В прошлом сентябре не стало нашего большого друга, выдающегося (и тут это не штампованное слово) популяризатора химии, казанского химика Аркадия Курамшина. Он очень много писал, в том числе в свой блог. Мы хотим сохранить это наследие и снова напомнить о нем всем любителям химии. Поэтому мы будем (с разрешения семьи Аркадия) ежедневно переносить посты на наш портал. Итак — карбонат лития.
Еще со школы я помню, что литий и его соли окрашивают пламя в карминово-красный цвет, хотя в школе я и с трудом представлял, что это за цвет – «карминово-красный», и уже совсем не представлял, что при желании препарат одного из активных щелочных металлов можно купить в обычной аптеке, чтобы посмотреть на этот цвет своими глазами. Литий тогда казался химической экзотикой, смотрящей на нас с олимпиадных задачников, и мы, участники олимпиад, тогда не представляли, что он ближе, чем кажется, и мы имеем шансы пересечься с его соединениями, среди которых наиболее часто можно встретить карбонат лития Li2CO3.
Но начнем с цвета. Пожалуй, наиболее частым случаем из реальной жизни, связанным с применением характерной окраски пламени солями лития является случай, произошедший в молодости с американским физиком Робертов Вудом.
Осенью 1891 года Вуд приехал в университет Джонcа Хопкинса, намереваясь получить там степень доктора философии по химии. В университетском пансионе, где он жил, уже давно ходило страшное подозрение, что утреннее жаркое приготовляется из остатков вчерашнего обеда, собранных с тарелок. Так если во вторник на обед подавался бифштекс, то в среду на завтрак подавалось жаркое. Но как доказать такое обвинение? Вуд немного подумал, почесал в затылке и сказал: «Я думаю, что мне удастся это доказать при помощи бунзеновской горелки и спектроскопа».
Вуд знал, что хлорид лития совершенно безопасное вещество, похожее на обыкновенную поваренную соль, а также, что спектроскоп дает возможность открыть мельчайшие следы лития в любом материале, если его сжечь в бесцветном пламени – ионы лития дают хорошо известную красную спектральную линию или же карминово-красное окрашивание.
Когда студентам на обед был подан бифштекс, Вуд на своей тарелке оставил несколько больших обрезков мяса, посыпанных хлоридом лития. На следующее утро кусочки завтрака были спрятаны в карман, отнесены в лабораторию и сожжены перед щелью спектроскопа и появившаяся красная линия лития полностью подтвердила страшную догадку студентов и аспирантов.
Вернемся к карбонату лития. В отличие от карбонатов других щелочных металлов (соды – карбоната натрия и поташа – карбоната калия) карбонат лития плохо растворим в воде, и поэтому теоретически может накапливаться в природе в виде минерала. Минерал, основным компонентом которого является карбонат лития – забуелит был обнаружен в 1987 у озера Забуйе в Тибете, однако это скорее исключение – карбонат лития практически не встречается в природе.
К счастью, низкая растворимость карбоната лития облегчает его получение из растворимых солей лития, обычно того самого хлорида лития, который, в свою очередь, можно выделить из месторождений поваренной соли (ну любят хлориды щелочных металлов залегать в природе совместно – свойства у них общие). Особенно богаты хлоридом лития некоторые минеральные источники Южной Америки – Чили и Аргентины. Карбонат лития был впервые получен шведским химиком Йоханом Августом Арфведсоном (Johan August Arfwedson) в 1817 году вместе с другими полученными им соединениями лития.
Применение карбоната лития достаточно разнообразно, что необычно для вещества, которое хоть и замечательное, но не так, чтобы чрезвычайно известное. Карбонат лития можно найти в детекторах на диоксид углерода – в этих детекторах карбонат лития обеспечивает электрохимическую реакцию, протекающую на катоде в присутствии диоксида углерода. Естественно, карминово-красная окраска пламени обеспечивает карбонату лития постоянное место в пиротехнических составах, карбонат лития может применяться при изготовлении керамики и стекла.
Небольшие количества карбоната лития применяются в качестве флюсов для понижения температуры плавления оксида кремния, особенно часто эта особенность применяется при изготовлении стекла для жаропрочной посуды. В глазировке, которая обеспечивает цвет и блеск керамики, карбонат лития сам по себе не является красителем, но усиливает окраску других пигментов, в частности – оксида железа. Это разностороннее соединение также используется в клеевых композициях и цементах – там карбонат лития ускоряет отверждение композиций.
Несмотря на то, что анионом в литий-ионных аккумуляторах обычно является смешанный оксид лития-кобальта, а не карбонат, сырьем для получения электродов является карбонат лития. Процесс получения электрода заключается в перетирании карбонатов лития и кобальта при температуре 900°C в течение 60 часов.
Вместе с тем, наиболее частое и наиболее противоречивое применение карбоната лития заключается в том, что он представляет собой лекарственный препарат для лечения биполярных расстройств. Карбонат лития оказался в арсенале врачей не более, чем через 25 лет после открытия – первоначально его применяли для растворения камней в мочевом пузыре, затем в XIX веке его назначали для лечения головной боли, ревматизма и подагры. Помогал ли карбонат лития от этих хворей или нет – непонятно. В XIX веке врачи часто использовали новые соединения «от всего» – псевдонародная медицина под маской научности, при этом не забываем, что эффект плацебо работал и тогда.
Эффект плацебо или реальная польза от карбоната лития привели к тому, что он был запатентован как лекарство, а затем как компонент популярных напитков. Так, в 1929 был создан новый литийсодержащий напиток «Литиированная содовая с лимоном и лаймом». В этом напитке литий содержался до 1940 года, сейчас же этот напиток (уже без лития) известен нам как 7 Up.
В 1949 году американский психиатр Джон Каде обнаружил, что карбонат лития является эффективным препаратом для лечения заболевания, которое тогда называлось «маниакальной депрессией», а сейчас – «биполярным расстройством». Открытие произошло случайно – Каде предположил, что психическое расстройство связано с содержанием мочевой кислоты в моче, поэтому он использовал урат лития (соль мочевой кислоты и лития) для растворения мочевой кислоты и ее вывода из организма. Экспериментируя, Каде обнаружил, что ионов лития достаточно, чтобы успокоить человека, находящегося в состоянии маниакального психоза.
Эффект купирования приступов оказался серьезным, что позволило Каде предположить, что маниакальная депрессия вызывается недостатком лития в пище и предложил компенсировать недостаток лития с помощью карбоната лития. Вывод был неправильным, но на фоне того, что в те лихие годы большинство психических заболеваний лечилось с помощью лоботомии или электрошоковой терапии, возможность химиотерапии биполярного расстройства карбонатом лития рассматривалась родственниками больных, да и самими больными, как подарок судьбы.
К несчастью, лечение биполярного расстройства карбонатом лития не лишено опасностей, слишком высокий уровень лития в организме может вызывать смерть, и до того, как психиатрам удалось подобрать нужные дозировки для лечения биполярного расстройства, без смертей пациентов не обошлось. Из-за того, что литий взаимодействует с гормоном, помогающим почкам реадсорбировать воду из мочи, применение лития может вызывать серьезную дегидратацию организма. Лечение карбонатом лития также сопровождается такими побочными эффектами как насморк и головная боль. Увы, но шансы на получение эффективных препаратов без побочных эффектов из карбоната лития невелики – поскольку карбонат лития является встречающимся в природе соединением, его нельзя запатентовать, что, очевидно, не стимулирует фармацевтические компании вести исследования, направленные на повышение эффективности этого вещества.
В настоящее время известно, что причиной биполярного расстройства является не дефицит лития в диете, влияние карбоната лития сводится к тому, что ионы лития могут блокировать некоторые сигнальные системы в мозгу человека – именно те, которые перегружаются во время маниакальных приступов биполярного расстройства. Точный механизм действия на молекулярном уровне неизвестен, хотя и предполагается, что ионы лития мешают работе калий-натриевых насосов, позволяющих ионам проникать через мембраны клеток. Карбонат лития до сих пор применяется в качестве нормотимического средства (в наших широтах его выпускают под торговой маркой «Седалит» ), и, естественно, в наши дни за побочными эффектами и дозировкой препарат следят гораздо более тщательно, чем шестьдесят лет назад.
Текст: Аркадий Курамшин
