锂(lithium)

元素周期表第ⅠA族首位碱金属元素，在中国被划为稀有轻金属。化学符号Li，原子序数3，相对原子质量6.941。自然界最轻的金属元素。

筒史   18l7年瑞典人阿尔费德松(J.A.Arfvedson)在研究透锂长石时发现锂，以希腊文Lithos(石头)命名为lithium(锂)。1818年英国人戴维(H.Davy)电解碳酸锂制得少量金属锂。1855年德国人本森(R.W.Bunsen)和英国人马提森(A.Matthissen)电解熔融氯化锂制得较大量的金属锂，并确认锂具有碱金属性质。1898年美国在南达科他州布莱克山采出30t锂辉石，为工业开采锂矿之始。1901年美国梅伍德化学公司(Maywood Chemical Co)生产出第一批锂化学品。1923年德国金属公司(Metallgesellschaft AG)开始锂的工业生产，产品主要用作硬铅轴承合金和铝锂合金。1944年开始使用无水氢氧化锂，作潜水艇中的二氧化碳吸收剂，用氢化锂作军用气球的充气源。1950年同位素。Li用作生产氢弹等热核武器的原料，美国原子能工业开始大量使用氢氧化锂，使锂工业获得惊人的发展。1960年以后，美国原子能工业用锂趋于饱和，锂开始大量用于民用工业如炼铝、润滑脂、空气调节、合成橡胶、玻璃陶瓷等部门。当20世纪70年代出现世界性石油供应紧张时，作为能源金属的锂再度受到重视。预计到2l世纪初可能实现通过核聚变反应来获取巨大的能量，锂有可能作为未来重要的能源元素。

中国于20世纪30年代末开始在新疆可可托海开采锂矿，于1956年开始锂冶炼研究，1958年建成第一座锂盐生产厂，先后开发了新疆、江西、四川等地的锂矿资源。到90年代已建立了从矿山、冶炼到合金加工的整套工业生产体系，能生产各种规格的金属锂和锂盐产品，产品除满足国内需要外，还出口美国、日本等国家。

物理性质   金属锂为体心立方晶体结构，银白色柔性金属，可以用小刀切割。锂原子的外电子层构型为[He]2s¹。作为自然界最轻的金属元素，锂具有一系列独特的物理性质，如高的质量热容、宽的液相温度范围、好的导热率、低粘度、小密度等。锂有五种同位素，其质量数为5～9。天然锂由两种同位素组成，其中⁶Li占7.5％，相对原子质量为6.01512；⁷Li占92.5％，相对原子质量为7.01600。当用中子照射⁶Li时，会发生生成氚(³H)和氦(He⁺)的放热反应。⁶Li和重氢(²H)的热核聚变反应放出巨大的能量(22.4MeV)。锂的主要物理性质列举于表1。

化学性质   锂具有碱金属特有的化学性质。金属锂活性大，易燃。但锂的某些性质却独异于同族元素而和ⅡA族中的镁相似。常见的锂化合价为正一价。锂能形成离子键和共价键，共价键半径为123pm。锂的标准还原电位(Li⁺→Li^o)为–3.40V。锂的电化当量仅次于铍，为3.86A.h/g。金属锂可溶于液氨，微溶于低级脂肪族胺(如乙胺)，不溶于烃类有机物。锂在空气中急剧氧化，迅速失去光泽，形成氮化锂、氢氧化锂和碳酸锂的混合物。因此，金属锂必须保存在经精制的煤油、石蜡或充氩密封容器中。

锂能与大量的无机和有机试剂反应。锂与氧反应生成氧化锂(Li₂O)和过氧化锂(Li₂O₂)。锂是惟一能与氮在室温下反应生成氮化物的碱金属，Li₃N为黑色。锂在773K左右容易与氢反应生成氢化锂(LiH)。在全部碱金属中，锂最易与氢反应，而且是惟一能生成稳定到足以熔融而不分解的氢化物的碱金属。LiH与三氟化硼的乙醚复合物(BF₃(C₂H₅)₂O)反应生成乙硼烷(B₂H₆)或硼氢化锂(LiBH₄)。锂与水反应非常剧烈。锂直接与碳反应生成碳化锂(Li₂C₂)。锂与卤素在高温下容易化合生成卤化锂，并同时发光。锂与氨反应生成氨化锂(LiNH₂)，加热时氨化锂会变成一氨化锂(Li₂NH)。锂是惟一能生成亚氮化物的碱金属。锂与一氧化碳作用生成不稳定的羰基锂(LiCO)。锂的有机化合物极性很强。锂直接与碳结合生成的键具有强的共价性质，故锂的有机化合物都是液体或低熔点固体物，易溶于水，广泛用于有机合成。锂能与芳香链和二烯发生加成反应，这种二烯体系加成反应是二烯催化聚合成为具有天然橡胶性质的合成弹性体的基础。锂与炔属化合物反应时，会置换炔中的氢，生成乙炔锂。乙炔锂可用作维生素A合成的原料。金属锂与醇反应生成醇锂(LiOR)，放出氢气。锂加成到醛和酮等化合物上，得到的锂加成化合物可作为水解醇的中间体。重要的锂化合物列举于表2。

用途   锂及锂化物因其独特的化学和物理性质而广泛用于军事工业和民用工业。电解铝工业是锂的最大用户。铝电解中添加碳酸锂，可降低电解质熔点，提高铝电解槽的电流效率，从而使铝产量增加约10％，电耗降低8～14％；此外，还可以抑制22％～38％的有害氟排出。在美国和欧洲，铝工业消耗的碳酸锂量约占锂总量的40％。玻璃陶瓷工业是锂的第二大消费部门，它直接消耗锂辉石矿。往玻璃陶瓷中添加锂可以降低其熔化温度，使玻璃陶瓷的热胀系数增大，并取代一些有害杂质。大量含锂微晶玻璃用作抗急冷急热的烹调器具材料。一些锂矿物用作制造黑白电视显像管及泡沫玻璃绝缘的材料。氧化锂用作各种釉料的熔剂，在瓷器釉料中加入Li₂O 0.5％，可改善熔体的流动性，使瓷器性质变得更均匀和更有光泽。氧化锂也用于制造变色镜片、陶瓷蒸煮器、计数器顶尖及密封定向无线电天线的材料。大量锂用作生产容器玻璃、平板玻璃和玻璃纤维材料。玻璃陶瓷用锂约占锂总消费量的25％。锂的第三大用途是用于制造多用润滑脂和合成锂基脂。锂基脂熔点高，工作温度范围宽(213～473K)，防水性能好，使用寿命长。锂基脂的这些性能使它适用于制造在恶劣的温度和大气条件下工作的润滑脂。这种润滑脂用作焙烧窑滚轮、干燥窑滚轮、旋转蒸气联轴节中的轴承及耐久性轴承的润滑剂。目前锂基脂支配着润滑脂市场，在美国的润滑脂总量中锂基脂占66％以上。金属锂能和多种金属组成合金，这些合金用于原子能和航天航空工业部门。与常规铝合金相比，含Li2％～3％的铝锂合金具有较低的密度、较高的弹性模量、优异的耐蚀性和良好的抗疲劳性，是制造飞机的良好材料。金属锂质量轻，标准电极电位大，是优良的电池阳极材料。一次锂电池具有密度低、极端温度下工作性能好和搁置寿命长等特点，广泛用作计算机记忆装置、心脏起博器、手表、照相机以及导弹、鱼雷等武器系统的电源。正在开发熔融碳酸锂电池，即为第二代燃料电池。溴化锂和氯化锂具有潮解性，可使空气中湿度保持稳定，广泛用于空气调节系统。丁基锂用于合成橡胶生产的催化剂。次氯酸锂用于食品加工和罐头工业。此外，碳酸锂在医药上用于医治精神分裂症的抑制剂。氢化锂用作应急气球的氢源。二水合醋酸锂用作聚脂生产的催化剂。1990年世界消费锂和锂盐以碳酸锂计为29400t，其中美国消费约12000t，日本约5400t。

资源和矿物原料   锂的地壳丰度为18×10^–4％，海水含锂2×10^–5％。已发现的锂矿物约145种，以锂为主的矿物约30种。具有工业价值的矿物有六种(表3)，其中以锂辉石的开采量最大，占锂矿物产量的一半以上。

锂矿床有花岗伟晶岩、气成热液和盐湖沉积矿床三种类型。含锂花岗岩主产锂辉石、锂云母、透锂长石和锂磷铝石，其中锂辉石是目前锂的主要来源。锂辉石主要分布在美国北卡罗莱纳州、加拿大魁北克和伯尼克湖、前苏联科拉半岛等地。气成热液矿床主产铁锂云母矿，常是钨、锡、铍、锂的综合矿床，主要分布在津巴布韦、南美洲和欧洲。盐湖沉积矿床如岩盐、光卤石、芒硝、硼砂湖、温泉等的特点是储量大，开采方便，锂可作为从开采这些矿床中提取钠、钾、硼的副产品。盐湖沉积矿床主要分布在美国内华达州的银峰，加利弗尼亚州的西尔斯湖、安第斯山脉盐湖及中国的青藏高原。世界锂资源总量约为1065万t(以金属锂计)，其中595万t产自伟晶岩，466万t产自卤水。美国是锂资源最丰富的国家，占世界总量的44％；其次是智利，占29.7％；扎伊尔占21.6％，中国锂矿床主要含锂辉石和锂云母。锂辉石主要分布在新疆可可托海和阿尔泰地区、四川康定呷基卡、河南官坡。锂云母主要分布在江西宜春、湖南香花岭等地，在号称世界屋脊的青藏高原上，星罗棋布的盐湖构成了地球上海拔最高、资源富饶的盐湖区——藏北高原和柴达木盐湖。这些盐湖区含有大量的锂、铷、铯，其含量之高，甚为罕见。

提取冶金   主要包括锂提取(制取Li₂CO₃、LiOH•H₂O等)和熔盐电解法制锂(金属锂制取)两个环节；有时为了获取高纯金属锂产品，还需增加金属锂精炼环节。提锂原料主要有锂辉石精矿(含Li₂O6％～6.5％)、锂云母精矿(含Li₂O 3％～3.5％)、透锂长石精矿(含Li₂O 4％～4.5％)和盐湖卤水。根据不同原料，锂提取又分为精矿提锂和卤水分离两类方法。精矿提锂主要采用焙烧工艺，如硫酸法提锂(硫酸焙烧)、石灰法提锂(石灰石焙烧)、氯化焙烧法提锂(氯化物焙烧)等获得锂化合物，再用熔盐电解法制锂获得金属锂，最后将粗金属锂精制成高纯锂。从卤水矿中提锂，视卤水组成主要采用碱压煮法提锂。锂提取冶金原则流程见图。元素锂在自然界中有⁶Li和⁷Li两种稳定同位素，有时为了特殊需要而需进行锂同位素分离。

锂的管理   锂性质极活泼，在处理、运输和储存时，需采取特殊管理措施。锂能与氮反应，故锂容器充氩气而不能充氮气。锂能与玻璃陶瓷反应，故必须使用金属设备。锂的火焰最易用石墨粉扑灭。锂的加工和包装都必须在干燥空气中(相对湿度不大于2％)进行。

展望   锂作为能源金属将越来越受到重视。核聚变发电有可能在21世纪初取得突破性进展，到那时锂将会作为核聚变原料而获得重要应用。除了继续发展一次锂电池外，也将开发第二代锂燃料电池。作为节能金属锂在炼铝工业中用量将会继续增长。航空工业用铝锂合金将获得迅速发展。世界锂矿石资源丰富，冶炼水平已达到相当高度，今后十年或更长时间内锂产品将能满足世界需要，但未来锂的大部分将从卤水中提取。中国拥有丰富的卤水资源，锂、铷、铯含量高，具有光明的开发前景。