리튬
Lithium 석유에 부유하는 리튬 | ||||||||||||||||
| 리튬 | ||||||||||||||||
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| 발음 | /ˈlɪθiəm/ | |||||||||||||||
| 외관 | 은백색의 | |||||||||||||||
| 표준 원자량Ar, std(Li) | [6.938, 6.997] 재래식: 6.94[1] | |||||||||||||||
| 주기율표 속의 리튬 | ||||||||||||||||
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| 원자번호 (Z) | 3 | |||||||||||||||
| 그룹 | 그룹 1: 수소 및 알칼리 금속 | |||||||||||||||
| 기간 | 기간 2 | |||||||||||||||
| 블록 | s-블록 | |||||||||||||||
| 전자 구성 | [He] 2s1 | |||||||||||||||
| 셸당 전자 | 2, 1 | |||||||||||||||
| 물리적 성질 | ||||||||||||||||
| 위상 STP서 | 실체가 있는 | |||||||||||||||
| 녹는점 | 453.65 K(180.50°C, 356.90°F) | |||||||||||||||
| 비등점 | 1603 K(130 °C, 2426 °F) | |||||||||||||||
| 밀도 (근처 ) | 0.534 g/cm3 | |||||||||||||||
| 액체가 있을 때 ( ) | 0.155g/cm3 | |||||||||||||||
| 임계점 | 3220 K, 67 MPa(추출) | |||||||||||||||
| 융해열 | 3.00kJ/몰 | |||||||||||||||
| 기화열 | 136 kJ/mol | |||||||||||||||
| 어금니열용량 | 24.860 J/(몰·K) | |||||||||||||||
증기압
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| 원자성 | ||||||||||||||||
| 산화 상태 | +1(강력한 기초 산화물) | |||||||||||||||
| 전기성 | 폴링 척도: 0.98 | |||||||||||||||
| 이온화 에너지 |
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| 원자 반지름 | 체험형: 오후 152시 | |||||||||||||||
| 공동 반지름 | 오후 128±7시 | |||||||||||||||
| 반데르발스 반지름 | 오후 182시 | |||||||||||||||
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| 기타 속성 | ||||||||||||||||
| 자연발생 | 원시적인 | |||||||||||||||
| 결정구조 | 신체 중심 입방체(BCc) | |||||||||||||||
| 음속 얇은 막대기 | 6000m/초(20°C) | |||||||||||||||
| 열팽창 | 46µm/(m³K)(25°C) | |||||||||||||||
| 열전도도 | 84.8 W/(m³K) | |||||||||||||||
| 전기저항도 | 92.8 NΩ⋅m(20°C) | |||||||||||||||
| 자기순서 | 파라자성의 | |||||||||||||||
| 어금니 자기 감수성 | +14.2×10cm−63/mol(298K)[2] | |||||||||||||||
| 영의 계량 | 4.9 GPA | |||||||||||||||
| 전단 계수 | 4.2 GPA | |||||||||||||||
| 벌크 계량 | 11 GPA | |||||||||||||||
| 모스 경도 | 0.6 | |||||||||||||||
| 브리넬 경도 | 5 MPa | |||||||||||||||
| CAS 번호 | 7439-93-2 | |||||||||||||||
| 역사 | ||||||||||||||||
| 디스커버리 | 요한 아우구스트 아르프웨드손(1817) | |||||||||||||||
| 제1격리듬 | 윌리엄 토머스 브랜데(1821) | |||||||||||||||
| 리튬 주 동위 원소 | ||||||||||||||||
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리튬(그리스어: λίθςς, 로마자: 리토스, 점등. '석')은 리와 원자 번호 3을 가진 화학원소다.부드럽고 은백색의 알칼리 금속이다.표준 조건에서 가장 조밀한 금속과 가장 조밀한 고체 원소다.모든 알칼리 금속과 마찬가지로 리튬은 반응성이 높고 인화성이 높으며, 반드시 진공, 불활성 대기 또는 정제 등유나 광유와 같은 불활성 액체에 저장해야 한다.자르면 금속성 광택을 내지만 습한 공기는 칙칙한 은빛 회색으로 빠르게 부식하고, 그 다음 검은 타르니쉬가 된다.자연에서는 결코 자유롭게 발생하지 않지만, 한때 리튬의 주요 공급원이었던 페그마티틱 광물과 같은 (보통 이온성) 화합물에서만 발생한다.이온으로서의 용해성 때문에 바닷물에 존재하며 흔히 염류에서 얻는다.리튬 금속은 염화 리튬과 염화칼륨의 혼합물로부터 전해질 정도로 격리된다.
리튬 원자의 핵은 자연에서 발견된 두 개의 안정된 리튬 동위원소가 모든 안정된 핵종의 핵당 가장 낮은 결합 에너지 중 하나이기 때문에 불안정성에 대해 검증한다.리튬은 상대적인 핵 불안정으로 인해 핵이 매우 가볍지만 최초의 32개 화학 원소 중 25개보다 태양계에서 덜 흔하다. 무거운 핵은 덜 흔하다는 추세에 예외적인 것이다.[3]이와 관련된 이유로 리튬은 핵물리학에서 중요한 용도를 가지고 있다.1932년 리튬 원자가 헬륨으로 전이된 것은 인간이 만든 최초의 핵반응으로, 중수소 리튬은 단계별 열핵무기에서 핵융합연료 역할을 한다.[4]
리튬과 그 화합물은 내열성 유리와 세라믹, 리튬 그리스 윤활유, 철, 강철 및 알루미늄 생산을 위한 플럭스 첨가제, 리튬 배터리, 리튬 이온 배터리 등 여러 가지 산업용 응용 분야를 가지고 있다.이러한 용도는 리튬 생산의 4분의 3 이상을 소비한다.
리튬은 미량의 생물학적 시스템에 존재한다. 리튬의 기능은 불확실하다.리튬염은 조울증 등 정신질환 치료에 무드 스태빌라이저와 항우울제로 유용하다는 것이 입증됐다.
특성.
원자 및 물리적
알칼리 금속은 선행 원소를 따서 리튬 계열이라고도 불린다.다른 알칼리 금속(나트륨(나트륨), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs),[5] 프랑슘(Fr)과 마찬가지로 리튬은 단일 발란스 전자가 있어 쉽게 cation을 형성한다.이 때문에 리튬은 알칼리 금속의 반응성이 가장 낮지만 고반응성 원소는 물론 열과 전기의 좋은 전도체다.리튬의 반응도가 낮은 것은 발란스 전자가 핵에 근접하기 때문이다(남은 두 전자는 에너지의 훨씬 낮은 1s 궤도 안에 있고 화학적 결합에는 참여하지 않는다).[5]녹은 리튬은 고체 형태보다 반응성이 월등히 높다.[6][7]
리튬 금속은 칼로 자를 수 있을 정도로 부드럽다.자르면 산화리튬으로 산화되면서 회색으로 빠르게 변하는 은백색을 가지고 있다.[5]반면 0.534.mw-parser-output .sfrac{white-space:nowrap}.mw-parser-output.sfrac.tion,.mw-parser-output.sfrac .tion의 그 밀도{180.50°C(453.65 K;356.90 °F)[8]의 용융점과 1,342°C(1,615 K;2,448 °F)[8]의 끓는 포인트 모두 알칼리 금속의 가장 높다.디스플레이:inline-block, vertical-align:-0.5em, font-size:85%;text-align:센터}.mw-parser-output.sfrac.num,.mw-parser-output.sfrac .den{디스플레이:블록, line-height:1em, 마진:00.1em}.mw-parser-output.sfrac .den{border-top:1px 고체}.mw-parser-output .sr-only{.국경:0;클립:rect(0,0,0,0), 높이:1px, 마진:-1px, 오버 플로: 숨어 있었다. 패딩:0;위치:절대, 너비:1px}g/cm3이 가장 낮은 것이다.
리튬은 매우 낮은 밀도(0.534g/cm3)로 소나무와 견줄 만하다.[9]상온에서 고형분인 모든 원소 중에서 가장 조밀도가 낮으며, 다음으로 가장 가벼운 고체 원소(칼륨, 0.862g/cm3)는 60% 이상 밀도가 높다.헬륨과 수소를 제외하고 고체로서 액체 질소(0.808 g/cm3)만큼 밀도가 2/3에 불과해 액체로서의 다른 원소보다 밀도가 낮다.[10]리튬은 가장 가벼운 탄화수소 기름에 뜰 수 있으며 물 위에 뜰 수 있는 세 가지 금속 중 하나이며, 나머지 두 가지는 나트륨과 칼륨이다.
리튬의 열팽창 계수는 알루미늄의 2배, 철의 4배 가까이 된다.[11]리튬은 표준압력에서는[12] 400μK 이하, 매우 높은 압력(>20 GPA)에서는 고온(9K 이상)에서 초전도성을 갖는다.[13]70K 미만의 온도에서 리튬은 나트륨과 마찬가지로 무분산 위상 변화 변환을 거친다.4.2K에서는 회전결정계(9단 반복 간격)를 가지고 있으며, 고온에서는 얼굴 중심의 입방체 및 신체 중심 입방체로 변환된다.액상-헬륨 온도(4K)에서는 심복 구조가 일반적이다.[14]고압 리튬에 대한 다중 편향성 형태가 확인되었다.[15]
리튬은 킬로그램-켈빈당 3.58킬로 줄의 질량특정 열용량을 가지고 있어 고형물 중 가장 높다.[16][17]이 때문에 리튬 금속은 열전달 용도의 냉각제에 많이 사용된다.[16]
동위 원소
자연적으로 발생하는 리튬은 Li와 Li 두 개의 안정적인 동위원소로 구성되어 있으며,[5][18][19] 후자는 Li와 Li가 풍부하다(자연 풍부함 92.5%).두 자연 동위원소는 핵당 비정상적으로 낮은 핵 결합 에너지를 가지고 있다. (주기율표, 헬륨 및 베릴륨의 인접 원소에 비해) 리튬은 핵분열을 통해 순 에너지를 생산할 수 있는 유일한 낮은 숫자의 원소다.두 개의 리튬 핵은 중수소와 헬륨-3 이외의 다른 어떤 안정된 핵종보다 핵당 결합 에너지가 낮다.[20]그 결과, 원자 중량은 매우 가볍지만, 리튬은 최초의 32개 화학 원소 중 25개보다 태양계에서 덜 흔하다.[3]7개의 방사성 동위원소가 특징으로 되어 있는데, 가장 안정된 것은 반감기가 838ms인 리와 178ms인 리이다.나머지 방사성 동위원소는 모두 반감기가 8.6ms보다 짧다.리튬의 최단수 동위원소는 Li로 양성자 방출을 통해 분해되며 반감기는 7.6 × 10−23 초이다.[21]Li 동위원소는 양성자 홀수와 중성자 홀수를 모두 갖는 5개의 안정적인 핵종 중 하나이며, 나머지 4개의 안정적인 홀수 핵종은 수소-2, 붕소-10, 질소-14, 탄탈룸-180m이다.[22]
7리(Li)는 빅뱅 핵합성술에서 생성되는 원초성분(또는 더 적절하게, 원초성분)의 하나이다.Li와 Li의 소량은 항성 핵합성 과정에서 별에서 생산되지만, 생산되는 만큼 더 빨리 '연소'된다.[23]7Li는 탄소 별에서도 생성될 수 있다.[24]Li와 Li 모두 태양풍, 더 무거운 원자에 부딪히는 우주 광선, 그리고 초기 태양계 Be와 Be 방사능 붕괴로부터 추가적으로 생성될 수 있다.[25]
리튬 동위원소는 광물 형성([26]화학적 강수량), 신진대사, 이온 교환을 포함한 매우 다양한 자연 과정 동안 상당 부분 분류를 한다.리튬 이온은 점토 광물에서 마그네슘과 철을 대체하는데, 리보다 리이 선호되는 옥타헤드 광산에서 광 동위원소가 농축되어 과잉충돌과 암석변형 과정에서 광동위원소가 농축된다.이국적인 Li는 중성자 후광을 보이는 것으로 알려져 있으며, 중성자 2개가 양성자 3개와 중성자 6개의 핵 주위를 돌고 있다.레이저 동위원소 분리로 알려진 프로세스는 리튬 동위원소, 특히 Li와 Li를 분리하는 데 사용될 수 있다.[27]
핵무기 제조 및 기타 핵물리학 애플리케이션은 인공 리튬 분리의 주요 원천이며, 광 동위원소 리는 강과 같은 자연 발생원에서 리 대 리 비율에 미미하지만 측정 가능한 변화를 일으킬 정도로 산업 및 군사 비축량에 의해 유지된다.이것은 리튬의 표준화된 원자량에 비정상적인 불확실성을 가져왔다. 왜냐하면 이 양은 상업 리튬 광물원에서 사용 가능하기 때문에 자연적으로 발생하는 안정적인 리튬 동위원소의 자연 풍부율에 의존하기 때문이다.[28]
리튬의 안정적인 동위원소는 모두 레이저 냉각이 가능하며 최초의 양자 퇴화 보세페르미 혼합물을 생산하는 데 사용되었다.[29]
발생
천문학적
빅뱅에서 합성됐지만 리튬(베릴륨, 붕소와 함께)은 다른 원소에 비해 우주에서 현저히 풍부하지 않다.리튬을 파괴하는 데 필요한 비교적 낮은 항성온도와 함께 리튬을 생산하는 공통 공정의 부족이 반영된 결과다.[30]
현대 우주론 이론에 따르면, 리튬은 안정적인 동위원소(리튬-6과 리튬-7) 모두에서 빅뱅에서 합성된 세 가지 원소 중 하나였다.[31]빅뱅 핵합성술에서 생성되는 리튬의 양은 바리온당 광자 수에 따라 달라지지만, 수용된 값에 대해서는 리튬의 풍부함을 계산할 수 있고, 우주에는 "우주론적인 리튬 불일치"가 있다: 나이든 별들은 필요한 것보다 리튬을 적게 가지고 있는 것 같고, 어떤 젊은 별들은 훨씬 더 많이 가지고 있는 것 같다.[32]나이 든 별에서 리튬이 부족한 것은 리튬이 파괴되는 항성 내부에 '믹싱'되면서 생긴 것으로 보이는 반면,[33] 리튬은 젊은 별에서 생산된다.섭씨 240만 도 이상의 온도에서 양성자와 충돌하여 헬륨 원자 두 개로 변환되지만(대부분의 항성은 내부에서는 이 온도를 쉽게 도달한다) 리튬은 후세대의 항성들에서 예측하는 것보다 더 풍부하다.[18]
리튬은 또한 갈색 왜성 하위 항성 물체와 어떤 변칙적인 주황색 항성에서도 발견된다.리튬은 보다 시원하고 질량이 적은 갈색 왜성에는 존재하지만, 더 뜨거운 적색 왜성에서는 파괴되기 때문에, 항성의 스펙트럼에 존재하는 리튬의 존재는 "리튬 테스트"에서 사용될 수 있는데, 둘 다 태양보다 작기 때문이다.[18][35][36]어떤 오렌지 별들은 또한 높은 리튬 농도를 포함할 수 있다.리튬 농도가 평소보다 높은 것으로 밝혀진 이 주황색 별들은 중력이 무거운 리튬을 수소-헬리움 별 표면으로 끌어당겨 더 많은 리튬을 관찰하게 하는 중성자 별이나 블랙홀과 같은 거대한 물체를 공전한다.[18]
2020년 5월 27일 천문학자들은 고전 노바 폭발이 리튬-7의 은하계 생성물이라고 보고했다.[37][38]
지상파
리튬은 지구상에 널리 분포하고 있지만 반응도가 높아 자연적으로 원소 형태로 발생하지는 않는다.[5]바닷물의 총 리튬 함량은 매우 크고, 원소가 비교적 일정한 농도 0.14ppm(ppm),[39][40] 0.25ppm(ppm)으로 존재하는 2300억 톤으로 추정되며,[41] 열수 분출구 근처에서 7ppm에 육박하는 고농도가 발견된다.[40]
지구의 지각 함량 추정치는 무게별로 20~70ppm이다.[42]리튬은 지구 표면의 약 0.002%를 차지한다.[43]리튬은 그 이름에 걸맞게 화성암에서 작은 부분을 형성하며, 곡물에서 가장 큰 농도를 가지고 있다.그라나이트 페그마타이트는 또한 리튬을 함유한 광물을 가장 풍부하게 공급하고 있으며, 스포두메인과 페탈라이트는 가장 상업적으로 생존할 수 있는 원천이다.[42]리튬의 또 다른 중요한 미네랄은 레피돌라이트인데, 지금은 폴리리시오나이트와 트릴리티오나이트가 형성한 시리즈의 구식 명칭이다.[44][45]리튬의 새로운 공급원은 헥타이트 점토인데, 그 중 유일하게 활발하게 개발되고 있는 것은 미국 서부 리튬 회사를 통해서이다.[46]지구 표면의 kg당 20mg의 리튬으로 리튬은 25번째로 풍부한 원소다.[47]
리튬과 천연 칼슘 핸드북에 따르면, "리튬은 많은 암석과 일부 염기에서 발견되지만, 항상 매우 낮은 농도에서 발견된다.리튬 광물과 브라인 퇴적물이 상당히 많지만 그 중 실제 또는 잠재적 상업적 가치를 지닌 것은 비교적 적다.다수는 매우 작고, 다른 것들은 성적이 너무 낮다고 말했다.[48]
칠레(2020년)는 현재까지 매장량이 가장 많고(920만t), [49]호주는 연간 생산량(4만t)이 가장 많은 것으로 추정된다.[49]리튬 매장량이[note 1] 가장 많은 곳 중 하나는 540만 톤의 볼리비아 살라르 드 우유니 지역에 있다.다른 주요 공급업체로는 호주, 아르헨티나, 중국 등이 있다.[50][51]2015년 현재 체코 지질조사국은 체코에 있는 오레산맥 전체를 리튬성으로 간주했다.5개의 예금이 등록되어 있으며, Cinovec 근처의 1개는 잠재적으로 경제적인 예금으로 간주되며, 리튬은 160,000톤이다.[52]2019년 12월 핀란드 광산업체 켈리버 오이는 라파사리의 리튬 매장량이 520만 톤으로 증명되고 있을 것으로 추정된다고 보고했다.[53]
2010년 6월 뉴욕타임스는 미국 지질학자들이 아프가니스탄 서부 지역의 건조한 소금 호수에 대해 대규모 리튬 매장량이 있는 것으로 보고 지상 조사를 벌이고 있다고 보도했다.[54]이 추정치는 "1979년부터 1989년까지 소련이 아프가니스탄을 점령하는 동안 주로 수집한 오래된 자료에 근거한다"[55]고 밝혔다.국방부는 아프가니스탄의 리튬 매장량을 볼리비아의 리튬 매장량에 상당하는 것으로 추정하고 이를 "리튬의 사우디아라비아"라고 칭했다.[56]영국 콘월에서는 이 지역의 역사적인 광산 산업으로 인해 리튬이 풍부한 브라인(brine)의 존재가 잘 알려져 있으며, 민간 투자자들은 이 지역에서 리튬 추출 가능성을 조사하기 위한 실험을 실시해 왔다.[57][58]
생물학적
리튬은 수많은 식물, 플랑크톤, 무척추동물에서 미량량으로 발견되며, 10억 개당 69-5760ppb의 농도에서 발견된다.척추동물의 경우 농도가 약간 낮으며 거의 모든 척추동물의 조직과 체액에는 21ppb에서 763ppb에 이르는 리튬이 함유되어 있다.[40]해양생물은 지구생물에 비해 리튬을 생물학적으로 축적하는 경향이 있다.[59]리튬이 이러한 유기체들 중 어느 하나에서 생리학적 역할을 하는지는 알려지지 않았다.[40]
미네랄이 풍부한 토양에서 리튬 농도에 대한 연구는 0.1~50~100ppm의 범위를 제공하며, 일부 농도는 100~400ppm에 이르지만, 식물이 모두 섭취할 수 있을 가능성은 낮다.[60]식물 조직에서 리튬 농도는 일반적으로 약 1ppm이며, 일부 식물군은 다른 것들보다 더 많은 리튬을 생체적으로 축적한다. 리튬 축적은 식물의 필수 영양소 구성에 영향을 주지 않는 것으로 보인다.[60]리튬에 대한 내성은 식물 종에 따라 다르며 일반적으로 나트륨 내성과 유사하다. 예를 들어, 옥수수와 로도스 풀은 리튬 부상에 매우 내성이 있는 반면 아보카도와 콩은 매우 민감하다.[60]마찬가지로, 5ppm 농도의 리튬은 일부 종(예: 아시아 쌀과 병아리콩)에서는 종자 발아를 감소시키지만 다른 종(예: 보리, 밀)에서는 그렇지 않다.[60]리튬의 주요 생물학적 효과의 많은 부분은 다른 이온과의 경쟁으로 설명될 수 있다.[61]모노밸런스 리튬 이온+
리는 나트륨(주기율표의 리튬 바로 아래)과 같은 다른 이온과 경쟁하는데, 리튬과 마찬가지로 모노밸런스 알칼리 금속이기도 하다.리튬은 또한 이온성 마그네슘 이온과 경쟁하는데, 이온성 반경(86pm)은 리튬[61] 이온(pm90)과 거의 같다.세포막을 가로질러 나트륨을 운반하는 메커니즘도 리튬을 운반한다.예를 들어, 나트륨 채널(전압 게이트와 상피 모두)은 리튬의 주요 진입 경로다.[61]리튬 이온은 또한 리간드 게이트 이온 채널을 통해 침투할 수 있을 뿐만 아니라 핵막과 미토콘드리아막을 모두 횡단할 수 있다.[61]나트륨과 마찬가지로 리튬도 칼륨 채널과 칼슘 채널을 부분적으로 차단할 수 있다([61]투과되지는 않지만).리튬의 생물학적 영향은 다양하고 다양하지만 리튬의 작용 기전은 부분적으로만 이해된다.