리튬
[ lithium ]
리튬(lithium)은 주기율표 제1족에 속하는 알칼리 금속으로 원자 번호 3번에 해당하는 화학 원소이다. 수소, 헬륨과 함께 138억 년 전 빅뱅 우주에서 만들어진 세 가지 원소 중 하나이다. 원자량 6.941, 녹는점 180.54 ℃, 끓는점 1347 ℃, 비중 0.534을 갖는다.
1817년 스웨덴 화학자 아르프베드손은 물 속에 집어넣으면 부글부글 끓어오르다가 폭발하는 독특한 성질을 갖는 원소를 발견하였다. 17세기 과학자들은 이 원소에 돌을 뜻하는 그리스어 리토스(lithos)를 따와서 리튬(lithium)이라고 이름을 지었다. 그 후 불꽃 반응 실험에 의해 리튬의 존재가 명백해졌다. 리튬은 유리 광물의 일종인 페탈라이트(엽장석)에서 발견되었다. 같은 알칼리 원소들인 소듐이나 포타슘이 동식물들에서 널리 발견되었던 것에 비해 리튬은 돌 속에 숨어 있었다.
리튬은 밀도가 가장 낮은 금속으로 알려져 있다. 사람이 칼로 자를 수 있을 정도로 무른 금속이다. 물과 접촉 시 격렬한 화학 반응을 일으키기 때문에 파라핀과 같은 기름 속에 보관하는 것이 일반적이다. 지각의 리튬 함유량은 0.006%이다. 주 생산국은 미국, 칠레, 호주, 캐나다, 중국 등인데, 최근 볼리비아, 체코에서 상당량의 리튬이 매장되어 있다는 사실이 알려져 전세계의 관심이 집중되었다. 높은 반응성 때문에 원소 상태의 리튬이 자연에서 발견되기가 어렵다. 리튬은 여러 광물과 함께 발견된다. 예를 들어, 인반석(LiAlPO4F)에는 리튬이 알루미늄, 인, 산소, 플루오린과 함께 존재한다. 리튬은 수용액 속에서도 발견된다. 예를 들어 염화 리튬(LiCl)은 염호(鹽湖) 내 최대 1%가 함유되어 있다. 북남미, 중국, 호주 등의 염호에서 리튬이 주로 발견된다. 한국의 경우, 지질자원연구원에서 바닷물에 존재하는 리튬을 유리하는 기술을 확보하였다.
리튬 ()
| 리튬 (Lithium) | |
|---|---|
| 상태 | 은색의 고체 금속 |
| 원자번호 | 3 |
| 원자량, u | 6.941 |
| 녹는점, °C | 180.50 |
| 끓는점, °C | 1330 |
| 밀도, g/cm3 | 0.534 |
목차
리튬의 추출
수용액에서 리튬을 추출할 때, 리튬이 존재하는 소금물에서 물을 증발시키고 탄산 나트륨(Na2CO3)을 첨가하여 탄산 리튬(Li2CO3)을 얻는다. 그리고 물에 잘 녹지 않는 탄산 리튬을 유리한다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2LiCl + Na2CO3 -> Li2CO3 + 2NaCl }@@NAMATH_DISPLAY@@
순수한 리튬 금속을 합성하려면 탄산 리튬을 염산(HCl)과 섞는다. 이산화 탄소가 부산물로 생성되며 염화 리튬을 얻게 되고, 물을 증발시킴으로써 농축시킨다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ Li2CO3 + 2H3O + 2Cl- -> 2Li+ + 2Cl- + CO2 + 3H2O }@@NAMATH_DISPLAY@@
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ Li+ + e- -> Li }@@NAMATH_DISPLAY@@
또는 52% 염화 리튬과 48% 염화 포타슘을 섞어 공융 화합물(eutectic mixture)을 생성하고 이를 350도가 넘는 고온에서 용융된 소금을 전해질로 하여 전기 분해로 순수한 리튬을 얻는다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ KCl + LiCl -> K + Li + Cl2 }@@NAMATH_DISPLAY@@
리튬의 화학적 성질
화학 반응에서 리튬 금속은 강한 환원제로 주로 사용된다. 리튬 유기 화합물인 n-뷰틸리튬(CH3(CH2)3Li), 수소화 리튬 (LiH), 수소화 알루미늄 리튬 (LiAlH4) 등의 형태로 많이 사용된다.
다른 알칼리 금속과는 달리 유기 리튬 화합물은 유기 화학 분야에서 특히 큰 비중을 차지한다. n-뷰틸리튬, tert-뷰틸리튬, 메틸리튬, 페닐리튬이 다양한 유기 화학 반응에 흔히 사용된다. 이들은 유기 용매(예를 들어, 펜테인, 헥세인, 사이클로헥세인, 다이에틸 에터 등)에 용해된 상태로 구입이 가능하다. 알킬 및 아릴 할로젠 화합물과 반응에 많이 사용된다.
유기 리튬 화합물은 반응성이 좋아 공기와 닿으면 발화하고, 물과는 폭발적으로 반응할 수 있다. 따라서 이들의 반응은 보호 가스 (질소 혹은 아르곤 가스) 내에서 무수 용매를 사용해 이루어져야 하며, 많은 경험과 주의가 필요하다. 다른 유기 리튬 화합물로는 리튬 아마이드의 일종인 리튬 다이이소프로필아마이드(lithium diisopropylamide, LDA)와 리튬 비스(트리메틸실릴)아마이드(lithium bis(trimethylsilyl)amide 또는 lithium hexamethyldisilazane: LiHMDS)이 강한 염기로 반응에 사용된다. 양성자 제거, 알킬화나 알켄을 음이온 중합할 때 개시제로도 많이 쓰인다.
리튬의 산업적 용도
현대 사회에서 리튬은 다양한 용도로 사용된다. 리튬의 대표적인 산업적 이용 예는 리튬 이온 전지이다. 1990년대 후반부터 개인용 컴퓨터 및 전자기기의 보급이 전세계적으로 급격히 증가됨에 따라 휴대용 전자기기의 경량화가 중요한 이슈로 떠올랐다. 이에 따라 대용량의 가벼운 전지 개발이 가속화되었고 그래서 등장한 것이 리튬 이온 전지이다. 리튬 이온 전지는 기존에 사용되던 전지들에 비해 가볍고 대용량으로 제작이 가능하다. 현재는 거의 모든 휴대용 전자 제품에 사용되고 있다.
산업적으로 리튬을 가장 많이 사용하는 분야는 전자 산업이 아닌 유리 및 도자기 산업이다. 모래의 실리카(silica) 성분을 녹여 유리나 도자기를 만들 때 탄산 리튬을 플럭스 용제로 사용하여 용해점을 낮추고 점도를 낮춘다.
리튬은 질병 치료제로도 사용된다. 대표적인 예로 탄산 리튬(lithium carbonate)을 들 수 있다. 탄산 리튬은 조울병, 양극성 장애, 군발성 두통, 알코올 중독, 화학 요법 또는 비장 기능 항진으로 인한 호중구 감소증 개선, 충동적 공격성 행동 치료, 천식, 갑상선 항진증 치료에 사용된다.
삼중수소라고도 하는 트리튬(tritium)을 생산하는 데 사용되기도 한다. 삼중수소는 자연계에서 획득이 어렵다. 산업적으로 사용되는 삼중수소는 주로 리튬-6 에 중성자를 쏘아 생산된다.
지표상에 매장된 리튬의 양은 한정되어 있지만 그 수요는 날이 갈수록 증가하고 있다. 따라서 리튬을 대체할 신소재의 개발이 시급하다고 한다. 그래서 주기율표 상 같은 1족인 소듐으로 전지를 만들려는 시도를 하고 있다.