Lithium là gì?

Liti hay Lithium là một nguyên tố hóa học, ký hiệu là Li và số nguyên tử là 3. Nó là một kim loại kiềm mềm, màu trắng bạc. Trong điều kiện tiêu chuẩn, nó là kim loại có khối lượng riêng nhỏ nhất và là nguyên tố rắn có khối lượng riêng nhỏ nhất.

Giống như tất cả các kim loại kiềm, liti có tính phản ứng cao, dễ cháy và phải được bảo quản trong chân không, khí trơ hoặc chất lỏng trơ ​​như dầu hỏa tinh khiết hoặc dầu khoáng.

Khi ở trạng thái tinh khiết, nó có ánh kim loại, nhưng nhanh chóng bị ăn mòn trong không khí thành màu xám bạc xỉn, sau đó chuyển sang màu đen xỉn. Nó không tồn tại ở trạng thái tự do trong tự nhiên, mà chủ yếu tồn tại dưới dạng khoáng pegmatit, vốn từng là nguồn cung cấp liti chính.

Do khả năng hòa tan dưới dạng ion, liti có mặt trong nước biển và thường được thu được từ nước muối. Kim loại liti được tách chiết bằng phương pháp điện phân từ hỗn hợp liti clorua và kali clorua.

Bảng thông tin nguyên tố Lithium (Li)

Tính chất của Lithium

Nguyên tử và vật lý

Các kim loại kiềm còn được gọi là họ liti, theo tên nguyên tố chủ đạo của nó. Giống như các kim loại kiềm khác (natri (Na), kali (K), rubidi (Rb), xesi (Cs) và franxi (Fr)), liti có một electron hóa trị duy nhất, dễ dàng tách ra để tạo thành Li⁺ khi có mặt dung môi.

Do đó, liti là chất dẫn nhiệt và điện tốt, đồng thời là một nguyên tố có tính phản ứng cao, mặc dù nó là kim loại kiềm kém phản ứng nhất trong nhóm kim loại kiềm. Độ phản ứng thấp hơn của liti là do electron hóa trị của nó nằm gần hạt nhân (hai electron còn lại nằm ở orbital 1s, có năng lượng thấp hơn nhiều và không tham gia vào các liên kết hóa học). Liti nóng chảy có tính phản ứng mạnh hơn đáng kể so với dạng rắn của nó.

Đồng vị

Liti trong tự nhiên bao gồm hai đồng vị bền, ⁶Li và ⁷Li, trong đó đồng vị ⁷Li phổ biến hơn (chiếm 95,15% trong tự nhiên). Cả hai đồng vị tự nhiên đều có năng lượng liên kết hạt nhân trên mỗi nucleon thấp bất thường (so với các nguyên tố lân cận trong bảng tuần hoàn là heli và beri).

Liti là nguyên tố duy nhất có số thứ tự thấp có thể tạo ra năng lượng thuần thông qua phản ứng phân hạch hạt nhân. Hai hạt nhân liti có năng lượng liên kết trên mỗi nucleon thấp hơn bất kỳ hạt nhân bền nào khác ngoài hydro-1, deuteri và heli-3.

Sự xuất hiện của liti

Thiên văn học

Mặc dù được tổng hợp trong Vụ Nổ Lớn, liti (cùng với beri và bo) ít phổ biến hơn đáng kể trong vũ trụ so với các nguyên tố khác. Điều này là do nhiệt độ sao tương đối thấp cần thiết để phân hủy liti, cùng với việc thiếu các quá trình chung để sản xuất nó.

Trên Trái đất

Mặc dù liti phân bố rộng rãi trên Trái Đất nhưng nó không tồn tại tự nhiên ở dạng nguyên tố do tính phản ứng cao. Tổng hàm lượng liti trong nước biển rất lớn và ước tính khoảng 230 tỷ tấn, với nồng độ tương đối ổn định từ 0,14 đến 0,25 phần triệu (ppm), tương đương 25 micromol; nồng độ cao hơn, gần 7 ppm, được tìm thấy gần các miệng phun thủy nhiệt.

Sinh học

Liti được tìm thấy ở dạng vết trong nhiều loại thực vật, sinh vật phù du và động vật không xương sống, với nồng độ từ 69 đến 5.760 phần tỷ (ppb). Ở động vật có xương sống, nồng độ thấp hơn một chút, và hầu như tất cả các mô và dịch cơ thể của động vật có xương sống đều chứa liti, dao động từ 21 đến 763 ppb.

Tính chất hóa học của Liti

Kim loại liti

Liti phản ứng dễ dàng với nước, nhưng yếu hơn đáng kể so với các kim loại kiềm khác. Phản ứng tạo thành khí hydro và liti hydroxide. Khi đặt trên ngọn lửa, các hợp chất liti tỏa ra màu đỏ thẫm nổi bật, nhưng khi kim loại cháy mạnh, ngọn lửa chuyển sang màu bạc sáng.

Liti sẽ bốc cháy trong oxi khi tiếp xúc với nước hoặc hơi nước. Trong không khí ẩm, liti nhanh chóng bị xỉn màu, tạo thành lớp phủ đen liti hydroxit (LiOH và LiOH·H₂O), liti nitrua (Li₃N) và liti cacbonat (Li₂CO₃, kết quả của phản ứng thứ cấp giữa LiOH và CO₂). Liti là một trong số ít kim loại phản ứng với khí nitơ.

Hợp chất vô cơ

Liti tạo thành các dẫn xuất dạng muối với tất cả các halogenua và giả halogenua.

Một số ví dụ bao gồm các halogenua LiF, LiCl, LiBr, LiI, cũng như các giả halogenua và các anion liên quan. Liti cacbonat được mô tả là hợp chất quan trọng nhất của liti. Chất rắn màu trắng này là sản phẩm chính của quá trình tuyển quặng liti. Nó là tiền chất của các loại muối khác, bao gồm gốm sứ và vật liệu cho pin liti.

Hóa học hữu cơ

Các hợp chất của liti hữu cơ rất đa dạng và hữu ích. Chúng được xác định bởi sự hiện diện của liên kết giữa cacbon và liti. Chúng hoạt động như các carbanion ổn định kim loại, mặc dù dung dịch và cấu trúc trạng thái rắn của chúng phức tạp hơn quan điểm đơn giản này.

Vì vậy, đây là những bazơ và tác nhân ái nhân cực kỳ mạnh. Chúng cũng đã được ứng dụng trong tổng hợp bất đối xứng trong ngành dược phẩm.

Đối với tổng hợp hữu cơ trong phòng thí nghiệm, nhiều thuốc thử organolithium có sẵn trên thị trường dưới dạng dung dịch. Các thuốc thử này có khả năng phản ứng cao và đôi khi dễ cháy.

Sản xuất Lithium

Sản lượng liti đã tăng đáng kể kể từ khi Chiến tranh Thế giới thứ hai kết thúc. Nguồn cung cấp chính của liti là nước muối và quặng.

Kim loại liti được sản xuất bằng phương pháp điện phân hỗn hợp 55% liti clorua và 45% kali clorua nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 450 °C.

Liti là một trong những nguyên tố thiết yếu trong một thế giới đang vận hành dựa trên năng lượng tái tạo và phụ thuộc vào pin. Điều này cho thấy liti sẽ là một trong những đối tượng chính của cạnh tranh địa chính trị, nhưng quan điểm này cũng bị chỉ trích vì đánh giá thấp sức mạnh của các động lực kinh tế đối với việc mở rộng sản xuất.

Trữ lượng và phân bố

Năm 2019, sản lượng liti từ spodumene toàn cầu đạt khoảng 80.000 tấn mỗi năm, chủ yếu từ pegmatit Greenbushes và một số nguồn từ Trung Quốc và Chile. Mỏ Talison ở Greenbushes được cho là mỏ lớn nhất và có hàm lượng quặng cao nhất với 2,4% Li₂O (số liệu năm 2012).

Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) ước tính trữ lượng liti được xác định trên toàn thế giới vào năm 2022 và 2023 lần lượt là 26 triệu và 28 triệu tấn.

Tam giác Liti và các nguồn nước muối khác

Ba quốc gia Chile, Bolivia và Argentina nằm trong một khu vực được gọi là Tam giác Liti. Tam giác Liti nổi tiếng với những cánh đồng muối chất lượng cao, bao gồm Salar de Uyuni của Bolivia, Salar de Atacama của Chile và Salar de Arizaro của Argentina. Tính đến năm 2018, Tam giác Liti được ước tính chứa hơn 75% trữ lượng liti đã biết.

Các mỏ đá cứng

Kể ​​từ năm 2018, Cộng hòa Dân chủ Congo được biết đến là nơi có mỏ đá cứng spodumene liti lớn nhất thế giới. Mỏ nằm ở Manono, DRC, có thể chứa tới 1,5 tỷ tấn đá cứng spodumene liti .

Hai pegmatite lớn nhất (được gọi là Pegmatite Carriere de l’Este và Pegmatite Roche Dure) đều có kích thước tương đương hoặc lớn hơn Pegmatite Greenbushes nổi tiếng ở Tây Úc. Do đó, Cộng hòa Dân chủ Congo được kỳ vọng sẽ là nhà cung cấp liti đáng kể cho thế giới với hàm lượng cao và tạp chất thấp.

Các nguồn liti khác

Một nguồn liti tiềm năng khác tính đến năm 2012 đã được xác định là nước rỉ rác từ các giếng địa nhiệt, được đưa lên bề mặt. Việc thu hồi loại liti này đã được chứng minh tại hiện trường; liti được tách ra bằng phương pháp lọc đơn giản. Trữ lượng hạn chế hơn so với trữ lượng trong các bể chứa nước muối và đá cứng.

Giá Liti

Năm 1998, giá kim loại liti vào khoảng 95 USD/kg (hoặc 43 USD/lb).

Sau cuộc khủng hoảng tài chính năm 2008, các nhà cung cấp lớn như Sociedad Química y Minera (SQM), đã giảm giá liti carbonate 20%.

Một bài báo trên tờ Business Week năm 2012 dự đoán rằng mức tiêu thụ liti toàn cầu có thể tăng lên 300.000 tấn mỗi năm vào năm 2020, từ khoảng 150.000 tấn vào năm 2012, để đáp ứng nhu cầu về pin liti khi đó đang tăng trưởng khoảng 25% mỗi năm, vượt xa mức tăng trưởng chung từ 4% đến 5% vào cuối những năm 2000 trong sản xuất liti.

Dịch vụ thông tin giá cả ISE – Viện Nguyên tố Đất hiếm và Kim loại Chiến lược – đưa ra mức giá ổn định theo kilo cho các hợp chất liti khác nhau trong khoảng thời gian trung bình từ tháng 3 đến tháng 8 năm 2022 như sau:

• Liti carbonate, độ tinh khiết 99,5%, từ nhiều nhà sản xuất khác nhau, dao động từ 63 đến 72 EUR/kg.
• Liti hydroxide monohydrate LiOH 56,5%, Trung Quốc, ở mức 66 đến 72 EUR/kg; giao hàng tại Hàn Quốc – 73 EUR/kg.
• Liti metal 99,9%, giao hàng tại Trung Quốc – 42 EUR/kg.

Vấn đề về khai thác liti

Liti và các hợp chất của nó trước đây được phân lập và chiết xuất từ ​​đá cứng. Tuy nhiên, đến những năm 1990, các suối khoáng, hồ nước muối và các mỏ nước muối đã trở thành nguồn cung cấp chính. Hầu hết các nguồn này nằm ở Chile, Argentina và Bolivia và liti được chiết xuất từ ​​nước muối bằng các quy trình bay hơi. Các mỏ đất sét liti lớn đang được phát triển tại miệng núi lửa McDermitt (Nevada, Hoa Kỳ) cần axit sulfuric đậm đặc để tách liti khỏi quặng đất sét.

Các vấn đề môi trường

Các quy trình sản xuất liti, bao gồm dung môi và chất thải khai thác của các quy trình khai thác cụ thể, có thể gây ra nguy cơ cho môi trường và sức khỏe.

Việc khai thác liti kém chất lượng có thể gây chết cho sinh vật thủy sinh do ô nhiễm nước.

Quá trình bay hơi nước muối bề mặt được biết là gây ô nhiễm nước mặt, ô nhiễm nước uống, các vấn đề về hô hấp, suy thoái hệ sinh thái và thiệt hại cảnh quan, đồng thời có thể dẫn đến việc tiêu thụ nước không bền vững ở các vùng khô cằn (1,9 triệu lít trên một tấn liti), chẳng hạn như ở tây bắc Argentina.

Việc tạo ra một lượng lớn sản phẩm phụ từ quá trình khai thác liti bề mặt bốc hơi cũng đặt ra những vấn đề chưa được giải quyết, chẳng hạn như lượng lớn magiê và chất thải vôi.

Các vấn đề về nhân quyền

Báo cáo về các công ty khai thác liti và người dân bản địa ở Argentina cho thấy nhà nước không phải lúc nào cũng bảo vệ quyền được tự do đồng ý trước và có thông tin đầy đủ của người dân bản địa, và các công ty khai thác thường kiểm soát quyền tiếp cận thông tin của cộng đồng và đặt ra các điều khoản để thảo luận về các dự án và chia sẻ lợi ích.

Việc khai thác nước muối giàu liti ở Salar de Atacama ở Chile đã dẫn đến xung đột về sử dụng nước với cộng đồng địa phương.

Người dân bản địa địa phương ở Likan Antay có truyền thống vừa phản đối việc khai thác liti vừa đàm phán để chia sẻ lợi ích với các công ty liti.

Các cuộc đàm phán diễn ra trong khuôn khổ Công ước về Người dân Bản địa và Bộ lạc mà Chile đã ký kết vào năm 2008.

Ứng dụng của Lithium

• Pin: Năm 2021, hầu hết liti được sử dụng để sản xuất pin lithium-ion cho ô tô điện và thiết bị di động.
• Gốm sứ và thủy tinh: Liti oxit được sử dụng rộng rãi làm chất trợ dung để xử lý silica, làm giảm điểm nóng chảy và độ nhớt của vật liệu, tạo ra các loại men có tính chất vật lý được cải thiện, bao gồm hệ số giãn nở nhiệt thấp.
• Điện và điện tử: Cuối thế kỷ 20, liti trở thành một thành phần quan trọng của chất điện phân và điện cực pin, nhờ điện thế điện cực cao. Do khối lượng nguyên tử thấp, liti có tỷ lệ điện tích và công suất trên trọng lượng cao. Một pin lithium-ion thông thường có thể tạo ra khoảng 3 vôn mỗi cell, so với 2,1 vôn của pin axit chì và 1,5 vôn của pin kẽm-cacbon.
• Mỡ bôi trơn: Ứng dụng phổ biến thứ ba của liti là trong mỡ bôi trơn. Liti hydroxide là một bazơ mạnh, và khi đun nóng với chất béo, nó tạo ra xà phòng.
• Luyện kim: Liti (ví dụ như liti carbonate) được sử dụng làm chất phụ gia cho xỉ trợ dung khuôn đúc liên tục, giúp tăng độ chảy.
• Các hợp chất liti cũng được sử dụng làm chất phụ gia (trợ dung) cho cát đúc để đúc gang nhằm giảm hiện tượng tạo gân.
• Hàn nano silic: Liti đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc hỗ trợ hoàn thiện các mối hàn nano silic trong các linh kiện điện tử cho pin điện và các thiết bị khác.
• Pháo hoa: Các hợp chất liti được sử dụng làm chất tạo màu và chất oxy hóa pháo hoa trong pháo hoa đỏ và pháo sáng.
• Làm sạch không khí: Liti clorua và liti bromide có tính hút ẩm và được sử dụng làm chất hút ẩm cho các dòng khí. Liti hydroxide và liti peroxide là các muối được sử dụng phổ biến nhất trong các khu vực hạn chế, chẳng hạn như trên tàu vũ trụ và tàu ngầm, để loại bỏ carbon dioxide và làm sạch không khí.
• Quang học: Liti florua, được tạo ra nhân tạo dưới dạng tinh thể, trong suốt và thường được sử dụng trong quang học chuyên dụng cho các ứng dụng IR, UV và VUV (UV chân không).
• Hóa học hữu cơ và polyme: Các hợp chất organolithium được sử dụng rộng rãi trong sản xuất polyme và hóa chất tinh khiết.
• Quân sự: Kim loại Liti và các hydride phức tạp của nó, chẳng hạn như liti nhôm hydride (LiAlH4), được sử dụng làm phụ gia năng lượng cao cho nhiên liệu tên lửa. LiAlH4 cũng có thể được sử dụng riêng lẻ làm nhiên liệu rắn.
• Hạt nhân: Liti-6 được coi là nguồn nguyên liệu quý giá để sản xuất tritium và là chất hấp thụ neutron trong phản ứng tổng hợp hạt nhân. Liti tự nhiên chứa khoảng 7,5% liti-6, từ đó một lượng lớn liti-6 đã được sản xuất bằng phương pháp tách đồng vị để sử dụng trong vũ khí hạt nhân. Liti-7 được quan tâm sử dụng trong chất làm mát lò phản ứng hạt nhân.
• Y học: Liti hữu ích trong điều trị rối loạn lưỡng cực. Muối liti cũng có thể hữu ích cho các chẩn đoán liên quan, chẳng hạn như rối loạn tâm thần phân liệt và rối loạn trầm cảm nặng theo chu kỳ. Thành phần hoạt động của các muối này là ion liti Li+. Liti có thể làm tăng nguy cơ mắc dị tật tim Ebstein ở trẻ sơ sinh có mẹ sử dụng liti trong ba tháng đầu thai kỳ.

Thận trọng khi sử dụng Lithium

Kim loại liti có tính ăn mòn và cần được xử lý đặc biệt để tránh tiếp xúc với da.

Hít phải bụi liti hoặc các hợp chất liti (thường có tính kiềm) ban đầu gây kích ứng mũi và họng, trong khi phơi nhiễm ở nồng độ cao hơn có thể gây tích tụ dịch trong phổi, dẫn đến phù phổi.

Bản thân kim loại này là một mối nguy hiểm khi xử lý vì tiếp xúc với độ ẩm sẽ tạo ra liti hydroxide có tính ăn mòn.