Химики научились активировать литий в лаборатории

Американские химики научились получать металлический литий в форме тонких кристаллических образований, которые ученые назвали дендритами. Оказалось, что литий в такой форме быстро вступает в реакции с органическими веществами, а сам процесс получения литиевых дендритов не требует сложного оборудования. Ознакомиться с исследованием можно по препринту на ChemRxiv.org.

Обновлено: в августе 2022 года результаты исследования опубликовали в журнале Journal of the American Chemical Society.

Большинство металлов постепенно окисляются на воздухе, и на их поверхности возникает пленка из соединений с кислородом, водой и углекислым газом. Из-за этого металлы становятся менее активными в химических реакциях, и химикам приходится активировать их — например, действовать на поверхность металла кислотой или изначально получать образцы металла с большой площадью поверхности. Но проблема в том, что не для всех металлов способы активации хорошо изучены.

В частности, важный для синтеза органических соединений металл литий активировать в лаборатории непросто. Он окисляется на воздухе, причем в отличие от других щелочных металлов, еще и быстро реагирует с азотом, образуя нитрид. Для промышленных процессов литий активируют, получая из него литиевую пыль. Но этот метод активации не подходит для лаборатории — химики не хотят иметь дело с приготовлением дисперсии расплавленного лития в минеральном масле. И поэтому ученые ищут способы технически простой лабораторной активации лития.

Химики под руководством Энди Томаса (Andy Thomas) из Техасского университета A&M решили попробовать активировать литий с помощью жидкого аммиака. Им было известно, что в жидком аммиаке литий теряет электрон с внешнего электронного уровня и существует в виде катиона, и химики подумали, что при упаривании аммиака литий получит свои электроны обратно и выделится из раствора в активированной форме.

Для проверки гипотезы химики приготовили раствор 0,5 грамма лития в 13 миллилитрах жидкого аммиака при −78 градусах Цельсия. Причем за счет присутствия сольватированных электронов цвет раствора был ярко-бронзовым. Ученые отогрели этот раствор до комнатной температуры, а аммиак постепенно упарили. В процессе упаривания на стенках сосуда появились протяженные образования из металлического лития, которые химики назвали литиевыми дендритами.

Далее ученые исследовали литиевые дендриты с помощью сканирующей электронной микроскопии. Оказалось, что они представляют собой мелкие кристаллы лития с большим количеством дефектов. А площадь поверхности дендритов составила 115000 квадратных сантиметров на грамм металла — примерно в 100 раз больше аналогичного значения для литиевой пыли, которую используют в промышленности.

Затем ученые исследовали скорости и выходы реакций литиевых дендритов с органическими галогенидами, в результате которых образуются литийорганические соединения. Выяснилось, что литиевые дендриты вступают в эти реакции быстрее, чем литиевая пыль, а выход процессов практически не меняется при увеличении загрузок реактивов.

Так химики разработали метод активации лития в лаборатории, не требующий сложных манипуляций с расплавленным металлом. Они надеются, что новый метод будут применять и в других реакциях, требующих лития в активированной форме.

Хотя литий часто применяют для проведения органических реакций, самая известная область его применения — производство литий-ионных аккумуляторов. О том, как они устроены, можно прочитать в нашем материале «Заряженный «Нобель».