本文介紹的是化學元素。關於與「」名稱相近或相同的條目,請見「鋰 (消歧義)」。
鋰   3Li
氫(其他非金屬)
氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬)
鈹(鹼土金屬)
硼(類金屬)
碳(其他非金屬)
氮(其他非金屬)
氧(其他非金屬)
氟(鹵素)
氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬)
鎂(鹼土金屬)
鋁(貧金屬)
矽(類金屬)
磷(其他非金屬)
硫(其他非金屬)
氯(鹵素)
氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬)
鈣(鹼土金屬)
鈧(過渡金屬)
鈦(過渡金屬)
釩(過渡金屬)
鉻(過渡金屬)
錳(過渡金屬)
鐵(過渡金屬)
鈷(過渡金屬)
鎳(過渡金屬)
銅(過渡金屬)
鋅(過渡金屬)
鎵(貧金屬)
鍺(類金屬)
砷(類金屬)
硒(其他非金屬)
溴(鹵素)
氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬)
鍶(鹼土金屬)
釔(過渡金屬)
鋯(過渡金屬)
鈮(過渡金屬)
鉬(過渡金屬)
鎝(過渡金屬)
釕(過渡金屬)
銠(過渡金屬)
鈀(過渡金屬)
銀(過渡金屬)
鎘(過渡金屬)
銦(貧金屬)
錫(貧金屬)
銻(類金屬)
碲(類金屬)
碘(鹵素)
氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬)
鋇(鹼土金屬)
鑭(鑭系元素)
鈰(鑭系元素)
鐠(鑭系元素)
釹(鑭系元素)
鉕(鑭系元素)
釤(鑭系元素)
銪(鑭系元素)
釓(鑭系元素)
鋱(鑭系元素)
鏑(鑭系元素)
鈥(鑭系元素)
鉺(鑭系元素)
銩(鑭系元素)
鐿(鑭系元素)
鑥(鑭系元素)
鉿(過渡金屬)
鉭(過渡金屬)
鎢(過渡金屬)
錸(過渡金屬)
鋨(過渡金屬)
銥(過渡金屬)
鉑(過渡金屬)
金(過渡金屬)
汞(過渡金屬)
鉈(貧金屬)
鉛(貧金屬)
鉍(貧金屬)
釙(貧金屬)
砹(類金屬)
氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬)
鐳(鹼土金屬)
錒(錒系元素)
釷(錒系元素)
鏷(錒系元素)
鈾(錒系元素)
錼(錒系元素)
鈽(錒系元素)
鋂(錒系元素)
鋦(錒系元素)
鉳(錒系元素)
鉲(錒系元素)
鑀(錒系元素)
鐨(錒系元素)
鍆(錒系元素)
鐒(錒系元素)
鍩(錒系元素)
鑪(過渡金屬)
𨧀(過渡金屬)
𨭎(過渡金屬)
𨨏(過渡金屬)
𨭆(過渡金屬)
䥑(未知特性)
鐽(未知特性)
錀(未知特性)
鎶(過渡金屬)
Nh(未知特性)
鈇(貧金屬)
Mc(未知特性)
鉝(未知特性)
Ts(未知特性)
Og(未知特性)




外觀
銀白色固體

金屬鋰浮在煤油上

鋰的原子光譜
概況
名稱·符號·序數 鋰(lithium)·Li·3
元素類別 鹼金屬
·週期· 2·s
標準原子質量 6.941(2)
電子排布

1s2 2s1
2, 1

鋰的電子層(2, 1)
物理性質
物態 固態
密度 (接近室溫)
0.534 g·cm−3
熔點時液體密度 0.512 g·cm−3
熔點 453.69 K,180.54 °C,356.97 °F
沸點 1615 K,1342 °C,2448 °F
臨界點 (估計)
3223 K,67 MPa
熔化熱 3.00 kJ·mol−1
汽化熱 147.1 kJ·mol−1
比熱容 24.860 J·mol−1·K−1

蒸汽壓

壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 797 885 995 1144 1337 1610
原子性質
氧化態 +1, -1
(強鹼性氧化物)
電負性 0.98(鮑林標度)
電離能

第一:520.2 kJ·mol−1
第二:7298.1 kJ·mol−1

第三:11815.0 kJ·mol−1
原子半徑 152 pm
共價半徑 128±7 pm
范德華半徑 182 pm
雜項
晶體結構

體心立方

鋰具有體心立方晶體結構
磁序 順磁性
電阻率 (20 °C)92.8 n Ω·m
熱導率 84.8 W·m−1·K−1
膨脹係數 (25 °C)46 µm·m−1·K−1
聲速(細棒) (20 °C)6000 m·s−1
楊氏模量 4.9 GPa
剪切模量 4.2 GPa
體積模量 11 GPa
莫氏硬度 0.6
CAS號 7439-93-2
最穩定同位素

主條目:鋰的同位素

同位素 豐度 半衰期 方式 能量MeV 產物
5Li 人造 3.7×10-22 質子發射 - 4He
6Li 7.5% 穩定,帶3個中子
7Li 92.5% 穩定,帶4個中子
6Li 在自然樣品中可能只含 3.75%。
7Li 可能占到 96.25%。

Lithium)是一種化學元素,其化學符號Li原子序數為3,三個電子中兩個分布在K層,另一個在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氧化態則尚未得到證實[1]。但是鋰和它的化合物並不像其他的鹼金屬那麼典型,因為鋰的電荷密度很大並且有穩定的型雙電子層,使得鋰容易極化其他的分子或離子,自己卻不容易受到極化。這一點就影響到它和它的化合物的穩定性[2]。鋰的英文名稱來源於希臘文lithos,意為「石頭」。Lithos的第一個音節發音「里」。因為是金屬,在左方加上部首「釒」。

發現

1790年-1800年科學家Jose de Andrada在瑞典烏托島發現透鋰長石和鋰輝石兩種礦石,1817年由瑞典科學家阿維德松(Johann Arfvedson)在分析透鋰長石礦時發現。不久,他又在鋰輝石和鋰雲母中發現鋰。Berzelius在歐洲某些礦泉水裡也發現了鋰。19世紀,發現植物與動物體內也有鋰。

1818年,Brande和戴維(H.Davy)通過電解氯化鋰獲取了少量的鋰單質。1855年Bunsen和Mattiesen通過電解氯化鋰取得足夠的鋰得以研究它的性質[2]

存在與分布

鋰在自然界中豐度較大,居第27位,在地殼中約含0.0065%,但僅以化合物的形式存在。鋰的礦物有30餘種,主要存在於鋰輝石(LiAlSi2O6)、鋰雲母以及透鋰長石((LiNa)AlSi4O10)和磷鋁石中。在人和動物的有機體、土壤礦泉水、可可粉、菸葉、海藻中都有鋰存在。

2015年2月19日,日本國立天文台研究團隊從觀察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[3]

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或惰性氣體中。它能與和酸作用放出氫氣,易與等化合。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。

物理性質

  • 鋰的密度非常小,僅有0.534g/cm3,為非氣態單質中最小的一個。
  • 因為鋰原子半徑小,故與其他的鹼金屬相比壓縮性最小,硬度最大,熔點最高。
  • 溫度高於-117℃時,金屬鋰是典型的體心立方結構,但當溫度降至-201℃時,開始轉變為面心立方結構,溫度越低,轉變程度越大,但是轉變不完全。在20℃時,鋰的晶格常數為3.50Å[4],電導約為銀的五分之一。鋰易與以外的任何一種金屬熔合[5]

化學性質

  • 鋰的化學性質十分活潑,在一定條件下,能與除稀有氣體外的大部分非金屬反應,但不像其他鹼金屬那樣容易。
  • 鋰能同鹵素發生反應生成鹵化鋰。
  • 常溫下,在除去二氧化碳乾燥空氣中幾乎不與氧氣反應,但在100℃以上時發生燃燒,與生成氧化鋰,火焰呈藍色,但其蒸氣火焰呈深紅色,反應程度如同鎂條燃燒一樣,十分劇烈危險。儘管它不如其他鹼金屬那樣容易燃燒,但是它燃燒的劇烈程度卻是其他鹼金屬無法比擬的,就如同燃燒比鈉更劇烈一樣。若其露置在普通空氣中會慢慢失去光澤,生成氧化鋰、氮化鋰和氫氧化鋰,最後變為碳酸鋰。[6]氧族其它元素也能在高溫下與鋰反應形成相應的化合物。
  • 鋰與碳在高溫下生成碳化鋰
  • 鋰在其熔點附近很容易與氫反應,形成氫化鋰
  • 鋰塊可以與水較快地反應,但並不特別劇烈,不燃燒,也不熔化,原因是其熔點、燃點較高,且因生成物LiOH溶解度較小(20℃:12.3~12.8g/100gH2O),易附著在鋰的表面阻礙反應繼續進行[7];而粉末狀鋰與水發生爆炸性反應。
  • 鹽酸、稀硫酸硝酸能與鋰劇烈反應。濃硫酸和鋰也能反應,有劇烈反應並熔化燃燒的可能性。
  • 鋰能同很多有機化合物發生反應,很多反應在有機合成上有重要的意義。

同位素與核性質

在自然界中鋰以兩種同位素——6Li和7Li組成,豐度分別為7.42%和92.58%。

通過人工製備,已得到鋰的四種放射性同位素5Li、8Li、9Li、11Li。他們的衰變方式如下[8]

 
 
 
 

鋰的同位素可發生下列反應,放出熱量:

 
 

也可用來製備

 

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灰石,也可用來處理鋰雲母。

石灰法

石灰或石灰石與鋰礦石一起燒結,然後用水處理,浸取液經過多次蒸發,可從中結晶析出氫氧化鋰。反應式如下(溫度為1000℃):

2LiAl(SiO3)2 + 9CaO = Li2O + CaO·Al2O3 + 4[2CaO·SiO2]

此方法的優點是:

  1. 適用性強,能分解幾乎所有的鋰礦石。
  2. 反應不需要稀缺原料,石灰和石灰石均較便宜且容易獲得。

缺點是:

  1. 要求精礦中鋰含量很高,因為燒結時精礦會貧化。
  2. 因為浸取後得到的是稀溶液,因此蒸發會消耗大量熱量,且耗時長。

硫酸法

首先提出此方法的是R.B.Ellestad和K.M.Leute[5],此方法適用於β-鋰輝石和鋰雲母。原理如下(溫度為250-300℃):

2LiAl(SO3)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,提取出來的鋰僅占總量的4%[5]

天然滷水的提取

鋰的來源也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[9],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。

Li+ + e Li
2Cl → Cl2 + 2e
2LiCl(l) 2Li(s) + Cl2(g)

電解法製得的金屬鋰通常含有機械雜質(例如NaKMgCaFeSiAl等),因此需要提純;雜質可重新熔融,再藉助比重不同濾除,不容易除去的鈉和鉀可以通過氫化法除去。

熱還原法

3Li2O + 2Al = 6Li + Al2O3—33.6千卡

2Li2O + Si = 4Li + SiO2—76.3千卡

因為還原氧化鋰是吸熱反應,再加上金屬鋰的性質十分活潑,所以反應只能在高溫和高真空中進行。

用途

合成原料

在許多反應中,鋰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:

2Li + H2SLi2S + H2

還原劑

金屬鋰溶於液乙醇的混合溶劑中形成一個良好的還原劑,可用來還原含芳香環有機化合物。比較貴重的甾族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

因為鋰的原子量很小,只有6.9g·mol−1,因此用鋰作陽極的電池具有很高的能量密度。鋰也能夠製造低溫或高溫下使用的電池[2]

用於低溫的電池,通常使用有機溶劑作為電解質,其中添加一些無機鹽增加導電性,常用無機鹽包括高氯酸鋰、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。

電池陽極是鋰,陰極常用金屬氯化物。例如鋰-氯化銀電池的電池反應為:
Li + AgClLiCl + Ag

用於高溫的電池,通常使用熔融的無機鹽作為電解質,因此必須在該鹽的熔點以上方可使用。例如:

2Li + Cl2 → 2LiCl

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Li-Pb液態半導體合金[10]

醫療

醫療用途的鋰目前主要分為兩種:一種為外用的局部治療,另一種則為已被廣泛使用的口服治療。

根據臨床研究中顯示,當鋰被使用於外用的局部治療時,能有效治療脂漏性皮膚炎(seborrheic dermatitis)[11][12][13][14][15],目前鋰的作用機理還不十分清楚,這可能與鋰可抑制物質-P(substance-P)[16]及抑制Malassezia yeasts(引發痘痘元兇之一的細菌)生長所需的所有游離脂肪酸有關[17]。過去的一些研究顯示鋰可以抑制許多酶(enzyme):鈉鉀泵(Na/K ATPase)、腺苷環化酶(adenylcyclase)、enzymes of the prostaglandins E1 synthesis、和inositol-1-phosphatase等[18]。 鋰亦具有抗發炎(anti-inflammatory)及免疫調節(immunomodulatory)的作用[19][20]。除此之外,在法國的研究中顯示含鋰元素的活泉水( Evaux thermal spring water)能改善癌症患者因治療所引起的皮膚指甲等的副作用[21]

口服的鋰主要被使用於精神科,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(maculopapular eruption)、痤瘡(acne)、牛皮癬狀疹(psoriasiform eruption)。因此顯示口服的鋰有可能會促進或使已經存在的皮膚疾病更惡化,像是牛皮癬(psoriasis)和脂漏性皮膚炎(seborrheic dermatitis)[22][23]

其他用途

 
用鋰作為燃料發射出魚雷

鋰還能用於:

  1. 原子能工業中製造核反應爐的載熱劑
  2. 製造特種合金、特種玻璃
  3. 作冶金工業中的脫氧劑,脫硫劑和脫泡劑
  4. 作為燃料,可發射魚雷等武器

保存方法

乾燥環境下,鋰金屬不與氧氣發生反應,只有在潮濕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保存在乾燥的惰性氣體環境中。

參考資料

  1. ^ J.L.Dye J.Chem.Educ., 54(6) 332(1977)
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 劉翊綸任德厚《無機化學叢書》第一卷 北京:科學出版社289-354頁1984年
  3. ^ http://www.nao.ac.jp/en/news/science/2015/20150218-subaru.html
  4. ^ 「Gmelins Handbueh der anorganische Chemie」, Lithium Ergazungs. band. System-Nummor 20. Verlag Chemie 1960
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 奧斯特羅什科等 曾華珗譯《鋰的化學與工藝學》北京:中國工業出版社1965年
  6. ^ M.M.Markowitz, D.A.Boryta, J.Chem.Eng.Data., 1962(7) 586
  7. ^ 申泮文、王積濤主編《化合物詞典》,上海辭書出版社,2002,周公度主編《化學辭典》,化學工業出版社,2003.6
  8. ^ 核素圖編制組《核素圖》北京:原子能出版社1976年
  9. ^ M.E.Weeks, J.Chem.Educ., 33, 487(1956)
  10. ^ J.E.Enderby. Can.J.Chem., 55(11), 1961(1977)
  11. ^ Arch Dermatol Res 2008; 300:215-223. Anti-inflammatory effects of lithium gluconate on keratinocytes: a possible explanation for effciency in seborrhoeic dermatitis
  12. ^ British Journal of Dermatology 2003; 148: 1230–1236. Lithium gluconate 8% vs. ketoconazole 2% in the treatment of seborrhoeic dermatitis: a multicentre, randomized study
  13. ^ Clin Exp Dermatol 1997; 22: 216-219. Topical lithium succinate ointment (Efalith) in the treatment of AIDS-related seborrhoeic dermatitis
  14. ^ Eur j Dermatol 2002; 12(6) : 549-52. Lithium gluconate in the treatment of seborrhoeic dermatitis: a multicenter, randomised, double-blind study versus placebo
  15. ^ J Am Acad Dermatol. 1992 Mar;26(3 Pt 2):452-7. A double-blind, placebo-controlled, multicenter trial of lithium succinate ointment in the treatment of seborrheic dermatitis. Efalith Multicenter Trial Group.
  16. ^ Nouv Dermatol, 2004;23:569-75. Evaluation of the inhibition of human sebocyte proliferation stimulated by substance P and corticotropin-releasing hormone by mineral constituents in Evaux thermal spring water
  17. ^ Lithium 1990; 1: 149-155. Lithium, fatty acids and seborrhoeic dermatitis: A new mechanism of lithium action and a new treatment for seborrhoeic dermatitis
  18. ^ Ann Dermatol Venereol 2004;131:255-61. Lithium
  19. ^ Ann Dermatol Venereol 2004;131:255-61. Lithium
  20. ^ Arch Dermatol Res 2008; 300:215-223. Anti-inflammatory effects of lithium gluconate on keratinocytes: a possible explanation for effciency in seborrhoeic dermatitis
  21. ^ Eur Oncology 2010; 6(1):3-5. The Neurogenic Component of Cutaneous Toxicities Induced by Chemotherapy – New Solutions
  22. ^ Am J Clin Dermatol 2004; 5:3–8. Cutaneous adverse eVects of lithium: epidemiology and management.
  23. ^ Ann Med Intern 1984; 13:637–638. Drug eruptions caused by lithium salts.