鋰

鋰，是化學元素，化學符號，原子序為3，原子量為。中文名源於“"Lithos”"的第一音節發音“裡”，而且是金屬，在左方加上部首“釒”。鋰是軟的銀白色鹼金屬。三粒電子中兩粒分佈在K層，另一粒在L層。鋰是鹼金屬中最輕的一種。鋰常呈+1或0氧化態，是否有-1氧化態則尚未證實。但鋰和其化合物並不像其他的鹼金屬那麼典型，鋰的電荷密度很大並且有穩定的氦型雙電子層，使鋰易極化其他分子或離子，自己卻不易受到極化。這點影響到它和其化合物的穩定。在標準條件，它是最輕的金屬和最輕的固體元素。同其他鹼金屬，鋰很活潑和易燃，應儲存在礦物油中。切割時展現出金屬光澤，但水氣會快速潮解之，變成暗銀灰色，接著變成黑色的氧化物。它不以元素狀態存在自然界，而只能於偉晶巖礦物等化合物中出現，它們曾是鋰的主要由於其離子的溶解度，它存在於海水中並通常從鹽水中獲得。從氯化鋰和氯化鉀的混合物中電解分離鋰金屬。在自然界發現的兩種穩定同位素有所有穩定核素中每粒核子的結合能，鋰原子核處於不穩定狀態。核的性質相對不穩定，鋰在太陽系的含量排名第26。由於以上因素，鋰在核物理學具重要用途。1932年鋰原子向氦的核分裂是第一次完全人為的核反應，而氘化鋰用作熱核武器的燃料。鋰及其化合物具多種工業用途，包括耐熱玻璃、陶瓷、鋰潤滑脂潤滑劑，用於生產鐵、鋼和鋁的助焊劑新增劑、鋰電池和鋰離子電池。這些用途消耗超過四分之三的鋰生產量。在生物系統內有微量的鋰，但其功能不明。已知鋰鹽可作治療人類躁鬱症的情緒穩定藥物。歷史.1800年，巴西化學及政治家若澤·博尼法西奧·德·安德拉達在的一個礦坑中發現。1855年，羅伯特·威廉·本生和電解氯化鋰生產了更多鋰。這程式發現後德國公司於1923年藉電解熔融氯化鋰和氯化鉀的混合物在商業生產鋰。鋰的生產和使用歷史上經歷了幾次劇烈變化。 鋰的第一種主要用途是第二次世界大戰及之後不久用於飛機引擎的高溫及類似用途。這用途得到一些事實的支援：鋰基皂有比其他鹼皂更高的熔點，並且比鈣基皂有更低的腐蝕性。對鋰皂和潤滑脂的需求得到了幾家小型採礦企業的支援，其中大部分企業是在美國。隨著核熔合武器的生產，冷戰時期對鋰的需求急劇增加。當被中子照射時，鋰6和鋰7都會產生氚，可用於自身產生氚，以及在氫化鋰形式的氫彈內使用的一種固體聚變燃料。美國在1950年代末到1980年代中期之間成為鋰的主要生產國。最後，鋰儲存量約為42000噸氫氧化鋰。儲存的鋰在鋰6中耗盡了75％，這足以影響許多標準化學品中鋰的原子量，甚至一些「天然中鋰的原子量已被從同位素分離設施排入地下水的鋰鹽汙染。當使用霍爾－埃魯法工藝時，鋰用於降低玻璃的熔化溫度並改善氧化鋁的熔化行為。這兩種用途在1990年代中期佔據市場主導地位。核軍備競賽結束後，對鋰的需求下降，公開市場上能源庫存的出售進一步降低了價格。1990年代中期，幾家公司開始從中提取鋰，比在地下或露天採礦更便宜。大多數礦山關閉或轉移到其他材料，因為只有來自分割槽偉晶巖的礦石才能以有競爭力的價格開採。例如，北卡羅來納州附近的美國礦山在21世紀初之前關閉。發展鋰離子電池增加了對鋰的需求，並在2007年成為主要用途。隨著2000年代鋰電池鋰需求激增，新公司擴大了鹽水開採工。有人認為，鋰在可再生能源和依賴電池的世界中將成為地緣政治競爭的主要物件之一，但這種觀點也被低估了經濟激勵對擴大生產的影響力。存在與分佈.天文上.雖然它在大爆炸中合成，但鋰轉，它們的重力明顯將較重的鋰吸引到氫氦星的表面，導致我們觀測到更多的鋰。2015年2月19日，日本國立天文臺研究團隊從觀察2013年海豚座新星發現，新星爆炸製成了大量鋰元素，這意味著經典新星爆炸可能是宇宙製造鋰元素的主要機制。陸地上.鋰在自然界丰度居第27位，地殼約含0.0065%，儘管鋰在地球上廣泛分佈，但鋰活性高，在大自然不以元素形式存在。鋰的礦物有30餘種，主要在鋰輝石。鋰最大儲備基地位於玻利維亞的烏尤尼鹽沼地區，該地區有540萬噸。其他主要供應商包括澳大利亞、阿根廷和中國。截至2015年，捷克地質調查局將捷克共和國的整個厄爾士山脈視為鋰的礦區。註冊了五張礦床，其中一張靠近Cínovec[cs]的有16萬噸鋰，被認為是潛在的經濟礦床。2010年6月，紐約時報報導說，美國地質學家正在調查阿富汗西部乾鹽湖的地質，相信那裡有大量的鋰沉積物。五角大廈的官員表示，他們在一個位於加茲尼省的地方初步分析後，顯示此處與玻利維亞的鋰礦床潛力一樣大，而玻利維亞現今為世界上已知的最大鋰儲備地。這些預測主要根據舊資料，大部分在1979－1989年間被聚集，此時為蘇聯人佔領阿富汗的期間。美國地質調查局中阿富汗礦業專案的負責人斯蒂芬·彼得斯說，過去兩年，他沒有意識到美國地質勘探局參與任何新的阿富汗礦產調查。他說：「我們不知道有任何鋰的發現。」與英格蘭康瓦爾郡的錫礦區相關，目前考慮在400米深的測試鑽孔中評估專案。如果成功，熱鹽水的地熱能也將提供為鋰提取和精煉過程中的動力。按美國地質調查局推算，2016年時鋰礦的世界蘊藏量1400萬噸，總生產量約3萬5000噸，其中智利的儲量達世界總儲量的52%，中國22%居次，阿根廷和澳大利亞分別佔14%和11%。生產方面澳大利亞透過礦石精製，南美洲則以費時的晾曬法提取鹽湖中鋰，所以前者生產效率比較高而生產量居世界之首，佔41%，智利居次34%，及阿根廷16%、中國6%。生物上.在許多植物、浮游生物和無脊椎動物中能發現微量的鋰，濃度為69至5760 ppb。在脊椎動物中，鋰濃度略低，幾乎所有脊椎動物組織和體液都含有21至763 ppb的鋰。海洋生物比陸地生物更容易將鋰生物累積。而鋰是否在這些生物體中有生理作用尚不清楚。單質性質.概述.鋰是一種極易反應的柔軟的銀白色鹼金屬。它在金屬中比重最輕。鋰在空氣中易氧化，所以須貯存於固體石蠟、煤油或惰性氣體中。它能與水和酸作用放出氫氣，易與氧、氮、硫等化合。鋰鹽在水中的溶解度與鎂鹽類似，而不同於其他的鹼金屬鹽。原子及物理性質.就像其他鹼金屬一般，鋰有一粒價電子而易失去而形成陽離子，是熱和電的良導體且為極易反應的元素，但其價電子和原子核很近很常見。鋰也在高壓有多種同素異形體的結構。鋰的比熱容為3.58KJ/kg-k，是所有固體中最高，常用來當作熱傳導應用的冷卻劑。化學性質與化合物.鋰很易與水反應，但活性卻比其他鹼金屬小許多。該反應在水溶液中會形成氫氣和氫氧化鋰。通常會和一起存放在碳氫化合物構成的密封罐中。雖然其他更重的鹼金屬可以存放在密度更大的物質中，像是礦物油，但鋰密度太小，無法完好浸至這些物質之中。在潮濕的空氣之中，鋰會快速失去光澤，外表會形成黑色的氫氧化鋰通常用作有機合成中的還原劑。是一種相互作用非常弱的，已在非常低溫中檢測到。與第一族中其他元素不同的是，鋰的無機化合物遵循偶體法則，而不是八隅體法則。同位素與核性質.鋰在自然界以兩種同位素6Li和7Li組成，後者較豐富。和在元素週期表中相鄰的元素——氦和鈹相比，兩者皆有極低的核結合能。鋰是唯一可藉核分裂產生淨能的低原子序元素。兩種鋰原子核皆有較低的束縛能，低於除了氕、氘及氦-3以外的穩定核素，因此，雖然它的原子量很小，但鋰在太陽系中的含量低於前32個元素中的25個。鋰有7种放射性同位素，其中最穩定的是半衰期838毫秒的8Li和半衰期178毫秒的9Li。其它放射性同位素的半衰期皆短於10毫秒。半衰期最短的鋰同位素為透過質子發射衰變的4Li，半衰期僅有7.6×10−23秒。6Li是五種質子數和中子數皆為奇數的穩定核素之一，另外四個分別是氘、硼-10、氮-14和鉭-180m。7Li是太初核合成時產生的其中一種，少量6Li和7Li產生於恆星，可是之後又會被燒掉。7Li也可以在碳星中產生。太陽風、宇宙射線以及早期太陽系的7Be衰變也能產生少量的6Li和7Li。很多自然過程都能分餾鋰的同位素，如礦物形成可以取代黏土礦物中的鎂和鐵，這導致在超微過濾和岩石蝕變過程中會逐漸濃縮6Li。奇特的11Li有，有2粒中子圍繞著剩下3粒質子和6粒中子轉。原子蒸氣雷射同位素分離可用於分離鋰同位素，特別是7Li。人工鋰分餾主要用於製造核武器和其它核物理用途。工業和軍事庫存大量分離輕同位素6Li，其程度已使自然界6Li和7Li比例在河流等地方有輕微但可測量出的變化。這使得鋰的原子量不確定性極大，因為它取決於這些自然界存在的穩定鋰同位素的自然豐度比例，它們可用於商業鋰礦物鋰的兩種穩定同位素都可用雷射冷卻，並用於生產第一量子縮退玻色－費米混合物。透過人工製備，已得到鋰的四種放射性同位素，衰變方式如下：formula_1formula_2formula_3formula_4鋰的同位素可發生下列反應，放出熱量：formula_5formula_6也可用來製備氚：formula_7製備.鋰礦的提取法.硫酸鹽法.鋰輝石和硫酸鉀一起燒結，鉀將鋰置換出來，形成可溶於水的硫酸鋰。2LiAl(SiO3)2＋K2SO4　→　Li2SO4＋2KAl(SiO3)2硫酸鹽分解法很長一段時間內是工業製備鋰的唯一方法。此方法不僅適用於鋰輝石，也可用來處理鋰雲母。石灰法.將石灰或石灰石與鋰礦石一起燒結，然後用水處理，浸取液經多次蒸發，可從中結晶析出氫氧化鋰，反應式如下：2LiAl(SiO3)2＋9CaO　→　Li2O＋CaO·Al2O3＋4[2CaO·SiO2]此方法的優點是：缺點是：硫酸法.首先提出此方法的是R.B.Ellestad和K.M.Leute，此方法適用於β-鋰輝石和鋰雲母。原理如下：2LiAl(SiO3)2＋H2SO4　→　Li2SO4＋H2O·Al2O3·4SiO2此反應的關鍵問題是硫酸只能與β-鋰輝石反應，而對於α-鋰輝石無法與之反應。用硫酸直接分解未經鍛燒的鋰輝石，提取出來的鋰僅佔總量的4%。天然滷水的提取.鋰的包括天然滷水和某些鹽湖水。加工過程是將鋰沉澱成Li2NaPO4，再將其轉變為碳酸鋰，即可作為原料來加工其他鋰化合物了。加工天然滷水還可得到硼砂、碳酸鉀、氯化鈉、硫酸鈉和氯化鎂等。金屬鋰的製備.電解法.鋰可由電解熔融氯化鋰而得。Guntz首先建議用電解熔融氯化鋰和氯化鉀的混合物來製備金屬鋰，這樣可以把熔融溫度從單質鋰的610℃降至400℃。以石墨為陽極，以低碳鋼為陰極，電解槽壓為6.0－6.5V。這樣可以得到純度達到99%的鋰。2LiCl(l)　→　2Li(s)＋Cl2(g)電解法制得的金屬鋰通常有Na、K、Mg、Ca、Fe、Si和Al等機械雜質，須提純；雜質可重新熔融，再借助比重不同濾除，不易除去的鈉和鉀可以透過氫化法除去。熱還原法.3Li2O＋2Al　→　6Li＋Al2O3—33.6千卡2Li2O＋Si　→　4Li＋SiO2—76.3千卡還原氧化鋰是吸熱反應，再加上金屬鋰性質十分活潑，只能在高溫和高真空中反應。用途.合成原料.鋰在許多反應可作為原料或中間物。在合成與鋰相關的無機化合物時，常常是將金屬鋰與其他單質反應。若要求純度較高，可用鋰與氣態單質或化合物反應。例如用鋰和硫化氫合成硫化鋰。反應方程式如下：還原劑.金屬鋰溶於液氨和乙醇的混合溶劑中形成良好的還原劑，可用來還原含芳香環的有機化合物。貴重的甾化合物通常用這種辦法來還原。此法的優點是產率較高，缺點是比用鈉還原昂貴，所以僅用於還原一些貴重的化合物。催化劑.鋰可用作丁二烯、異戊二烯等二烯烴聚合催化劑，也可用來製造共聚物。電池工業.鋰的原子量很小，只有6.9g·mol−1，用作陽極的電池有很高的能量密度。鋰也能製造用於低溫或高溫的電池。用於低溫的電池通常用有機溶劑作電解質，並加入無機鹽使之更導電，常用無機鹽有高氯酸鋰、六氟磷酸鋰、六氟砷酸鋰和硫化鋰等。二次鋰電池中正極材料也為含鋰化合物，如鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物、鋰鐵氧化物等等，以及其多元化合物。二次鋰電池中負極材料，也與鋰的作用明顯。電池陰極是鋰，陽極常用金屬氯化物。例如鋰－氯化銀電池的電池反應為：用於高溫的電池，通常用熔融無機鹽作電解質，必須在該鹽的熔點以上方可使用。例如：合金.摻有鋰的合金一般有強度大，密度小，耐高溫等特性。也有人用鋰合成了鋰－鉛液態半導體合金。醫療.醫療用途的鋰目前主要分為兩種：一種為外用的區域性治療，另一種則為已廣泛使用的口服治療。.根據臨床研究中顯示，當鋰使用於外用的區域性治療時，能有效治療脂漏性皮膚炎能改善癌症患者因治療所引起的皮膚指甲等的副作用。口服的鋰主要用於精神科，用來治療躁鬱症。臨床使用的濃度為1毫克。口服用的鋰會造成許多皮膚的副作用，像是斑點丘疹。其他用途.鋰還能用於：儲存方法.乾燥環境下，鋰金屬不與氧氣發生反應，只有在潮溼的環境下才與氧氣發生反應，顏色由銀白色變成黑色最後再變成白色。實驗室中鋰金屬一般儲存在乾燥的惰性氣體環境或是煤油中。