходства Li+ с катионами натрия (Na+) и калия (K+), он может взаимодействовать или вмешиваться в биохимические пути этих веществ и замещать эти катионы во внутри- или внеклеточных компартментах организма. Li+ по-видимому, выводится из нервных и мышечных клеток активным натриевым насосом, хотя и менее эффективно. Сульфат лития быстро всасывается в желудочно-кишечном тракте (в течение нескольких минут) и полностью абсорбируется после перорального приема таблеток или жидкой формы. Li+ стабилизирует серотонинергическую нейротрансмиссию.

Синтез органической химии

Сульфат лития используется в качестве катализатора реакции элиминирования для превращения n-бутилбромида в 1-бутен с выходом, близким к 100%, в диапазоне температур от 320 °C до 370 °C. Выход продукта этой реакции резко снижается при нагревании выше этого диапазона, при этом образуется больший выход 2-бутена.