ลิเทียม

ลิเทียม (อังกฤษ: Lithium) เป็นธาตุมีสัญลักษณ์ Li และเลขอะตอม 3 ในตารางธาตุ ตั้งอยู่ในกลุ่ม 1 ในกลุ่มโลหะอัลคาไล ลิเทียมบริสุทธิ์ เป็นโลหะที่อ่อนนุ่ม และมีสีขาวเงิน ซึ่งถูกออกซิไดส์เร็วในอากาศและน้ำ ลิเทียมเป็นธาตุของแข็ง ที่เบาที่สุด และใช้มากในโลหะผสมสำหรับการนำความร้อน ในแบตเตอรี่ไฟฟ้า ถ่านไฟฉายและเป็นส่วนผสมในยาบางชนิดที่เรียกว่า "mood stabilizer"

ลิเทียม
3Li H ↑ Li ↓ Na ฮีเลียม ← ลิเทียม → เบริลเลียม
ลิเทียมในตารางธาตุ
ลักษณะปรากฏ
โลหะสีขาวเงิน (ลอยอยู่ในน้ำมัน) เส้นสเปคตรัมของลิเทียม
คุณสมบัติทั่วไป
ชื่อ สัญลักษณ์ และเลขอะตอม	ลิเทียม, Li, 3
การออกเสียง	/ˈlɪθiəm/ li-thee-əm
อนุกรมเคมี	โลหะแอลคาไล
หมู่ คาบและบล็อก	1 (โลหะแอลคาไล), 2, s
มวลอะตอมมาตรฐาน	6.94(1)
การจัดเรียงอิเล็กตรอน	[He] 2s^1 2, 1
ประวัติ
การค้นพบ	โยฮัน เอากุสท์ อาร์ฟเวดสัน (1817)
การแยกครั้งแรก	วิลเลียม โทมัส แบรนด์ (1821)
คุณสมบัติกายภาพ
สถานะ	ของแข็ง
ความหนาแน่น (ใกล้ r.t.)	0.534 g·cm^−3
ความหนาแน่นของเหลวที่จุดหลอมเหลว	0.512 g·cm^−3
จุดหลอมเหลว	453.65 K, 180.50 °C, 356.90 °F
จุดเดือด	1615 K, 1342 °C, 2448 °F
จุดวิกฤต	(extrapolated) 3220 K, 67 MPa
ความร้อนของการหลอมเหลว	3.00 kJ·mol^−1
ความร้อนของการกลายเป็นไอ	147.1 kJ·mol^−1
ความจุความร้อนโมลาร์	24.860 J·mol^−1·K^−1
ความดันไอ
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ที่ T (K) 797 885 995 1144 1337 1610
คุณสมบัติอะตอม
สถานะออกซิเดชัน	+1 (ออกไซด์เป็นเบสแก่)
อิเล็กโตรเนกาติวิตี	0.98 (Pauling scale)
พลังงานไอออไนเซชัน	ค่าที่ 1: 520.2 kJ·mol^−1
	ค่าที่ 2: 7298.1 kJ·mol^−1
	ค่าที่ 3: 11815.0 kJ·mol^−1
รัศมีอะตอม	152 pm
รัศมีโควาเลนต์	128±7 pm
รัศมีวานเดอร์วาลส์	182 pm
จิปาถะ
โครงสร้างผลึก	รูปลูกบาศก์กลางตัว
ความเป็นแม่เหล็ก	พาราแมกเนติก
สภาพนำไฟฟ้า	(20 °C) 92.8 nΩ·m
สภาพนำความร้อน	84.8 W·m^−1·K^−1
การขยายตัวจากความร้อน	(25 °C) 46 µm·m^−1·K^−1
ความเร็วเสียง (thin rod)	(ที่ 20 °C) 6000 m·s^−1
มอดุลัสของยัง	4.9 GPa
โมดูลัสของแรงเฉือน	4.2 GPa
โมดูลัสของแรงบีบอัด	11 GPa
ความแข็งของโมส์	0.6
เลขทะเบียน CAS	7439-93-2
ไอโซโทปเสถียรที่สุด
บทความหลัก: ไอโซโทปของลิเทียม
ไอโซโทป NA ครึ่งชีวิต DM DE (MeV) DP ^6Li 7.5% Li เสถียร โดยมี 3 นิวตรอน ^7Li 92.5% Li เสถียร โดยมี 4 นิวตรอน ปริมาณของ^6Li มีเพียงแค่ 3.75% ในธรรมชาติ ส่วน^7Li มีปริมาณมากถึง 96.25%
ด ค ก
อ้างอิง

เล่นมีเดีย

แบตเตอรี่ลิเธียมทำงานอย่างไร

คุณลักษณะพื้นฐาน

ลิเทียมเป็นโลหะที่เบาที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด และมีความหนาแน่นเพียงครึ่งเท่าของน้ำ ที่น่าแปลกก็คือ ลิเทียมยังมีคุณสมบัติของโลหะแอลคาไลน์เอิร์ธ ในหมู่ 2 ด้วย ลิเทียมเป็นโลหะสีเงิน อ่อนนิ่มมากจนตัดด้วยมีดคมๆ ได้ ลิเทียมมีคุณสมบัติอย่างโลหะแอลคาไลทั้งปวง นั่นคือ มีวาเลนซ์อิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว และพร้อมที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนตัวนี้ไปเป็นไอออนบวก ทำให้มีอิเล็กตรอนในระดับชั้นพลังงานที่ไม่ครบถ้วน เนื่องจากกรณีดังกล่าว ทำให้ลิเทียมทำปฏิกิริยาในน้ำได้ง่าย และไม่ปรากฏโดยอิสระในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม ลิเทียมยังถือว่าทำปฏิกิริยายากกว่าโซเดียม ซึ่งมีคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายกัน

เมื่ออังลิเทียมไว้เหนือเปลวไฟ มันจะให้สีแดงเข้มออกมา แต่เมื่อเผาไหม้โดยตรง เปลวไฟจะเป็นสีขาวสว่างจ้า โลหะลิเทียมจะติดไฟและไหม้เมื่อกระทบกับออกซิเจนและน้ำ นอกจากนี้ยังนับเป็นโลหะเพียงชนิดเดียวที่ทำปฏิกิริยากับไนโตรเจนที่อุณหภูมิห้อง ลิเทียมนั้นมีความจุความร้อนจำเพาะที่สูงมาก คือ 3,582 J/(kg·K) และมีช่วงอุณหภูมิที่กว้างเมื่ออยู่ในรูปของเหลว ซึ่งทำให้เป็นสารเคมีที่มีประโยชน์ใช้งานได้

ลิเทียมที่อยู่ในรูปโลหะบริสุทธิ์จะติดไฟได้ง่ายมากและระเบิดได้ค่อนข้างง่าย เมื่อกระทบกับอากาศ และโดยเฉพาะกับน้ำ ไฟจากลิเทียมนั้นดับได้ยาก ต้องอาศัยสารเคมีเฉพาะที่ผลิตมาสำหรับการดับไฟนี้โดยตรง สำหรับโลหะลิเทียมยังสึกกร่อนง่าย และต้องจับต้องอย่างระมัดระวังเป็นพิเศษ เพื่อหลีกเลี่ยงการสัมผัสโดยตรงกับผิวหนัง การเก็บรักษาควรเก็บไว้ในรูปของสารประกอบที่ไม่ทำปฏิกิริยา เช่น แนพธา (naphtha) หรือไฮโดรคาร์บอน สารประกอบลิเทียมนั้นไม่มีบทบาทเชิงชีววิทยาในธรรมชาติ และถือว่าเป็นพิษพอสมควร เมื่อใช้เป็นยา จะต้องคอยตรวจสอบอย่างระมัดระวัง เพราะลิเทียมไอออน (Li+) จะทำให้เลือดมีความเข้มข้นมากขึ้น

การประยุกต์ใช้

เนื่องจากความร้อนจำเพาะที่สูง (มากทีสุดในบรรดาของแข็งใดๆ) ทำให้มีการใช้ลิเทียมในการถ่ายเทความร้อน นอกจากนี้ยังใช้เป็นโลหะขั้วแอโนดของแบตเตอรีที่สำคัญ ทั้งนี้เพราะศักย์ทางไฟฟ้าเคมีที่สูงนั่นเอง ขณะเดียวกัน การที่มีน้ำหนักแห้งกว่าเซลล์มาตรฐานทั่วไป แบตเตอร์รีเหล่านี้จึงให้แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า (3 โวลต์ ขณะที่แบตเตอรีแบบอื่นให้แรงดัน 1.5 โวลต์) การใช้งานอื่นๆ ได้แก่

• เกลือลิเทียม เช่น ลิเทียมคาร์บอเนต (Li₂CO₃) ลิเทียมไซเตรต และ ลิเทียมโอโรเทต ถือเป็น mood stabilizers ที่ใช้ในการบำบัดอาการทางจิต (bipolar disorder) เนื่องจากไม่เหมือนกับยา mood altering อื่นๆ ส่วนใหญ่ ที่รักษาทั้งอาการคลุ้มคลั่ง และอาการซึมเศร้า นอกจากนี้ลิเทียมยังใช้เพื่อขยายผลยาต้านการซึมเศร้าอื่น ๆ ปริมาณลิเทียมที่ใช้ประโยชน์ได้นี้น้อยกว่าปริมาณที่เป็นพิษเล็กน้อย ด้วยเหตุนี้จึงต้องตรวจสอบระดับลิเทียมในกระแสเลือดอย่างรอบคอบในช่วงการบำบัดรักษา
• ลิเทียมคลอไรด์ และ ลิเทียมโบรไมด์ นิยมใช้เป็นอุปกรณ์วัดความชื้นที่ดีเยี่ยม และมักจะใช้เป็น desiccant
• ลิเทียมสเตียเรต (Lithium stearate) นิยมใช้ทั่วไปสำหรับเป็นสารหล่อลื่นอุณหภูมิสูงแบบอเนกประสงค์
• ลิเทียมเป็นตัวกระทำชนิดอัลลอย ที่ใช้เพื่อสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์
• ลิเทียมยังใช้เป็นฟลักซ์ เพื่อช่วยในการหลอมของโลหะในช่วงการเชื่อมและบัดกรี นอกจากนี้ยังลดการเกิดออกไซด์ในช่วงที่เชื่อม โดยการดูดซับสิ่งเจือปนไว้ คุณสมบัติการหลอมดังกล่าวยังมีความสำคัญในฐานะเป็นตัวเชื่อมประสาน สำหรับการผลิตเซรามิก วัสดุเคลือบ และเครื่องแก้ว
• บางครั้งมีการใช้ลิเทียมในเครื่องแก้วและเซรามิก รวมทั้งกระจกสำหรับทำกล้องโทรทรรศน์ขนาด 200 นิ้ว ที่ยอดเขาพาโลมาร์ด้วย
• ลิเทียมไฮดรอกไซด์ นั้นใช้ดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศในยานอวกาศ และเรือดำน้ำ สำหรับไฮดรอกไซด์ของอัลคาไลอื่นๆ นั้นจะดูดซับ CO₂ ได้ แต่ลิเทียมไฮดรอกไซด์นั้นทำได้ดีกว่า เพราะมีน้ำหนักโมเลกุลที่ต่ำนั่นเอง
• มีการใช้อัลลอยของโลหะ ที่มีส่วนผสมของ อะลูมิเนียม, แคดเมียม, ทองแดง, และ แมงกานีส เพื่อผลิตชิ้นส่วนอากาศยานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง
• ลิเทียมไนโอเบต (Lithium niobate) มีการใช้อย่างกว้างขวางในตลาดเครื่องมือโทรคมนาคม เช่น โทรศัพท์เคลื่อนที่ และมอดูเลเตอร์แสง
• ลิเทียมไนโอเบตแบบสภาพไม่เชิงเส้นสูง ยังเป็นทางเลือกที่นิยมใช้สำหรับการประยุกต์ใช้งานต่าง ๆ แบบไม่เชิงเส้น (non-linear application)
• ลิเทียมดิวเทอไรด์ (Lithium deuteride) , ดิวเทอเรียมเป็นไอโซโทปหนึ่งของไฮโดรเจน) เป็นเชื้อเพลิงแบบหลอมตัวในระเบิดไฮโดรเจน เมื่อถูกระดมยิงด้วยนิวตรอน ทั้งลิเทียม -6 และลิเทียม -7 จะผลิตไตรเทียมออกมา ไตรเทียมจะหลอมรวมตัวกับดิวเทอเรียม ในปฏิกิริยาฟิวชั่น ซึ่งทำได้ง่ายกว่า
• ลิเทียมถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิด อนุภาคแอลฟา หรือนิวคลีไอของลิเทียม เมื่อนิวคลีไอของลิเทียม -7 ถูกระดมยิงจากโปรตอนที่ถูกเร่ง นิวคลีไอบางตัวของลิเทียมจะแตกสลายเป็นโปรตอน 4 ตัว และนิวตรอน 4 ตัว และทำให้เกิดอนุภาคแอลฟา 2 ตัวด้วย นับเป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ครั้งแรกที่มนุษย์สร้างขึ้น โดยฝีมือของคอกรอฟต์ (Cockroft) และวอลตัน (Walton) เมื่อ ค.ศ. 1929
• ลิเทียมไฮดรอกไซด์ (LiOH) เป็นสารประกอบที่สำคัญของลิเทียม ที่ได้มาจากลิเทียมคาร์บอเนต (Li₂CO₃) นับเป็นเบสที่แรง และเมื่อให้ความร้อนจากไขมัน มันจะทำให้เกิดสบู่ลิเทียมขึ้น สบู่ลิเทียมนี้มีความสามารถทำให้น้ำมันแข็งตัว และด้วยเหตุนี้ จึงนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ เพื่อผลิตจาระบีสำหรับใช้ในการหล่อลื่นเครื่องยนต์
• ลิเทียมไฮดรอกไซด์เป็นสารเคมีที่มีน้ำหนักเบาและมีประสิทธิภาพในการกรองให้อากาศบริสุทธิ์ ในพื้นที่จำกัด เช่น ยานอวกาศ ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์สามารถทำให้เสียสุขภาพหรือเกิดพิษได้ ลิเทียมไฮดรอกไซด์จะช่วยดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศ โดยการเข้าทำปฏิกิริยาและเกิดเป็นลิเทียมคาร์บอเนต
• แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนเป็นตัวเก็บพลังงานไฟฟ้าที่มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบา ทำให้อุปกรณ์ที่เคยมีขนาดใหญ่ มีขนาดเล็ก น้ำหนักเบา พกพาสะดวก รวมถึงมีระยะเวลาใช้งานก่อนจะประจุไฟใหม่ยาวนานขึ้นมาก แบตเตอรี่ชนิดลิเทียมไอออนมีความสำคัญต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมรถยนต์ใช้พลังงานไฟฟ้า เช่น รถยนต์ไฮบริด รถยนต์ปลั๊กอินไฮบริด และรถยนต์ไฟฟ้า และยังมีความพยายามนำแบตเตอรี่ชนิดนี้ไปใช้ประโยชน์ในด้านต่างๆ เช่น ด้านอวกาศ ด้านการทหาร ด้านการไฟฟ้าและสาธารณูปโภค

ประวัติ

สารเพทาไลต์ (Petalite) ซึ่งมีลิเทียมเป็นส่วนประกอบ ถูกค้นพบเป็นครั้งแรก โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวบราซิล ชื่อโฮเซ โบนิฟาเชียว เด อันดราดา เอ ซิลวา (José Bonifácio de Andrada e Silva) เมื่อปลายคริสต์ทศวรรษ ขณะเดินทางไปยังสวีเดน ส่วนลิเทียมนั้นถูกค้นพบครั้งแรกเมื่อ ค.ศ. 1817 โดย โยฮันน์ อาร์ฟเวดสัน (Johann Arfvedson) โดยเขาได้ค้นพบธาตุชนิดใหม่นี้ในแร่สปอดูมีน (spodumene) และเลปิโดไลต์ (lepidolite) ในสินแร่เพทาไลต์ (petalite)

LiAl (Si₂O₅) ₂ ที่เขาวิเคราะห์ในช่วงที่ทำการสำรวจตามปกติจากแร่บางอย่างในเหมืองแห่งหนึ่งของเกาะอูโทของประเทศสวีเดน และเมื่อ ค.ศ. 1818 คริสเตียน กเมลิน (Christian Gmelin) นับเป็นบุคคลแรกที่ได้สังเกตเห็นว่าเกลือลิเทียมจะให้เปลวไฟสีแดงเข้ม อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์ทั้งสองพยายามที่จะแยกธาตุออกจากเกลือดังกล่าว แต่ก็ไม่ประสบความสำเร็จ

การแยกธาตุลิเทียมยังไม่ประสบผลสำเร็จ กระทั่งวิลเลียม โทมัส เบรนด์ (William Thomas Brande) และเซอร์ฮัมฟรีย์ เดวี (Humphrey Davy) ได้ใช้วิธีการแยกสลายด้วยไฟฟ้ากับลิเทียมออกไซด์ เมื่อ ค.ศ. 1818 ต่อมา บุนเสน (Bunsen) และมาทีสเสน (Matiessen) ได้แยกโลหะส่วนใหญ่ออกด้วยการแยกสลายลิเทียมคลอไรด์ด้วยไฟฟ้า เมื่อ ค.ศ. 1855

สำหรับการผลิตโลหะลิเทียมในเชิงพาณิชย์เพิ่งประสบความสำเร็จ เมื่อ ค.ศ. 1923 โดยบริษัทแห่งหนึ่งของเยอรมนี ชื่อ เมทัลเกเซลชาฟท์ (Metallgesellschaft) ด้วยการใช้วิธีแยกสลายด้วยไฟฟ้าเช่นเดียวกัน แต่ใช้สารตั้งต้นเป็นลิเทียมคลอไรด์ และโพแตสเซียมคลอไรด์ที่หลอมละลาย เมื่อได้ธาตุบริสุทธิ์ออกมา ก็ได้ตั้งชื่อว่า ลิเทียม (กรีก λιθοσ (ลิธอส) หมายถึง หิน) เพราะค้นพบมาจากแร่ ขณะที่โลหะอัลคาไลอื่นๆ ทั่วไป ค้นพบเป็นครั้งแรกจากเนื้อเยื่อของพืช

การปรากฏ

 

ลิเทียมเม็ดเล็กๆ (เคลือบด้วยลิเทียมไฮดรอกไซด์สีขาว)

ในโลกของเรามีลิเทียมแพร่หลายกว้างไกล แต่ไม่ปรากฏในธรรมชาติในรูปอิสระ เพราะความสามารถทำปฏิกิริยาที่สูงมาก จึงมักพบเป็นส่วนประกอบกับธาตุชนิดอื่น หรือสารประกอบอื่นๆ ลิเทียมเป็นส่วนประกอบย่อยของหินอัคนีแทบทุกชนิด และยังพบในแอ่งน้ำกร่อยในธรรมชาติจำนวนมากด้วย ลิเทียมนับเป็นธาตุที่พบได้มากเป็นอันดับที่ 31 โดยมีอยู่มากในแร่ต่างๆ เช่น สปอดูมีน, เลปิโดไลต์ และแอมบลิโกไนต์ ในเปลือกโลกยังมีลิเทียมเป็นส่วนประกอบถึง 65 ส่วนต่อล้านส่วน (ppm)

นับตั้งแต่สิ้นสุด สงครามโลกครั้งที่สอง มีการผลิตลิเทียมเพิ่มขึ้นสูงมาก โลหะชนิดนี้ถูกแยกจากธาตุอื่นๆ ในหินอัคนี และยังถูกสะกัดออกจากน้ำในน้ำพุแร่ต่างๆ แร่สำคัญๆ ที่มีลิเทียมเป็นส่วนประกอบได้แก่ เลปิโดไลต์, สปอดูมีน, เปทาไลต์, และแอมบลิโกไนต์

ใน สหรัฐอเมริกามีการค้นพบลิเทียมในแอ่งน้ำกร่อย ในรัฐเนวาดา ทุกวันนี้ลิเทียมที่ผลิตขึ้นในเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ขุดได้มาจากแหล่งน้ำกร่อยในประเทศชิลี โลหะชนิดนี้ (ซึ่งมีสีเงิน เช่นเดียวกับโซเดียม โพแทสเซียม และโลหะอัลคาไลอื่นๆ) ถูกผลิตขึ้นด้วยการแยกสลายทางไฟฟ้า จากส่วนผสมของโพแตสเซียมคลอไรด์ และลิเทียมที่หลอมละลาย ลิเทียมในรูปโลหะบริสุทธิ์นั้นมีตลาดซื้อขายที่แคบ และข้อมูลด้านราคาก็หายาก เมื่อ ค.ศ. 1998 มีราคาอยู่ที่ 43 ดอลลาร์สหรัฐ ต่อน้ำหนัก 1 ปอนด์ (หรือ 95 ดอลลาร์สหรัฐ ต่อน้ำหนัก 1 กิโลกรัม) ประเทศชิลีนับเป็นผู้ผลิตโลหะลิเทียมบริสุทธิ์รายใหญ่ของโลกในปัจจุบันเพียงรายเดียว

การแยก (* ข้างล่าง) :

แคโทด: ${\displaystyle {\mbox{Li}}^{+}{\mbox{*}}+{\mbox{e}}^{-}\to {\mbox{Li*}}}$ 

แอโนด: ${\displaystyle {\mbox{Cl}}^{-}{\mbox{*}}\to {\frac {1}{2}}{\mbox{Cl}}_{2}({\mbox{gas}})+e^{-}}$ 

ไอโซโทป

ลิเทียมที่ปรากฏในธรรมชาตินั้น ประกอบด้วยไอโซโทปที่เสถียร 2 ตัว คือ Li-6 และ Li-7 โดยที่ Li-7 มีอยู่เป็นสัดส่วนที่สูงกว่ามาก (92.5%) สำหรับไอโซโทปกัมมันตรังสีอื่นๆ 7 ตัวนั้น ตัวที่เสถียรมากที่สุดคือ Li-8 ซึ่งมีค่าครึ่งชีวิต 838 มิลลิวินาที และ Li-9 มีค่าครึ่งชีวิต 178.3 มิลลิวินาที ส่วนไอโซโทปกัมมันตรังสีที่เหลือ มีครึ่งชีวิตน้อยกว่า 8.6 มิลลิวินาที สำหรับไอโซโทปที่มีครึ่งชีวิตสั้นที่สุด คือ ⁴Li ซึ่งสลายไปโดยการปลดปล่อยโปรตอน และมีครึ่งชีวิตเพียง 7.58043x10^-23 วินาที

ลิเทียม -7 นั้น นับเป็นธาตุเริ่มต้น (primordial elements) ที่เกิดขึ้นในช่วงบิกแบง (Big Bang nucleosynthesis) ไอโซโทปของลิเทียมจะแตกตัวอย่างชัดเจนในกระบวนการทางธรรมชาติที่หลากหลาย ได้แก่ การเกิดแร่ (การตกตะกอนทางเคมี) , เมตาบอลิซึม, การแลกเปลี่ยนไอออน (Li นั้นถูกใช้แทน แมกนีเซียม และ เหล็กในแร่ดินรูปทรงแปดหน้า, โดยที่ Li-6 นั้นมักพบได้มากกว่า Li-7) , การกรองแบบ hyperfiltration และการเปลี่ยนแปลงของหิน

อ้างอิง

• Stwertka, Albert (2002). A Guide to the Elements. Oxford University press, New york, Ny. ISBN 0-19-515027-9.
• Krebs, Robert E. (1998). The History and Use of Our Earth's Chemical Elements : A Reference Guide. Greenwood press, Westport, Conn. ISBN 0-313-30123-9.
• Newton, David E. (1994). The Chemical Elements. Franklin Watts, New york, Ny. ISBN 0-531-12501-7.

แหล่งข้อมูลอื่น

• USGS: ข้อมูลและสถิติ
• WebElements.com - ลิเทียม
• ธาตุลิเทียม