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鋰
堿金屬元素
鋰（英語：Lithium），是密度最小的一種金屬，位于元素周期表的第二周期IA族，化學(xué)符號為Li，它的原子序數(shù)為3，原子量為6.941。常溫常壓下，鋰是一種銀白色的固體，其熔點為180.5 ℃，沸點為1342 ℃，比熱容為3.58 kJ/kg·K，可溶于硝酸、液氨等溶液，可與水反應(yīng)。鋰的化學(xué)性質(zhì)活潑，能與大部分非金屬和金屬發(fā)生反應(yīng)。
基本信息
中文名
鋰
英文名
Lithium
元素符號
Li
原子序數(shù)
3
原子質(zhì)量
6.941
族
IA族
周期
第二周期
CAS編號
7439-93-2
物理性質(zhì)
外觀
銀白色的固體
密度
0.534 g/cm3
熔點
180.5 ℃（1 atm)
沸點
1342 ℃（1 atm）
水溶性
可溶于硝酸、液氨等溶液，可與水反應(yīng)
比熱容
3.58 kJ/kg·K
原子性質(zhì)
原子半徑
152 pm
鋰僅以化合物的形式存在于自然界中，在地殼中鋰的含量微少且分散分布不易提取，因此把鋰元素劃入稀有元素之列。金屬鋰及其化合物的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，在宇航工程中、移動通信領(lǐng)域中、軍事領(lǐng)域、有機(jī)合成中都起到重要的作用。
金屬鋰可以通過各種途徑進(jìn)入人體體內(nèi)從而被器官組織吸收導(dǎo)致鋰中毒，這會引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)中毒和腎臟衰竭。
發(fā)現(xiàn)歷史
1817年，瑞典化學(xué)家約翰·奧古斯特·阿韋德松（Johan August Arfwedson）在透鋰長石中所發(fā)現(xiàn)新元素鋰，并將其命名為Lithium，它來源于希臘文Lithos（釋義：巖石）。同時他也發(fā)現(xiàn)了具有工業(yè)儲量的常見鋰礦石如鋰輝石、鋰云母和磷鐵鋰礦。約翰指出碳酸鋰在水中的溶解度很小，氫氧化鋰比其它堿金屬氫氧化物的溶解度也小得多，還指出鋰的化合物和堿土金屬的化合物很相似；十九世紀(jì)在植物和動物的機(jī)體中也發(fā)現(xiàn)有鋰。
1818年英國的化學(xué)家威廉·托馬斯·布蘭德（William Thomas Brande）和漢弗萊·戴維（Humphry Davy）兩人利用電解的方法從氯化鋰中制得了少量的金屬鋰；1855年，德國人羅伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen）和奧古斯特斯·馬提生（Augustus Matthiessen）應(yīng)用電解氯化鋰的方法制備了足夠量的金屬鋰來研究它的性質(zhì)。
1932年，在英國的物理學(xué)家約翰·科克羅夫特（John Cockcroft）和埃米斯特·沃爾頓（Emest walton）的開創(chuàng)性工作中，鋰被用作金屬靶，人工加速的原子粒子被用來改變鋰原子核，每個鋰原子核吸收一個質(zhì)子成為兩個氣體原子核。用慢中子轟擊鋰-6會產(chǎn)生氦和氚。
分布情況
鋰金屬在地殼中分布分散且不易提取，主要集中于鹽湖和花崗偉晶巖礦床，其中鹽湖鋰資源占世界鋰儲量的87%。鋰資源主要分布在美國、中國、智利、澳大利亞、阿根廷等地。中國的鋰資源主要分布在青海、西藏、四川、新疆、湖北、河南、湖南等地，青藏高原的鹽湖鋰資源豐富。1997年，美國地調(diào)所統(tǒng)計了全球已知的鋰資源約為2255萬噸，其中儲量為587.4萬噸，儲量基礎(chǔ)為1590.7萬噸。
工業(yè)上四種重要的鋰資源礦物是：鋰輝石（spodumene）、鋰云母（lepidolite）、透鋰長石（petalite）以及磷鋁石（amblygonite）；礦泉和鹽湖也是鋰的重要來源，已知的天然鹵水中含有濃度高達(dá)萬分之幾的有工業(yè)價值的鋰，例如美國加利福尼亞州的西爾斯湖（SearlesLake）就是一個很大的鋰源；歐洲也富含鋰的地?zé)猁u水。以下列舉幾種典型的鋰礦石。
鋰輝石
目前鋰輝石是提取鋰化物的主要工業(yè)原料，也是鋰的上述四種礦物中儲量最豐富的一種，它比鋰云母或透鋰長石的鋰含量都高，鋰輝石通常多與其它礦物共生，需要富集，用浮選法富集后，可得到含鋰2.8%-3.3%的精礦（6%-7%氧化鋰），在美國、加拿大、巴西和扎伊爾等國家都有大量的鋰輝石礦藏。
鋰云母
鋰云母是一種稀有的云母，沒有生長良好的晶體，通常呈玫瑰紅色、淡紫色，有時呈桃紅色、白色，含鋰約2%（4.2%-4.5%氧化鋰），它僅在熔化以后才能被酸分解，在津巴布韋、西南非洲和加拿大有較多的鋰云母礦，由于鋰輝石對鋰是一種更為合適的原料，因而鋰云母不再作為制備鋰化學(xué)制品的礦石而被開采了，然而這種礦物仍被用作為陶瓷工業(yè)中提供鋰素的原料。
透鋰長石
透鋰長石通常呈灰色和暗灰色，較少呈黃色和無色，有時呈紅色或綠色，密度介于2.39-2.46 g/cm3之間，它不易同酸起反應(yīng)，理論上透鋰長石含有2.27%的鋰（3.5%-4.5%氧化鋰），這種礦物在瑞典、西南非洲和南津巴布韋都有發(fā)現(xiàn)，透鋰長石目前用作玻璃工業(yè)中鋰的原料，也用作耐火材料中膨脹性低的填充劑。
理化性質(zhì)
鋰單質(zhì)的性質(zhì)
物理性質(zhì)
常溫常壓下，鋰單質(zhì)是一種銀白色固體，質(zhì)較軟，一般用刀就可切割，其斷面有微黃色光澤。鋰的熔點為180.5 ℃，沸點為1342 ℃，比熱容為3.58 kJ/kg·K，可溶于硝酸、液氨等溶液。
鋰在常溫下，是非氣態(tài)單質(zhì)中密度最小的元素，且在堿金屬元素中鋰的原子半徑最小，所以金屬鋰的晶格最為堅固。鋰在一般條件下為體心立方結(jié)構(gòu)，
同位素
鋰元素共有10種同位素，包括2個穩(wěn)定型，3個富中子型，2個質(zhì)子型和3個中子無束縛共振型，10種同位素為鋰-4、鋰-5、鋰-6、鋰-7、鋰-8、鋰-9、鋰-10、鋰-11、鋰-12和鋰-13。在自然界中能夠穩(wěn)定存在的是鋰-6和鋰-7，其豐度分別約為7.5%和92.5%，這兩個同位素均無放射性。除穩(wěn)定同位素外，鋰-8的半衰期最長，為839.9 ms；鋰-9的半衰期也較高，為178.3 ms。剩余同位素的半衰期均低于8.6 ms，其中鋰-4的半衰期是最短的。
化學(xué)性質(zhì)
金屬鋰是非常活潑的，固態(tài)鋰在合適的條件下，易與稀有氣體以外的大多數(shù)非金屬及許多金屬發(fā)生反應(yīng)，例如氧、氮、二氧化碳等氣體；液態(tài)鋰除了能夠與上述物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，還可以與氫、碳、硅和大量其他元素發(fā)生強烈反應(yīng)。
- 鋰與氧氣反應(yīng)
- 鋰與水反應(yīng)
塊狀的金屬鋰能迅速與水反應(yīng)，放出氫氣并形成氫氧化鋰的溶液，其反應(yīng)不像鈉與水的反應(yīng)那樣劇烈，這可能是因為鋰不會在反應(yīng)過程中像鈉一樣熔化；和其它堿金屬一樣，粉末狀的鋰遇水會發(fā)生爆炸反應(yīng)。
鋰的新切開斷面有金屬光澤，但暴露在濕空氣中時，斷面會迅速地失去光澤并開始變黑；長時間暴露于空氣中后斷面則會變成白色，此時生成的化合物是氮化鋰、氫氧化鋰、一水合氫氧化鋰，說明固態(tài)鋰與氮氣的反應(yīng)在常溫下就能進(jìn)行。
- 鋰與氫氣反應(yīng)
- 鋰與酸反應(yīng)
- 鋰與有機(jī)化合物反應(yīng)
鋰能同有機(jī)化合物及其鹵素衍生物反應(yīng)，生成相應(yīng)的鋰的有機(jī)化合物，例如n-BuCl能與金屬鋰在一定條件下反應(yīng)生成正丁基鋰，這些化合物在有機(jī)合成上有著重要的意義。
鋰化合物的性質(zhì)
鋰的化學(xué)性質(zhì)活潑，能與多種元素化合生成多種無機(jī)鋰化合物（通稱鋰鹽）及有機(jī)鋰化合物，這些鋰化合物的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，地位也越來越重要。下面列舉幾種常見的鋰化合物。
鋰的無機(jī)化合物
- 氫化鋰
氫化鋰（LiH）是最穩(wěn)定的堿金屬氫化物，常溫常壓下是一種灰白色粉末狀結(jié)晶，其熔點為688.7 ℃，其分解溫度為850 ℃，具有較好的熱穩(wěn)定性。氫化鋰在有機(jī)化學(xué)中是一種重要的還原劑，常用來還原某些有機(jī)化合物。
- 碳酸鋰
- 氫氧化鋰
氫氧化鋰是最重要的鋰化合物之一，有無水氫氧化鋰（LiOH）和一水合氫氧化鋰（LiOH·H?O）兩種。無水氫氧化鋰為白色四方結(jié)晶顆粒或流動性粉末，其熔點為471.2 ℃，沸點為1626 ℃，可溶于水，微溶于乙醇。一水合氫氧化鋰為白色易潮解的單晶粉末，失去結(jié)晶水轉(zhuǎn)換為無水氫氧化鋰。氫氧化鋰被廣泛地用于制備其它鋰化合物的原料，例如制備鋰的鹵化物。
鋰的有機(jī)化合物
在眾多的有機(jī)鋰化合物中，丁基鋰是一種最主要的有機(jī)鋰化合物，丁基鋰（C?H?Li）有4種同分異構(gòu)體，正丁基鋰、仲丁基鋰、異丁基鋰和叔丁基鋰，其中正丁基鋰是一種澄清、無色、不揮發(fā)、稍具粘性的流動液體，在許多碳?xì)浠衔?/a>中有無限的溶解度，用途十分廣泛。
生產(chǎn)方法
金屬鋰是工業(yè)生產(chǎn)中十分重要的金屬，被稱為“二十一世紀(jì)的能源金屬”。因此鋰的提取工藝是十分重要的，以下提及幾種重要的金屬鋰提取工藝和制備方法。
從鋰礦物中提取鋰
硫酸法
硫酸法是一種從鋰礦石中提取鋰的方法，具體步驟為先將鋰礦石高溫焙燒后進(jìn)行硫酸化焙燒和濃硫酸常溫浸泡，此時鋰的形式轉(zhuǎn)為硫酸鋰（Li?SO?）。為除去鐵、鋁、鈣、鎂等雜質(zhì)，往硫酸液中加入純堿液。剩余溶液再經(jīng)過沉鋰、蒸發(fā)濃縮等步驟后可得到碳酸鋰（Li?CO?），最后從碳酸鋰中提取鋰。硫酸法具有硫酸法提鋰具有操作可控制、鋰收率高、能耗小、其他雜質(zhì)含量少（除主要雜質(zhì)Si和Al外）等優(yōu)點。
石灰法
石灰法是將鋰礦物與石灰石先進(jìn)行充分研磨，后進(jìn)行高溫焙燒，使礦物中難溶的鋰轉(zhuǎn)為碳酸鋰（Li?CO?）或一水合氫氧化鋰（LiOH·H?O）的方法。石灰法的主要優(yōu)點是適用性很強，因為它可用來分解幾乎所有的鋰礦石；其缺點是要求精礦中鋰的含量很高，且在浸取結(jié)塊時得到的是氫氧化鋰的稀溶液，因此蒸發(fā)時就需要體積龐大的設(shè)備，并且要消耗大量的熱和花費大量的時間。
從天然鹵水中提取鋰
天然鹵水（如鹽湖鹵水）可成為鋰的工業(yè)原料，在加工過程中富集溶液中的鋰再將其沉淀從而得到易分離的鋰化合物。從鹽湖鹵水中提取鋰的方法主要有吸附法、溶劑萃取法、蒸發(fā)結(jié)晶法、煅燒浸出法等。
吸附法
吸附法是利用合適的吸附劑選擇吸附溶液中的鋰離子，再將鋰離子洗脫下來。吸附法中的吸附劑尤為關(guān)鍵，吸附劑可分為有機(jī)系和無機(jī)系兩種。有機(jī)系吸附劑一般為有機(jī)離子交換樹脂。常用的無機(jī)吸附劑主要有鋁系吸附劑、錳系吸附劑等。
溶劑萃取法
溶劑萃取法是利用離子在不同溶劑中的溶解度不同，鋰離子將會從溶解度較小的鹵水相擴(kuò)散到溶解度較大的有機(jī)相，最后濃縮得到鋰。萃取法具有鋰提取率高、操作安全且連續(xù)等優(yōu)點，但是有可能會引入其他雜質(zhì)。該方法中需選擇合適的萃取劑，常用的萃取劑有含磷有機(jī)萃取劑、冠醚、胺類萃取劑、卜二酮類等。
蒸發(fā)結(jié)晶法
蒸發(fā)結(jié)晶法是將含碳酸鋰的天然鹽湖鹵水通過太陽能蒸發(fā)濃縮，長時間后碳酸鋰直接從鹵水中析出的方法。蒸發(fā)結(jié)晶法雖然具有耗費化工原料少、工藝簡單、操作容易等優(yōu)點，但是該方法對天然鹵水的組成有很大的要求。
煅燒浸出法
煅燒浸出法是天然鹵水先通過太陽曝曬或者加熱等方式蒸發(fā)濃縮，濃縮后的鹵水富含鋰，濃縮液再經(jīng)過煅燒、浸出、固液分離等工序得到浸出液，最后往浸出液中加入石灰石、純堿等物質(zhì)，使液體中的鋰轉(zhuǎn)化為碳酸鋰的方法。這種方法工藝流程和設(shè)備簡單、鋰收率高，但是耗能大且在煅燒過程中產(chǎn)生的氯化氫氣體對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。
熔鹽電解法
1855年，德國人本生（Bunsen）和馬提生（Mattiessen）利用電解氯化鋰（LiCl）的方法制出了大量的金屬鋰。現(xiàn)今的電解法從電解氯化鋰改進(jìn)為電解氯化鋰-氯化鉀（LiCl-KCl）混合物。熔鹽電解法具體的工藝為電解熔融的鋰鹽與氯鹽的混合物，一段時間后，陰極析出金屬鋰，陽極析出氯氣。在電解過程中，氯化鋰的比例應(yīng)控制在45%-55%，此時熔融鹽的熔點低、流動性能好，能節(jié)省能量。熔鹽電解法也目前工業(yè)上制備金屬鋰的主要工藝方法，約有90%的金屬鋰采用熔鹽電解法制備。以下為熔鹽電解法制備鋰的電極反應(yīng)：
應(yīng)用領(lǐng)域
隨著對鋰各種性能的進(jìn)一步研究，金屬鋰及其化合物的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，以下列舉一些金屬鋰的應(yīng)用領(lǐng)域。
鋰的應(yīng)用
作還原劑和催化劑
金屬鋰不僅能夠在許多反應(yīng)中作為原料或化學(xué)中間產(chǎn)物，而且鋰及其化合物還可作為許多化學(xué)反應(yīng)的還原劑和催化劑，例如以分散相的形式用于聚合丁二烯、異戊二烯的單體。
在電池中應(yīng)用
鋰及其化合物能夠作為關(guān)鍵材料生產(chǎn)高性能、無污染的新型綠色環(huán)保電池，包括鋰原電池（一次電池）和鋰蓄電池（二次電池）。此外鋰還可以制作燃料電池、熱電池和化學(xué)超級電容器等化學(xué)電源，而且鋰離子電池的應(yīng)用十分廣泛，能夠應(yīng)用于電動車、電子汽車等產(chǎn)品中。
在核聚變中的應(yīng)用
補充說明：核聚變可放出更多的能量，并且比裂變更清潔、安全。
在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用
鋰合金的應(yīng)用
鎂鋰合金是無毒金屬材料中最輕的合金，其密度是鋁合金的1/2-3/5，是金屬結(jié)構(gòu)材料中密度最小的。由于其獨特性能優(yōu)勢，鎂鋰合金在航空航天領(lǐng)域、武器裝備領(lǐng)域和3C產(chǎn)業(yè)中都有巨大應(yīng)用空間。
鋁鋰合金能夠顯著提升材料的比強度和比剛度，因此在航天航空領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，鋁鋰合金主要應(yīng)用部件包括耐損傷的蒙皮薄板、高強韌化機(jī)翼壁板或內(nèi)部承力件以及低密度導(dǎo)軌或承力件等。
鋰化合物的應(yīng)用
二十一世紀(jì)以來，鋰化合物的用量越來越大，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中十分重要的化合物。鋰化合物在航空航天、核能發(fā)電、電池能源、玻璃陶瓷、石油化工、冶金、紡織、合成橡膠、潤滑材料、醫(yī)療等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。接下來介紹幾種常見鋰化合物的應(yīng)用。
碳酸鋰的應(yīng)用
碳酸鋰（Li?CO?）能夠有效治療躁狂型精神病，在典型的躁狂癥治療中，它已經(jīng)成為目前的首選藥物，在雙相和單相抑郁癥治療過程中碳酸鋰也發(fā)揮著重要的作用，用碳酸鹽等鋰鹽治療能夠明顯改善并提升病人的認(rèn)識功能、情感效應(yīng)和記憶力。
氫化鋰的應(yīng)用
氧化鋰的應(yīng)用
氧化鋰（Li?O）具有強的助熔作用，且能夠在玻璃陶瓷的生產(chǎn)過程中對產(chǎn)品的密度、熱膨脹率、表面張力以及密度進(jìn)行改變。
氯化鋰的應(yīng)用
有機(jī)鋰化合物的應(yīng)用
安全事宜
危險
GHS分類：
H260：與水接觸會釋放易燃?xì)怏w，可能會自燃
H314：導(dǎo)致嚴(yán)重皮膚燒傷和眼睛損傷
圖示 |  |  |
圖意 | 易燃性 | 腐蝕性 |
鋰粉塵能在常溫下燃燒，燃燒后即成熔融物流散，并放出白色濃煙。鋰加熱至熔融狀態(tài)時能在空氣中自燃。鋰單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，同其他堿金屬一樣，鋰與鹵素作用時反應(yīng)劇烈，鋰與水反應(yīng)會釋放出氫氣，在一定條件下會發(fā)生爆炸。
生理毒性
雖然鋰及其化合物能夠治療許多疾病，但是過多服用鋰及其化合物會引起中樞神經(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。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。
急救措施
如果不小心吸入鋰金屬粉末，請立即將患者轉(zhuǎn)移至新鮮空氣處，保持呼吸道通暢；若皮膚接觸到鋰金屬，請立即脫去污染的衣著，并用流動清水沖洗，若接觸部分仍有不適感，請立即前往醫(yī)院就醫(yī)；若眼睛中不小心進(jìn)入了鋰金屬，請立即分開眼瞼，用流動清水或生理鹽水沖洗，沖洗結(jié)束后立即前往醫(yī)院就醫(yī)。若不小心誤食鋰金屬，請立即漱口并飲用牛奶或蛋清，然后前往醫(yī)院就醫(yī)。
消防措施
當(dāng)由鋰引發(fā)火災(zāi)時，應(yīng)使用干燥石墨粉和干砂悶熄火苗，隔絕空氣與水霧。禁止使用直流水、泡沫或鹵化物滅火，直流水可能導(dǎo)致可燃性液體的飛濺，使火勢擴(kuò)散。
鋰的化合物在實驗室中也存在著消防安全隱患，例如苯基鋰溶于揮發(fā)性溶劑中所形成的濃縮溶液易起火，因此在使用苯基鋰時，應(yīng)當(dāng)在惰性氣體的保護(hù)下安全操作；正丁基鋰的化學(xué)性質(zhì)也非常活潑，容易燃燒，因此在貯存和運輸過程中，要防撞擊、防日曬雨淋，并且置于陰涼干燥處，遠(yuǎn)離火源。
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