鋰的自述 - HTC論壇

發表文章

哈拉閒聊

一般用戶

等級6

資深大大

收藏 1^#

陳誠誼2015-7-18 00:20

鋰這個自然界最輕的物質在應用上非常的廣泛，這裏借用

蘇明德 | 嘉義大學應用化學系

的文章來了解一下鋰這個化學物質對我們人類的影響。以下為文章的內容。

有那麼一種輕得出奇的金屬，把它扔進水裡浮而不沉，也可以浮在煤油上；它差不多比水輕一半，普通的竹子也比它重，有些木材甚至還比它重。若是用它來做一架飛機，兩個人就可以抬起來。這就是我「鋰」，我是自然界中最輕的金屬，比著名的輕金屬鋁還輕。

我「鋰」是化學周期表裡排行第三號的元素，符號是「Li」。我「鋰」是19世紀初的產物，發現我「鋰」的人是一個年方25歲的瑞典青年化學家Arfwedson（Johan August Arfwedson, 1792-1841），時為1817年。那時他正投入瑞典著名的化學大師Berzelius（Jöns Jacob Berzelius, 1779-1848）門下研究化學，時間還不到一年。有一天，一位朋友帶給他一塊瑞典礦山的石頭，名叫「葉長石」（petalite）。這原本看來似乎是一塊普通的石頭，這位年輕人卻對它發生了興趣，專心研究起來。

他把這塊石頭磨碎後進行各種分析，發現除了含氧化矽80％、矽土17％以外，還有3％不知是何物。進一步分析才知道這是一種鹼金屬，又再幾經分析，終於肯定這是一種新元素，就是我，叫「鋰」。Arfwedson於是把我取名為「Lithium」，這字源自於希臘字「Lithos」（石頭）。其實早在Arfwedson發現前20年，就已有位巴西科學家Silva（Joze Bonifacio de Andrada e Silva, 1763 -1838）先發現了我「鋰」，只是未正式公布。

我「鋰」雖被發現了，但人們還無法得知我的長相。許多人都企圖第一個製得純的金屬「鋰」。Arfwedson本人一開始用鐵和碳還原我「鋰」的氧化物，但沒有結果。後來想用電力分解我「鋰鹽」，也因電力不足而未能得願。後來，英國著名的化學家和物理學家Davy（Sir Humphry Davy, 1778-1829）才用強電流從「氧化鋰」中析出了極微量的金屬「鋰」。這下人們才認識：原來我「鋰」是一種銀白色的、質地很軟的金屬。我「鋰」十分嬌嫩，質地軟到甚至用手指甲就可以刮傷我「鋰」。

當然這一點點金屬的我「鋰」只能做為珍貴的展覽品；要研究我「鋰」的各種性能，還得弄到更多的「鋰」。不過這不是一件容易的事，經過了將近40個年頭，即直到1855年，德國化學教授Bunsen（Robert Wilhelm Bunsen, 1811-1899）和Kirchhoff（Gustav Kirchhoff, 1824 - 1887）發展出用電解熔融「氯化鋰」的方法，才開始製備大量的金屬我「鋰」。

據這兩位科學家的觀察，我「鋰」不僅存在於無機體中，也存在於有機體中。現在我們知道，不論是礦物、土壤、鹽湖、海水，還是動植物體內，都有我「鋰」的蹤跡。其實，多年來已經發現一百五十多種礦物中含有我「鋰」這種元素。

在多沼澤的草原上，可以見到一簇簇開淡黃花的毛茛和唐松草，它們身上也藏有我「鋰」，而且含量超過任何其他植物。它們愛生長在含「鋰」岩石被風化而成的土壤上，因此是「鋰」礦的「標的植物」，有這種植物存在就代表有我「鋰」的存在，因此受地質學家的注意。在煙草、茶葉、甜菜裡面也能找到我「鋰」。動物的器官中也少不了我「鋰」。有人發現：健康的人的肺組織裡含有微量的我「鋰」，但生了結核病以後，病肺裡的「鋰」就不見了，反而在結核菌中找到很多的我「鋰」。

我「鋰」的發現起初並沒有特別引人注意，因為在當時整個世紀裡尚未找到和我「鋰」相關的產物。後來隨著人們對我「鋰」的了解，我「鋰」開始變得有用起來。最初是以「碳酸鹽」、「鋰化物」和「碘化物」的混合形式用於醫藥中，做為抗關節炎、消除膀胱結石等的藥品，而現在幾乎各行各業中都有我「鋰」的足跡了。

我「鋰」生性活潑，很容易與別的元素起化學作用，在空氣中我「鋰」可以燃燒，也可以和水作用。連向來以「冷淡」著稱的氮，也容易和我「鋰」結合。

我「鋰」又十分頑皮，如果把一小塊「鋰」投進水中，我「鋰」就會浮在水面上，不斷地跑來跑去，還會發出「霹靂啪啦」的爆裂聲。這是因為我「鋰」不僅容易和水反應，而且還會放出大量的熱，使放出的氫氣在空氣中燃燒發生爆炸。

如果你把一小塊的我「鋰」放到玻璃瓶中，並蓋上瓶塞，一段時間後便會發現難以拔下瓶塞。這是因為我「鋰」在常溫下就能與空氣中的氧、氮反應，以致耗盡瓶內所有的空氣，使瓶內形成真空，於是瓶塞便被外界大氣壓住了。結果，縱使你用上九牛二虎之力，也別想把瓶塞打開。正因如此，平時就要把我「鋰」「關」在凡士林或石蠟油中，不讓我「鋰」與其他元素接觸，以免出來「惹是生非」。

有人也許會問：為什麼不把我「鋰」像鈉那樣放到煤油中呢？這是因為我「鋰」會不服煤油的管教，我「鋰」質量輕，會浮在煤油表面上。如此一來，我「鋰」就容易和別的元素反應。

在人類歷史的長河中，頑皮的我「鋰」還充當過「福爾摩斯」，過足「偵探癮」呢！那是在1891年，後來成為著名物理學家的Wood（Robert Williams Wood, 1868 -1955）一直懷疑：房東把昨天的剩肉冒充為早餐的新鮮烤肉。於是Wood故意留下幾塊肉不吃，並偷偷地在這些肉上撒了些「氯化鋰」。第二天早晨，烤肉端上來時，Wood用分光鏡做了檢查，結果發現到我「鋰」的紅色光譜，這下有了充足證據證明房東欺騙他。

在所有的輕元素中，我「鋰」最愛與氫結合，生成「氫化鋰」。「氫化鋰」遇水會產生大量的氫氣，這個特性在第二次世界大戰中幫了美國飛行員的大忙。當時，飛行員們隨身攜帶「氫化鋰」片劑，一旦遇空難墜入海中，「氫化鋰」立刻遇水產生反應，釋放出大量氫氣，瞬間便可充滿救生筏、救生服，協助飛行員逃生。

在冶金工業方面，人們常利用我「金屬鋰」「重量輕」的特點製造輕質合金。「鋁鋰合金」就是輕質量「鋰合金」的重要代表，我「鋰」的問世為新一代飛機的誕生帶來了巨大的希望。

不過，我金屬「鋰」最重要的應用是在原子能中。

提到原子能，人們就會想到我「鋰」。不過我「鋰」的反應堆會產生十分危險的放射性廢料，稍有不慎就會危害人類。雖是如此，我「鋰」的同位素也能發生「熱核反應」，而且在反應過程中不會產生帶有輻射性的產物，核反應過程也較容易控制。僅憑這兩點，我「鋰」的反應堆在核能工業中就大有用武之地。

為了挽救心臟病患者的生命，科學家們研製出可以植入人體的「心臟穩定器」。「心臟穩定器」靠電池的電能工作，因此人們對電池的要求非常嚴格，它必須穩定、無毒、無洩漏、壽命長、重量輕、體積小。第一批用於「心臟穩定器」的電池是汞電池，它的使用壽命太短，只有15個月，因此必須經常動手術更換新電池，這顯然對病人增加了很大的危險和精神壓力。

後來，經過科學家進一步研究，終於發明了「鋰電池」。「鋰電池」也是由我「金屬鋰」和適合「金屬鋰」的電解質 ─ 碘組成的，這種電池的使用壽命已經超過15年。對於那些靠「心臟穩定器」維持生命的人來說，「鋰電池」簡直是一件無價之寶。迄今為止，全世界大約有一百萬個心臟病人帶著這種含有「鋰電池」的「心臟穩定器」，光美國每年大約就有10萬個「鋰電池」植入人體。

近年來，科學家又發明了一種「心律調節器」，這種裝置是利用釋放電擊來阻止心悸（心跳快速），進而防止由此導致的死亡。這種「心律調節器」的使用也是利用「鋰電池」。我「鋰電池」由於質量輕，用途非常廣泛，舉凡平日用的手機、筆記型電腦、計算機、電視、電冰箱中，都可找到我的蹤跡。目前，甚至有人計劃用「鋰電池」提供電源，製造時速達100公里的電動汽車，這無疑是解決石油資源匱乏和控制廢氣汙染的一個誘人方案。

在醫療方面，我「鋰鹽」可謂神通廣大。早在我「鋰」元素問世前，人們就發現某些礦泉水具有止痛和治療精神官能症的功能，只是當時誰也說不清其中的緣由。約在1940年代，一位叫Cade（John Frederick Joseph Cade, 1912 -1980）的澳大利亞科學家研究了那些能治病的礦泉水，發現裡面含有「碳酸鋰」。於是他開始嘗試用「碳酸鋰」治療躁鬱症，發現療效很好，而且對這類精神病的復發有預防作用，連續服用幾周就能見效。

那麼，我「鋰」治療精神疾病的奧祕何在呢？

經深入研究，科學家發現，當人處於躁狂、焦慮和興奮狀態時，往往會出現人腦內部的氧化過程增強，而我「碳酸鋰」除了能作用於大腦神經中樞部位外，還可以影響腦內的醣和蛋白質的代謝，抑制氧化。因此服用我「碳酸鋰」就能有很好的療效。據報導，美國平均每10年間，僅「碳酸鋰」用於治療精神癲狂和躁鬱症就節省了高達30億美元！

目前，用「碳酸鋰」治療精神疾病已得到醫學界的認同。「碳酸鋰」不僅能治療精神疾病，還能治療病菌之類的急性消化道疾病，以及甲狀腺亢奮等病症。最近，人們在研究「碳酸鋰」對酒精中毒和毒品成癮者的治療療效，且讓我們對這結果拭目以待。

基本上，元素的化學性質是由原子最外層電子決定的。我「鋰」原子核外圍有3個電子，也就是說：內層2個電子，最外層僅有1個電子。這個最外層電子很容易跟其他元素的原子來往產生化學變化，這就使得我「鋰」成了一個活潑的金屬。

純種的我「鋰」由於一來化學性質太活潑，二來本身質地太軟，因而不能成為建造任何機器和建築物的材料。我「鋰」不但不能用來製造飛機，甚至製造普通的小湯匙也不行。因為用我「鋰」製的小湯匙第一次在水中攪動時，就會消失無影無蹤。但聰明的冶金學家和機械工程師還是「對症下藥」，找到利用我「鋰」的途徑。

因為我「鋰」很容易和氧、氮、硫及其他元素化合，於是在冶金工業中扮演很重要的角色。例如：在銅中稍微加點我「鋰」，就能把躲在銅中的有害雜物金屬驅除殆盡，改善了銅的導電性和機械性能。又如：在鉻鎳不銹鋼中加入萬分之一到萬分之二的我「鋰鈣合金」，就可以提高不銹鋼的硬度、強度和加工性能。

再如：由於我「鋰」能吸收金屬中的雜質，保持鑄件不受氧化，因此廣泛地運用在製造精密鑄件的工業中。在鑄件內加入我「鋰」，能保證金屬粒子均勻分布，這樣得到的鑄件金屬強度最高。其實，我「鋰」幾乎可以和所有金屬熔成合金。這時我「鋰」本身質量輕的弱點得到補償，也就是我「鋰」自身質量輕的長處能發揮到極致，使合金獲得更好的性能。

利用我「鋰」製造「超輕材料」是相當誘人的，像是：「鋁鋰合金」、「鎂鋰合金」、「鈹鋰合金」都已經問世，這些材料既輕又堅固，耐腐蝕性、耐高熱性能也比這些金屬本身好。又像是「鋰鈹合金」輕如水，因此俗稱「超輕合金」，正在研究做為飛機結構材料用。

在這載人太空船飛行已經實現的今天，可以想見：火箭燃料及其所需氧化劑的配合受到充分重視。火箭燃料要求放熱量高，因此氧化劑的含氧量要高，同時比重和所占空間都要小。在這方面，我「鋰」和我「鋰化合物」比現有固體和液體燃料都優越，因為我「金屬鋰」的放熱量比煤大上百倍以上。

又我「氫化鋰」可做為優良的火箭燃料。我「鋰」的過氯酸鹽、硝酸鹽含量分別高達60％、70％，可當做氧化劑放出氧氣幫助火箭燃燒，而且它們都是很輕的固體，攜帶方便。我「鋰」燃料還可考慮用於噴氣飛機上，這使飛機推力更大、飛行更快。

在火箭發動機中，我「鋰」還可以用做燃料產生高溫，有趣的是火箭噴氣管和燃燒室也要用以耐高溫和耐火著稱的「鋰陶瓷材料」。我「鋰」和「鋰化合物」居然在火箭的固體材料和燃料方面派上用場，你們說我「鋰」頑皮不頑皮呢？

我「鋰」還是太空人的好朋友。有一種叫「氫氧化鋰」的化合物可以吸收二氧化碳，因此在太空船的密閉座艙內，就可以利用「氫氧化鋰」清除太空人呼出的二氧化碳。在潛水艇中同樣可以使用「氫氧化鋰」得到相同的效果。

做為燃料來說，燃燒只是使用了原子核最外層電子的化學能，它的更大能量蘊藏在原子核內。原子核物理學家對我「鋰」的探索很早就開始了，破天荒第一次被人工加速的粒子轟擊的就是我「鋰」。早在1930年，英國科學家Cockcroft（Sir John Douglas Cockcroft, 1897-1967）和Walton（Ernest Thomas Sinton Walton, 1903-1995）用加速器產生的高速質子轟擊同位素「鋰7」，實現了人為「核反應」：

鋰7＋質子 →2個 α 粒子（氦核）＋能量

在這種反應中還釋放出巨大的能量，如果一公克「鋰7」在質子的轟擊下全部反應，放出的能量就相當於燃燒7公噸煤的化學能。

近年來，一種重大的新能源核聚變能出現在地球上。歷史上人們就用我「鋰」轟擊各種原子。同時也發現同位素「鋰7」的弟弟「鋰6」在中子的轟擊下竟變成了氚。
鋰6＋中子 →氚＋α 粒子（氦核）

當年因中子炮彈不可多得，人們對這個發現並未寄予希望。但今天人們已有大量生產中子的原子反應堆，這就有特別重要意義了。如果把「鋰6」放在反應堆中，使它受到無數中子轟擊，就能大量地生產氚，看來這是目前製造「超重氫」最實在的方法。

雖然可控制的「熱核反應」尚未實現，但不受控制的「熱核反應」早在1960年代就已實現了，又1952年製成了用氘和氚做炸藥的氫彈。據說，氫彈還可改用固態的「氘化鋰」和「氚化鋰」來做炸藥。此外，在原子反應堆中可以用我「鋰」做為冷卻劑，把原子裂變的熱能帶出來。

在玻璃工業、耐熱陶瓷工業或醫藥及有機合成工業方面，我「鋰」也有廣闊的用途。

我「鋰」的用途何止於此！隨著科學技術的突飛猛進，據一位蘇俄專家統計，僅在工業上的用途與我「鋰」有關的物質就有百種之多。

幸好，像我「鋰」這樣重要的元素，在自然界中的存量很多。科學家估計我「鋰」存在於地球上有130萬億公噸左右，約占地殼的0.02％，比大家熟悉的金、銀、錫還多。除了含「鋰礦物」外，還有不少的我「鋰」隱藏在礦泉水和海水中，每一公升的礦泉水中就含有幾十到幾百毫克的「氯化鋰」。

目前，各國關於我「鋰」的開採和冶煉的增長速度急速地提高，煉鋰廠的生產能力也在不斷增加。

看來，我「鋰」在未來的利用與發展有著無限光明的前景呢！
2015-5-6