Vật lý

Giống như các kim loại kiềm khác, liti có một electron hóa trị nên nó dễ dàng cho đi electron này để tạo thành cation.[8] Do đó, đây là một chất bán dẫn nhiệt và điện tốt đồng thời cũng là một chất phản ứng mạnh. Liti có khả năng phản ứng thấp hơn so với các kim loại kiềm khác do electron hóa trị gần với hạt nhân (hai electron còn lại trong orbitan s của liti có mức năng lượng thấp hơn, và do đó nó không tham gia tạo các liên kết hóa học).[8]

Kim loại liti đủ mềm để có thể cắt bằng dao. Vết cắt tươi có màu trắng bạc và đổi thành xám nhanh do sự oxy hóa tạo thành liti ôxít.[8] Liti là một trong số các kim loại có điểm nóng chảy thấp nhất (180 °C), nhưng nó lại là kim loại có điểm sôi và nóng chảy cao nhất so với các kim loại kiềm.[9]

Liti có tỉ trọng rất thấp đạt 0,534 g/cm3, tương tương với gỗ thông. Nó có mật độ thấp nhất so với các nguyên tố ở dạng rắn trong điều kiện nhiệt độ phòng, nguyên tố rắn xếp sau nó (kali có tỉ trọng 0,862 g/cm3) có mật độ lớn hơn nó 60%. Thêm vào đó, ngoài heli và hydro, nó có mật độ nhỏ hơn bất kỳ nguyên tố ở dạng lỏng nào, nó chỉ bằng 2/3 so với nitơ lỏng (0,808 g/cm3).[10] Liti có thể nổi trên các hydrocacbon nhẹ và là một trong 3 kim loại có thể nổi trên nước, hai kim loại còn lại là natri và kali.

Hệ số giãn nở nhiệt của Liti lớn gấp đôi so với nhôm và gần 4 lần của sắt.[11] Liti là một chất siêu dẫn ở dưới 400 μK trong điều kiện áp suất tiêu chuẩn[12] và ở nhiệt độ cao hơn (trên 9 K) ở áp suất rất cao (>20 GPa).[13] Ở nhiệt độ dưới 70 K, liti, giống như natri, trải qua sự chuyển pha không khuếch tán. Ở 4,2 K liti có cấu trúc tinh thể trực thoi; ở nhiệt độ cao hơn nó chuyển sang cấu trúc lập phương tâm diện và sau đó là lập phương tâm khối. Ở nhiệt độ heli lỏng (4 K) cấu trúc thoi là dạng thường gặp nhất.[14] Nhiều dạng thù hình của liti đã được quan sát ở áp suất cao.[15]

Liti có nhiệt dung riêng đạt 3,58 kJ/kgK, là giá trị cao nhất trong tất cả các chất rắn.[16][17] Do vậy, kim loại liti thường được dùng làm chất làm mát trong các ứng dụng truyền tải nhiệt.[16]

Hóa học và hợp chất

Liti dễ phản ứng với nước nhưng tạo năng lượng ít hơn so với các kim loại kiềm khác. Phản ứng tạo ra khí hydro và liti hydroxit trong dung dịch.[8] Do phản ứng với nước nên liti thường được lưu trữ trong bằng cách ngâm trong hydrocacbon, thường là dầu. Mặc dù các kim loại kiềm nặng hơn có thể được trữ trong các chất nặng hơn, như dầu khoáng, liti thì không đủ nặng để chìm trong các chất lỏng như thế.[18] Trong không khí ẩm, liti nhanh chóng bị xỉn do tạo thành một lớp liti hydroxit (LiOH và LiOH·H2O) màu đen phủ bên ngoài, liti nitrua (Li3N) và liti cacbonat (Li2CO3, đây đều là các sản của phản ứng thứ cấp giữa LiOH và CO2).[19]

Khi đốt bằng ngọn lửa, các hợp chất của liti tạo ra một màu đỏ thẫm, nhưng khi cháy mạnh nó cho ra màu bạc sáng. Liti bắt lửa và bốc cháy trong ôxy khi tiếp xúc với nước hoặc hơi nước.[20] Liti là một chất dễ cháy, và nó có thể nổ khi tiếp xúc với không khí và đặc biệt là với nước, mặc dù nó ít xảy ra so với các kim loại kiềm khác. Phản ứng liti-nước ở nhiệt độ thường thì nhanh nhưng không mãnh liệt, vì hydro được tạo ra sẽ không tự cháy. Giống như tất cả kim loại kiềm, các đám cháy liti rất khó dập tắt, nó cần các bột chữa cháy phải khô (loại nhóm D). Liti là kim loại duy nhất phản ứng với nitơ ở nhiệt độ thường.[21][22]

Liti có quan hệ chéo với magiê, một nguyên tố có cùng bán kính ion và nguyên tử. Sự tương đồng giữa hai kim loại như tạo thành các hơp chất nitrua khi phản ứng với N2, sự hình thành liti ôxít (Li2O) và perôxít (Li2O2) khi cháy trong O2, các muối có tính tan tương tự, và khả năng kém bền nhiệt của các hợp chất cacbonat và nitrua của chúng.[19][23] Kim loại liti phản ứng với khí hydro ở nhiệt độ cao tạo ra liti hydrua (LiH).[24]

Các hợp chất hai cấu tử khác như halua (LiF, LiCl, LiBr, LiI) và sulfua (Li2S), superoxit (LiO2), cacbua (Li2C2). Các hợp chất vô cơ khác cũng tồn tại khi liti kết hợp với các anion để tạo thành nhiều muối khác nhau như Liti borat, Liti amua, Liti cacbonat, Liti nitrat, hay bohydrua (LiBH4). Liti nhôm hydrua (LiAlH4) được sử dụng phổ biến làm chất khử trong phản ứng tổng hợp hữu cơ.

Nhiều chất vô cơ của liti được biết ở dạng liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử cacbon và liti tạo ra carbanion. Đây là những chất bazơ và ái lực hạt nhân cacbon mạnh. Trong nhiều hợp chất liti hữu cơ này, các ion liti có khuynh hướng tập hợp thành các ô mạng có tính tự đối xứng cao, đây là trường hợp khá phổ biến đối với các kim loại kiềm.[25] LiHe, là một chất van der Waals tương tác yếu, đã được phát hiện ở nhiệt độ rất thấp.[26]

Liti cũng được phát hiện thể hiện từ tính ở dạng khí trong các điều kiện nhất định.[27]

Đồng vị

Liti trong tự nhiên là hỗn hợp của 2 đồng vị ổn định 6Li và 7Li với 7Li là phổ biến nhất (92,5% trong tự nhiên).[8][18][28] Cả hai đồng 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, tức các nguyên tố nhẹ ổn định, liti có thể sinh năng lượng qua phản ứng phân hạch hạt nhân. Hai hạt nhân có năng lượng liên kết thấp hơn trên mỗi hạt nhân so với các hạt nhân ổn định khác là deuterium và heli-3.[29] Do đó, mặc dù khối lượng nguyên tử nhẹ, liti ít phổ biến trong hệ mặt trời so với 25 trong 30 nguyên tố hóa học đầu tiên.[4] Nó có 7 đồng vị phóng xạ đã biết với ổn định nhất là 8Li có chu kỳ bán rã 838 ms 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, bị phân rã theo bức xạ proton và có chu kỳ bán rã 7,6x10−23 s.[30]

Liti-7 là một trong những nguyên tố nguyên thủy (sản xuất trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân của Vụ nổ lớn Big Bang). Một lượng nhỏ của 2 đồng vị 6Li và 7Li được tạo ra trong các sao, nhưng chúng được cho là bị đốt nhanh hơn tốc độ chúng được tạo ra.[31] Một lượng khác liti bao gồm các đồng vị 6Li and 7Li có thể được tạo ra từ gió mặt trời, các tia vũ trụ va vào các nguyên tử nặng hơn, và từ thời kỳ đầu của hệ mặt trời 7Be và 10Be phân rã phóng xạ.[32] Trong khi liti được tạo ra trong các sao qua sự tổng hợp hạt nhân sao, sau đó nó bị đốt cháy. 7Li cũng có thể được tạo ra trong các sao cacbon.[33]

Tỉ lệ các đồng vị liti ổn định đáng kể trong nhiều quá trình tự nhiên,[34] bao gồm sự thành tạo các khoáng vật (sự kết tủa hóa học), trao đổi chất, và trao đổi ion. Các đồng vị của liti phân chia trong một loạt các quá trình tự nhiên, bao gồm cả việc hình thành khoáng chất (kết tủa hóa học), thủy phân, trao đổi ion (Liti thay thế cho for magiê và sắt trong các cấu trúc bát giác của đất sét, trong đó Li-6 là có ưu thế hơn Li-7), trong các quá trình siêu lọc cũng như sự biến đổi đá. 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 tác các hạt nhân liti.[35]

Sản xuất vũ khí hạt nhân và các ứng dụng vật lý hạt nhân khác chiếm tỷ lệ sử dụng liti nhân tạo chính, với đồng vị nhẹ 6Li được lưu giữ trong công nghiệp và quân sự có sự thau đổi nhỏ nhưng có thể đo đạc được những thay đổi của tỉ lệ 6Li so với 7Li thậm chí trong các nguồn tự nhiên như sông suối. Điều này dẫn đến một điều không chắc chắn bất bình thường trong việc chuẩn hóa khối lượng hạt nhân liti, vì đại lượng này phụ thuộc vào tỉ lệ có mặt trong tự nhiên của các đồng vị liti bền, cũng do chúng là các nguồn khoáng sản liti thương mại.[36]