最終更新：2024年11月30日

リチウム (Li, Z = 3)：例外的な性質を持つアルカリ金属

リチウム原子のモデル — 画像の説明：3つの陽子と3つの電子を持つリチウム原子の簡略化された原子モデル。
画像ソース：astronoo.com

リチウムの発見の歴史

リチウムは1817年、スウェーデンの化学者ヨハン・アウグスト・アルフヴェドソン（1792-1841）によって、スウェーデンのウト島から産出するペタライト鉱物を分析中に発見されました。アルフヴェドソンは新しいアルカリ元素の存在を特定しましたが、金属形態で単離することはできませんでした。彼の師であるイェンス・ヤコブ・ベルセリウス（1779-1848）は、この元素をリチウム（ギリシャ語のlithos = 石）と名付けました。植物ではなく鉱物から発見された最初のアルカリ金属であったためです。 1821年になって初めて、イギリスの化学者ウィリアム・トーマス・ブランド（1788-1866）と独立してスウェーデンの化学者ヨハン・アウグスト・アルフヴェドソンが、酸化リチウムの電気分解によって金属リチウムを単離することに成功しました。

構造と基本的な性質

リチウム（記号Li、原子番号3）は周期表の最初のアルカリ金属で、3つの陽子、通常4つの中性子（最も一般的な同位体の場合）、および3つの電子から構成されます。 2つの安定同位体はリチウム-7 \(\,^{7}\mathrm{Li}\)（≈ 92.5%）とリチウム-6 \(\,^{6}\mathrm{Li}\)（≈ 7.5%）です。
室温では、リチウムは銀白色の柔らかい金属で、極めて軽い（密度≈0.534 g/cm³）ため、すべての元素の中で最も密度の低い金属です。水や酸素と非常に反応性が高く、鉱物油中または不活性ガス中で保存する必要があります。液体と固体の状態が共存できる温度（融点）：453.65 K（180.50 °C）。液体から気体に変化する温度（沸点）：1615 K（1341.85 °C）。

リチウムの同位体表

リチウムの同位体（主要な物理的性質）
同位体 / 記号	陽子 (Z)	中性子 (N)	原子質量 (u)	天然存在比	半減期 / 安定性	崩壊 / 備考
リチウム-6 — \(\,^{6}\mathrm{Li}\,\)	3	3	6.015122 u	≈ 7.5 %	安定	核融合でトリチウムを生成するために使用；熱中性子を吸収。
リチウム-7 — \(\,^{7}\mathrm{Li}\,\)	3	4	7.016003 u	≈ 92.5 %	安定	主要同位体；リチウムイオン電池や産業用途に使用。
リチウム-8 — \(\,^{8}\mathrm{Li}\,\)	3	5	8.022487 u	非天然	0.838 秒	β\(^-\)崩壊で \(\,^{8}\mathrm{Be}\) になり、すぐに2つのアルファ粒子に崩壊。
リチウム-9 — \(\,^{9}\mathrm{Li}\,\)	3	6	9.026790 u	非天然	0.178 秒	β\(^-\)崩壊；粒子加速器で人工的に生成。
リチウム-4, 5 — \(\,^{4}\mathrm{Li},\,^{5}\mathrm{Li}\,\)	3	1 — 2	— (共鳴状態)	非天然	\(10^{-22}\) 秒	核物理学で観察される非常に不安定な状態；即時崩壊。
重い同位体 — \(\,^{10}\mathrm{Li},\,^{11}\mathrm{Li},\,^{12}\mathrm{Li}\)	3	7 — 9	— (共鳴状態)	非天然	\(10^{-21}\) — 0.009 秒	中性子ハロー；\(\,^{11}\mathrm{Li}\) は核の周りに非常に弱く結合した2つの中性子からなるハローを持つ。

電子配置と電子殻

N.B. :
電子殻: 電子が原子核のまわりに配置されるしくみ.

リチウムは2つの電子殻に3個の電子を持っています。その完全な電子配置は1s² 2s¹、または簡略化すると[He] 2s¹です。この配置はK(2) L(1)とも表記されます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1): 1sサブシェルに2個の電子を含みます。この内側の殻は完全で非常に安定しており、ヘリウムと同じ電子配置を形成します。
L殻 (n=2): 2sサブシェルに1個の電子のみを含みます。この単一の価電子は核に対して比較的弱く結合しており、化学反応で容易に失われます。2p軌道は完全に空です。

価電子と酸化状態

外側の殻（2s¹）にある1個の電子はリチウムの価電子です。この配置はリチウムの化学的性質を説明します：
2s電子を失うことで、リチウムはLi⁺イオン（酸化状態+1）を形成します。これはリチウムのすべての化合物における唯一で一貫した酸化状態です。
Li⁺イオンはヘリウム[He]と同じ電子配置を採用し、このイオンに最大の安定性を与えます。
リチウムは他の酸化状態を示しません。化学では+1の状態のみが観察されます。

リチウムの電子配置は、価電子殻に1個の2s電子を含み、周期表の1族（アルカリ金属）に分類され、すべての金属の中で最も軽い金属となります。この構造により、リチウムは特有の性質を持ちます：高い化学的反応性（水、酸素、およびほとんどの非金属と反応）、低いイオン化エネルギー（価電子が容易に除去される）、および酸化状態+1のイオン化合物を排他的に形成します。

リチウムは非常に柔らかい銀色の金属で、密度が非常に低い（0.53 g/cm³、最も軽い金属）ため、酸化から保護するために鉱物油中または不活性雰囲気下で保存する必要があります。リチウムは室温で水とゆっくり反応しますが、ナトリウムやカリウムのように激しく反応することはありません。このアルカリ金属に比べた穏やかな反応性は、原子サイズが小さく、結合エネルギーが比較的強いためです。

リチウムの重要性は現代世界で極めて重要になりました：リチウムイオン電池は携帯電子機器（スマートフォン、コンピュータ）や電気自動車に不可欠となり、リチウムはエネルギー転換のための戦略的要素となっています；炭酸リチウムLi₂CO₃は精神医学で双極性障害の治療に使用されます；アルミニウム-リチウム合金は航空宇宙分野でその例外的な軽さから使用されます；リチウムは溶接およびろう付けプロセスでフラックスとして使用されます；水素化リチウムLiHは強力な還元剤であり、水素貯蔵の可能性を秘めています；有機リチウム化合物（ブチルリチウムなど）は有機化学で重要な試薬です。リチウム-6は核技術でトリチウムを生産するために使用されます。リチウムの世界的な需要はバッテリー技術の発展とともに指数関数的に増加しており、その採掘とリサイクルは主要な経済的および環境的課題となっています。

化学的反応性

リチウムは極めて反応性の高いアルカリ金属です。1つの価電子を容易に放出し、Li⁺イオンを形成します。水と激しく反応して水酸化リチウム（LiOH）と水素ガスを生成します。空気に触れると、リチウムは酸化リチウム（Li₂O）と窒化リチウム（Li₃N）を形成します。後者の反応はアルカリ金属の中で珍しいものです。リチウムはハロゲン（フッ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム）と化合物を形成し、炭素と反応して炭化リチウム（Li₂C₂）を生成します。強い電気陽性性により、有機および無機化学反応における優れた還元剤となります。

リチウムの産業および技術的応用

電気自動車、スマートフォン、ノートパソコン、エネルギー貯蔵システム用のリチウムイオン電池；
精神医学で双極性障害の治療に使用される気分安定剤（炭酸リチウム）；
ガラスやセラミックの製造において熱抵抗を向上させ、融点を下げるため；
工業用エアコンシステムの除湿剤（塩化リチウム）；
金属精製における脱酸剤および金属の精製；
極端な温度に耐える高性能潤滑グリスの製造（ステアリン酸リチウム）；
核融合炉でリチウム-6からトリチウムを生成；
航空宇宙用アルミニウム-リチウム合金の構造物の重量を軽減；
有機合成で新しい分子を作るための強塩基（ブチルリチウム）；
望遠鏡や精密機器に使用される特殊光学ガラスの製造；
潜水艦や宇宙船の呼吸システムにおけるCO₂吸収剤（水酸化リチウム）；
ポリマーやエラストマーの製造で性質を改善；
特定の産業用重合反応の触媒；
医療および軍事用途の一次リチウム電池；
実験的システムで水との反応による水素生成。

天体物理学と宇宙論における役割

リチウムは宇宙論においてユニークな位置を占めています。水素、ヘリウムとともに、ビッグバン後の数分間に原始核合成で大量に合成された3つの元素の1つだからです。しかし、現在の宇宙におけるリチウムの存在量は、「宇宙論的リチウム問題」として知られる大きな問題を提起しています。ビッグバンモデルは、銀河系の古い星で観測されるリチウム-7の存在量の約3倍を予測しています。

恒星では、リチウムは比較的低い温度（約250万ケルビン）で核融合により迅速に破壊されます。これは水素を燃焼させるのに必要な温度よりもはるかに低い温度です。この破壊により、リチウムは恒星の内部混合過程とその進化を研究するための優れたトレーサーとなります。さまざまな種類の恒星におけるリチウムの存在量の測定は、天体物理学者が恒星モデルを制約し、銀河の化学的歴史を理解するのに役立ちます。

リチウム-6は希少ですが、星間物質中の宇宙線反応によって生成される可能性があります。リチウム-7に対するその比率は、銀河系の過去における宇宙線の強度と銀河核合成過程に関する貴重な情報を提供します。

太陽系外惑星や褐色矮星の大気中のリチウムの分光学的研究は、これらの天体の年齢と熱的歴史を決定するのにも役立ちます。リチウムの存在または不在は、天体がリチウムを破壊するのに十分な内部温度に達したかどうかを示すからです。

N.B.：
「宇宙論的リチウム問題」は、現代宇宙論の未解決の謎の1つです。この不一致を説明するために、初期の恒星におけるリチウムの破壊、原始核合成モデルの誤り、標準模型を超えた物理学、またはリチウム存在量の測定における観測バイアスなど、いくつかの仮説が提案されています。この謎は、最も単純な元素でさえ、宇宙の進化の深く神秘的な側面を明らかにする可能性があることを示しています。その解決は、基礎物理学と宇宙論の理解に大きな影響を与える可能性があります。