鋰

鋰（Lithium）是一種金屬元素，被譽為綠色能源金屬和“白色石油”，廣泛應(yīng)用于儲能、化工、醫(yī)藥、冶金、電子工業(yè)等領(lǐng)域。1鋰位于元素周期表的第二周期IA族，元素符號為Li，它的原子序數(shù)為3，原子量為6.941，其熔點為180.5 ℃，沸點為1342 ℃，比熱容為3.58 kJ/kg·K，對應(yīng)的單質(zhì)為銀白色質(zhì)軟金屬，在所有已知金屬中比重最輕。2可與水反應(yīng)，可溶于硝酸、液氨等溶液。鋰屬于堿金屬，但它的化合物并不像其他的堿金屬那么典型，因為鋰的電荷密度很大并且有穩(wěn)定的氦型雙電子層，使得鋰容易極化其他的分子或離子，自己本身卻不容易受到極化。這一點就影響到它和它的化合物的穩(wěn)定性。3此外，由于鋰的電極電勢最負，在已知元素（包括放射性元素）中是金屬活動性最強的。

發(fā)現(xiàn)歷史

18世紀90年代，巴西化學(xué)及政治家若澤·博尼法西奧·德·安德拉達（Jose Bonifacio de Andrada e Silva）在瑞典烏托島的一個礦坑中發(fā)現(xiàn)透鋰長石（LiAlSi4O10）5。當他把這種礦石扔到火里時會產(chǎn)生濃烈的深紅色火焰，然而他并未就礦石的組成進行分析。直到1817年約翰·奧古斯特·阿爾費特遜（JohannArfvedson）在化學(xué)家永斯·貝吉里斯（J?ns Jacob Berzelius）的實驗室中通過對透鋰長石礦物進行分析時才發(fā)現(xiàn)這個新元素的存在，他把它稱作lithium（鋰）6。來源于希臘文lithos，意為“石頭”。這個元素組成的化合物跟鈉和鉀的化合物相似，但其碳酸鹽和氫氧化物在水中的溶解性較小，堿性也較低，因此，他意識到這是一種新的堿金屬元素。然而，他沒能用電解法分離它。1821年英國化學(xué)家布蘭德（WilliamThomas Brande）和戴維（HumphryDavy）用電解氧化鋰的方法分離出金屬鋰，但這不足以做實驗用。到了1855年德國化學(xué)家 Robert Bunsen和英國化學(xué)家Augustus Matthiessen電解氯化鋰才獲得了大塊的鋰。7

自然界中的分布

自然界中主要的鋰礦物為鋰輝石、鋰云母、透鋰長石和磷鋁石等；含鋰的液態(tài)礦主要有鹽湖鹵水、地下鹵水、熱泉等。在人和動物機體、土壤和礦泉水、可可粉、煙葉、海藻中也都能找到鋰。

據(jù)美國地質(zhì)勘探局（USGS）最新數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2022年全球鋰資源儲量約為2 600萬t，折合成碳酸鋰當量超過1.3億噸；其中智利鋰資源儲量位居世界第一，占比為35.8%，已探明資源儲量為930萬噸；其次為澳大利亞、阿根廷和中國，儲量分別為620萬噸、270萬噸、200萬噸，占比分別為23.8%、10.4%、7.7%。鋰礦分布區(qū)域高度集中，前五名的國家占據(jù)了全球超80%的儲量。8

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

金屬鋰為一種銀白色的輕金屬，質(zhì)較軟，可用刀切割。熔點為180.54 ℃，沸點1342℃，密度0.534 g/cm3，硬度0.6，是最輕的金屬，密度比所有的油和液態(tài)烴都小，金屬鋰可溶于液氨。因為鋰原子半徑小，故其比起其他的堿金屬，壓縮性最小，硬度最大，熔點最高。溫度高于-117 ℃時，金屬鋰是典型的體心立方結(jié)構(gòu)，但當溫度降至-201 ℃時，開始轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎浇Y(jié)構(gòu)，溫度越低，轉(zhuǎn)變程度越大，但是轉(zhuǎn)變不完全。在20 ℃時，鋰的晶格常數(shù)為3.50 ?，電導(dǎo)約為銀的五分之一。9鋰容易與鐵以外的任意一種金屬熔合。鋰在焰色反應(yīng)中表現(xiàn)為紫紅色。

同位素

鋰共有七個同位素，其中有兩個是穩(wěn)定的，分別是6Li和7Li，除了穩(wěn)定的之外，半衰期最長的就是8Li，它的半衰期有838毫秒，接下來是9Li，有187.3毫秒，之后其他的同位素半衰期都在8.6毫秒以下。而4Li是所有同位素里面半衰期最短的同位素，僅有7.58043×10-23秒。

6Li捕捉低速中子能力很強，可以用來控制鈾反應(yīng)堆中核反應(yīng)發(fā)生的速度，同時還可以在防輻射和延長核導(dǎo)彈的使用壽命方面及將來在核動力飛機和宇宙飛船中得到應(yīng)用。6Li在原子核反應(yīng)堆中用中子照射后可以得到氚，而氚可用來實現(xiàn)熱核反應(yīng)。6Li在核裝置中可用作冷卻劑。

化學(xué)性質(zhì)

當將鋰放入水中時，它會較快的與水發(fā)生反應(yīng)并釋放出氫氣，而且還可以和空氣中的氧氣、氮氣迅速結(jié)合。正因如此，鋰的儲存非常麻煩，只能用固體石蠟或者稀有氣體來保護儲存。當溫度達到100℃以上，鋰會在空氣中發(fā)生燃燒，呈現(xiàn)出藍色的火焰，過程十分劇烈危險，并生成氧化鋰。鋰活潑的性質(zhì)使它可以在一定條件下與除了稀有氣體以外的大部分非金屬均能發(fā)生反應(yīng)，它還可以與氫，重氫（氘）化合成具有炸藥性質(zhì)的氫化鋰、氘化鋰并被用于我國的第一顆氫彈。也因為鋰的電荷密度很大并且有穩(wěn)定的氦型雙電子層，使得鋰容易極化其他的分子或離子，自己本身卻不容易極化。這一點就影響到它和它的化合物的穩(wěn)定性。

雖然鋰的氫標電勢是最負的，達到-3.045V，但由于氫氧化鋰溶解度不大而且鋰與水反應(yīng)時放熱不能使鋰融化，所以鋰與水反應(yīng)還不如鈉劇烈，反應(yīng)在進行一段時間后，鋰表面的氮氧化物膜被溶解，從而使反應(yīng)更加劇烈。在500℃左右容易與氫發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氫化鋰，是唯一能生成穩(wěn)定得足以熔融而不分解的氫化物的堿金屬，電離能5.392eV，與氧、氮、硫等均能化合，是唯一的與氮在室溫下反應(yīng)，生成氮化鋰（Li?N）的堿金屬。由于易受氧化而變暗。如果將鋰丟進濃硫酸，那么它將在硫酸上快速浮動，燃燒并爆炸。如果將鋰和氯酸鉀混合（震蕩或研磨），它也有可能發(fā)生爆炸式的反應(yīng)。氫化鋰遇水發(fā)生猛烈的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氫氣。

與鋰相關(guān)的一些化學(xué)反應(yīng)方程式：

|| || 鋰的化合物

主要用途

電池行業(yè)

因為鋰的原子量很小，電極電勢低，所以用鋰作負極的電池具有很高的能量密度。此外，鋰電池還具有質(zhì)量輕、體積小、壽命長、性能好、低污染等優(yōu)點，因而倍受青睞。在動力電池尚未發(fā)展之時，鋰主要應(yīng)用于傳統(tǒng)行業(yè)，2010年，下游需求中鋰電池占比為27%，潤滑脂、陶瓷等傳統(tǒng)行業(yè)需求占比73%；隨著消費電子、電動車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，在2021年的消費結(jié)構(gòu)中，電池領(lǐng)域已經(jīng)占據(jù)78%以上的市場份額，成為最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。11現(xiàn)在，鋰電池已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到電動汽車、儲能電池、筆記本電腦、手機、數(shù)碼相機、小型電子器材、航天、機電以及軍事通訊等領(lǐng)域。

還原劑

金屬鋰溶于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(huán)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(yōu)點是產(chǎn)率較高，缺點是比用鈉還原昂貴，所以僅用于還原一些貴重的化合物。

催化劑

含鋰化合物可用有機反應(yīng)催化劑，如作丁二烯、異戊二烯等二烯烴聚合，也可用來制造共聚物12。

1、鋰氨催化劑：包括鋰氨化合物和與氨鹽相結(jié)合的催化劑。它們常用于有機合成反應(yīng)中，如羰基化反應(yīng)和氫化反應(yīng)。

2、鋰醇催化劑：如鋰乙醇化合物，常用于醛和酮的選擇性加氫反應(yīng)。

3、鋰鹽催化劑：包括鋰鹵化物和鋰堿金屬化合物，常用于有機合成中的苯托卡馬和氟化反應(yīng)。

4、鋰烴催化劑：如丁基鋰和異丁基鋰，常用于鋰化和金屬基有機反應(yīng)中，如合成有機鋰試劑和有機合成反應(yīng)的起始步驟。

冶金行業(yè)

鋰作為輕合金、超輕合金、耐磨合金以及其它有色合金的組成部分，能大大改善合金性能。例如，鋰鎂合金是高強度輕質(zhì)合金，不僅具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、延展性，還具有耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊性能好、抗高速粒子穿透力等特點，被譽為“明天的宇航合金”，被廣泛應(yīng)用到航空航天、國防軍工等領(lǐng)域。隨著當今世界對結(jié)構(gòu)材料輕量化、減重節(jié)能、環(huán)保以及可持續(xù)發(fā)展要求的日益提高，鎂鋰合金也將被應(yīng)用到需要輕量化結(jié)構(gòu)材料的交通、電子、醫(yī)療產(chǎn)品等領(lǐng)域。13

將鋰加入到鈹、鋅、銅、銀、鎘和硼等中形成的合金不僅更堅韌或更強硬，拉伸強度和彈性也會提高。這些合金中鋰的含量則從千分之幾到百分之幾不等。

鋰也是有效的脫氣劑。因為鋰的化學(xué)活性強，將鋰加入熔融的金屬或合金中，鋰就會與金屬或合金中諸如氫、氧、硫、氮等氣體發(fā)生反應(yīng)生成密度小而熔點低的化合物，不僅能除去這些氣體，使金屬變得更致密，還能消除金屬中的氣泡以及其它缺陷，從而改善金屬的晶粒結(jié)構(gòu)，提高金屬的機械性能。

航天燃料

鋰及其化合物具有燃燒度高、速度快、火焰寬、發(fā)熱量大等特點。1kg鋰通過熱核反應(yīng)放出的能量相當于二萬多噸優(yōu)質(zhì)煤的燃燒26。因此鋰是用來作為火箭燃料的最佳金屬之一。若用鋰或鋰的化合物制成固體燃料來代替固體推進劑，用作火箭、導(dǎo)彈、宇宙飛船的推動力，不僅能量高、燃速大，而且有極高的比沖量，火箭的有效載荷直接取決于比沖量的大小。

玻璃行業(yè)

如果在玻璃制造中加入鋰，鋰玻璃的溶解性只是普通玻璃的1/100（每一普通玻璃杯熱茶中大約有萬分之一克玻璃），加入鋰后使玻璃成為“永不溶解”，并可以抗酸腐蝕。鋰精礦或鋰化物在制造玻璃時有較大的助熔作用，添加到玻璃配料中能夠降低玻璃熔化時的溫度和熔體的粘度，簡化生產(chǎn)流程，降低能耗，延長爐齡，增加產(chǎn)量，改善操作條件，減少污染。此外，在玻璃中添加鋰化合物還能降低玻璃熱膨脹的系數(shù)，改善玻璃的密度和光潔度，提高制品的強度、延性、耐蝕性及耐熱急變性能?，F(xiàn)在含鋰的玻璃被廣泛用到化學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)部門，甚至也用在日常生活用品中。14

潤滑脂行業(yè)

鋰基潤滑脂與鉀、鈉、鈣基類的潤滑脂相比，具有抗氧、耐壓、潤滑性能好的優(yōu)點，特別是鋰基潤滑脂的工作度寬，抗水性能好，在-60℃~300℃下幾乎不改變潤滑脂的粘性，即使水量很少時，也仍能保持良好的穩(wěn)定性，因而被應(yīng)用到飛機、坦克、火車、汽車、冶金、石油化工、無線電探測等設(shè)備上。15

醫(yī)療領(lǐng)域

鋰元素在醫(yī)療領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用，對人體有的有利作用包括治療躁郁癥、預(yù)防認知退化、抗炎作用、對心血管健康的影響。

1.治療躁郁癥：鋰鹽是治療躁郁癥的一種常見藥物，能夠減輕癥狀，如情緒波動、失眠、焦慮等。

2.預(yù)防認知退化：研究表明，鋰鹽有助于預(yù)防老年認知退化和阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病。

3.抗炎作用：鋰元素對炎癥具有抑制作用，能夠減輕一些炎癥性疾病的癥狀。

4.對心血管健康的影響：鋰元素能夠降低血壓、改善心臟健康，對心血管疾病有預(yù)防作用。16

需要注意的是，鋰鹽存在副作用，如口渴、多尿、腎損害等，應(yīng)在醫(yī)生的指導(dǎo)下使用。

其他應(yīng)用

金屬鋰具有熱容大、液相溫度范圍寬、熱導(dǎo)率高、粘度低和密度小等性質(zhì)，在核聚變或核裂變反應(yīng)堆中用作冷卻劑。

溴化鋰是一種高效水蒸氣吸收劑和空氣濕度調(diào)節(jié)劑，被廣泛用于空調(diào)、除濕、制冷和空氣凈化系統(tǒng)。

鋰還能制造“鋰鹽肥料”，防治西紅柿腐爛和小麥銹穗病。

鋁電解槽中添加鋰鹽能夠提高融鹽流動性，降低電解度，節(jié)約電能效果顯著。

正丁基鋰還用作合成苯乙烯、丁二烯醇的引發(fā)劑，廣泛應(yīng)用于耐高溫和低溫的橡膠密封材料和橡膠輪胎，其中橡膠輪胎加入丁基鋰可使其壽命提高四倍以上。

氟化鋰對紫外線有極高的透明度，用它制造的玻璃可以洞察隱蔽在銀河系最深處的奧秘。鋰玻璃可用來制造電視機顯像管。

用氘化鋰和氚化鋰來代替氘和氚裝在氫彈里充當炸藥，達到氫彈爆炸的目的。中國于1967年6月17日成功爆炸的第一顆氫彈里就是利用氘化鋰。

硼氫化鋰和氫化鋁鋰，在有機化學(xué)反應(yīng)中被廣泛用做還原劑，硼氫化鋰能還原醛類、酮類和酯類等。

氫化鋁鋰，是制備藥物、香料和精細有機化學(xué)藥品等中重要的還原劑。氫化鋁鋰，也可用作噴氣燃料。氫化鋁鋰是對復(fù)雜分子的特殊鍵合的強還原劑，這種試劑已成為許多有機合成的重要試劑。

有機鋰化合物與有機酸反應(yīng)，得到能水解成酮的加成產(chǎn)物，這種反應(yīng)被用于維生素A合成的一步。有機鋰化物加成到醛和酮上，得到水解時能產(chǎn)生醇的加成產(chǎn)物。

鋰可作為煙火的紅色部分。

由鋰和氨反應(yīng)制得的氨基鋰被用來引入氨基，也被用作脫鹵試劑和催化劑。

2022年9月，哈佛大學(xué)的科學(xué)家為電動汽車(EV)開發(fā)了一種新型固態(tài)鋰金屬電池。這款電池使用的是純金屬形式的鋰，有望實現(xiàn)3分鐘內(nèi)完全充電。

安全風(fēng)險

毒性

鋰及其化合物在醫(yī)療上可用于夠治療脂漏性皮炎、躁郁癥等一些疾病，但是過多服用會引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)中毒和腎臟衰竭，中毒的前驅(qū)表現(xiàn)是遲鈍、倦怠、昏睡、肌肉抽搐、語詞不清、食欲降低以及吐瀉等，同時口服的含鋰藥物也可能會使已經(jīng)存在的皮膚病惡化。1819

目前對于鋰中毒還沒有特效解毒藥，主要的治療措施是保持呼吸通暢，防止呼吸道感染。尚未發(fā)現(xiàn)鋰中毒成癮的情況，停止服鋰藥后也未觀察到后遺癥。

危險性

同其他堿金屬一樣，有強烈腐蝕性，眼和皮膚接觸引起刺激或灼傷，鋰單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)十分活潑與鹵素作用時反應(yīng)劇烈，鋰與水反應(yīng)會釋放出氫氣。加熱至熔融狀態(tài)時能在空氣中自燃，在一定條件下加熱還可能會發(fā)生爆炸。

急救措施

|| || 急救措施

消防措施

當由鋰引發(fā)火災(zāi)時，應(yīng)使用碳酸鈉干粉或干燥石墨粉隔絕空氣與水霧，悶熄火苗。禁止使用直流水、泡沫或鹵化物等方式滅火，直流水可能導(dǎo)致可燃性液體的飛濺因而致使火勢擴散。21

儲存方法

鋰的化學(xué)性質(zhì)活潑，在對其貯存和使用都要注意安全。通常干燥環(huán)境下，鋰金屬不與氧氣發(fā)生反應(yīng)，而當在潮濕的環(huán)境下則會與氧氣發(fā)生反應(yīng)，顏色會由銀白色變成黑色最后再變成白色，實驗室中鋰金屬一般保存在干燥的惰性氣體環(huán)境或是石蠟中。

生產(chǎn)工藝

鋰單質(zhì)的生產(chǎn)工藝

電解法

Guntz首先建議用電解熔融氯化鋰和氯化鉀的混合物來制備金屬鋰，將無水氯化鋰置于電解槽中，以無水氯化鉀作為助劑，在高溫狀態(tài)下熔融電解制取金屬鋰。22液態(tài)金屬鋰在陰極析出，聚集在熔融鹽表面上，國內(nèi)生產(chǎn)廠家用金屬漏勺將金屬鋰從電解槽中舀出，倒入變壓器油中冷卻、鑄錠。

Li+e?→Li

2Cl?→Cl2+2e?

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(zhì)，須提純；雜質(zhì)可重新熔融，再借助比重不同濾除，不易除去的鈉和鉀可以通過氫化法除去。

熱還原法

3Li2O＋2Al→6Li＋Al2O3

2Li2O＋Si→4Li＋SiO2

還原氧化鋰是吸熱反應(yīng)，再加上金屬鋰性質(zhì)十分活潑，只能在高溫和高真空中反應(yīng)。

鋰礦的提取方法

硫酸法

鋰輝石和硫酸鉀一起燒結(jié)，鉀將鋰置換出來，形成可溶于水的硫酸鋰。硫酸鹽分解法很長一段時間內(nèi)是工業(yè)制備鋰的唯一方法。此方法不僅適用于鋰輝石，也可用來處理鋰云母。

2LiAl(SiO3)2＋K2SO4→Li2SO4＋2KAl(SiO3)2

首先提出此方法的是R.B.Ellestad和K.M.Leute，此方法適用于β-鋰輝石和鋰云母。原理如下（溫度為250-3000℃）：

2LiAl(SiO3)2＋H2SO4→Li2SO4＋H2O·Al2O3·4SiO2

此反應(yīng)的關(guān)鍵問題是硫酸只能與β-鋰輝石反應(yīng)，而對于α-鋰輝石無法與之反應(yīng)。用硫酸直接分解未經(jīng)鍛燒的鋰輝石，提取出來的鋰僅占總量的4%。

石灰法

將石灰或石灰石與鋰礦石一起燒結(jié)，然后用水處理，浸取液經(jīng)多次蒸發(fā)，可從中結(jié)晶析出氫氧化鋰，反應(yīng)式如下（溫度為1000 ℃）：

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

此方法的優(yōu)點是：

適用性強，能分解幾乎所有鋰礦石。

反應(yīng)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：

燒結(jié)時精礦會貧化，精礦中鋰含量要求很高。

浸取后得到的是稀溶液，蒸發(fā)會消耗大量熱量，且耗時長。

從天然鹵水中提取鋰

鋰的來源也包括天然鹵水和某些鹽湖水，提取技術(shù)主要集中在吸附法、膜分離法、萃取法等技術(shù)方向上，另外沉淀法、電化學(xué)法、滲析法、結(jié)晶法、離子交換法也有一定的研發(fā)布局；此外，技術(shù)融合及各種技術(shù)工藝路線組合應(yīng)用特征較為明顯。23