리튬, Lithium

 

 

리튬, Lithium
원자 기호	Li
원자 번호	3
족, 주기, 구역	1족, 2주기, s-구역
전자배치	1s22s1
리튬의 불꽃 반응
리튬의 스펙트럼
원소 분류	알칼리 금속
원자량	6.941(2) g/mol
상태	은백색, 회색의 금속 고체
밀도 녹는점에서의 액체의 밀도	0.534 g·cm−3 (0℃, 1기압) 0.512 g·cm−3
녹는점	453.69 K
끓는점	1615 K
삼중점	13.803 3 K, 7.042 kPa
임계점	3223 K, 67 MPa
융해열	ΔfusH˚ = 3.00 kJ/mol
기화열	ΔvapH˚ =  147.1 kJ/mol
25℃에서의 열용량	24.860 J/(mol·K)
산화수	1
전기음성도	0.98 (폴링 척도)
이온화에너지	1st: 520.2 kJ/mol 2nd: 7298.1 kJ/mol 3rd: 11815.0 kJ/mol
원자 반지름	145 pm
원자 반지름 (계산)	167 pm
공유 반지름	134 pm
반데르발스 지름	182 pm
결정 구조	체심 입방정계
자기성	상자성
열전도율	84.8 W/(m·K) (300K)
음속	6000 m/s (막대, 20℃)
열팽창계수	(25 °C) 46 µm·m−1·K−1
영률	4.9 GPa
전단탄성계수	4.2 GPa
부피탄성계수	11 GPa
모스굳기	0.6
주요 동위 원소 동위체 존재비 반감기 DM DE(MeV) DP 6Li 7.5% 안정 7Li 92.5% 안정

리튬(Lithium)은 알칼리 금속에 속하는 원소로, 기호는 Li이고 원자 번호는 3이다. 돌을 뜻하는 그리스어 리토스(λίθος, líthos)에서 이름이 유래되었는데, 이유는 소듐(나트륨)이나 포타슘(칼륨)과는 달리 광석에서 처음으로 발견했기 때문이다. 무르고 은백색이며 부식을 유발한다. 합금으로 열전달이나 전지 등에 사용할 수 있으며, 미네랄 워터에는 리튬 염의 형태로 첨가되어 있는 경우가 많다.

[리튬이 포함된 엽장석, petalite]

 브라질의 학자 조제 보니파시우 데 안드라다 에 시우바(José Bonifácio de Andrada e Silva)가 18세기 말 엽장석(petalite)에 포함된 리튬을 발견하였다.
 1817년 스웨덴의 요한 아우구스트 아르프벳손(Johan August Arfwedson)이 우퇴 섬(Utö)에서 발견한 리튬휘석(spodumene, 스포듀민, (LiAl[(SiO₃)₂])과 운모(mica, K(Li,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂)에서 리튬의 존재를 확인하였다.
 1818년 독일의 화학자 크리스티안 고틀로프 그멜린(Christian Gottlob Gmelin)은 리튬염을 가열하면 화염이 붉은색이 되는 것을 확인하였다.
 아르파벳손과 그멜린은 광석에서 리튬을 유리시키려 하였으나 성공하지 못하고 영국의 윌리엄 토머스 브란드(William Thomas Brande)와 험프리 데이비 경(Sir Humphry Davy)이 산화리튬(Li₂O)으로부터 전기분해를 통해 순수한 리튬을 얻는데 성공하였다.
 1855년에 로버트 분젠(Robert Bunsen)과 오거스터스 매티슨(Augustus Matthiessen)은 염화리튬(LiCl)의 전기분해로 더 많은 양의 순수한 리튬을 추출하는 방법을 터득했고, 1923년 독일의 금속회사 (Deutsche Metallgesellschaft, 현재 GEA Group)가 염화리튬과 염화포타슘(KCl)의 용액을 전기분해 하는 방법을 사용해 리튬의 상업적 생산을 시작했다.
 2007년 부터는 리튬 전지의 제조가 중요한 용도로 정착이 되었다.

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 원소 및 물리적인 성질

 다른 알칼리 금속처럼, 리튬은 하나의 원자가전자를 가지고 있어서 쉽게 하나의 전자를 잃고 양이온이 된다. 이러한 성질 때문에, 다른 알칼리 금속보다는 반응성이 덜 높은 원소이지만(그래도 반응성이 매우크다) 열과 전기 전도도가 크다. 리튬은 다른 알칼리 금속과 비교해 낮은 반응성을 가지는 것은 원자가 전자(valence electron)가 핵에 근접해있기 때문이다. 리튬의 1s 오비탈에 있는 두개의 전자는 너무 에너지가 낮고, 따라서 화학 결합에 참여하지 않는다.

 리튬 금속은 칼로 자를 수 있을 정도로 무르다. 그리고 일단 짜르면, 금속의 회백색이 빠르게 산화되어 회색으로 변한다. 그리고 리튬은 모든 금속들 중에서 매우 낮은 녹는점(180℃)을 가진 금속이지만, 알칼리 금속중에서는 가장 높은 녹는점을 가진다.

 주기율표에서 가장 가벼운 금속으로, 물에도 뜰 수 있는 두개의 금속중 하나이다. 약 0.534 g/cm³의 매우 작은 밀도를 가지고, 따라서 물 위에 떠서 물과 반응한다. 실온에서 기체가 아닌 모든 원소들 중에서 가장 밀도가 작다. 그 다음으로 가벼운 금속은 60%나 더 밀도가 크다(포타슘(칼륨), 0.862 g/cm³). 게다가, 수소와 헬륨을 따로두고, 고체나 액체상에서 가장 밀도가 작고, 액체 질소의 밀도(0.808 g/cm³)의 2/3에 불과하다.

 리튬의 열팽창 계수는 알루미늄의 두 배, 철의 약 네 배이다. 그리고 모든 고체 원소들 중에서 가장 큰 열용량 (비열, specific heat capacity)을 가진다. 리튬은 기준 압력, 400μK(0.0004K)의 온도에서 초전도 현상을 보이고,  20GPa 이상의 매우 높은 압력에서는 더 높은 온도인 9K에서도 초전도 현상이 일어난다. 90K에서 리튬은 소듐(나트륨)과 같이 diffusionless phase change transformations이 일어난다.

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 화합물과 화학적인 성질

 리튬은 물과 쉽게 반응한다. 하지만 다른 알칼리 금속에 비하면 훨씬 낮은 에너지가 관여한다. 이 반응은 수소기체와 수용액에 수산화리튬을 생성한다. 물과 격렬히 반응하는 성질 때문에 리튬은 주로 petroleum jelly와 같은 점성도가 있는 탄화수소속에 보관한다. 다른 무거운 알칼리 금속은 mineral oil과 같은 밀도가 크지 않은 곳에 저장할 수 있지만, 리튬은 밀도가 매우 작기 때문에 이러한 액체속에 담기지 않는다. 리튬은 공기속에서 빠르게 검은색을 띄는 수산화 리튬(LiOH and LiOH·H₂O), 질화 리튬(Li₃N), 공기중의 이산화탄소와 수산화리튬이 이차 반응해 생성되는 탄화 리튬(Li₂CO₃) 등으로 코팅된다.

 불꽃 속에서 리튬 화합물들은 핏빛의 색을 내고, 매우 강력한 불꽃 속에 있을 때는 빛나는 은색이 된다. 리튬은 물 또는 수증기에 노출되면 산소속에서 타고 발화한다. 리튬은 가연성이 있고, 공기 중에서 특히 물이 있을 때 폭발할 위험성도 있지만 다른 알칼리 금속에 비하면 덜하다. 리튬과 물의 반응은 활발하지만 격렬하진 않지만, 발생하는 수소로 인해 발화할 수 있다. 모든 알칼리 금속이 그렇듯이, 리튬으로 인한 불은 소화하기 어려우며, D 타입의 건조분말 소화기가 필요하다. 그리고 리튬은 보통 조건에서 질소와 반응할 수 있는 유일한 금속이다.

 리튬은 주기율표에서 대각선상에 있는 마그네슘과 비슷한 성질을 보인다. 이러한 관계를 Diagonal relationship라고 한다. 두 원소는 원자 및 이온반경이 비슷하다. 또 화학적으로도 질소와 반응해 Nitride를 생성하는 것을 포함해 유사성이 있다. 높은 온도에서 수소 기체와도 반응해 수소화 리튬(LiH)을 형성한다.

 할로젠화 리튬(LiF, LiCl, LiBr, LiI), 황화 리튬(Li₂S), 과산화 리튬(Li₂O), 탄화 리튬(Li₂C₂)과 같은 2원소 화합물들이 알려져있다. 또 다른 무기물들이 알려져있는데, 리튬이 음이온과 결합해 다양한 염들을 형성한다. 유기리튬시약 (Organolitioum reagent)들이 알려져 있고, 유기리튬시약들은 탄소와 직접 결합을 형성하고 리튬은 탄소음이온을 만들고 이들은 매우 강력한 염기, 친핵체(Nucleophile)가 된다. 그리고 많은 유기리튬 화합물들은 리튬 이온이 대칭성이 큰 cluster를 만들어 응집하려 한다.
 
 리튬은 의학적으로도 사용되고, 유기리튬 시약으로도 많이 쓰인다. 유기금속 시약들은 탄소와 탄소 결합을 형성시켜주는 것으로써 그리고 염기로써 사용된다. 유기리튬 화합물들은 음이온 고분자 합성에서 촉매와 반응의 시작시키는 initiator로 쓰인다. 

 염화 리튬과 브로민화 리튬은 습기에 매우 민감하고 건조제로 쓰인다. 수산화 리튬은 탄산 리튬(Li₂CO₃)의 중요 성분 중 하나이다.