锂：历史，结构，性质，风险和用途 - 化学 - 2025

的锂是一种金属元件，其化学符号是Li和原子序数3.这是周期表和引线组1种碱金属的第三元件。在所有金属中，它是密度最低，比热最高的金属。太轻了，它可以漂浮在水上。

它的名称源自希腊语“ lithos”，意为石头。他们给它起这个名字是因为它是火成岩中某些矿物的精确发现部分。此外，它还具有类似于植物灰中发现的金属钠和钙的特征。

金属锂零件涂有一层氩气中存储的氮化物层。来源：化学元素的高分辨率图像

它只有一个价电子，在大多数反应中都失去了成为Li ⁺阳离子的能力。或者与有机锂化合物（例如烷基锂）中的碳Li-C共价键共享。

像许多其他金属一样，它的外观是银色固体，如果暴露在湿气中会变成灰色。当它与空气中的氮反应形成氮化物时，它会显示出黑色的层（上图）。

在化学上，它与其同类物（Na，K，Rb，Cs，Fr）相同，但反应性较低，因为其单电子由于与电子的距离更近而受到更大的吸引力，并且由于两个电子的屏蔽作用差内部电子。继而，由于偏斜效应，它像镁一样反应。

在实验室中，锂盐可以通过在打火机中加热来鉴定。强烈的深红色火焰的出现将证明其存在。实际上，它通常在教学实验室中用于分析运行。

它的应用范围很广，既可以用作陶瓷，玻璃，合金或铸造混合物的添加剂，也可以用作冷却介质以及高效能和小型电池的设计。考虑到锂的反应性，尽管具有爆炸性。是最容易氧化的金属，因此，最容易释放电子的金属。

历史

发现

锂在宇宙中的首次出现可以追溯到很久以前，即大爆炸之后几分钟，那时氢和氦的原子核融合了。然而，在地球上，人类将其识别为化学元素需要花费时间。

1800年，巴西科学家若泽·博尼法西奥·德·安德拉达·席尔瓦（JoséBonifáciode Andrada e Silva）在瑞典Utö岛上发现了锂辉石和花瓣状矿物。有了这个，他找到了第一个官方的锂来源，但是对他一无所知。

1817年，瑞典化学家约翰·奥古斯特·阿夫维森（Johan August Arfwedson）能够从这两种矿物中分离出一种硫酸盐，其中含有钙或钠以外的其他元素。那时，八月Johan在瑞典著名化学家JönsJacob Berzelius的实验室工作。

Berzelius将这个新元素称为“ lithos”，这是他的观察和实验的产物，它在希腊语中是石头。因此，锂最终可以被认为是一种新元素，但仍然有必要对其进行隔离。

隔离

仅仅一年后的1821年，威廉·托马斯·布兰德（William Thomas Brande）和汉弗里·戴维爵士（Sir Humphry Davy）通过对氧化锂进行电解，成功地将锂作为金属分离出来。尽管数量很少，但足以观察其反应性。

1854年，罗伯特·威廉·本森（Robert Wilhelm Bunsen）和奥古斯都·马蒂森（Augustus Matthiessen）能够从氯化锂的电解中大量生产锂金属。从这里开始它的生产和贸易，并且由于其独特的性能而发现新的技术应用，因此需求将会增长。

结构和电子配置

金属锂的晶体结构为体心立方（bcc）。在所有紧凑的立方结构中，它是密度最低的，并且与其作为最轻和密度最低的金属的特性相一致。

其中的Li原子被八个邻居包围；也就是说，Li位于立方体的中央，四个Li位于顶部，底部位于角。此bcc相也称为α-Li（尽管此名称显然不是很普及）。

相数

像绝大多数固体金属或化合物一样，当它们经历温度或压力变化时，它们可能会发生相变。只要它们不成立。因此，锂在非常低的温度（4.2 K）下以菱形结构结晶。锂原子几乎被冻结并且其位置的振动更少。

当压力增加时，它将获得更紧凑的六边形结构。并且通过进一步增加，锂经历了X射线衍射未完全表征的其他转变。

因此，这种“压缩锂”的性质仍在研究中。同样，尚不了解在这些高压条件下，它的三个电子（其中之一是价）如何干预其作为半导体或金属的行为。

三个电子代替一个

对于那些从事晶体学分析的人来说，锂在这一点上仍然是一本“不透明的书”，这似乎很好奇。

这是因为，尽管电子结构为2s ¹，但由于电子很少，它几乎无法与为阐明其金属晶体而施加的辐射相互作用。

此外，理论上，1s和2s轨道在高压下重叠。即，内部电子（1s ²）和价电子（2s ¹）都控制锂在这些超致密相中的电子和光学性质。

氧化数

话虽如此，锂的电子构型为2s ¹，它可以失去一个电子。另外两个，从1s ^2的内部轨道，将需要大量的能量才能消除。

因此，锂几乎以氧化数+1参与其所有化合物（无机或有机）。这意味着在其键Li-E（其中E为任意元素）中，假定存在Li ⁺阳离子（实际上该键是离子键还是共价键）。

锂的氧化数-1不太可能，因为它必须结合比其负电性低得多的元素。事实上，这种金属本身很难带正电。

该负氧化数表示2s ²电子构型（获得一个电子），并且与铍等电子。现在李的存在^-阴离子会假设，其衍生的盐会被称为lithuros。

由于其极高的氧化潜能，其化合物主要包含Li ⁺阳离子，由于其很小，可以对庞大的阴离子产生极化作用，形成Li-E共价键。

物产

锂化合物的深红色火焰。资料来源：Antti T.Nissinen（https://www.flickr.com/photos/veisto/2128261964）

外观

银白色金属，质地光滑，被氧化时表面变灰，当与空气中的氮直接反应形成相应的氮化物时变黑。它是如此之轻，以至于漂浮在水或油中。

它非常光滑，甚至可以用小刀甚至用指甲切成薄片，根本不建议这样做。

摩尔质量

6.941克/摩尔

熔点

180.50摄氏度

沸点

1330°摄氏度

密度

在25°C下为0.534 g / mL

溶解度

是的，它漂浮在水中，但立即开始与之发生反应。它可溶于氨，当它溶解时，其电子被溶剂化以产生蓝色。

蒸汽压力

在727°C下为0.818毫米汞柱; 也就是说，即使在高温下，其原子也几乎不能逸出到气相中。

电负性

鲍林标度为0.98。

电离能

第一：520.2 kJ / mol

第二：7298.1 kJ / mol

第三：11815 kJ / mol

这些值分别对应于获得气态离子Li ⁺，Li ²⁺和Li ³⁺所需的能量。

自燃温度

179℃。

表面张力

熔点为398 mN / m。

黏度

在液态时，它的粘性比水差。

熔化热

3.00 kJ /摩尔

汽化热

136 kJ /摩尔

摩尔热容

24,860 J / mol·K。这个值非常高；所有元素中最高的。

莫氏硬度

0.6

同位素

实际上，锂以两种同位素的形式存在：⁶ Li和⁷ Li。单独的原子质量6.941 u指示这两个原子中最丰富的原子：⁷ Li。后者约占所有锂原子的92.4％；而⁶李，他们的约7.6％。

在生物中，有机体更喜欢⁷ Li而不是⁶ Li。但是，在矿物学基质中，⁶ Li 同位素的接收更好，因此其丰度百分比增加到7.6％以上。

反应性

尽管它的活性比其他碱金属差，但它仍然是相当活泼的金属，因此，如果不进行氧化，就不能暴露在大气中。根据条件（温度和压力），它会与所有气态元素发生反应：氢气，氯气，氧气，氮气；并带有诸如磷和硫的固体。

命名法

锂金属没有其他名称。关于其化合物，其中很大一部分是根据系统的，传统的或常用的术语命名的。其+1的氧化态实际上没有变化，因此在股票命名法中，（I）未写在名称的末尾。

例子

例如，考虑化合物栗₂ O和Li ₃ N.

Li ₂ O的名称如下：

-氧化锂，根据库存命名

-氧化锂，根据传统术语

-一氧化二锂，根据系统命名

虽然Li ₃ N被称为：

-氮化锂，库存命名

-氮化锂，传统命名法

-单氮化三锂，系统命名法

生物作用

锂在多大程度上对生物体必不可少，尚不清楚。同样，其代谢的机制尚不确定，仍在研究中。

因此，尚不清楚“富含”锂的饮食能产生什么样的积极作用。即使可以在人体的所有组织中找到它；特别是在肾脏。

血清素水平的调节剂

某些锂盐对人体的药理作用是已知的，尤其是对大脑或神经系统。例如，它调节5-羟色胺的水平，5-羟色胺是负责幸福的化学方面的分子。话虽如此，认为它会改变或改变食用它们的患者的情绪并不少见。

但是，他们建议不要将锂与抗抑郁药一起食用，因为这可能会导致血清素升高过多。

它不仅有助于对抗抑郁症，而且还可以对抗躁郁症和精神分裂症以及其他可能的神经系统疾病。

不足

通过推测，饮食中锂含量低的人被怀疑更容易抑郁或自杀或杀人。但是，其缺乏的正式影响仍然未知。

在哪里找到和生产

锂不能在地壳中找到，更不用说在海洋或大气中以纯净的状态像闪亮的白色金属了。取而代之的是，它经历了数百万年的转变，使其（主要）在某些矿物和岩石群中定位为Li ⁺离子。

据估计，其在地壳中的浓度在20至70 ppm（百万分之一）之间，大约相当于其的0.0004％。在海水中时，其浓度约为0.14至0.25 ppm。也就是说，锂在石头和矿物质中比在盐水或海床中更为丰富。

矿物质

锂辉石石英，锂的天然来源之一。资料来源：iRocks.com的Rob Lavinsky-CC-BY-SA-3.0

发现这种金属的矿物如下：

-锂辉石，LiAl（SiO ₃）₂

-Petalite，LiAlSi ₄ O ₁₀

-锂云母，K（Li，Al，Rb）₂（Al，Si）₄ O ₁₀（F，OH）₂

这三种矿物质的共同点是铝硅酸锂。还可以从中提取金属的其他矿物，例如块状石，钠长石，三斜晶石，真金云母或锂蒙脱石粘土。但是，锂辉石是产生最大量锂的矿物。这些矿物组成一些火成岩，例如花岗岩或伟晶岩。

海水

对于海洋，它是从盐水中提取的，分别是氯化锂，氢氧化物或碳酸盐，LiCl，LiOH和Li ₂ CO ₃。同样可以从湖泊或泻湖中或在不同的盐水沉积物中获得。

总体而言，锂在地球上的各种元素中排在第25位，这与其在陆地和水中的低浓度密切相关，因此被认为是一种相对稀有的元素。

星星

与年轻的恒星相比，年轻的恒星中发现的锂含量更高。

为了获得或生产这种纯净态的金属，有两种选择（忽略经济或盈利方面）：通过采矿行动将其提取或将其收集在盐水中。后者是金属锂生产中的主要来源。

电解生产金属锂

从盐水中获得熔融的LiCl混合物，然后可以对其进行电解以将盐分离为其元素成分：

LiCl（l）→Li（s）+ 1/2 Cl ₂（g）

矿物在酸性介质中消化后，经过分离和纯化过程即可获得其Li ⁺离子。

智利是世界上最大的锂生产国，它是从阿塔卡马盐滩获得的。在同一大陆上，阿根廷紧随其后，是一个从萨尔德尔·洪伯特·穆尔托（Salar del Hombre Muerto）以及玻利维亚最后提取LiCl的国家。然而，通过锂辉石的开采，澳大利亚是最大的锂生产国。

反应

锂最著名的反应是与水接触时发生的反应：

2Li（s）+ 2H ₂ O（l）→2LiOH（水溶液）+ H ₂（g）

LiOH是氢氧化锂，可以看出，它会产生氢气。

与气态氧和氮反应形成以下产物：

4Li（s）+ O ₂（g）→2Li ₂ O（s）

2Li（s）+ O ₂（g）→2Li ₂ O ₂（s）

Li ₂ O是氧化锂，其倾向于在过氧化物Li ₂ O _2的顶部形成。

6Li（s）+ N ₂（g）→2Li ₃ N（s）

锂是唯一能够与氮反应并导致这种氮化物的碱金属。在所有这些化合物中，都可以假设存在Li ⁺阳离子，并参与具有共价特征的离子键（反之亦然）。

它也可以直接与卤素剧烈反应：

2Li（s）+ F ₂（g）→LiF（s）

也与酸反应：

2Li（s）+ 2HCl（conc）→2LiCl（aq）+ H ₂（g）

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

化合物LiF，LiCl和LiNO ₃分别是氟化锂，氯化物和硝酸盐。

关于其有机化合物，最著名的是丁基锂：

2 Li + C ₄ H ₉ X→C ₄ H ₉ Li + LiX

其中X是卤素原子，C ₄ H ₉ X是烷基卤。

风险性

纯金属

锂与水剧烈反应，并且可以与皮肤上的水分反应。这就是为什么如果有人徒手处理它会烫伤的原因。如果是颗粒状或粉末状，在室温下会着火，从而构成火灾隐患。

应使用手套和安全眼镜来处理这种金属，因为与眼睛的最小接触可能会引起严重刺激。

如果吸入，效果甚至会更糟，由于腐蚀性物质LiOH的内部形成，会燃烧呼吸道并引起肺水肿。

该金属必须浸没在油中或干燥的环境中，并且比氮气更惰性。如第一张图片所示，例如在氩气中。

化合物

衍生自锂的化合物，尤其是其盐，例如碳酸盐或柠檬酸盐，要安全得多。只要摄取它们的人尊重他们的医生所规定的适应症。

它可能会在患者中产生许多不良影响：腹泻，恶心，疲劳，头晕，头晕，震颤，排尿过多，口渴和体重增加。

对孕妇的影响甚至更严重，影响胎儿的健康或增加出生缺陷。同样，在哺乳期母亲中也不建议摄入它，因为锂会从牛奶传递到婴儿，并从那里发展出各种异常或负面影响。

应用领域

这种金属在流行水平上最著名的用途是在医学领域。但是，它在其他领域也有应用，特别是通过使用电池在能量存储中。

冶金

锂盐，特别是Li ₂ CO ₃，可在铸造过程中作为用于不同目的的添加剂：

-脱气

-脱硫

-精炼有色金属的晶粒

-增加铸模渣的流动性

-由于高比热，降低了铝铸件的熔化温度。

有机金属

烷基锂化合物用于烷基化（添加R侧链）或芳基（添加Ar芳族基）分子结构。它们在有机溶剂中具有良好的溶解性，并且在反应介质中不具有反应活性，因此脱颖而出。因此，它可以作为多种有机合成的试剂或催化剂。

润滑剂

将硬脂酸锂（油脂和LiOH之间的反应产物）添加到油中以形成润滑混合物。

这种锂润滑剂耐高温，冷却后不会硬化，并且对氧气和水呈惰性。因此，它可用于军事，航空航天，工业，汽车等应用。

陶瓷和玻璃添加剂

用Li ₂ O 处理的玻璃或陶瓷在熔化时粘度较低，并且对热膨胀的抵抗力更大。例如，厨房用具由这些材料制成，派热克斯玻璃也具有这种化合物的成分。

合金类

因为它是一种轻金属，所以它的合金也是如此。其中，铝锂的那些。当作为添加剂添加时，它不仅使它们的重量更轻，而且对高温的耐受性更高。

制冷剂

它的高比热使其非常适合在释放大量热量的过程中用作制冷剂。例如，在核反应堆中。这是因为升高温度会“花费”，因此会阻止热量轻易散发到外部。

电池

最有希望的用途是锂离子电池市场。这些利用了将锂轻松氧化为Li ⁺来利用释放的电子并激活外部电路的优势。因此，电极由金属锂或其合金制成，其中Li ⁺可以嵌入并穿过电解质材料。

出于最后的好奇，音乐团体Evanescense为这种矿物献上了一首名为“锂”的歌曲。

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