锂:金屬元素-中文百科頻道

發現曆史

第一塊锂礦石，透锂長石（LiAlSi4O10）是由巴西人在名為Utö的瑞典小島上發現的，于18世紀90年代。當把它扔到火裡時會發出濃烈的深紅色火焰，斯德哥爾摩的Johan August Arfvedson分析了它并推斷它含有以前未知的金屬，他把它稱作lithium（锂）。他意識到這是一種新的堿金屬元素。然而，不同于鈉的是，他沒能用電解法分離它。1821年William Brande電解出了微量的锂，但這不足以做實驗用。直到1855年德國化學家 Robert Bunsen和英國化學家Augustus Matthiessen電解氯化锂才獲得了大塊的锂。锂的英文為Lithium，來源于希臘文lithos，意為“石頭”。Lithos的第一個音節發音“裡”。因為是金屬，在左方加上部首“钅”。锂在地殼中的含量比鉀和鈉少得多，它的化合物不多見，是它比鉀和鈉發現的晚的必然因素。锂發現的第二年，得到法國化學家伏克蘭重新分析肯定。

锂，原子序數3，原子量6.941，是最輕的堿金屬元素。元素名來源于希臘文，原意是“石頭”。1817年由瑞典科學家阿弗韋聰在分析透锂長石礦時發現。自然界中主要的锂礦物為锂輝石、锂雲母、透锂長石和磷鋁石等。在人和動物機體、土壤和礦泉水、可可粉、煙葉、海藻中都能找到锂。天然锂有兩種同位素：锂-6和锂-7。

金屬锂為一種銀白色的輕金屬；熔點為180.54°C，沸點1342°C，密度0.534克/厘米³，硬度0.6。金屬锂可溶于液氨。锂與其它堿金屬不同，在室溫下與水反應比較慢，但能與氮氣反應生成黑色的一氮化三锂晶體。锂的弱酸鹽都難溶于水。在堿金屬氯化物中，隻有氯化锂易溶于有機溶劑。锂的揮發性鹽的火焰呈深紅色，可用此來鑒定锂。锂很容易與氧、氮、硫等化合，在冶金工業中可用做脫氧劑。锂也可以做鉛基合金和铍、鎂、鋁等輕質合金的成分。锂在原子能工業中有重要用途。

元素來源

锂是繼氫和氦之後最輕的一種元素，不過其起源和生成過程一直不清楚。日本國立天文台的研究小組研究發現，新星爆發可能是現在的宇宙中锂元素的主要起源。這一發現将有助于了解宇宙物質的進化過程。

2018年8月，由中國科學院國家天文台帶領的科研團隊依托大科學裝置郭守敬望遠鏡（LAMOST）發現一顆奇特天體，它的锂元素含量約是同類天體的3000倍，絕對锂豐度高達4.51，是人類已知锂元素豐度最高的恒星。這一重要天文發現于北京時間8月7日淩晨，在國際科學期刊《自然·天文》（Nature Astronomy）上在線發布。

含量分布

在自然界中，主要以锂輝石、锂雲母及磷鋁石礦的形式存在。

锂在地殼中的自然儲量為1100萬噸，可開采儲量410萬噸。2004年，世界锂開采量為20200噸，其中，智利開采7990噸，澳大利亞3930噸，中國2630噸，俄羅斯2200噸，阿根廷1970噸。

锂号稱“稀有金屬”，其實它在地殼中的含量不算“稀有”，地殼中約有0.0065%的锂，其豐度居第二十七位。已知含锂的礦物有150多種，其中主要有锂輝石、锂雲母、透锂長石等。海水中锂的含量不算少，總儲量達2600億噸，可惜濃度太小，提煉實在困難。某些礦泉水和植物機體裡，含有豐富的锂。如有些紅色、黃色的海藻和煙草中，往往含有較多的锂化合物，可供開發利用。中國的锂礦資源豐富，以中國的锂鹽産量計算，僅江西雲母锂礦就可供開采上百年。

理化性質

物理性質

銀白色金屬。質較軟，可用刀切割。是最輕的金屬，密度比所有的油和液态烴都小，故應存放于固體石蠟或者白凡士林中(在液體石蠟中锂也會浮起)。

锂的密度非常小，僅有0.534g/cm³，為非氣态單質中最小的一個。

因為锂原子半徑小，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，金屬锂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，锂的晶格常數為3.50Å，電導約為銀的五分之一。锂容易與鐵以外的任意一種金屬熔合。

锂的焰色反應為紫紅色。

同位素

锂共有七個同位素，其中有兩個是穩定的，分别是Li-6和Li-7，除了穩定的之外，半衰期最長的就是Li-8，它的半衰期有838毫秒，接下來是Li-9，有187.3毫秒，之後其他的同位素半衰期都在8.6毫秒以下。而Li-4是所有同位素裡面半衰期最短的同位素，隻有7.58043×10-23秒。

Li-6捕捉低速中子能力很強，可以用來控制鈾反應堆中核反應發生的速度，同時還可以在防輻射和延長核導彈的使用壽命方面及将來在核動力飛機和宇宙飛船中得到應用。Li-6在原子核反應堆中用中子照射後可以得到氚，而氚可用來實現熱核反應。Li-6在核裝置中可用作冷卻劑。

化學性質

锂（Lithium），是一種化學元素，是金屬活動性較強的金屬（金屬性最強的金屬是铯），它的化學符号是Li，它的原子序數是3，三個電子其中兩個分布在K層，另一個在L層。锂是所有金屬中最輕的。因為锂的電荷密度很大并且有穩定的氦型雙電子層，使得锂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定性。

雖然锂的氫标電勢是最負的，已經達到-3.045，但由于氫氧化锂溶解度不大而且锂與水反應時放熱不能使锂融化，所以锂與水反應還不如鈉劇烈，反應在進行一段時間後，锂表面的氮氧化物膜被溶解，從而使反應更加劇烈。在500℃左右容易與氫發生反應，産生氫化锂，是唯一能生成穩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，生成氮化锂（Li₃N）的堿金屬。由于易受氧化而變暗。如果将锂丢進濃硫酸，那麼它将在硫酸上快速浮動，燃燒并爆炸。如果将锂和氯酸鉀混合（震蕩或研磨），它也有可能發生爆炸式的反應。

锂的一些反應的化學反應方程式：

4Li+ O2 = 2Li2O

6Li+ N2 = 2Li3N

2Li +S= Li2S

2Li + 2H2O = 2LiOH+H2↑

2Li + 2CH3CH2OH = 2CH3CH2OLi + H2↑

4Li + TiCl4 = Ti + 4LiCl

2Li + 2NH3(l) = 2LiNH2 + H2↑

氫化锂遇水發生猛烈的化學反應，産生大量的氫氣。兩公斤氫化锂分解後，可以放出氫氣5.66千升。氫化锂的确是名不虛傳的“制造氫氣的工廠”。第二次世界大戰期間，美國飛行員備有輕便的氫氣源——氫化锂丸作應急之用。飛機失事墜落在水面時，隻要一碰到水，氫化锂就立即與水發生反應，釋放出大量的氫氣，使救生設備（救生艇、救生衣、訊号氣球等）充氣膨脹。

制取方法

1855年，本生和馬奇森采用電解熔化氯化锂的方法才制得它，工業化制锂是在1893年由根莎提出的，锂從被認定是一種元素到工業化制取前後曆時76年。電解氯化锂制取锂要消耗大量的電能，每煉一噸锂就耗電高達六、七萬度。

工業上可以用如下的方法制備锂單質：

将氯化锂在不超過其熔點（602℃)的溫度下灼燒幹燥1h。

使用經過氫氧化鉀脫水幹燥的、新蒸餾的吡啶溶解上述氯化锂，制成11.81%的氯化锂的吡啶溶液作為電解液。用石墨闆作陽極，光潔的鉑片或鐵片作陰極，無隔膜。電解時采用的電壓為1.4V，電流密度為0.2～0.3A/100cm3。

主要用途

工業

将質量數為6的同位素（6Li）放于原子反應堆中，用中子照射，可以得到氚。氚能用來進行熱核反應，有着重要的用途。锂主要以硬脂酸锂的形式用作潤滑脂的增稠劑。這種潤滑劑兼有高抗水性、耐高溫和良好的低溫性能。锂化物用于陶瓷制品中，以起到助溶劑的作用。在冶金工業中也用來作脫氧劑或脫氯劑，以及鉛基軸承合金。锂也是铍、鎂、鋁輕質合金的重要成分。

锂與生活日用息息相關，個人攜帶的筆記本電腦、手機、藍牙耳機等數碼産品中應用的锂離子電池中就含有豐富的锂元素。锂離子電池是高能儲存介質，由于锂離子電池的高速發展，衍生帶動了锂礦、碳酸锂等公司業務的蓬勃發展。金屬锂電池在軍用領域也有應用。

锂元素最初被用于玻璃加工行業，因為其氧化物能降低玻璃的熔點，之後又成為核武器必不可少的原料。

锂在發現後一段相當長的時間裡，一直受到冷落，僅僅在玻璃、陶瓷和潤滑劑等部門，使用了為數不多的锂的化合物。

锂早先的主要工業用途是以硬脂酸锂的形式用作潤滑劑的增稠劑，锂基潤滑脂兼有高抗水性，耐高溫和良好的低溫性能。如果在汽車的一些零件上加一次锂潤滑劑，就足以用到汽車報廢為止。

在冶金工業上，利用锂能強烈地和氧、氮、氯、硫等物質反應的性質，充當脫氧劑和脫硫劑。在銅的冶煉過程中，加入十萬分之一到萬分之一的锂，能改善銅的内部結構，使之變得更加緻密，從而提高銅的導電性。锂在鑄造優質銅鑄件中能除去有害的雜質和氣體。在現代需要的優質特殊合金鋼材中，锂是清除雜質最理想的材料。

1kg锂燃燒後可釋放42998kJ的熱量，因此锂是用來作為火箭燃料的最佳金屬之一。1kg锂通過熱核反應放出的能量相當于二萬多噸優質煤的燃燒。若用锂或锂的化合物制成固體燃料來代替固體推進劑，用作火箭、導彈、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。

如果在玻璃制造中加入锂，锂玻璃的溶解性隻是普通玻璃的1/100（每一普通玻璃杯熱茶中大約有萬分之一克玻璃），加入锂後使玻璃成為“永不溶解”，并可以抗酸腐蝕。

純鋁太軟，當在鋁中加入少量的锂、鎂、铍等金屬熔成合金，既輕便，又特别堅硬，用這種合金來制造飛機，能使飛機減輕2/3的重量，一架锂飛機兩個人就可以擡走。锂－鉛合金是一種良好的減摩材料。

真正使锂成為舉世矚目的金屬，還是在它的優異的核性能被發現之後。由于它在原子能工業上的獨特性能，人稱它為“高能金屬”。

锂電池是二十世紀三、四十年代才研制開發的優質能源，它以開路電壓高，比能量高，工作溫度範圍寬，放電平衡，自放電子等優點，已被廣泛應用于各種領域，是很有前途的動力電池。用锂電池發電來開動汽車，行車費隻有普通汽油發動機車的1/3。由锂制取氚，用來發動原子電池組，中間不需要充電，可連續工作20年。要解決汽車的用油危機和排氣污染，重要途徑之一就是發展向锂電池這樣的新型電池。

锂化合物早先的重要用途之一是用于陶瓷制品中，特别是用于搪瓷制品中，锂化合物的主要作用是作助熔劑。

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

二戰期間，美國飛行員備有輕便應急的氫氣源—氫化锂丸。當飛機失事墜落在水面時，隻要一碰到水，氫化锂就立即溶解釋放出大量的氫氣，使救生設備充氣膨脹.

用氘化锂和氚化锂來代替氘和氚裝在氫彈裡充當炸藥，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裡就是利用氘化锂。

硼氫化锂和氫化鋁锂，在有機化學反應中被廣泛用做還原劑，硼氫化锂能還原醛類、酮類和酯類等。氫化鋁锂，是制備藥物、香料和精細有機化學藥品等中重要的還原劑。氫化鋁锂，也可用作噴氣燃料。氫化鋁锂是對複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。

有機锂化合物與有機酸反應，得到能水解成酮的加成産物，這種反應被用于維生素A合成的一步。有機锂化物加成到醛和酮上，得到水解時能産生醇的加成産物。

由锂和氨反應制得的氨基锂被用來引入氨基，也被用作脫鹵試劑和催化劑。

生理

锂能改善造血功能，提高人體免疫機能。锂對中樞神經活動有調節作用，能鎮靜、安神，控制神經紊亂。锂可置換替代鈉，防治心血管疾病。人體每日需攝入锂0.1mg左右。

锂的生物必需性及人體健康效應。锂是有效的情緒穩定劑。随着新的情緒穩定劑的出現，對锂治療的興趣和研究雖已減少，但锂仍是治療急性躁狂症和躁狂-抑郁病預防性管理的最有效措施。許多研究證明，锂對動物和人具有必需功能或有益作用。動物缺锂可導緻壽命縮短、生殖異常、行為改變及其他異常。人類流行病學研究顯示，飲水锂濃度與精神病住院率、殺人、自殺、搶劫、暴力犯罪和毒品犯罪率呈顯著負相關。毒品犯的營養性锂補充研究證明锂有改善和穩定情緒的作用。心髒病人、學習低能者和在押暴力犯發锂含量顯著降低。碳酸锂治療的臨床研究表明，锂的主要反應器官為胃腸道、腎髒、神經、肌肉、内分泌和心血管系統。在170～228 mg Li/d治療劑量範圍内，預期的血清锂水平為0.4～0.8 mEq/L（2.78～5.55 mg/L），無毒性反應。在锂的危險性評估中，對治療劑量采用10倍安全因子對孕婦和胎兒不造成危害，這相當于成人每天攝入2mg Li。動物的NOAEL（無毒性作用水）)為10 mg Li/kg/d，采用32倍安全因子，得到日允許攝入量（ADI）為0.31 mg Li/kg/d。基于動物實驗數據，锂的表觀缺乏攝入量為：山羊：<1.5mgLi/kg，大鼠：<15 μgLi/kg。人對锂的飲食需要量約為60～100 μg/d，典型的日攝入量為200～600μg。蛋類、牛奶、奶制品、魚類、土豆和蔬菜含有豐富的锂。