الكشف عن الليثيوم

بشكل عام، تعطي أملاح الليثيوم عند تعريضها للهب لوناً أحمر قرمزي، ولكن عند حرقها بالكامل فإن اللهب يصبح ذو لون فضي. تستخدم هذه الخاصة في اختبار اللهب للكشف عن الليثيوم. تقع الخطوط الطيفية الرئيسية المميزة لليثيوم عند طول موجة مقداره 670.776 و 670.791 نانومتر، في حين أن بعض الخطوط الطيفية الصغيرة تقع عند 610.3 نانومتر. تستخدم هذه البيانات لتحليل الليثيوم باستخدام القياس الضوئي.
من الصعب الكشف عن الليثيوم بشكل كمّي باستخدام طرق التحليل الكيميائي التقليدية الرطبة، حيث أن معظم أملاح الليثيوم سهلة الانحلال. إحدى الوسائل للقيام بذلك هو إجراء عملية ترسيب لملح فوسفات الليثيوم، وذلك من خلال إضافة فوسفات ثنائي الصوديوم Na2HPO4 في وسط قلوي من محلول هيدروكسيد الصوديوم إلى العينة المراد تحليلها. بإجراء عملية تسخين يترسب ملح أبيض من فوسفات الليثيوم في حال وجود أيونات +Li حسب المعادلة:
المركبات

إن الليثيوم مركب نشط كيميائياً ويشكل العديد من المركبات الكيميائية مع اللا فلزات حيث يكون له دائماً حالة الأكسدة +I. لهذه المركبات غالباً صفة أيونية، ولكن توجد هنالك صفة تساهمية للرابطة في بعض مركبات الليثيوم الأخرى وذلك على العكس من باقي الفلزات القلوية. فلذلك وعلى العكس من أملاح الصوديوم أو البوتاسيوم الموافقة، فإن العديد من أملاح الليثيوم تنحل بشكل جيد في المذيبات العضوية مثل الأسيتون أو الإيثانول.
يشكّل الليثيوم الهاليدات الموافقة: فلوريد LiF وكلوريد LiCl وبروميد LiBr ويوديد الليثيوم LiI. بالإضافة إلى ذلك، يشكّل الليثيوم العديد من المركبات اللاعضوية مثل الكبريتيد (Li2S) والأكسيد الفائق (LiO2) والكربيد (Li2C2). من مركبات الليثيوم الأخرى البورات Li2B4O7 والأميد LiNH2 والكربونات Li2CO3 والنترات LiNO3. عند درجات حرارة مرتفعة يتفاعل الهيدروجين والليثيوم ليشكل الهيدريدات البسيطة مثل هيدريد الليثيوم LiH، والمعقدة مثل البورهيدريد LiBH4 وهيدريد ألومنيوم الليثيوم LiAlH4. إن صابون الليثيوم هو عبارة عن ملح الليثيوم للأحماض الدهنية وله استخدامات في التشحيم.
بالمقابل، يشكّل الليثيوم عدة مركبات فلزية عضوية تكون الرابطة فيها بين الليثيوم والكربون عبارة عن رابطة تساهمية مستقطبة بحيث يحصل فيها على كربانيون. تكون المركبات الناتجة عبارة عن كواشف كيميائية ذات صفات قاعدية ومحبة للنواة قوية. يميل أيون الليثيوم في هذه المركبات العضوية إلى التجمع على شكل عناقيد وتكتلات ذات تناظر عال، والتي هي صفة في الكاتيونات القلوية.[79] من مركبات الليثيوم العضوية المعروفة هناك ن-بوتيل الليثيوم ورابعي بوتيل الليثيوم وميثيل الليثيوم بالإضافة إلى فينيل الليثيوم. تعد أميدات الليثيوم من النمط LiNR2 طائفة أخرى من مركبات الليثيوم العضوية، يعرف منها ثنائي إيزوبروبيل أميد الليثيوم (LDA) ومضاعف (ثلاثي ميثيل سيليل) أميد الليثيوم (LHMDS).
النظائر

لتفاصيل أكثر عن هذا الموضوع، انظر نظائر الليثيوم.
يتوافر الليثيوم طبيعياً على شكل نظيرين مستقرين وهما ليثيوم-6 6Li وليثيوم-7 7Li، علماً أن النظير ليثيوم-7 هو الأكثر من الوفرة الطبيعية (92.5%).[8][11][80] إن كلا النظيرين الطبيعيين لديهما طاقة ارتباط نووية منخفضة لكل نوية مقارنة مع العنصرين المجاورين الأخف والأثقل، الهيدروجين والبيريليوم، مما يعني أن الليثيوم هو الوحيد من بين العناصر الخفيفة المستقرة الذي يمكن أن يعطي طاقة صافية نتيجة الاندماج النووي.
هنالك سبعة نظائر مشعة لليثيوم، أكثرها ثباتاً هو النظير ليثيوم-8 8Li، والذي له عمر نصف مقداره 838 ميلي ثانية وليثيوم-9 9Li بعمر نصف 178 ميلي ثانية. إن باقي النظائر المشعة لها أعمار نصف أقل من 8.6 ميلي ثانية، أقلها هو النظير ليثيوم-4 4Li والذي عمر النصف له يبلغ 7.6 × 10−23 ثانية.[81]
يعد النظير ليثيوم-7 7Li إحدى النويدات الأولية التي تشكّلت في تخليق الانفجار العظيم النووي. تنتج كميات صغيرة من النظيرين ليثيوم-6 وليثيوم-7 في النجوم، لكنها تستهلك في عملية تدعى احتراق الليثيوم فور إنتاجها.[82] تنتج كميات صغيرة أخرى من النظيرين ليثيوم-6 وليثيوم-7 من أثر الرياح الشمسية والأشعة الكونية على العناصر الأثقل، ومن الاضمحلال الإشعاعي لنوى نظيري البيريليوم بيريليوم-7 7Be وبيريليوم-10 10Be.[83] ينتج النظير ليثيوم-7 7Li أيضاً في النجوم الكربونية.[84]
يتجزأ نظيري الليثيوم الطبيعيين تدريجياً من خلال عدة عمليات طبيعية،[85] من ضمنها تشكل المعادن (ترسيب كيميائي) والاستقلاب والتبادل الأيوني. تحل أيونات الليثيوم محل أيونات المغنيسيوم والحديد في معادن الغضار التي لها بنية ثمانية السطوح، حيث تفضّل نوى ليثيوم-6 6Li على ليثيوم-7 7Li، مما يؤدي إلى تخصيب النظير الأخف في هذه المعادن وفي االصخور التي تحويها.
كان إنتاج الأسلحة النووية أحد المصادر الرئيسية لعملية تجزأة النظائر الاصطناعية، حيث كان يحتفظ بالنظير الأخف ليثيوم-6 لتطبيقات صناعية وعسكرية إلى حد أثّر على نسبة التوزع الطبيعية بين النظيرين 6Li إلى 7Li. أدت هذه الظاهرة إلى حدوث عدم يقين في تقييس الوزن الذري لليثيوم، حيث أن قيمة الوزن الذري تعتمد على التوزع الطبيعي للنظائر في مصادر الليثيوم المعدنية المتوفرة تجارياً.[18]
ينتج نظير الليثيوم 7Li يكميات صغيرة في المحطات النووية من تفاعل النظير بورون-10 10B مع النيوترونات [86] حسب التفاعل النووي:
إن النظير ليثيوم-7 عيارة عن بوزون،[87] في حين أن النظير ليثيوم-6 عبارة عن فرميون. جرى مؤخراً التوصل إلى تحضير جزيئات من النظير ليثيوم-6 في حالة الميوعة الفائقة.[88]
يمكن فصل نظائر الليثيوم عن بعضها باستخدام تقنية فصل النظائر بليزر البخار الذري.[89]
الاستخدامات


تقديرات مجالات استخدام الليثيوم عام 2011.[90] الزجاج والخزف (29%)
صناعة البطاريات (27%)
شحوم التزليق (12%)
السباكة المستمرة (5%)
معالجة الهواء (4%)
صناعة البوليميرات (3%)
إنتاج الألومنيوم (2%)
إنتاج الأدوية (2%)
استخدامات أخرى (16%)



الزجاج والخزف

يستخدم أكسيد الليثيوم بشكل واسع في مجال التعدين كمادة دافقة من أجل معالجة السيليكا، حيث تعمل على تخفيض درجة الانصهار ولزوجة المواد الداخلة في العملية، كما تؤدي إلى تزجيج الخزف بخصائص فيزيائية محسّنة، من ضمنها انخفاض قيمة معامل التمدد الحراري. يعد هذا التطبيق من أكبر استخدامات مركبات الليثيوم.[90] يستخدم مركب كربونات الليثيوم كمادة أولية لهذا التطبيق، حيث أنه يعطي أكسيد الليثيوم إبّان التسخين.[91]
الإلكترونيات


بطارية الليثيوم


في مجال الإلكترونيات جرى مؤخراً استخدام الليثيوم بشكل كبير في صناعة البطاريات وذلك إما بدخوله في تركيب المحاليل الكهرلية أو في المساري، وذلك لكون قيمة كمون المسرى ونسبة الطاقة إلى الوزن بالنسبة لليثيوم مرتفعة. على سبيل المثال، فإن بطارية ليثيوم-أيون يمكن أن تولّد حوالي 3 فولت لكل خلية، مقابل 2.1 فولت لبطارية الرصاص أو 1.5 فولت لبطارية زنك-كربون. إن بطارية ليثيوم-أيون هي بطاريات قابلة لإعادة الشحن وذات كثافة طاقة عالية، في حين أن بطارية الليثيوم بشكل عام هي بطاريات تستخدم لمرة واحدة يكون فيها الليثيوم أو أحد مركباته كمصعد.[92][93] من بطاريات الليثيوم التي يمكن إعادة شحنها بطارية ليثيوم بوليمر وبطارية ليثيوم-فوسفات الحديد.
شحوم التزليق

من الاستعمالات التي يدخل الليثيوم فيها هو استخدامه في تركيب شحوم التزليق. إن هيدروكسيد الليثيوم عبارة عن قاعدة قوية، عندما تسخّن مع دهن يحدث تفاعل تصبّن ونحصل على صابون الليثيوم. لهذا الصابون خاصيّة تثخين الزيوت، ولذلك يستخدم في تصنيع شحوم التزليق.[53][94][95]
التعدين

يستخدم الليثيوم في مجال التعدين كمادة دافقة من أجل اللحام العادي وبالقصدير. كما يدخل في صناعة الخزف والمينا المزجج والزجاج. إن سبائك فلز الليثيوم مع الألومنيوم والكادميوم والنحاس والمنغنيز تستخدم في صناعة أجزاء الطائرات.[96]
العلاج الطبي

يعد العلاج بالليثيوم أحد الوسائل لمعالجة مرض الاضطراب ثنائي القطب.[97] كما أن أملاح الليثيوم مثل كربونات الليثيوم تستخدم من أجل علاج الاضطراب الفصامي العاطفي والاضطراب الاكتئابي، حيث أن أيون الليثيوم +Li هو القسم الفعّال في هذه الأملاح.[97] تجدر الإشارة أنه على النساء الحوامل تجنب استخدام هذه الأملاح في العلاج إذ وجد لها علاقة في حدوث تشوهات قلبية للجنين.[98]
تجري الأبحاث حول استخدام الليثيوم كأحد الوسائل لعلاج الصداع العنقودي.[99]
تطبيقات نووية

يستخدم النظير ليثيوم-6 كمصدر لإنتاج التريتيوم وكمادة من أجل اصطياد النيوترون في الاندماج النووي. يحوي الليثيوم الطبيعي على 7.5% من النظير ليثيوم-6، والذي أنتجت كميات كبيرة منه باستخدام تقنية فصل النظائر من أجل الاستخدام في صناعة الأسلحة النووية.[100] بالمقابل، فإن النظير ليثيوم-7 له أهمية لاستخدامه كمادة تبريد في المفاعلات النووية.[101]

استخدم ديوتيريد الليثيوم كوقود في اختبار القنبلة الهيدروجية الأمريكية والتي رمزت باسم Castle Bravo.


استخدم دويتيريد الليثيوم (LiD، وهو مركب يحل فيه الديوتيريوم مكان الهيدروحين في هيدريد الليثيوم) كوقود في النسخ الأولى من القنبلة الهيدروجينية. عند قذف الليثيوم بالنيوترونات فإن كل من النظيرين 6Li و 7Li ينتجان التريتيوم، والذي يتحد مع الديوتيريوم في تفاعل اندماج نووي. لا يزال الليثيوم-6 له تطبيقات في مجال الأسلحة النووية.[102]
يدرس مستقبلاً إمكانية استخدام الليثيوم لإنتاج التريتيوم من أجل توليد الطاقة بالاندماج وذلك في مفاعلات الاندماج بالحصر المغناطيسي. ينتج التريتيوم من تفاعل النيوترونات الموجودة في البلازما مع غطاء المفاعل الحاوي على الليثيوم حسب التفاعل:
كما يستخدم الليثيوم كمصدر لجسيمات ألفا، وذلك من قذف نوى النظير ليثيوم-7 7Li بالبروتونات المسرّعة، حيث يتشكل بيريليوم-8 8Be والذي بخضع بدوره إلى تفاعل انشطار ليعطي جسيمتي ألفا. كان هذا التفاعل من أوائل التفاعلات النووية المحضرة اصطناعياً، والتي جرى تحضيرها لأول مرة عام 1932 من قبل جون كوكروفت وإيرنست والتون.[103][104]
يدخل مركب فلوريد الليثيوم عندما يخصّب بالنظير ليثيوم-7 في تركيب المزيج الفلوريدي الملحي LiF-BeF2 وذلك مع فلوريد البيريليوم، والمستخدم في مفاعلات الملح المنصهر. يعود اختيار فلوريد الليثيوم إلى الثباتية العالية للمركب، ولكون المزيج LiF-BeF2 ذو نقطة انصهار منخفضة. بالإضافة إلى ذلك، فإن كل من 7Li و Be و F تعد من النويدات التي لها مقطع نيوتروني منخفض بحيث أنها لا تؤثر على تفاعل الانشطار داخل المفاعل.[105]
تطبيقات كيميائية وصناعية مختلفة

في صناعة الألعاب النارية

نظراً للون القرمزي الذي يمنح الليثيوم للهب عند احتراقه، فإن مركبات الليثيوم تستخدم في صناعة الألعاب النارية والمواد المتوهجة.[53][106][107]
معالجة الهواء

إن كلوريد الليثيوم وبروميد الليثيوم عبارة عن مركبات شرهة للماء تسحب الماء من الوسط المحيط حولها، لذلك تستخدم كمجففات للتيارات الغازية.[53] تستخدم أملاح هيدروكسيد الليثيوم وفوق أكسيد الليثيوم في الأماكن المغلقة مثل المركبة الفضائية والغواصات من أجل إزالة غاز ثنائي أكسيد الكربون ولتتنقية الهواء. يمتص هيدروكسيد الليثيوم غاز CO2 من الهواء حيث تتشكل الكربونات. لا يقوم فوق أكسيد الليثيوم بامتصاص غاز ثنائي أكسيد الكربون فحسب، ولكنه يحرر غاز الأكسجين [108][109] حسب التفاعل:
تستخدم أملاح الليثيوم المذكورة بالإضافة إلى فوق كلورات الليثيوم في تركيب مولّدات الأكسجين التي تزوّد الغواصات بالأكسجين.[110]
البصريات

إن فلوريد الليثيوم، والذي يحضّر صناعياً على شكل بلورات، عبارة عن مادة شفافة صافية والتي تستخدم في صناعة المواد البصرية كالعدسات في أجهزة الأشعة تحت الحمراء وفوق البنفسجية. تتميز هذه المادة بأن قرينة الانكسار لها منخفضة، وأن لها أبعد مدى انتقال في مجال الأشعة فوق البنفسجية.[111] يدخل فلوريد الليثيوم أيضاً في تركيب عدسات المقاريب.[53][112]
يستخدم مسحوق فلوريد الليثيوم الناعم في مقياس الجرعة الحراري الضوئي (TLD)، حيث أنه تعرّض مادة للإشعاع تتراكم للعيوب البلورية، وعندما تسخّن البلورة فإن هذه العيوب تحل عن طريق إطلاق إشعاع ذو لون مزرق تكون شدته متناسبة مع جرعة الطاقة الممتصة، مما يمكّن من تعيينها كمّياً.[113]
إن الصفات اللاخطية العالية لمركب نيوبات الليثيوم تجعله مستخدماً في مجال البصريات اللاخطية، وذلك على شكل متذبذب بلوري في الهواتف المحمولة وفي المضمنات البصرية.
الكيمياء العضوية والبوليميرات


مركب ن-بوتيل الليثيوم، أحد مركبات الليثيوم العضوية.


إن مركبات الليثيوم العضوية، والتي تحضر من تفاعل فلز الليثيوم مع هاليدات الألكيل،[114] مستخدمة بكثرة في مجال صناعة البوليميرات وفي اصطناع المركيات العضوية المعقدة. في صناعة البوليميرات تستخدم مركبات ألكيل الليثيوم كحفازات وكبادئات جذرية.[115] كما تستخدم في تفاعلات البلمرة بالإضافة الأنيونية للأوليفينات اليسيطة غير الحاوية على مجموعات وظيفية.[116][117][118]
في مجال اصطناع الكيمياويات المعقدة تستخدم مركبات الليثيوم العضوية كمركبات قاعدية قوية وككواشف من أجل تحضير روابط كربون-كربون.
تطبيقات عسكرية

يستخدم فلز الليثيوم ومركبات الهيدريد المعقدة مثل هيدريد ألومنيوم الليثيوم [Li[AlH4 كمواد ذات طاقة عالية تضاف إلى وقود الصواريخ.[11] كما يمكن لهيدريد الومنيوم الليثيوم أن يكون كوقود صلب.[119]
إن طربيد مارك-50 يعتمد على نظام الدفع بالطاقة الكيميائية المخزنة (SCEPS)، بحيث يوجد خزان صغير من سداسي فلوريد الكبريت والذي يرش على قطع من الليثيوم الصلب. إن التفاعل الناتج يولّد حرارة تنتج بخار والذي يدفع الطربيد وذلك في دورة رانكن مغلقة.[120]
احتياطات الأمان

إن استنشاق غبار الليثيوم أو مركباته (والتي غالباً ما تكون قلوية) يسبب تهييج في الأنف والحنجرة، وعند التعرض لتراكيز مرتفعة يمكن أن يؤدي ذلك إلى تشكل سائل في الرئة والذي يمكن أن ينتهي بحدوث وذمة الرئة. يجب الانتياه إلى عدم تعرض الجلد إلى الليثيوم الفلزي حيث أنه يشكل هيدروكسيد الليثيوم المخرّش عند التعرض للرطوبة، لذلك ينبغي حفظه في وسط من مادة غير فعالة مثل النافثا.[121]
عند درجات حرارة مرتفعة تتجاوز 190 °س فإن الليثيوم الفلزي يشكل الأكسيد عند التماس مع الهواء. في وسط من الأكسجين فإن الليثيوم يشتعل تلقائياً بدءاً من 100 °س. في وسط من النيتروجين يتفاعل الليثيوم أولاً عند درجات حرارة مرتفعة ليشكل النتريد. عند التماس مع مواد حاوية على الأكسجين أو الهالوجين فإن الليثيوم يمكن أن يتفاعل بشكل انفجاري.
في حال حدوث حرائق فإن الليثيوم يتفاعل مع مطفئات الحريق التقليدية مثل الماء أو ثنائي أكسيد الكربون أو النييتروجين وذلك بشكل ناشر للحرارة، لذلك ينبغي إطفاء حرائق الليثيوم باستخدام غازات خاملة مثل الأرغون أو بعض وسائل مكافحة حرائق الفلزات مثل الرمل أو الملح.