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Lithium

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Eigenschaften
Allgemein
Name,Symbol,Ordnungszahl Lithium, Li, 3
Elementkategorie Alkalimetalle
Gruppe,Periode,Block 1,2,s
Aussehen silbrig weiß/grau
CAS-Nummer

7439-93-2

EG-Nummer 231-102-5
ECHA-InfoCard 100.028.274
Massenanteil an derErdhülle 60ppm(27. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse 6,94 (6,938–6,997)[3][4]u
Atomradius(berechnet) 145 (167)pm
Kovalenter Radius 128 pm
Van-der-Waals-Radius 182 pm
Elektronenkonfiguration [He] 2s1
1.Ionisierungsenergie 5.39171495(4)eV[5]520.22kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie 75.6400964(13) eV[5]7298.16 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie 122.4543581(8) eV[5]11815.05 kJ/mol[6]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Modifikationen 1
Kristallstruktur kubisch raumzentriert
Dichte 0,534 g/cm3(20°C)[7]
Mohshärte 0,6
Magnetismus paramagnetisch(χm= 1,4 · 10−5)[8]
Schmelzpunkt 453,69K(180,54 °C)
Siedepunkt 1603 K[9](1330 °C)
Molares Volumen 13,02 · 10−6m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 136 kJ/mol[9]
Schmelzenthalpie 3 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 6000 m·s−1bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 3482[1]J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit 2,9eV[10]
Elektrische Leitfähigkeit 10,6 · 106S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 85W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände +1
Normalpotential −3,04 V
Elektronegativität 0,98 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE(MeV) ZP
6Li 7,4 % Stabil
7Li 92,6% Stabil
Weitere Isotope sieheListe der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin-
Quanten-
zahlI
γin
rad·T−1·s−1
Er(1H) fLbei
B= 4,7T
inMHz
6Li 1 0+3,936 · 107[11] 8,5 · 10−3[11] 029,45[11]
7Li 3/2 +10,398 · 107[11] 0,294[11] 077,77[11]
Sicherheitshinweise
GHS-GefahrstoffkennzeichnungausVerordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[13]ggf. erweitert[12]
Gefahrensymbol Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H:260​‐​314
EUH:014
P:223​‐​231+232​‐​260​‐​280​‐​303+361+353​‐​305+351+338[12]
Soweit möglich und gebräuchlich, werdenSI-Einheitenverwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen.

Lithiumist einchemisches Elementmit dem Symbol Li und derOrdnungszahl3. Es ist ein Element der 1.IUPAC-Gruppe,der Gruppe derAlkalimetalle,und gehört zur zweiten Periode desPeriodensystemsder Elemente. Lithium ist einLeichtmetallund besitzt die geringsteDichteder unterStandardbedingungenfesten Elemente.

Lithium kommt in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität nicht elementar vor. BeiRaumtemperaturist es nur in völlig trockener Luft über längere Zeit stabil, reagiert aber langsam zuLithiumnitrid(Li3N). In feuchter Luft bildet sich an der Oberfläche schnell eine mattgraueLithiumhydroxid-Schicht. Wie alle Alkalimetalle reagiert elementares Lithium schon bei Berührung mit der Hautfeuchtigkeit und führt so zu schwerenVerätzungenundVerbrennungen.VieleLithiumverbindungen,die in wässriger Lösung Lithiumionen bilden, sind im Gegensatz zu den entsprechendenNatrium- undKaliumverbindungenals gesundheitsschädlich eingestuft.

AlsSpurenelementist Lithium in Form seiner Salze ein häufiger Bestandteil vonMineralwasser.Im menschlichenOrganismussind geringe Mengen Lithium vorhanden; das Element ist jedoch nichtessenziellund hat keine bekannte biologische Funktion. Einige Lithiumsalze haben aber eine medizinische Wirkung und werden in derLithiumtherapiebeibipolaren Affektstörungen,Manie,DepressionenundCluster-Kopfschmerzeneingesetzt (sieheMedizin).

Geschichte

Johan August Arfwedson,Entdecker des Lithiums
Lithium-Stücke, zum Schutz vor Oxidation in Paraffinöl

Als Entdecker des Lithiums gilt der SchwedeJohan August Arfwedson,der im Jahr 1817 die Anwesenheit eines fremden Elements inPetalit(Li[4]Al[4][Si4O10]) und bald darauf auch inSpodumen(LiAl[Si2O6]) undLepidolith(K(Li,Al)3[(Al,Si)4O10](F,OH)2) feststellte, als er Mineralienfunde von der InselUtöinSchwedenanalysierte. Sein akademischer LehrerJöns Jakob BerzeliusschlugLithion,eine Ableitung zualtgriechischλίθοςlíthos,deutsch‚Stein‘,als Namen vor, der entsprechend den Bezeichnungen der andern beiden damals bekanntenAlkalimetalleNatriumundKaliumauf das Material hinweist, aus dem es gewonnen wurde. DielatinisierteFormLithiumhat sich durchgesetzt.[14]

1818 bemerkte der deutsche ChemikerChristian Gottlob Gmelin,dass Lithiumsalze eine roteFlammenfärbungergeben. Beide Wissenschaftler scheiterten in den folgenden Jahren mit Versuchen, dieses Element zu isolieren. Im Jahr 1818 gelang dies erstmalsWilliam Thomas Brandeund SirHumphry Davymittels eineselektrolytischenVerfahrens ausLithiumoxid(Li2O).Robert BunsenundAugustus Matthiessenstellten 1855 durch Elektrolyse vonLithiumchlorid(LiCl) größere Mengen reinen Lithiums her. Im Jahr 1917 synthetisierteWilhelm Schlenkaus organischenQuecksilberverbindungendie ersten lithiumorganischen Verbindungen.[15]

Mit der ersten kommerziellen Produktion begann 1923 die deutscheMetallgesellschaftin derHans-Heinrich-HütteinLangelsheimim Harz, indem eine Schmelze aus Lithium- undKaliumchlorid(KCl)elektrolysiertwurde.

Bis kurz nach dem Zweiten Weltkrieg gab es bis auf die Anwendung alsSchmiermittel(Mineralöl, angedickt mitLithiumstearat) und in derGlasindustrie(LithiumcarbonatoderLithiumoxid) kaum Anwendungen für Lithium. Dies änderte sich, als in denVereinigten StaatenTritium,das sich aus Lithium gewinnen lässt, für den Bau vonWasserstoffbombenbenötigt wurde. Man begann mit einer breit angelegten Förderung, vor allem inKings Mountain (North Carolina).[16]Durch die auf Grund der kurzen Tritium-Halbwertszeitbenötigten großen Lithium-Mengen wurde zwischen 1953 und 1963 ein großer Vorrat von Lithium angehäuft, das erst nach dem Ende desKalten Kriegesab 1993 auf den Markt gebracht wurde.[16]Neben dem Bergbau wurde nun auch die billigere Gewinnung ausSalzlaugenwichtig. Größere Mengen Lithium werden mittlerweile fürBatterien,für diePolymerisationvonElastomeren,in der Bauindustrie und für die organischeSynthesevon Pharmazeutika und Agrochemikalien eingesetzt. Seit 2007 sindPrimärbatterienundAkkumulatoren(Sekundärbatterien) das wichtigste Segment.[17]

Vorkommen und Abbau

Vorkommen auf der Erde

Petalit

Lithium hat an derErdkrusteeinen Anteil von etwa 0,006 %.[18]Es kommt damit in der Erdkruste etwas seltener alsZink,jedoch häufiger alsKobalt,ZinnundBleivor. Obwohl Lithium häufiger als beispielsweise Blei ist, ist seine Gewinnung durch die stärkere Verteilung schwierig.[19]Im Trinkwasser und einigen Nahrungsmitteln wie Fleisch, Fisch, Eiern und Milchprodukten ist Lithium enthalten. So enthalten 100 g Fleisch etwa 100 μg Lithium.[20]Verschiedene Pflanzen wie beispielsweiseTabakoderHahnenfußnehmen Lithiumverbindungen aus dem Boden auf und reichern sie an. Der durchschnittliche Anteil an der Trockenmasse von Pflanzen liegt zwischen 0,5 und 3ppm.Meerwasserenthält durchschnittlich 180µg/l(= ca. 0,175 ppm) und Flusswasser etwa 3 µg/l.

Abbau und Reserven

Mengenmäßig wurden 2015 außerhalb der USA 35.000 Tonnen Lithium gewonnen und überwiegend als Lithiumcarbonat (Li2CO3) gehandelt. Im Jahr 2016 war Chile der größte Produzent. Australien verdreifachte seine Produktion zwischen 2016 und 2017 und steigerte sie bis 2018 nochmals um fast 50 %. Derzeit (2018) werden fast zwei Drittel des Lithiumvorrats in Australien im Hartgesteinsbergbau und nur etwa ein Drittel aus Solen gewonnen.[21]DieReservenin den vorhandenen Minen werden auf rund 17 Millionen Tonnen geschätzt (Stand: Januar 2020). Das Weltvorkommen aus kontinentalen Solen, geothermischen Solen, aus dem Hectorit-Mineral, Ölfeld-Solen und aus dem magmatischen GesteinPegmatitist auf 80 Millionen Tonnen geschätzt worden.[22]

Ein anderes Bild ergibt sich bei der Analyse der Unternehmen, die Lithiumminen verwalten. Laut einer Reportage des Fachmagazins „illuminem “kontrollierenchinesischeInvestoren mehrere Bergbauunternehmen, auf die 33 % der Gesamtproduktion (und die Hälfte der Produktion großer Unternehmen) von Lithium in der Welt entfallen[23][24].

Weltweite Produktion [Tonnen][22][25] 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2022 Reserven Ressourcen
BolivienBolivien n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. 9.000.000 21.000.000
ChileChile 11.500 10.500 14.300 14.200 17.000 19.300 21.500 39.000 9.300.000[26] 9.800.000
China VolksrepublikVolksrepublik China 2.300 2.000 2.300 6.800 7.100 10.800 13.300 19.000 2.000.000[26] 5.100.000
AustralienAustralien 13.300 14.100 14.000 40.000 58.800 45.000 40.000 61.000 6.200.000[26] 7.300.000
ArgentinienArgentinien 3.200 3.600 5.800 5.700 6.400 6.300 5.900 6.200 2.700.000[26] 19.000.000
PortugalPortugal 300 200 400 800 800 900 348 600 60.000[26] 250.000
BrasilienBrasilien 160 200 200 200 300 2.400 1.420 2.200 250.000[26] 400.000
Vereinigte StaatenVereinigte Staaten n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. 1.000.000[26] 26.800.000[27]
SimbabweSimbabwe 900 900 1.000 800 1.600 1.200 417 800 310.000[26] 540.000
KanadaKanada n. v. n. v. n. v. n. v. 2.400 200 n. v. 500 930.000[26] 2.900.000
Kongo Demokratische RepublikDemokratische Republik Kongo n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. 3.000.000
RusslandRussland n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. 1.000.000
SerbienSerbien n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. 1.000.000
MexikoMexiko n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. 1.700.000
OsterreichÖsterreich n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. 50.000
DeutschlandDeutschland n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. n. v. 125.000[28] 2.700.000
Welt 31.700 31.500 38.000 69.000 95.000 86.000 82.500 129.300 31.900.000 102.500.000

Ressource = (geschätztes) Gesamtvorkommen des Rohstoffs
Reserve = der Teil der Ressource, der in einem überschaubaren Zeithorizont unter ökonomischen Bedingungen abgebaut werden kann

Thailandgab 2024 bekannt, 14,8 Mio. t Lithium-Ressourcen gefunden zu haben.[29]

Primäre Lagerstätten

Lithium kommt in einigen Mineralien in Lithium-Pegmatitenvor. Die wichtigsten Minerale sind dabeiAmblygonit(LiAl[PO4]F),Lepidolith(K(Li,Al)3[(Al,Si)4O10](F,OH)2),Petalit(Kastor; LiAl[Si4O10]) undSpodumen(Triphan; LiAl[Si2O6]). Diese Minerale haben einen Lithiumoxidgehalt von bis zu 9 % (bei Amblygonit). Andere, seltenere Lithiumerze sindKryolithionit(Li3Na3[AlF6]2), das den größten Lithiumgehalt aller Mineralien aufweist,Triphylin(Li(FeII,MnII)[PO4]) undZinnwaldit(K(Li,Fe,Al)3[(Al,Si)4O10](F,OH)2). Lithiummineralien kommen in vielenSilikat-Gesteinenvor, aber meist nur in geringen Konzentrationen. Da die Gewinnung von Lithium aus diesen Mineralien mit großem Aufwand verbunden ist, spielen sie heutzutage bei der Gewinnung von Lithium oder Lithiumverbindungen eine untergeordnete Rolle, dies könnte sich jedoch aufgrund der erwartet hohen Nachfrage ändern. Abbauorte sind vor allem die Greenbushes- undMt.-Cattlin-MineninWestern Australia,in deren Pegmatit-Gesteinen eine hohe Lithiumkonzentration vorliegt und in denen Lithium als Nebenprodukt derTantalgewinnunganfällt. In einigen anderen Ländern wieKanadaundRussland,bis 1998 auch inBassemer City,North Carolina,wird Spodumen zur Lithiumgewinnung abgebaut.[30]

Europa besitzt Li-reiche Pegmatitfelder auf der KärntnerWeinebeneimBezirk Wolfsberg,in der finnischen RegionÖsterbotten,imErzgebirgesowie zwischen Spanien (Almendra) und Portugal (Distrikt Guarda,Boticas).[31][32]Eine der großen Lagerstätten liegt inSerbienim Jadartal, wo das MineralJadaritgefunden wurde.[33]Während die erste kommerzielle Gewinnung von Lithiumverbindungen an sich bereits 1923 imHarzbegann, könnte die Förderung in den nun neu erschlossenen bedeutenden Lagerstätten in Österreich und Finnland ab 2025 beginnen. Sie werden durchGlobal Strategic Metalsbzw.Keliberbetrieben. In Österreich an derKoralpeimLavanttalhaben Probestollen ein viel größeres Vorkommen von lithiumhaltigem Grundgestein ergeben, das auf 22 Millionen Tonnen geschätzt wird. Damit ist es eines der ersten groß angelegten Lithium-Abbauprojekte Europas und könnte 20 Jahre lang betrieben werden.[34][35]Das Vorkommen beiZinnwaldim Erzgebirge wird durch die Deutsche Lithiumexploriert.[36][37]

Sekundäre Lagerstätten

Lithiumsalze, insbesondereLithiumchlorid,kommen verbreitet auch in Salzlaugen, meistSalzseen,vor. Die Konzentration kann bis zu einem Prozent betragen. Neben der Konzentration des Lithiums ist für die Qualität der Salzlauge das Mengenverhältnis von Magnesium zu Lithium wichtig. Derzeit wird Lithium vor allem inChile(Salar de Atacama,die mit 0,16 % mit den höchsten bekannten Lithiumkonzentration aufweist[19]), Argentinien (Salar del Hombre Muerto), den Vereinigten Staaten von Amerika (Silver Peak,Nevada) und derVolksrepublik China(Chabyêr Caka,Tibet;Taijinaier-See,Qinghai) gewonnen. Im bolivianischen SalzseeSalar de Uyunimit geschätzt 5,4 Millionen Tonnen Lithium lagern möglicherweise die größten Ressourcen.[22][38]Das StaatsunternehmenYacimientos de Litio Bolivianosinvestiert seit 2018 mit deutschen und chinesischen Partnern verstärkt in seine Industrialisierung, einschließlich der benachbartenSalar de CoipasaundLaguna Pastos Grandes.Es gibt weitere lithiumhaltige Salzseen, die (Stand April 2019) noch nicht zum industriellen Abbau genutzt werden, beispielsweise in China,ArgentinienundAfghanistan.2016 wurde bekannt, dass imParadox-Beckenim US-BundesstaatUtahschon in den 1960er Jahren bei Ölexplorationsbohrungen hochsalinares Tiefengrundwasser (Sole) angetroffen wurde, aus dem sich, nach damaligen Analysen, bis zu 1700 mg/l reines Lithium gewinnen ließe.[39]

AlsKuppelproduktebei der Lithiumgewinnung werden häufigKaliumcarbonat(Pottasche),Borax(Natriumborat),CaesiumundRubidiumgewonnen.

Aufgrund der erwarteten starken Nachfrage nach Lithium für Batterien von Elektrofahrzeugen prüften 2010 einige Unternehmen den Abbau von lithiumhaltigen Mineralien und Salzlaugen in verschiedenen Regionen der Welt inklusive Europa.[40]Erforscht wird auch die Lithiumgewinnung aus Meerwasser. In den Weltmeeren sind ca. 230 Mrd. Tonnen Lithium gelöst. 2018 stellten Forscher eine Extraktionsmethode vor, bei der Lithium übersolarbetriebeneElektrolyse ausMeerwassergewonnen werden kann. Als einen Vorteil gegenüber herkömmlicher Gewinnung nannten sie, dass bei dem Prozess direkt metallisches Lithium anfällt und deshalb auf die (komplexe und energieaufwändige) Weiterverarbeitung verzichtet werden kann, wie sie bei der traditionellen Lithiumgewinnung aus Erzen notwendig ist.[41]

BeimLeibniz-Institut für Neue Materialienstartete im November 2020 das auf zwei Jahre angesetzte Forschungsprojekt MERLIN (mining water lithium extraction), mit dem die Gewinnung von Lithium ausGrubenwassergetestet werden soll.[42]

Vorkommen außerhalb der Erde

Nach demUrknallist neben Wasserstoff- und Heliumisotopen auch eine nennenswerte Menge des Isotops7Li entstanden. Dieses ist aber zum größten Teil heute nicht mehr vorhanden, da inSternenLithium mit Wasserstoff im Prozess derProton-Proton-Reaktion IIfusioniertund so verbraucht wurde.[43]InBraunen Zwergensind Masse und Temperatur jedoch nicht hoch genug für eine Wasserstofffusion; ihre Masse erreicht nicht die dazu notwendige Größe von etwa 75Jupitermassen.Das beim Urknall entstandene Lithium blieb somit in größeren Mengen nur in Braunen Zwergen erhalten. Lithium ist aus diesem Grund auchextraterrestrischein verhältnismäßig seltenes Element, kann aber zum Nachweis Brauner Zwerge dienen.[44]

Die Verteilung von Lithium in verschiedenen Sternen ist stark unterschiedlich, auch wenn das Alter, die Masse und dieMetallizitätähnlich sind. Es wird angenommen, dass Planeten einen Einfluss auf den Lithiumgehalt eines Sterns besitzen. Besitzt ein Stern keine Planeten, so ist der Lithiumgehalt hoch, während Sterne wie die Sonne, die von Planeten umgeben sind, einen nur geringen Lithiumgehalt aufweisen, was auch alsLithium Dipbezeichnet wird. Als Ursache wird vermutet, dass die Gezeitenkräfte von Planeten zu einer stärkeren Durchmischung von äußeren und inneren Schichten in Sternen beitragen, so dass mehr Lithium in einen Bereich gelangt, der heiß genug ist, um dieses zu fusionieren.[45]

Produktionsprozess

Lithium wird In Australien vorwiegend aus Gesteinen im offenenTagebau,in Südamerika häufig aus Salzwasser (Grundwasser,Salzseen) durch Verdunstung gewonnen.[46]Seltener ist die Gewinnung aus Thermal- oder Grubenwasser in Europa.[47][42]

Aus Salzwasser

Zur Lithiumgewinnung wird salzhaltiges Grundwasser an die Oberfläche gepumpt und über eine Kette von Verdunstungsteichen geleitet, in denen über mehrere Monate die Verdunstung an der Sonne stattfindet. Hat das Lithiumchlorid in den Teichen die nötige Konzentration erreicht, wird die Lösung in eine Aufbereitungsanlage gepumpt, wo unerwünschtesBoroderMagnesiumextrahiert und ausgefiltert werden. Dann wird sie mitNatriumcarbonatbehandelt. Das dabei ausgefällte Lithiumcarbonat wird gefiltert und getrocknet. Überschüssige Rest-Sole wird in den Salzsee zurückgepumpt.[48]In trockenen Gegenden wie Chile wird durch die Grundwasserverwendung das Austrocknen der Landschaft gefördert.[49][50]

Aus Thermalwasser

In Mitteleuropa wird das Lithium aus kilometertiefem, heißenThermalwassergewonnen. An der Geothermie-ForschungsbohrungGroß Schönebeckwurde in vier Kilometern Tiefe eine Konzentration von Litiumionen von 200 bis 230 mg/l nachgewiesen.[51]Die Temperatur von 150 °C ist dabei ebenso entscheidend, da das Lithium zu einem Nebenprodukt derGeothermiewird.[47]

Das Verfahren besteht aus drei Schritten: Anlagern, Ablösen und Raffinieren. Im ersten Schritt wird das Thermalwasser in einen Behälter mit einem Adsorptionsmaterial gefüllt, das die freien Lithiumionen einfängt. Nach der Anlagerung wird das Thermalwasser abgepumpt und dem Geothermiekreislauf wieder zugeführt. Im zweiten Schritt wird der Behälter mit einem sauren Lösungsmittel wie etwaEssigsäurebefüllt, das die Lithiumionen aus dem Adsorptionsmaterial herauswäscht. Die mit Lithium angereicherte Lösung wird sodann abgepumpt und im dritten Schritt zu Lithiumchlorid veredelt.[47]

Eine Pilotanlage ist amGeothermiekraftwerk Insheimin Rheinland-Pfalz in Betrieb. Das UnternehmenVulcan Energiefördert dort Lithiumchlorid aus 2.000 bis 5.000 Metern Tiefe und wandelt es in einer Elektrolyse-Anlage zuLithiumhydroxid.Je nach anderen gelösten Ionen wie Kochsalz oder Eisen können bis zu 95 Prozent des gelösten Lithiums gewonnen werden. Im Jahr 2021 konnten jedoch nur einige Kilogramm Lithiumhydroxid pro Monat gewonnen werden.[52]

Darstellung

Aus lithiumhaltigen Salzlösungen wird durchVerdunstendes Wassers und Zugabe vonNatriumcarbonat(Soda)Lithiumcarbonatausgefällt. Dazu wird die Salzlake zunächst so lange an der Luft eingeengt, bis die Lithiumkonzentration 0,5 % überschreitet. Durch Zugabe von Natriumcarbonat fällt daraus das wenig lösliche Lithiumcarbonat aus:

.

Zur Gewinnung von metallischem Lithium wird das Lithiumcarbonat zunächst mitSalzsäureumgesetzt. Dabei entstehenKohlenstoffdioxid,das als Gas entweicht, und gelöstesLithiumchlorid.Diese Lösung wird im Vakuumverdampfer eingeengt, bis das Chlorid auskristallisiert:

Die Apparate und Anlagen für die Lithiumchlorid-Gewinnung müssen ausSpezialstählenoderNickellegierungsein, da die Salzlauge sehrkorrosivwirkt. Metallisches Lithium wird durchSchmelzflusselektrolyseeines bei 450–500°CschmelzendeneutektischenGemischesaus 52 Massenprozent Lithiumchlorid und 48 MassenprozentKaliumchloridhergestellt[1]:

Das Kalium wird bei der Elektrolyse nicht abgeschieden, weil es in der Chlorid-Schmelze ein niedrigeresElektrodenpotentialhat. Spuren von Natrium werden jedoch mit abgeschieden und machen das Lithium besonders reaktiv (vorteilhaft in der organischen Chemie, schlecht für Li-Batterien). Das flüssige Lithium sammelt sich an derElektrolytoberflächeund kann so relativ einfach aus der Elektrolysezelle ausgeschleust werden. Es ist ebenfalls möglich, Lithium perElektrolysevon Lithiumchlorid inPyridinzu gewinnen. Diese Methode eignet sich besonders gut im Labormaßstab.

Wirtschaftliche Bedeutung und Rohstoffhandel

Nach seiner Gewinnung gelangt Lithium als Rohstoff über den Handel zu den weiterverarbeitenden Industrien. ImRohstoffhandel,speziell an den Börsen für Metalle, wird kein reines Lithium gehandelt, das chemisch zu instabil wäre. Gehandelt werden stattdessen stabile Lithiumverbindungen, i. d. R. mitLithiumsalzenbzw. Lithium-basierenden Kristallhaufwerken, überwiegendLithiumkarbonatoderLithiumhydroxidmonohydrat.Diese Stoffe werden u. a. an derLondon Metal Exchangegehandelt. 2020 wurden für Lithiumkarbonat (Minimalgehalt 99,5%) ein Preis von 8,75 USD / kg verzeichnet, für Lithiumhydroxidmonohydrat (Minimalgehalt 56,5%) 10,25 USD / kg.[53]In der Folgezeit stieg der Preis und lag Mitte 2022 bei ca. 70 USD/kg.[54]

Indexfonds

Neben der Quotierung des Lithiums als Rohstoff existieren seit 2010 Lithium-Indexfonds(ETFs), die börslich handelbar sind.[55][56]Mit diesen ETFs wird der Börsenwert von Unternehmen abgebildet, die an der Lithium-Wertschöpfungskette beteiligt sind. Seit 2010 gibt es einenAktien-Performance-IndexvonSolactive,der die Marktkapitalisierung der größten börsennotierten Unternehmen nachzeichnet, die an Erkundung und Bergbau von Lithium sowie der Produktion von Lithium-Batterien beteiligt sind. Zu den zehn größten Werten in diesem Index zählen (nach Größe absteigend, Stand April 2020):Albemarle,SQM,Tesla,BYD,Samsung,Simplo Technology,LG Chem,Panasonic,GS YuasaundEnersys.[57]Die wenigen Lithium-ETFs bilden überwiegend diesen Index ab.

Weltmarkt

Lithium ist laut derBundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe(BGR) der „Schlüsselrohstoff der Verkehrswende “, der derzeit inLithiumionenbatterienunabhängig von der Batteriekomposition „nicht ersetzbar ist. Gegenwärtig werden global jährlich rund 82.000 Tonnen Lithium produziert. Für 2030 prognostiziert die BGR einen Bedarf von bis zu 560.000 Tonnen. “Zudem ist die „Veredelung der Rohstoffe zu gebrauchsfertigen Substanzen […] sehr stark auf China konzentriert, bei seltenen Erden zu fast 90 Prozent, […] bei Lithium zu 58 Prozent. “[58]

Das Bergbau-UnternehmenImeryskündigte die Eröffnung einer Lithium-Mine inZentralfrankreichan. Untersuchungen ergaben, dass das Vorkommen ausreiche, „um ab 2028 jährlich 34.000 TonnenLithiumhydroxidzu produzieren. “[59]

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Kristallstruktur von Lithium, a = 351 pm[60]

Lithium ist ein silberweißes, weichesLeichtmetall.Es ist bei Raumtemperatur das leichteste aller festen Elemente (Dichte0,534 g/cm³[61]). Nur festerWasserstoffbei −260 °C ist mit einer Dichte von 0,0763 g/cm³[61]noch leichter.

Lithium kristallisiert – wie die anderen Alkalimetalle – in einerkubisch-raumzentriertenKugelpackung in derRaumgruppeIm3m(Raumgruppen-Nr. 229)Vorlage:Raumgruppe/229mit demGitterparametera = 351 pm und zweiFormeleinheitenproElementarzelle.Bei tiefen Temperaturen von 78 K ändert sich die Kristallstruktur durch Spontanumwandlung in einehexagonale Strukturdes Magnesium-Typsmit den Gitterparametern a = 311 pm und c = 509 pm oder nach Verformung in eine kubische Struktur des Kupfer-Typs (kubisch flächenzentriert) mit dem Gitterparameter a = 438 pm um. Die genauen Ursachen, welche Struktur gebildet wird, sind unbekannt.[60]

Lithium hat unter den Alkalimetallen den höchstenSchmelz- undSiedepunktsowie die größtespezifische Wärmekapazität.Lithium besitzt zwar die größteHärtealler Alkalimetalle, lässt sich bei einerMohs-Härtevon 0,6[62]dennoch mit dem Messer schneiden. Als typisches Metall ist es ein guter Strom- (Leitfähigkeit: etwa 18 % von Kupfer[18]) und Wärmeleiter.

Lithium weist weitgehende Ähnlichkeit zuMagnesiumauf, was sich auch in der Tatsache des Auftretens von heterotypen Mischkristallen aus Lithium und Magnesium, der sogenanntenIsodimorphiezeigt. Obwohl Magnesium in der hexagonal dichtesten, Lithium dagegen in der kubisch raumzentrierten Kugelpackung kristallisiert, sind beide Metalle weitgehendheterotypmischbar.[63]Dies erfolgt aber nur in einem beschränkten Konzentrationsbereich, wobei die im Überschuss vorhandene Komponente der anderen ihr Kristallgitter „aufzwingt “.

Das Lithium-Ionweist mit −520 kJ/mol[64]die höchsteHydratationsenthalpiealler Alkalimetallionen auf. Dadurch ist es inWasservollständig hydratisiert und zieht die Wassermoleküle stark an. Das Lithiumion bildet zwei Hydrathüllen, eine innere mit vier Wassermolekülen, die sehr stark über ihre Sauerstoffatome an das Lithiumion gebunden sind, und eine äußere Hülle, in der überWasserstoffbrückenweitere Wassermoleküle mit dem Li[H2O]4+-Ion verbunden sind. Dadurch ist derIonenradiusdes hydratisierten Ions sehr groß, sogar größer als diejenigen der schweren AlkalimetalleRubidiumundCaesium,die in wässriger Lösung keine derart stark gebundenen Hydrathüllen aufweisen.

Li–Li: 267.3 pm
Lewisformel von Dilithium

AlsGaskommt Lithium nicht nur in einzelnen Atomen, sondern auch molekular alsDilithiumLi2vor. Das einbindige Lithium erreicht dadurch ein volles s-Atomorbitalund somit eine energetisch günstige Situation. Dilithium hat eineBindungslängevon 267,3 pm und eineBindungsenergievon 101 kJ/mol.[65]Im gasförmigen Zustand liegt etwa 1 % (nach Masse) des Lithiums als Dilithium vor.

Chemische Eigenschaften

An der Luft infolge Nitridbildung angelaufenes Lithiummetall

Lithium ist – wie alle Alkalimetalle – sehr reaktiv und reagiert bereitwillig mit sehr vielen Elementen und Verbindungen (wieWasser) unterWärmeabgabe.Unter den Alkalimetallen ist es allerdings das reaktionsträgste. Eine Besonderheit, die Lithium von den anderen Alkalimetallen unterscheidet, ist seine Reaktion mit molekularemStickstoffzuLithiumnitrid,die bereits bei Raumtemperatur langsam stattfindet:

.

Dies wird durch die hoheLadungsdichtedes Li+-Ions und damit durch eine hoheGitterenergiedes Lithiumnitrids ermöglicht. Lithium hat mit −3,04 V[66]das niedrigsteNormalpotentialim Periodensystem und ist somit das unedelste aller Elemente.

Wie alle Alkalimetalle wird Lithium unterPetroleumoderParaffinölaufbewahrt, da es sonst mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff und Stickstoff reagiert.

Da die Ionenradien von Li+- und Mg2+-Ionen vergleichbar groß sind, gibt es auch Ähnlichkeiten in den Eigenschaften von Lithium beziehungsweise Lithiumverbindungen undMagnesiumoder Magnesiumverbindungen. Diese Ähnlichkeit in den Eigenschaften zweier Elemente aus benachbarten Gruppen desPeriodensystemsist alsSchrägbeziehung im Periodensystembekannt. So bildet Lithium, im Gegensatz zu Natrium, vielemetallorganische Verbindungen(Organolithium-Verbindungen), wieButyllithiumoderMethyllithium.Ähnliche Beziehungen bestehen auch zwischenBerylliumundAluminiumsowie zwischenBorundSilicium.

Isotope

Reaktionen der Lithium- und Wasserstoffisotope in der Castle-Bravo Bombe. Geplante (expected) und tatsächliche (got) Reaktion von7Li

In der Natur kommen die beiden stabilenIsotope6Li (7,6 %) und7Li (92,4 %) vor. Daneben sind instabile Isotope, beginnend bei4Li über8Li bis12Li, bekannt, die nur künstlich herstellbar sind. IhreHalbwertszeitenliegen alle imMillisekundenbereich.[67]

6Li spielt eine wichtige Rolle in der Technologie der Kernfusion. Es dient sowohl imKernfusionsreaktorals auch in derWasserstoffbombeals Ausgangsmaterial für die Erzeugung vonTritium,das für die energieliefernde Fusion mitDeuteriumbenötigt wird. Tritium entsteht imBlanketdes Fusionsreaktors oder in der Wasserstoffbombe neben Helium durch Beschuss von6Li mit Neutronen, die bei der Fusion anfallen, nach derKernreaktion

.

Die ebenfalls mögliche Reaktion

ist weniger geeignet(sieheBlanket).DieTrennungkann beispielsweise über einen Isotopenaustausch von Lithiumamalgamund einer gelösten Lithiumverbindung (wie Lithiumchlorid in Ethanol) erfolgen (sogenannterCOLEX-Prozess). Dabei werden Ausbeuten von etwa 50 % erreicht.[68]

Ist in einerDreistufenbombeneben6Li auch7Li vorhanden (wie es beispielsweise beiCastle Bravounerwarteterweise der Fall war), reagiert dieses mit einigen der bei der Fusion erzeugten schnellen Neutronen. Dadurch entstehen wieder Neutronen, außerdem Helium und zusätzliches Tritium. Dies führt, obwohl die7Li-Neutron-Reaktion zunächst Energie verbraucht, im Endergebnis zu erhöhter Energiefreisetzung durch zusätzliche Fusionen und mehr Kernspaltungen im Bombenmantel ausUran.Die Sprengkraft ist deshalb höher, als wenn nur der6Li-Anteil der Isotopenmischung in der Bombe umgewandelt worden wäre. Da vor dem Castle-Bravo-Test angenommen wurde, das7Li würdenichtmit den Neutronen reagieren, war die Bombe etwa 2,5-mal so stark wie erwartet.[69]

Das Lithiumisotop7Li entsteht in geringen Mengen inKernkraftwerkendurch eineKernreaktiondes (als Neutronenabsorber verwendeten)Borisotops10B mit Neutronen.[70]

Die Isotope6Li,7Li werden beide in Experimenten mit kaltenQuantengasenverwendet. So wurde das ersteBose-Einstein-Kondensatmit dem (Boson) Isotop7Li erzeugt.[71]6Li dagegen ist einFermion,und im Jahr 2003 ist es gelungen, Moleküle dieses Isotops in einSuprafluidzu verwandeln.[72]

Verwendung

Hier fehlt eine Grafik, die leider im Moment aus technischen Gründen nicht angezeigt werden kann. Wir arbeiten daran!
Verwendung von Lithium (Nachfrage 2015)[22]
Lithiumbatterie
Lithiumbatterie
Lithium-Ionen-Akkumulator
Lithium-Ionen-Akkumulator

Die heute wichtigste und am schnellsten wachsende Anwendung für Lithium ist die Verwendung inLithium-Ionen-Akkumulatoren,die als Stromversorgung z. B. inSmartphones,Laptops,Akkuwerkzeugenoder elektrisch betriebenen Fahrzeugen, wieHybridautos,ElektroautosoderE-Bikesverwendet werden (siehe Diagramm rechts). Der größte Teil der produzierten Lithiumsalze wird nicht zum Metall reduziert, sondern entweder direkt als Lithiumcarbonat, Lithiumhydroxid, Lithiumchlorid, Lithiumbromid eingesetzt oder zu anderen Verbindungen umgesetzt. Das reine Metall wird nur in einigen Anwendungen benötigt. Die wichtigsten Verwendungszwecke von Lithiumverbindungen findet man im Abschnitt „Verbindungen“.

Metall

Ein Teil des produzierten Lithiummetalls wird für die Gewinnung von Lithiumverbindungen verwendet, die nicht direkt aus Lithiumcarbonat hergestellt werden können. Dies sind in erster LinieorganischeLithiumverbindungen wieButyllithium,Lithium-Wasserstoff-Verbindungen wieLithiumhydrid(LiH) oderLithiumaluminiumhydridsowieLithiumamid.

Lithium wird wegen seiner Fähigkeit, direkt mitStickstoffzu reagieren, zu dessen Entfernung aus Gasen verwendet.

Metallisches Lithium ist ein sehr starkesReduktionsmittel;es reduziert viele Stoffe, die mit anderen Reduktionsmitteln nicht reagieren. Es wird bei der partiellen Hydrierung von Aromaten (Birch-Reduktion) eingesetzt. In derMetallurgiewird es zurEntschwefelung,DesoxidationundEntkohlungvon Metallschmelzen eingesetzt.

Da Lithium ein sehr niedrigesNormalpotentialbesitzt, kann es inBatterienalsAnodeverwendet werden. DieseLithium-Batterienhaben eine hoheEnergiedichteund können eine besonders hoheSpannungerzeugen. Nicht zu verwechseln sind die nicht wiederaufladbaren Lithium-Batterien mit den wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Akkumulatoren, bei denen Lithiummetalloxide wieLithiumcobaltoxidalsKathodeundGraphitoder andere Lithiumionen einlagernde Verbindungen als Anode geschaltet sind.[73]

Kernfusion

Das für den Betrieb vonKernfusionsreaktorennötigeTritiumsoll imBlanketdes Reaktors aus Lithium-6 erbrütet werden.

Legierungsbestandteil

Lithium wird mit einigen Metallen legiert, um deren Eigenschaften zu verbessern. Oft reichen dafür schon geringe Mengen Lithium aus. Es verbessert als Beimischung bei vielen Stoffen dieZugfestigkeit,HärteundElastizität.Ein Beispiel für eine Lithiumlegierung istBahnmetall,eineBleilegierungmit circa 0,04 % Lithium, die alsLagermaterialin Eisenbahnen verwendet wird. Auch beiMagnesium-Lithium-LegierungenundAluminium-Lithium-Legierungenwerden die mechanischen Eigenschaften durch Zusatz von Lithium verbessert. Gleichzeitig sind Lithiumlegierungen sehr leicht und werden deshalb viel in derLuft-undRaumfahrttechnikverwendet.

Forschung (Atomphysik)

In derAtomphysikwird Lithium gerne verwendet, da es mit6Li als einziges Alkalimetall ein stabilesfermionischesIsotopbesitzt, weshalb es sich zur Erforschung der Effekte in ultrakalten fermionischenQuantengaseneignet (sieheBCS-Theorie). Gleichzeitig weist es eine sehr breiteFeshbach-Resonanzauf, die es ermöglicht, dieStreulängezwischen denAtomennach Belieben einzustellen, wobei dieMagnetfelderaufgrund der Breite derResonanznicht besonders präzise gehalten werden müssen.

Medizin

Bereits 1859 wurde Lithium in der westlichen Medizin als Mittel gegenGichterstmals eingesetzt. Es erwies sich jedoch als unwirksam.[74]Erst 1949 beschrieb der australische PsychiaterJohn Cade(1912–1980) ein mögliches Anwendungsgebiet für Lithiumsalze. Er hatteMeerschweinchenverschiedene chemische Verbindungen, darunter auch Lithiumsalze,injiziert,woraufhin diese weniger stark auf äußerliche Reize reagierten, ruhiger, aber nicht schläfrig wurden.[75]Im Nachhinein stellte sich heraus, dass der bei den Versuchstieren beobachtete Effekt auf eine Intoxikation zurückzuführen war.[76]Nach einem Selbstversuch von Cade wurde 1952–1954 die Verwendung vonLithiumcarbonatals Medikament zur Behandlung manisch-depressiver Patienten in einerDoppelblindstudieam Psychiatrischen Krankenhaus inAarhus-Risskov (Dänemark) untersucht.[77]Damit war der Grundstein für dieLithiumtherapiegelegt.

Bei dieser wird Lithium in Form von Salzen, wie demLithiumcarbonat,gegenbipolare Affektstörungen,ManieundDepression,aber auch außerhalb der Psychiatrie bei der Behandlung vonCluster-Kopfschmerzoder Infektionen mitHerpes simplexeingesetzt. Aufgrund der geringentherapeutische Breitesind dabeiSpiegelbestimmungenwährend der Therapie nötig. Der Lithium-Plasmaspiegel sollte etwa 0,6 mmol/l bis 0,8 mmol/l betragen.[78]Bereits wenn sich der Lithiumblutspiegel an der oberen Grenze des therapeutischen Serumspiegels bewegt, kann es bei empfindlichen Menschen zu beherrschbaren, reversiblen Nebenwirkungen kommen. Liegt der Lithiumblutspiegel über 2,0 mmol/l, steigt die Gefahr deutlicher bis schwerer Nebenwirkungen wieTremor,Rigor,Übelkeit, Erbrechen,HerzrhythmusstörungenundLeukozytoserasant an. Über 3,5 mmol/l besteht Lebensgefahr.[79]Der Grund ist, dass der Stoffwechsel von Lithium undNatriumähnlich ist. Ein zu hoher Lithiumspiegel kann durch Schwitzen oder Natrium-ausschwemmende Medikamente (natriuretischeDiuretika) mit sinkendem Natriumspiegel entstehen. Der Körper versucht, den Natriumverlust zu kompensieren, indem in den Nieren dem Primärharn Natrium entzogen und in das Blut zurücktransportiert wird (Natriumretention). Neben Natrium wird dabei auch Lithium reteniert, das normalerweise gleichmäßig von den Nieren ausgeschieden wird. Die Folge ist ein erhöhter Lithiumspiegel, was bei der Einnahme von Lithium einDrug monitoringbedingt, bei dem regelmäßig der Lithiumspiegel bestimmt und die Dosis entsprechend individuell angepasst wird. Auch bei korrekter Dosierung kann es unter Langzeit-Behandlung mit Lithium zu Wasser- und Natrium-Verlusten (Diabetes insipidus), Übersäuerung des Blutes (Azidose) und zurLithium-NephropathiemitEinschränkung der Nierenfunktionkommen.[80]

Eine Studie, die 1990 in den USA veröffentlicht wurde, beschreibt eine erhebliche Verringerung von Straftaten und Suiziden in Regionen mit erhöhten Lithiumkonzentrationen imTrinkwasser.[81]Eine österreichische Studie kam zu ähnlichen Ergebnissen.[82]

Die Wirkungsweise des Lithium als Psychopharmakon ist noch nicht hinreichend erforscht. Derzeit werden insbesondere die Beeinflussung desInositol-Stoffwechsels durch Hemmung der myo-Inositol-1-Phosphatase(Enzymklasse3.1.3.25)[83][84]und die Hemmung der Glykogensynthasekinase-3 (GSK-3) inNervenzellenals mögliche Mechanismen diskutiert.[85]Die antidepressive Wirkung von Lithium beruht wahrscheinlich ebenfalls auf einer Verstärkung der serotonergen Neurotransmission, also einer erhöhten Ausschüttung vonSerotoninin denSynapsen,während die antimanische Wirkung mit einer HemmungdopaminergerRezeptoren erklärt wird.[86][87]Eine weitere interessante Auswirkung von Lithiumsalzen auf den Menschen und Säugetiere wieRattenist die wohl damit zusammenhängende Veränderung derCircadianen Rhythmik.[88]Diese Wirkung konnte sogar bei Pflanzen wie derKalanchoenachgewiesen werden.[89][90]Andere serotonerge Substanzen wieLSD,MeskalinundPsilocybinzeigen ebenfalls solche Auswirkungen beim Menschen.[91]Durch Lithium ist es im Tierversuch an Fruchtfliegen (Drosophila melanogaster) gelungen, Symptome derAlzheimer-Krankheit– wie Vergesslichkeit – zu bekämpfen.[92]In Regionen mit höheren Lithiumgehalten scheintDemenzin geringerem Maße aufzutreten.[93]DieneuroprotektiveWirkung ist möglicherweise auf die durch Lithium verstärkteAutophagiezurückzuführen.[94]

Der AltersforscherMichael Ristowzeigte 2011 einen möglichen Zusammenhang zwischen dem Gehalt an Lithium in der Umwelt und der Lebenserwartung des Menschen: in einer japanischen Bevölkerungsstudie bestand danach zwischen einem höheren Gehalt von Lithium und einer höheren Lebenserwartung ein statistisch signifikanter Zusammenhang; des Weiteren verlängerten hohe Lithiumkonzentrationen die Lebenserwartung des Fadenwurms und ModellorganismusCaenorhabditis elegans.[95]Aufgrund der zahlreichen Effekte auf die menschliche Gesundheit wird diskutiert, ob Lithium womöglich ein essentiellesSpurenelementdarstellt.[96]

Analytik

Qualitative Analytik

ImKationentrennungsgangfindet sich Lithium in der löslichen Gruppe wieder. Nach einem vollständigen Trennungsgang sind folglich nur noch Ammonium -, Natrium -, Kalium -, Lithium -, und Magnesiumionen vorhanden. Nach dem Entfernen der Ammoniumionen durch Abrauchen der festen Substanz über einer offenen Flamme und dem Entfernen von Magnesiumionen durch deren Fällung als Hydroxid, bleiben noch Natrium -, Kalium - und Lithiumionen übrig, die nebeneinander nachgewiesen werden können:

Lithiumionen ergeben, ähnlich wie Natriumionen, mitKaliumhexahydroxoantimonat(V),einen weißen, kristallen Lithiumhexahydroxoantimonat(V) - Niederschlag, der jedoch in Wasser wesentlich löslicher ist als die betreffende Natriumverbindung.

Carbonat-Ionen ergeben bei Zugabe zu Lithiumionen einen weißen Lithiumcarbonat - Niederschlag, der bei Anwesenheit von Ammoniumsalzen ausbleiben würde.

Dinatriumhydrogenphosphatin NaOH-Lösung liefert beim Kochen mit Lithiumionen einen weißen Lithiumphosphat - Niederschlag. Die Natronlauge dient als Protonenfänger. Da das Lithiumphosphat in Säuren leicht löslich ist, würde ohne die Natronlauge die Fällung nicht vollständig ablaufen.

In schwach alkalischem, etwa 95%igem Ethanol können Lithiumionen auf Zusatz vonOxinin Lithiumoxinat übergeführt werden und durch dessen grünliche Fluoreszenz nachgewiesen werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung desEisenperiodatreagenz.Die Lithiumsalze ergeben hierbei einen gelblich-weißen Niederschlag wechselnder Zusammensetzung.

Lithium-Flammenfärbung

Lithiumverbindungen zeigen eine karminroteFlammenfärbung,die charakteristischenSpektrallinienliegen als Hauptlinien bei 670,776 und 670,791 nm; kleinere Linien liegen bei 610,3 nm. Darüber kann Lithium mit Hilfe derFlammenphotometrienachgewiesen werden.[97]

Quantitative Analytik

Ein quantitativer Nachweis mit nasschemischen Methoden ist schwierig, da die meisten Lithiumsalze leicht löslich sind. Eine Möglichkeit besteht über das Ausfällen des schwerlöslichenLithiumphosphats.Dazu wird die zu untersuchende Probe zum Beispiel mitNatronlaugealkalisch gemacht und mit etwasDinatriumhydrogenphosphatNa2HPO4versetzt. Beim Erhitzen fällt bei Anwesenheit von Li+ein weißer Niederschlag aus:

Gefahrenhinweise

Elementares Lithium in Form von Metallstaub entzündet sich an der Luft bereits bei Normaltemperatur.[12]Aus diesem Grund muss metallisches Lithium auch unter Luftausschluss, meist inPetroleumgelagert werden. Bei höheren Temperaturen ab 190 °C wird bei Kontakt mit Luft sofort überwiegend Lithiumoxid gebildet. In reinemSauerstoffentzündet sich Lithium ab etwa 100 °C. In einer reinenStickstoffatmosphärereagiert Lithium erst bei höheren Temperaturen schneller zu Lithiumnitrid. Beim Kontakt mit sauerstoff- oder halogenhaltigen Substanzen kann Lithium explosionsartig reagieren.

Da Lithium mit gängigen Feuerlöschmitteln wieWasser,Kohlendioxid,Stickstoffoder dem inzwischen verbotenenTetrachlorkohlenstoffstarkexothermreagiert, müssen Brände mit inerten Gasen wieArgonoder anderen Metallbrandbekämpfungsmitteln wie Salz (z. B. NaCl) gelöscht werden.

Elementares Lithium verursacht wie alleAlkalimetallebei Hautkontakt Schäden durch Verbrennungen oder alkalische Verätzungen, weil es mit Wasser unter starker Wärmeabgabe Lithiumhydroxid bildet; dafür genügt schon die Hautfeuchtigkeit.[12]

Verbindungen

Lithium ist sehr reaktiv und bildet mit den meistenNichtmetallenVerbindungen, in denen es immer in derOxidationsstufe+I vorliegt. Diese sind in der Regelionischaufgebaut, haben aber im Gegensatz zu Verbindungen anderer Alkalimetalle einen hohenkovalentenAnteil. Das zeigt sich unter anderem darin, dass viele Lithiumsalze – im Gegensatz zu den entsprechenden Natrium- oder Kaliumsalzen – gut in organischen Lösungsmitteln wieAcetonoderEthanollöslich sind. Es existieren auch kovalente organische Lithiumverbindungen. Viele Lithiumverbindungen ähneln in ihren Eigenschaften auf Grund der ähnlichenIonenradienden entsprechendenMagnesiumverbindungen(Schrägbeziehung im Periodensystem). Die folgende Grafik bietet eine Übersicht über die wichtigsten Reaktionen des Lithiums. Auf Stöchiometrie und genaue Reaktionsbedingungen ist hier nicht geachtet:

Wichtige Reaktionen des Lithiums
Wichtige Reaktionen des Lithiums

Wasserstoffverbindungen

Wasserstoff bildet mit LithiumHydride.Die einfachste Lithium-Wasserstoff-VerbindungLithiumhydridLiH entsteht aus den Elementen bei 600–700 °C. Es wird alsRaketentreibstoffund zur schnellenGewinnung von Wasserstoff,beispielsweise zum Aufblasen vonRettungswesten,[18]verwendet. Es existieren auch komplexere Hydride wieLithiumborhydridLiBH4oderLithiumaluminiumhydridLiAlH4.Letzteres hat in der organischen Chemie als selektiver Wasserstoffspender etwa zurReduktionvonCarbonyl-undNitroverbindungeneine große Bedeutung.

Für die Erforschung derKernfusionspielen Lithiumdeuterid (LiD) und Lithiumtritid (LiT) eine wichtige Rolle. Da reines Lithiumdeuterid die Energie der Wasserstoffbombe herabsetzt, wird dafür ein Gemisch aus LiD und LiT eingesetzt. Diese festen Substanzen sind leichter zu handhaben als Tritium mit seiner großenEffusionsgeschwindigkeit.

Sauerstoffverbindungen

Mit Sauerstoff bildet Lithium sowohlLithiumoxidLi2O als auchLithiumperoxidLi2O2.

Wenn Lithium mit Wasser reagiert, bildet sichLithiumhydroxid,eine starke Base. Aus Lithiumhydroxid werden Lithiumfette hergestellt, die als Schmierfette für Autos verwendet werden. Da Lithiumhydroxid auch Kohlenstoffdioxid bindet, dient es in U-Booten zur Regenerierung der Luft.

Weitere Lithiumverbindungen

Lithiumchlorid
Lithiumcarbonat

Lithium bildet mit den Halogeniden Salze der Form LiX. Dies sindLithiumfluorid,Lithiumchlorid,LithiumbromidundLithiumiodid.Da Lithiumchlorid sehr hygroskopisch ist, wird es – außer als Ausgangsmaterial für die Lithiumgewinnung – auch als Trockenmittel eingesetzt. Es dient zum Trocknen von Gasen, beispielsweise vonErdgas,bevor es durch die Pipeline geführt wird oder bei Klimaanlagen zur Herabsetzung der Luftfeuchte (bis 2 % relativer Luftfeuchte). Lithiumchlorid dient ferner noch zur Herabsetzung von Schmelztemperaturen, in Schweiß- und Hartlötbädern und als Schweißelektroden-Ummantelung für das Schweißen von Aluminium. Lithiumfluorid findet als Einkristall in derInfrarotspektroskopieVerwendung.

Die technisch wichtigste Lithiumverbindung ist das (in Wasser) wenig löslicheLithiumcarbonat.Es dient zur Gewinnung der meisten anderen Lithiumverbindungen und wird in derGlasindustrieund bei der Herstellung vonEmailalsFlussmitteleingesetzt. Auch in derAluminiumherstellungwird es zur Verbesserung von Leitfähigkeit und Viskosität der Schmelze zugesetzt.

Lithiumseifensind Lithiumsalze vonFettsäuren.Sie finden vor allem als Verdickungsmittel in hochwertigenMineralöl-basiertenSchmierfetten[98]und -wachsen sowie zur Herstellung vonBleistiftenVerwendung.

Weitere Lithiumsalze sind:

Organische Lithiumverbindungen

Im Gegensatz zu den meisten anderen Alkalimetallorganylen spielen Lithiumorganyle eine beachtliche Rolle insbesondere in der organischen Chemie. Von besonderer Bedeutung sindn-Butyllithium,tert-Butyllithium,MethyllithiumundPhenyllithium,die in Form ihrer Lösungen in Pentan, Hexan, Cyclohexan beziehungsweise gegebenenfalls Diethylether auch kommerziell verfügbar sind. Man kann sie durch direkte Umsetzung metallischen Lithiums mit Alkyl-/Arylhalogeniden gemäß

oder durchTransmetallierungzum Beispiel aus Quecksilberorganylen gemäß

herstellen.

Mit elementarem Lithium inTetrahydrofuran(THF) anstelle von Magnesium in Diethylether lassen sichGrignard-analogeAdditionsreaktionenvon Alkylhalogeniden an Carbonylverbindungen mit meist besserer Ausbeute durchführen.[100]

Auf Grund des deutlich kovalenten Charakters ist die Struktur von Lithiumorganylen nur selten durch eine einfache Li–C-Bindung zu beschreiben. Es liegen meist komplexe Strukturen, aufgebaut aus dimeren, tetrameren oder hexameren Einheiten, beziehungsweise polymere Strukturen vor. Lithiumorganyle sind hochreaktive Verbindungen, die sich an der Luft teilweise von selbst entzünden. Mit Wasser reagieren sie explosionsartig. Infolge ihrer extremen Basizität reagieren sie auch mit Lösungsmitteln, deren gebundener Wasserstoff kaum sauer ist, wie etwaTHF,was die Wahl geeigneter Lösungsmittel stark einschränkt. Reaktionen mit ihnen sind nur unterSchutzgasund in getrockneten Lösungsmitteln möglich. Daher ist im Umgang mit ihnen eine gewisse Erfahrung erforderlich und große Vorsicht geboten.

Eine weitere Gruppe organischer Lithiumderivate sind die Lithiumamide des Typs LiNR2,von denen insbesondereLithiumdiisopropylamid(LDA) undLithium-bis(trimethylsilyl)amid(LHMDS,siehe auchHMDS) als starke Basen ohne nukleophile Aktivität Verwendung finden.

Lithiumorganyle finden vielseitige Verwendung, so als Initiatoren für die anionischePolymerisationvon Olefinen, alsMetallierungs-,Deprotonierungs- oderAlkylierungsmittel.

Von gewisser Bedeutung sind die sogenanntenGilman-Cupratedes Typs R2CuLi.

Literatur

Wiktionary: Lithium– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons:Lithium– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  2. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, auswww.webelements.com (Lithium)entnommen.
  3. Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen:Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report).In:Pure and Applied Chemistry.2010, S. 1,doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14.
  4. IUPAC:Standard Atomic Weights Revised 2013.
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