鋰

18世紀90年代，巴西化學及政治家若澤·博尼法西奧·德·安德拉達（Jose Bonifacio de Andrada e Silva）在瑞典烏託島的一個礦坑中發現透鋰長石（LiAlSi₄O₁₀） ^[5]  。當他把這種礦石扔到火裏時會產生濃烈的深紅色火焰，然而他並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）在化學家永斯·貝吉里斯（Jöns Jacob Berzelius）的實驗室中通過對透鋰長石礦物進行分析時才發現這個新元素的存在，他把它稱作lithium（鋰） ^[6]  。來源於希臘文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，鹼性也較低，因此，他意識到這是一種新的鹼金屬元素。然而，他沒能用電解法分離它。1821年英國化學家布蘭德（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年德國化學家 Robert Bunsen和英國化學家Augustus Matthiessen電解氯化鋰才獲得了大塊的鋰。 ^[7] 

自然界中主要的鋰礦物為鋰輝石、鋰雲母、透鋰長石和磷鋁石等；含鋰的液態礦主要有鹽湖滷水、地下滷水、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。 ^[2] 

據美國地質勘探局（USGS）最新數據統計，2022年全球鋰資源儲量約為2 600萬t，摺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，佔比為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，佔比分別為23.8%、10.4%、7.7%。鋰礦分佈區域高度集中，前五名的國家佔據了全球超80%的儲量。 ^[8] 

金屬鋰為一種銀白色的輕金屬，質較軟，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烴都小，金屬鋰可溶於液氨。因為鋰原子半徑小，故其比起其他的鹼金屬，壓縮性最小，硬度最大，熔點最高。温度高於-117 ℃時，金屬鋰是典型的體心立方結構，但當温度降至-201 ℃時，開始轉變為面心立方結構，温度越低，轉變程度越大，但是轉變不完全。在20 ℃時，鋰的晶格常數為3.50 Å，電導約為銀的五分之一。 ^[9]  鋰容易與鐵以外的任意一種金屬熔合。鋰在焰色反應中表現為紫紅色。

鋰的物理性質(2張)

鋰共有七個同位素，其中有兩個是穩定的，分別是⁶Li和⁷Li，除了穩定的之外，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，之後其他的同位素半衰期都在8.6毫秒以下。而⁴Li是所有同位素裏面半衰期最短的同位素，僅有7.58043×10^-23秒 ^[10]  。

⁶Li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將來在核動力飛機和宇宙飛船中得到應用。⁶Li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。⁶Li在核裝置中可用作冷卻劑。

當將鋰放入水中時，它會較快的與水發生反應並釋放出氫氣，而且還可以和空氣中的氧氣、氮氣迅速結合。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。當温度達到100℃以上，鋰會在空氣中發生燃燒，呈現出藍色的火焰，過程十分劇烈危險，並生成氧化鋰。鋰活潑的性質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生反應，它還可以與氫，重氫（氘）化合成具有炸藥性質的氫化鋰、氘化鋰並被用於我國的第一顆氫彈。也因為鋰的電荷密度很大並且有穩定的氦型雙電子層，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定性。 ^[25] 

雖然鋰的氫標電勢是最負的，達到-3.045V，但由於氫氧化鋰溶解度不大而且鋰與水反應時放熱不能使鋰融化，所以鋰與水反應還不如鈉劇烈，反應在進行一段時間後，鋰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，產生氫化鋰，是唯一能生成穩定得足以熔融而不分解的氫化物的鹼金屬，電離能5.392eV，與氧、氮、硫等均能化合，是唯一的與氮在室温下反應，生成氮化鋰（Li₃N）的鹼金屬。由於易受氧化而變暗。如果將鋰丟進濃硫酸，那麼它將在硫酸上快速浮動，燃燒並爆炸。如果將鋰和氯酸鉀混合（震盪或研磨），它也有可能發生爆炸式的反應。氫化鋰遇水發生猛烈的化學反應，產生大量的氫氣。

與鋰相關的一些化學反應方程式：

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，鋰電池還具有質量輕、體積小、壽命長、性能好、低污染等優點，因而倍受青睞。在動力電池尚未發展之時，鋰主要應用於傳統行業，2010年，下游需求中鋰電池佔比為27%，潤滑脂、陶瓷等傳統行業需求佔比73%；隨着消費電子、電動車行業的蓬勃發展，在2021年的消費結構中，電池領域已經佔據78%以上的市場份額，成為最主要的應用領域。 ^[11]  現在，鋰電池已經被廣泛應用到電動汽車、儲能電池、筆記本電腦、手機、數碼相機、小型電子器材、航天、機電以及軍事通訊等領域。

金屬鋰溶於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。此法的優點是產率較高，缺點是比用鈉還原昂貴，所以僅用於還原一些貴重的化合物。

含鋰化合物可用有機反應催化劑，如作丁二烯、異戊二烯等二烯烴聚合，也可用來製造共聚物 ^[12]  。

1、鋰氨催化劑：包括鋰氨化合物和與氨鹽相結合的催化劑。它們常用於有機合成反應中，如羰基化反應和氫化反應。

2、鋰醇催化劑：如鋰乙醇化合物，常用於醛和酮的選擇性加氫反應。

3、鋰鹽催化劑：包括鋰鹵化物和鋰鹼金屬化合物，常用於有機合成中的苯託卡馬和氟化反應。

4、鋰烴催化劑：如丁基鋰和異丁基鋰，常用於鋰化和金屬基有機反應中，如合成有機鋰試劑和有機合成反應的起始步驟。

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合金，不僅具有良好的導熱、導電、延展性，還具有耐腐蝕、耐磨損、抗衝擊性能好、抗高速粒子穿透力等特點，被譽為“明天的宇航合金”，被廣泛應用到航空航天、國防軍工等領域。隨着當今世界對結構材料輕量化、減重節能、環保以及可持續發展要求的日益提高，鎂鋰合金也將被應用到需要輕量化結構材料的交通、電子、醫療產品等領域。 ^[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。

鋰也是有效的脱氣劑。因為鋰的化學活性強，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、氮等氣體發生反應生成密度小而熔點低的化合物，不僅能除去這些氣體，使金屬變得更緻密，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構，提高金屬的機械性能。

鋰及其化合物具有燃燒度高、速度快、火焰寬、發熱量大等特點。1kg鋰通過熱核反應放出的能量相當於二萬多噸優質煤的燃燒 ^[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製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，而且有極高的比衝量，火箭的有效載荷直接取決於比衝量的大小。

如果在玻璃製造中加入鋰，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），加入鋰後使玻璃成為“永不溶解”，並可以抗酸腐蝕。鋰精礦或鋰化物在製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温度和熔體的粘度，簡化生產流程，降低能耗，延長爐齡，增加產量，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係數，改善玻璃的密度和光潔度，提高製品的強度、延性、耐蝕性及耐熱急變性能。現在含鋰的玻璃被廣泛用到化學、電子學、光學和現代科學技術部門，甚至也用在日常生活用品中。 ^[14] 

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定性，因而被應用到飛機、坦克、火車、汽車、冶金、石油化工、無線電探測等設備上。 ^[15] 

鋰元素在醫療領域也有較為廣泛的應用，對人體有的有利作用包括治療躁鬱症、預防認知退化、抗炎作用、對心血管健康的影響。

1.治療躁鬱症：鋰鹽是治療躁鬱症的一種常見藥物，能夠減輕症狀，如情緒波動、失眠、焦慮等。

2.預防認知退化：研究表明，鋰鹽有助於預防老年認知退化和阿爾茨海默病等神經退行性疾病。

3.抗炎作用：鋰元素對炎症具有抑制作用，能夠減輕一些炎症性疾病的症狀。

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，應在醫生的指導下使用。

金屬鋰具有熱容大、液相温度範圍寬、熱導率高、粘度低和密度小等性質，在核聚變或核裂變反應堆中用作冷卻劑。

溴化鋰是一種高效水蒸氣吸收劑和空氣濕度調節劑，被廣泛用於空調、除濕、製冷和空氣淨化系統。

鋰還能製造“鋰鹽肥料”，防治西紅柿腐爛和小麥鏽穗病。

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、丁二烯醇的引發劑，廣泛應用於耐高温和低温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，用它製造的玻璃可以洞察隱蔽在銀河系最深處的奧秘。鋰玻璃可用來製造電視機顯像管。

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

硼氫化鋰和氫化鋁鋰，在有機化學反應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，是製備藥物、香料和精細有機化學藥品等中重要的還原劑。氫化鋁鋰，也可用作噴氣燃料。氫化鋁鋰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。

有機鋰化合物與有機酸反應，得到能水解成酮的加成產物，這種反應被用於維生素A合成的一步。有機鋰化物加成到醛和酮上，得到水解時能產生醇的加成產物。

鋰可作為煙火的紅色部分。

由鋰和氨反應制得的氨基鋰被用來引入氨基，也被用作脱滷試劑和催化劑。

2022年9月，哈佛大學的科學家為電動汽車(EV)開發了一種新型固態鋰金屬電池。這款電池使用的是純金屬形式的鋰，有望實現3分鐘內完全充電。 ^[17] 

鋰及其化合物在醫療上可用於夠治療脂漏性皮炎、躁鬱症等一些疾病，但是過多服用會引起中樞神經系統中毒和腎臟衰竭，中毒的前驅表現是遲鈍、倦怠、昏睡、肌肉抽搐、語詞不清、食慾降低以及吐瀉等，同時口服的含鋰藥物也可能會使已經存在的皮膚病惡化。 ^[18-19] 

目前對於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。尚未發現鋰中毒成癮的情況，停止服鋰藥後也未觀察到後遺症。

同其他鹼金屬一樣，有強烈腐蝕性，眼和皮膚接觸引起刺激或灼傷，鋰單質的化學性質十分活潑與鹵素作用時反應劇烈，鋰與水反應會釋放出氫氣。加熱至熔融狀態時能在空氣中自燃，在一定條件下加熱還可能會發生爆炸。 ^[20] 

當由鋰引發火災時，應使用碳酸鈉乾粉或乾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，直流水可能導致可燃性液體的飛濺因而致使火勢擴散。 ^[21] 

鋰的化學性質活潑，在對其貯存和使用都要注意安全。通常乾燥環境下，鋰金屬不與氧氣發生反應，而當在潮濕的環境下則會與氧氣發生反應，顏色會由銀白色變成黑色最後再變成白色，實驗室中鋰金屬一般保存在乾燥的惰性氣體環境或是石蠟中。 ^[20] 

Guntz首先建議用電解熔融氯化鋰和氯化鉀的混合物來製備金屬鋰，將無水氯化鋰置於電解槽中，以無水氯化鉀作為助劑，在高温狀態下熔融電解制取金屬鋰。 ^[22]  液態金屬鋰在陰極析出，聚集在熔融鹽表面上，國內生產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，須提純；雜質可重新熔融，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。

3Li₂O＋2Al→6Li＋Al₂O₃

2Li₂O＋Si→4Li＋SiO₂

還原氧化鋰是吸熱反應，再加上金屬鋰性質十分活潑，只能在高温和高真空中反應。

鋰輝石和硫酸鉀一起燒結，鉀將鋰置換出來，形成可溶於水的硫酸鋰。硫酸鹽分解法很長一段時間內是工業製備鋰的唯一方法。此方法不僅適用於鋰輝石，也可用來處理鋰雲母。

2LiAl(SiO₃)₂＋K₂SO₄→Li₂SO₄＋2KAl(SiO₃)₂

首先提出此方法的是R.B.Ellestad和K.M.Leute ^[24]  ，此方法適用於β-鋰輝石和鋰雲母。原理如下（温度為250-3000℃）：

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

此反應的關鍵問題是硫酸只能與β-鋰輝石反應，而對於α-鋰輝石無法與之反應。用硫酸直接分解未經鍛燒的鋰輝石，提取出來的鋰僅佔總量的4%。 ^[24] 

將石灰或石灰石與鋰礦石一起燒結，然後用水處理，浸取液經多次蒸發，可從中結晶析出氫氧化鋰，反應式如下（温度為1000 ℃）：

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

此方法的優點是：

適用性強，能分解幾乎所有鋰礦石。

反應不需要稀缺原料，石灰和石灰石均較便宜且容易獲得。

缺點是：

燒結時精礦會貧化，精礦中鋰含量要求很高。

浸取後得到的是稀溶液，蒸發會消耗大量熱量，且耗時長。

鋰的來源也包括天然滷水和某些鹽湖水，提取技術主要集中在吸附法、膜分離法、萃取法等技術方向上，另外沉澱法、電化學法、滲析法、結晶法、離子交換法也有一定的研發佈局；此外，技術融合及各種技術工藝路線組合應用特徵較為明顯。 ^[23]