리튬 : 역사, 구조, 속성, 위험 및 용도 - 화학 - 2025

리튬은 그 화학 기호 리튬 원자 수가 3 인 금속 원소 이것은 주기율표 리드 군 1 개 알칼리 금속의 번째 요소이다. 모든 금속 중에서 밀도가 가장 낮고 비열이 가장 높은 금속입니다. 너무 가볍기 때문에 물에 뜰 수 있습니다.

그 이름은 돌을 의미하는 그리스어 'lithos'에서 유래되었습니다. 화성암의 일부 광물의 일부로 정확하게 발견 되었기 때문에이 이름을 붙였습니다. 또한 식물성 재에서 발견되는 금속 나트륨 및 칼슘과 유사한 특성을 보였다.

아르곤에 저장된 질화물 층으로 코팅 된 금속 리튬 부품. 출처 : 화학 원소의 고해상도 이미지

그것은 단일 원자가 전자를 가지고 있으며, 대부분의 반응에서 Li ⁺ 양이온이되기 위해 그것을 잃습니다 . 또는 유기 리튬 화합물 (예 : 알킬 리튬)에서 탄소, Li-C와 공유 결합으로 공유함으로써.

다른 많은 금속과 마찬가지로 그 외관은 은빛 고체로 습기에 노출되면 회색으로 변할 수 있습니다. 공기 중의 질소와 반응하여 질화물을 형성 할 때 검은 색 층 (상단 이미지)을 나타낼 수 있습니다.

화학적으로 그것은 동족체 (Na, K, Rb, Cs, Fr)와 동일하지만, 단일 전자가 더 가까워지고 둘의 열악한 스크리닝 효과로 인해 훨씬 ​​더 큰 인력을 경험하기 때문에 반응성이 떨어집니다. 내부 전자. 차례로, 그것은 바이어스 효과로 인해 마그네슘이하는 것처럼 반응합니다.

실험실에서 리튬 염은 라이터로 가열하여 식별 할 수 있습니다. 강렬한 진홍색 불꽃의 출현은 그 존재를 증명할 것입니다. 실제로 분석 실행을 위해 실험실 교육에서 자주 사용됩니다.

그 용도는 세라믹, 유리, 합금 또는 주조 혼합물의 첨가제로 사용되는 것부터 냉각 매체 및 고효율 및 소형 배터리의 설계에 이르기까지 다양합니다. 폭발적이지만 리튬의 반응성을 고려할 때. 산화하는 경향이 가장 큰 금속이므로 전자를 가장 쉽게 포기하는 금속입니다.

역사

발견

우주에서 리튬의 첫 출현은 수소와 헬륨의 핵이 융합 된 빅뱅 이후 몇 분 후로 거슬러 올라갑니다. 그러나 지상에서는 인류가 그것을 화학 원소로 식별하는 데 시간이 걸렸습니다.

브라질 과학자 José Bonifácio de Andrada e Silva가 스웨덴의 Utö 섬에서 광물 spodumene과 petalite를 발견 한 것은 1800 년이었습니다. 이를 통해 그는 최초의 공식 리튬 공급원을 찾았지만 여전히 그에 대해 알려진 바가 없습니다.

1817 년 스웨덴의 화학자 Johan August Arfwedson은이 두 미네랄에서 칼슘이나 나트륨 이외의 원소를 포함하는 황산염을 분리 할 수있었습니다. 당시 August Johan은 스웨덴의 유명한 화학자 Jöns Jacob Berzelius의 실험실에서 일하고있었습니다.

그의 관찰과 실험의 산물 인이 새로운 원소를 그리스어로 돌을 의미하는 'lithos'라고 부르는 것은 Berzelius였습니다. 따라서 리튬은 마침내 새로운 원소로 인식 될 수 있었지만 여전히 분리해야했습니다.

격리

1 년 후인 1821 년 William Thomas Brande와 Humphry Davy 경은 산화 리튬에 전기 분해를 적용하여 리튬을 금속으로 분리하는 데 성공했습니다. 매우 적은 양이지만 그 반응성을 관찰하기에 충분했습니다.

1854 년에 Robert Wilhelm Bunsen과 Augustus Matthiessen은 염화 리튬의 전기 분해를 통해 리튬 금속을 대량으로 생산할 수있었습니다. 여기에서 생산과 무역이 시작되었고 고유 한 특성의 결과로 새로운 기술 응용이 발견됨에 따라 수요가 증가 할 것입니다.

구조 및 전자 구성

금속 리튬의 결정 구조는 체심 입방체 (bcc)입니다. 모든 조밀 한 입방체 구조 중에서 가장 밀도가 낮고 가장 가볍고 밀도가 가장 낮은 금속이라는 특성과 일치합니다.

그 안에서 Li 원자는 8 개의 이웃으로 둘러싸여 있습니다. 즉, Li는 입방체의 중앙에 있으며 모서리에 4 개의 Li가 있습니다. 이 bcc 단계는 α-Li라고도합니다 (이 이름이 널리 퍼져 있지는 않지만).

단계

대부분의 고체 금속 또는 화합물과 마찬가지로 온도 나 압력의 변화를 경험할 때 상전이를 겪을 수 있습니다. 설립되지 않는 한. 따라서 리튬은 매우 낮은 온도 (4.2K)에서 능 면체 구조로 결정화됩니다. Li 원자는 거의 동결되어 위치에서 덜 진동합니다.

압력이 증가하면 더 조밀 한 육각형 구조를 얻습니다. 그리고 훨씬 더 증가함으로써 리튬은 X 선 회절로 완전히 특성화되지 않은 다른 전이를 겪습니다.

따라서이 "압축 리튬"의 특성은 아직 연구 중입니다. 마찬가지로, 이들 중 하나가 원자가 인 3 개의 전자가 이러한 고압 조건에서 반도체 또는 금속으로서의 행동에 어떻게 개입하는지는 아직 이해되지 않았습니다.

하나가 아닌 세 개의 전자

이 시점에서 리튬은 결정 학적 분석에 종사하는 사람들에게 "불투명 한 책"으로 남아있는 것이 궁금해 보입니다.

이는 전자 구성이 2s ¹ 이지만 전자 가 너무 적기 때문에 금속 결정을 밝히기 위해 적용된 방사선과 거의 상호 작용할 수 없기 때문입니다.

또한 1s 및 2s 궤도가 고압에서 겹친다는 이론이 있습니다. 즉, 내부 전자 (1s ² )와 원자가 전자 (2s ¹ )는 이러한 초소형 위상에서 리튬의 전자 및 광학 특성을 제어합니다.

산화 번호

리튬의 전자 배열이 2s ¹ 이라고 말하면 단일 전자를 잃을 수 있습니다. 1s ² 내부 궤도에서 다른 두 개 는 제거하는 데 많은 에너지가 필요합니다.

따라서 리튬은 산화수가 +1 인 거의 모든 화합물 (무기 또는 유기)에 참여합니다. 즉, E가 어떤 원소가되는 Li-E 결합에서 Li ⁺ 양이온이 존재한다고 가정합니다 (이 결합이 실제로 이온 또는 공유 결합인지 여부).

산화수 -1은 리튬보다 전기 음성이 훨씬 적은 원소에 결합해야하기 때문에 리튬의 경우 가능성이 낮습니다. 그 자체로는이 금속이 매우 전기 양성이되는 것이 어렵습니다.

이 음의 산화수는 2s ² 전자 구성을 나타내며 (1 개의 전자를 얻기 위해) 베릴륨에 대해 등 전자가됩니다. 이제 리튬의 존재 ^- 음이온 가정 할 것이다 , 그 파생 염은 lithuros를 호출 할 것이다.

산화 가능성이 높기 때문에 화합물은 대부분 Li ⁺ 양이온을 포함하며 , 이는 너무 작아서 부피가 큰 음이온에 편광 효과를 발휘하여 Li-E 공유 결합을 형성 할 수 있습니다.

속성

리튬 화합물의 진홍색 불꽃. 출처 : Antti T. Nissinen (https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964)

외모

매끄러운 질감의 은백색 금속으로, 표면이 산화되면 회색으로 변하거나 공기 중의 질소와 직접 반응하여 해당 질화물을 형성 할 때 어두워집니다. 너무 가볍기 때문에 물이나 기름에 뜬다.

너무 부드러워서 칼을 사용하거나 손톱으로도 썰을 수 있으므로 전혀 권장하지 않습니다.

몰 질량

6.941g / 몰.

녹는 점

180.50 ° C

비점

1330 ° C

밀도

25 ° C에서 0.534g / mL

용해도

예, 물에 뜨지 만 즉시 반응하기 시작합니다. 암모니아에 용해되며 용해되면 전자가 용해되어 청색을 생성합니다.

증기압

727 ° C에서 0.818mm Hg; 즉, 고온에서도 원자가 기체 상태로 거의 빠져 나갈 수 없습니다.

전기 음성도

폴링 척도에서 0.98.

이온화 에너지

첫째 : 520.2 kJ / mol

둘째 : 7298.1 kJ / mol

세 번째 : 11815 kJ / mol

이 값은 각각 가스 이온 Li ⁺ , Li ²⁺ 및 Li ³⁺ 를 얻는 데 필요한 에너지 에 해당합니다.

자연 발화 온도

179 ° C

표면 장력

녹는 점에서 398 mN / m.

점도

액체 상태에서는 물보다 점성이 적습니다.

융합 열

3.00 kJ / 몰.

기화열

136 kJ / 몰.

몰 열용량

24,860 J / mol · K. 이 값은 매우 높습니다. 모든 요소 중 가장 높은 것입니다.

모스 경도

0.6

동위 원소

본질적으로 리튬은 ⁶ Li와 ⁷ Li 의 두 동위 원소 형태로 발생합니다 . 원자 질량 6.941 u만으로도 두 가지 중 가장 풍부한 ⁷ Li를 나타냅니다 . 후자는 모든 리튬 원자의 약 92.4 %를 차지합니다. 반면 ⁶ 리튬, 그 중 약 7.6 %.

생명체에서 유기체는 ⁷ Li에서 ⁶ Li 를 선호합니다 . 그러나 광물 학적 매트릭스에서는 ⁶ Li 동위 원소 가 더 잘 수용되므로 존재 비율이 7.6 % 이상으로 증가합니다.

반동

다른 알칼리 금속에 비해 반응성이 낮지 만 여전히 활성 금속이므로 산화없이 대기에 노출 될 수 없습니다. 조건 (온도 및 압력)에 따라 수소, 염소, 산소, 질소 등 모든 기체 요소와 반응합니다. 인과 황과 같은 고체와 함께.

명명법

리튬 금속에 대한 다른 이름은 없습니다. 그 화합물과 관련하여 대부분은 체계적, 전통적 또는 주식 명명법에 따라 명명됩니다. +1의 산화 상태는 거의 변하지 않으므로 재고 명명법에서 (I)는 이름 끝에 쓰여지지 않습니다.

예

예를 들어 Li ₂ O 및 Li ₃ N 화합물을 고려하십시오 .

Li ₂ O는 다음 이름을받습니다.

-재고 명명법에 따른 산화 리튬

-전통적인 명명법에 따른 리튬 산화물

-체계적인 명명법에 따른 일산화 디 리튬

Li ₃ N이 호출 되는 동안 :

-질화 리튬, 재고 명명법

-리튬 질화물, 전통적인 명명법

-Trilithium mononitride, 체계적인 명명법

생물학적 역할

리튬이 유기체에 필수적인지 여부는 알려져 있지 않습니다. 마찬가지로, 그것이 대사 될 수있는 메커니즘은 불확실하며 여전히 연구 중입니다.

따라서 리튬이 "풍부한"식단이 어떤 긍정적 인 영향을 미칠 수 있는지는 알려져 있지 않습니다. 비록 그것은 신체의 모든 조직에서 발견 될 수 있지만; 특히 신장에서.

세라토닌 수치 조절

특정 리튬 염이 신체에 미치는 약리학 적 효과는 특히 뇌나 신경계에 미치는 영향이 알려져 있습니다. 예를 들어, 행복의 화학적 측면을 담당하는 분자 인 세로토닌의 수준을 조절합니다. 즉, 그것을 소비하는 환자의 기분을 바꾸거나 수정한다고 생각하는 것은 드문 일이 아닙니다.

그러나 그들은 세로토닌을 너무 많이 증가시킬 위험이 있으므로 우울증과 싸우는 약물과 함께 리튬을 섭취하지 말라고 조언합니다.

그것은 우울증과 싸우는 데 도움이 될뿐만 아니라 양극성 및 정신 분열성 장애뿐만 아니라 다른 가능한 신경 학적 장애에도 도움이됩니다.

부족

추측으로 리튬이 부족한 식단을 가진 개인은 우울증에 걸리거나 자살 또는 살인을 저지르는 경향이 있다고 의심됩니다. 그러나 공식적으로 결핍의 영향은 알려지지 않았습니다.

찾아서 생산하는 곳

리튬은 지구의 지각에서 찾을 수 없으며, 바다 나 대기에서 훨씬 적은 순수한 상태에서 반짝이는 흰색 금속으로 발견됩니다. 대신, 특정 광물 및 암석 그룹에서 (주로) Li ⁺ 이온으로 위치하는 수백만 년에 걸쳐 변형을 거쳤습니다 .

지각의 농도는 20 ~ 70ppm (백만 분율)으로 추정되며 이는 약 0.0004 %에 해당합니다. 해수에서 농도는 0.14 및 0.25ppm 정도입니다. 즉, 리튬은 소금물이나 해저보다 돌과 미네랄에 더 풍부합니다.

탄산수

리튬의 천연 공급원 중 하나 인 스포 듀민 석영. 출처 : Rob Lavinsky, iRocks.com-CC-BY-SA-3.0

이 금속이 발견되는 미네랄은 다음과 같습니다.

-스포 듀민, LiAl (SiO ₃ ) ₂

-페탈 라이트, LiAlSi ₄ O ₁₀

-레피도 라이트, K (Li, Al, Rb) ₂ (Al, Si) ₄ O ₁₀ (F, OH) ₂

이 세 가지 미네랄은 리튬 알루미 노 실리케이트라는 공통점이 있습니다. 암 블리 고 나이트, 엘 베이트, 삼중석, 유 크립 타이트 또는 헥토 라이트 점토와 같이 금속을 추출 할 수있는 다른 광물도 있습니다. 그러나 스포 듀민은 리튬이 가장 많이 생성되는 미네랄입니다. 이 광물은 화강암이나 페그마타이트와 같은 일부 화성암을 구성합니다.

해역

바다와 관련하여 소금물에서 각각 염화 리튬, 수산화물 또는 탄산염, LiCl, LiOH 및 Li ₂ CO ₃ 로 추출 됩니다. 같은 방법으로 호수 나 석호 또는 다른 소금물 매장지에서 얻을 수 있습니다.

전반적으로 리튬은 땅과 물 모두에서 낮은 농도와 잘 관련이있는 지구상 원소의 풍부함에서 25 위를 차지하므로 비교적 희귀 한 원소로 간주됩니다.

별

리튬은 나이가 많은 별보다 어린 별에서 더 많이 발견됩니다.

이 금속을 순수한 상태로 얻거나 생산하려면 두 가지 옵션 (경제적 또는 수익성 측면 무시)이 있습니다. 채굴 작업을 통해 추출하거나 소금물에 수집합니다. 후자는 금속 리튬 생산의 주된 공급원입니다.

전기 분해에 의한 금속 리튬 생산

소금물에서 LiCl의 용융 혼합물이 얻어지며,이를 전기 분해하여 소금을 원소 성분으로 분리 할 수 ​​있습니다.

LiCl (l) → Li (s) + 1/2 Cl ₂ (g)

미네랄은 산성 매질에서 소화되어 분리 및 정제 공정 후 Li ⁺ 이온을 얻습니다 .

칠레는 세계에서 가장 큰 리튬 생산국으로 자리 매김하여 아타 카마 소금 평지에서이를 얻었습니다. 같은 대륙에서 아르헨티나는 Salar del Hombre Muerto와 마지막으로 볼리비아에서 LiCl을 추출하는 국가를 따릅니다. 그러나 호주는 스포 듀민 개발을 통한 리튬의 최대 생산국입니다.

반응

리튬의 가장 잘 알려진 반응은 물과 접촉 할 때 발생하는 반응입니다.

2Li (s) + 2H ₂ O (l) → 2LiOH (aq) + H ₂ (g)

LiOH는 수산화 리튬이며, 알 수 있듯이 수소 가스를 생성합니다.

기체 산소 및 질소와 반응하여 다음 제품을 형성합니다.

4Li (s) + O ₂ (g) → 2Li ₂ O (s)

2Li (s) + O ₂ (g) → 2Li ₂ O ₂ (s)

Li ₂ O는 과산화물 인 Li ₂ O ₂ 위에 형성되는 경향이있는 산화 리튬 입니다.

6Li (s) + N ₂ (g) → 2Li ₃ N (s)

리튬은 질소와 반응하여이 질화물을 유발할 수있는 유일한 알칼리 금속입니다. 이러한 모든 화합물에서 Li ⁺ 양이온의 존재를 가정 할 수 있으며, 공유 특성을 가진 이온 결합에 참여합니다 (또는 그 반대).

또한 할로겐과 직접적이고 격렬하게 반응 할 수 있습니다.

2Li (s) + F ₂ (g) → LiF (s)

또한 산과 반응합니다.

2Li (s) + 2HCl (진한) → 2LiCl (aq) + H ₂ (g)

3Li (s) + 4HNO ₃ (희석) → 3LiNO ₃ (aq) + NO (g) + 2H ₂ O (l)

화합물 LiF, LiCl 및 LiNO ₃ 은 각각 불화 리튬, 염화물 및 질산염입니다.

그리고 유기 화합물과 관련하여 가장 잘 알려진 것은 리튬 부틸입니다.

리튬 2 + C ₄ H ₉ X → C ₄ H ₉ 리 + LiX와

여기서 X는 할로겐 원자이고 C ₄ H ₉ X는 알킬 할라이드입니다.

위험

순수한 금속

리튬은 물과 격렬하게 반응하며 피부의 수분과 반응 할 수 있습니다. 그렇기 때문에 누군가가 맨손으로 그것을 다루면 화상을 입을 것입니다. 그리고 과립 또는 분말 형태의 경우 상온에서 화재가 발생하여 화재 위험이 있습니다.

눈과의 접촉을 최소화하면 심한 자극을 유발할 수 있으므로 장갑과 보안경을 사용하여이 금속을 다루어야합니다.

흡입하면 부식성 물질 인 LiOH의 내부 형성으로 인해기도를 태우고 폐부종을 유발하여 효과가 더욱 악화 될 수 있습니다.

이 금속은 기름이나 건조한 분위기에 담가서 보관해야하며 질소보다 더 불활성이어야합니다. 예를 들어 첫 번째 이미지에 표시된 것처럼 아르곤에서.

화합물

리튬에서 파생 된 화합물, 특히 탄산염 또는 구연산염과 같은 그 염은 훨씬 안전합니다. 그것을 섭취하는 사람들이 의사가 처방 한 적응증을 존중하는 한.

환자에게 발생할 수있는 여러 가지 바람직하지 않은 영향 중 일부는 설사, 메스꺼움, 피로, 현기증, 현기증, 떨림, 과도한 배뇨, 갈증 및 체중 증가입니다.

그 영향은 임산부에게 더욱 심각하거나 태아의 건강에 영향을 미치거나 선천적 결함을 증가시킬 수 있습니다. 마찬가지로 리튬은 우유에서 아기에게 전달 될 수 있고 거기에서 모든 종류의 이상이나 부정적인 영향이 발생할 수 있기 때문에 수유부에서는 섭취를 권장하지 않습니다.

응용

이 금속의 가장 잘 알려진 용도는 의학 분야에 있습니다. 그러나 다른 영역, 특히 배터리 사용을 통한 에너지 저장에 적용됩니다.

야금

리튬 염, 특히 Li ₂ CO ₃ 는 다양한 목적을 위해 주조 공정에서 첨가제로 사용됩니다.

-Degass

-탈황

-비철금속 입자를 정제합니다.

-주조 금형 슬래그 유동성 증대

-높은 비열로 인해 알루미늄 주물의 용융 온도를 낮 춥니 다.

유기 금속

알킬 리튬 화합물은 분자 구조를 알킬화 (R 측쇄 추가) 또는 아릴 (Ar 방향족 그룹 추가)하는 데 사용됩니다. 그들은 유기 용매에 대한 좋은 용해도와 반응 매질에서 그다지 반응성이 없다는 점에서 두드러집니다. 따라서 여러 유기 합성을위한 시약 또는 촉매 역할을합니다.

윤활유

리튬 스테아 레이트 (그리스와 LiOH 사이의 반응 산물)를 오일에 첨가하여 윤활 혼합물을 만듭니다.

이 리튬 윤활제는 고온에 강하고 냉각시 경화되지 않으며 산소와 물에 불활성입니다. 따라서 군사, 항공 우주, 산업, 자동차 등의 응용 분야에서 사용됩니다.

세라믹 및 유리 첨가제

Li ₂ O 로 처리 된 유리 또는 세라믹은 녹을 때 점도가 낮아지고 열팽창에 대한 내성이 커집니다. 예를 들어, 주방 용품은 이러한 재료로 만들어지며 Pyrex 유리도이 화합물을 구성합니다.

합금

경금속이기 때문에 합금도 마찬가지입니다. 그중 알루미늄-리튬의 것. 첨가제로 첨가하면 무게가 줄어들뿐만 아니라 고온에 대한 내성도 커집니다.

냉각제

높은 비열로 인해 많은 열이 방출되는 공정에서 냉매로 사용하기에 이상적입니다. 예를 들어 원자로에서. 이는 온도를 높이는 데 "비용이 많이 들고"열이 외부로 쉽게 방출되는 것을 방지하기 때문입니다.

배터리

그리고 가장 유망한 용도는 리튬 이온 배터리 시장입니다. 이들은 방출 된 전자를 사용하고 외부 회로를 활성화하기 위해 리튬이 Li ⁺ 로 산화되는 용이성 을 이용합니다. 따라서, 전극은 금속 리튬 또는 이들의 합금으로 만들어지며, Li ⁺ 가 삽입되어 전해 물질을 통해 이동할 수 있습니다.

마지막 호기심으로 뮤지컬 그룹 Evanescense는이 광물에 "Lithium"이라는 제목의 노래를 헌정했습니다.

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