リチウム

物理的性質

常温常圧では銀白色の軟らかい金属で、ナトリウムより硬い。常温で安定な結晶構造は体心立方格子（BCC）。融点は180 °C、沸点は1330 °C（沸点は異なる実験値あり）であり、その融点および沸点はアルカリ金属元素の中で最も高い^[5]。また0.534という比重は全金属元素の中で最も軽く、水より軽い3つの金属元素のうちの一つ（残りの二つはナトリウムとカリウム）でもある^[2]。また、3582 J/(kg⋅K)という比熱容量は全固体元素中で最大である^[6]。その比熱容量の高さから、リチウムは伝熱用途において冷却材としてしばしば利用される^[7]。

リチウムの熱膨張率はアルミニウムの2倍、鉄のほぼ4倍である^[8]。常圧、400 μK以下の条件で超伝導となり^[9]、20 GPaという高圧条件下においては9 K以上というより高い温度で超伝導となる^[10]。

炎色反応においてリチウムおよびその化合物は深紅色の炎色を呈する。主な輝線は波長670.8 nmの赤色のスペクトル線であり、他に610.4 nm（橙色）、460.3 nm（青色）などにスペクトル線が見られる^[11]。

リチウムは70 K（−203.15 °C）以下の温度で、ナトリウムと同じようにマルテンサイト変態を起こす。4.2 K（−268.95 °C）で菱面体晶を取り、より高い温度で面心立方晶となり、それから体心立方晶となる。液体ヘリウムを用いて4 Kまで冷却すると菱面体晶が最も支配的となる^[12]。高圧条件下においては、複数の同素体の形を取ることが報告されている^[13]。また、80 GPa程度の高圧下で金属から半導体に相転移する^[14]。

化学的性質

同じアルカリ金属のナトリウム、カリウムと比べて反応性は劣り、イオン半径が小さいため電荷/半径比がアルカリ金属としては高く、化合物の化学的性質は、アルカリ土類金属、特にマグネシウムと類似する^[15]（ただし、リチウムはアルカリ土類金属ではない）。乾いた空気中ではほとんど変化しないが、水分があると常温でも窒素と反応して窒化リチウム（Li₃N）を生ずる。また、熱すると燃焼して酸化リチウム（Li₂O）になる。このため、金属リチウムはアルゴン雰囲気下で取り扱う必要がある。ただし燃焼により酸化物を生成する挙動は他のアルカリ金属が空気中で燃焼した場合、過酸化物や超酸化物を生成するのとは対照的である^[15]。

イオン化傾向が大きく、酸化還元電位は全元素中でももっと低い−3.045 Vであるが、水との反応性はアルカリ金属中では最も穏かである。それでも多量のリチウムと水が反応すると発火する。

危険性

リチウムは腐食性を有しており、高濃度のリチウム化合物に曝露されると肺水腫が引き起こされることがある。リチウムは覚醒剤を合成するためのバーチ還元における還元剤として利用されるため、一部の地域ではリチウム電池の販売が規制の対象となっている。また、リチウム電池は短絡によって急速に放電して過熱することで爆発が起こる危険性がある。

概要 危険性 ...

リチウム

危険性
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重要な用語	Danger
危険性報告	H260, H314
予防報告	P223, P231+P232, P280, P305+P351+P338, P370+P378, P422[16]
NFPA 704（ファイア・ダイアモンド）	[17] 3 2 2 W

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上記のようにリチウムは腐食性を有しているため、身体へのあらゆる接触を避けることが求められる^[18]。水と激しく反応するために、リチウムは禁水性の物質とされている。よって、安全のためにナフサのような非反応性の化合物中に保管される^[19]。粉末状のリチウム、もしくは多くの場合は塩基性であるリチウム化合物を吸入すると鼻や喉が刺激され、一方でより高濃度のリチウム（化合物）に曝されると肺水腫を引き起こすことがある^[18]。

妊娠第1三半期の間にリチウムを摂取した女性の産む子どもにおいて、エブスタイン奇形が発生するリスクが増加するという報告があった^[20][21]が、催奇形性を否定する調査結果もある^[22]。

地表

地殻中のリチウム濃度は重量分率でおよそ(20–70)×10⁻⁶にわたると見積もられており^[2]、地殻中で25番目に多く存在する元素である^[55]。リチウムは火成岩を構成する非主要な元素であり、中でも花崗岩で最大の濃度となる。リチウム鉱物であるリシア輝石や葉長石を含有するペグマタイトもまた多くリチウムを含んでおり、リチウム源として最も多く商業利用されている^[56]。もう一つの重要なリチウム鉱物にリチア雲母がある^[57]。新しいリチウム源としてはヘクトライト粘土があり、アメリカのWestern Lithium Corporation社によって活発に資源開発されている^[58]。リチウムは、水分蒸発量の多い乾燥した地域の塩湖などにおいて非常に長い時間をかけて濃縮され、鉱床を形成することも知られている^[59]。そのような乾燥した塩湖には、全世界のリチウム埋蔵量（鉱石ベース）のおよそ半分におよぶ540万トンの埋蔵量を有していると推定されているボリビアのウユニ塩原^[60][61]や、埋蔵量の27 %、およそ300万トンの埋蔵量を有するチリのアタカマ塩原^[62][63]などが含まれる。

アメリカ地質調査所の2011年の推定によると、最大の可採埋蔵量^{[note 1]}を有する国はチリの750万トンであり^[64]、チリは生産量も1万2600トンと世界最大である^[65]。他の主要なリチウム産出国としては、オーストラリア、アルゼンチン、中国が含まれる^[65][66]。ボリビアは世界最大のリチウム埋蔵量を占めるウユニ塩原を有しているが、技術的・政治的な問題によりリチウム生産の事業化には至っていない^[60]。

2010年6月、『ニューヨーク・タイムズ』は、アメリカの地質学者がアフガニスタン西部の干上がった塩湖跡にリチウムを含む巨大な堆積物が存在していると考え、地質調査を行っていると報じた。アメリカ合衆国国防総省は「彼らの初期の分析結果によれば、ガズニー州のある場所には現在知られている中で世界最大のリチウム埋蔵量を有するボリビアのそれと同程度に大きなリチウム鉱床が存在する可能性が示されている」と述べた^[67]。これらの予想は、おもにソ連によって収集された1979年から1989年頃の古いデータに基づいており、アメリカ地質調査所のAfghanistan Minerals Projectの長であるスティーブン・ペータースは、過去2年間にアフガニスタンで行ったアメリカ地質調査所の関与したどのような新しい鉱物の測量においても確認されておらず、「我々はいかなるリチウムの発見も承知していない」と述べた^[68]。2021年現在、オーストラリア、チリ、中国の3か国だけで、世界生産の90%を占める^[69]。アルゼンチンに先行投資している日本企業の後を追って、中国では同国にリチウム採掘への投資を行っている。

2023年1月、『ニューズウィーク日本版』は、カシミール地方でインドが実効支配するリーシー地域（英語版）にて推定590万トンにおよぶリチウム資源を発見した旨をインド政府当局が発表したと報じているが、専門家によれば、インドがリチウム採掘や精製の技術を整備するのに要する期間は少なくとも10年と見ている^[70]。

海洋

海水に含まれるリチウムの総量は非常に多く2300億トンと推定されており、その分率は(0.14–0.24)×10⁻⁶、もしくはモル濃度で25 μmol/L^[71]と比較的安定した濃度で存在している^[72][73]。熱水噴出孔ではより高濃度にリチウムが存在しており、その分率は7×10⁻⁶に達する^[73]。海水からリチウムを回収する技術の研究開発が進められている。

生体

リチウムは多数の植物、プランクトンおよび無脊椎生物において痕跡量存在しており、その分率は(69–5760)×10⁻⁹である。脊椎動物中のリチウム濃度は先述のものよりもわずかに低く、ほとんど全ての脊椎動物の体組織および体液中には(21–763)×10⁻⁹のリチウムが含まれている^[73]。水棲生物はリチウムを生物濃縮する^[74]。これらの生物においてリチウムがどのような生物学的役割を有しているかは知られていないが^[73]、哺乳類の栄養学的な研究によってリチウムの健康に対する重要性が示されており、必須微量元素として1 mg/dのRDA（1日に摂取すべき栄養量）が提言されている^[75]。2011年に報告された日本における観察研究によると、飲料水中に含まれる天然由来のリチウムが人間の寿命を増やす可能性が示唆されている^[76]。

宇宙

リチウムはビッグバン原子核合成において⁶Liおよび⁷Liの2つの安定同位体が合成された^[77]。ビッグバンによって生成された原子の量は、光子とバリオンの存在比に依存しているため、リチウムの存在量は計算によって求められる^[78]。

リチウムは水素、ヘリウムとともにビッグバンによって合成された初めの元素のひとつであるが、リチウムおよびベリリウムとホウ素は近い原子番号の他の元素と比較してその存在量は著しく小さい。これは、リチウムが比較的低温で核反応を起こすため別の元素に変換されやすく、かつリチウムが生成される反応経路が少ないためである^[79]。

リチウムは亜恒星天体である褐色矮星や、特定の特異な橙色の星において見られる。リチウムは温度が低く小さな褐色矮星に存在するが、より温度の高い赤色矮星では核反応によって消費されリチウムが存在しないため、太陽よりも小さなこれら2つを識別するためにリチウムの存在を確認する「リチウム・テスト」と呼ばれる方法が利用される^[23][80]。ケンタウルス座X-4のような橙色の星からもまたリチウムが検出される。これらの星は中性子星やブラックホールのようなより大きな天体を周回しており、水素やヘリウムよりも重いリチウムが重力によって星の表面へと引かれるためリチウムが観測されると考えられる^[23]。

リチウム原子核は太陽内部の高温の環境において容易に破壊される。このため今日太陽表面に存在するリチウムの量は、太陽系の材料となった星間物質における原初の存在比と比べて100分の1以下にまで減少していると考えられている。この減少率は太陽内部の状態（特に元素の鉛直方向の輸送の程度）に影響されるため、リチウム存在量は直接観測が困難な太陽の内部モデルを検証する上での制約条件の1つとなる^[81]。

海水リチウムの抽出

海水中には2300億トンのリチウムが溶けており、事実上無限の埋蔵量を有する。海水中のリチウム濃度は他の元素と比べて比較的高いため採算ラインのボーダー上にあり、効率的な回収方法が開発されれば経済的に実用可能になる可能性がある^[98]。2004年には海水リチウムを抽出するためのパイロットプラントが日本の佐賀大学海洋エネルギーセンターで稼働を開始し^[99]、150日間で192グラムの塩化リチウムが海水から回収された^[100]。このプラントは火力発電所などが取水した海水を二次利用することを想定し、ポンプで汲み上げた海水から吸着剤を用いてリチウムを回収する方式が採用されている。これは、100万キロワット級の規模の発電所を想定した場合、1基あたり年間700トンの塩化リチウムを回収できる計算になるが、吸着剤由来のマンガンの溶出や、回収コストが従来法の20倍かかるなど、実用化にはまだ課題が残っている^[100]。2014年には日本原子力研究開発機構が、濃淡電池の原理を利用し海水からのリチウムイオン抽出と発電を同時に行う技術を開発した^[101][102]。

窯業

火にかけても割れない土鍋の材料としてペタライト葉長石を40–50 %配合した低熱膨張性耐熱陶土を用いる。グラタン皿などの耐熱陶器にも応用されている。萬古焼で50年ほど前から大量生産され、ジンバブエ、ブラジル産のリチウム鉱石が使われている。

リチウムは窯業において、釉薬の融点を下げるための強力な媒熔剤として利用される^[104]。釉薬の融点を下げる方法としては、水溶性のアルカリ性化合物をガラスと溶融させて不溶化したフリットと呼ばれる媒熔剤を用いる方法と、フリットを用いずに、もともと不溶性のアルカリ性化合物を用いる方法があるが、リチウムはおもに後者として用いられる^[105]。リチウム源としてはおもに炭酸リチウムが用いられ^[86]、焼成によって酸化リチウムもしくはケイ酸リチウムの形で釉層を形成する^[104]。リチウムはほかのアルカリ金属、アルカリ土類金属元素と比較して熱膨張係数が小さいため、リチウムを釉薬に加えることで釉薬の貫入（ひび割れ）を少なくすることができる^[106]。また、リチウムによって釉薬の流動性が高まるため、釉薬のむらを防ぎ全体的に均一な層を形成することができる^[104]。

リチウムは耐熱ガラスや光学ガラスの配合剤としても利用される。リチウムアルミノケイ酸塩を熱処理によって結晶化ガラスとしたセラミックスは非常に熱膨張係数が低いため急激な温度変化に強く、耐熱食器に用いられ^[107]、このような結晶化ガラスを利用したセラミックスはパイロセラムと呼ばれる^[108]。また、リチウムはイオン半径が小さく電場強度が強いため、ガラス中で隣接する酸素イオンを大きく分極させて屈折率を上昇させることができ、この効果を利用して光学ガラスの一つである屈折率分布型光学レンズに利用される^[109]。フッ化リチウムは紫外から赤外までの広範囲の光を透過し、特に紫外域の透過性能が優れているため、光学窓材料などに利用される^[110]。

電池

核

⁶Liはトリチウムを製造するための原料や、核融合における中性子吸収材として用いられる。天然のリチウムはおよそ7.5 %の⁶Liを含んでおり、核兵器で利用するため同位体分離（英語版）によって大量に生産されていた^[118]。⁷Liも原子炉の冷却材として関心を集めている^[119][120]。

重水素化リチウムは初期の水素爆弾における最適な原子核融合燃料として利用された。水素爆弾が初めに実験された当時はその反応機構は完全には理解されていなかったが、⁶Liおよび⁷Liが中性子の衝突によってトリチウムを生成する反応がブラボー実験において核暴走を生み出した要因となった。トリチウムは比較的容易に重水素と核融合反応を起こし、その詳細は秘匿されたままであるが、⁶Liを用いた重水素化リチウムは最新の核兵器においてもいまだに核融合材料としての役割を果たしているようである^[121]。

⁷Liを高濃度に濃縮させたフッ化リチウムとフッ化ベリリウムを混合させたフリーベは溶融塩原子炉における溶融塩として用いられる。フッ化リチウムはリチウムの化合物の中でも安定であり、フリーベは低融点な塩である。加えて、⁷Liおよびベリリウム、フッ素は熱中性子捕獲断面積が十分に低いため、原子炉中の核分裂反応を阻害しない数少ない核種の一つである^{[note 2][122]}

重水素およびトリチウムを燃料とする磁場閉じ込め方式の核融合炉において、リチウムはトリチウムを生み出すのに用いられる。自然にトリチウムが発生することは非常に稀であるため、反応場であるプラズマをリチウムの入ったブランケットで覆い、プラズマでの重水素とトリチウムの反応から生じる中性子をリチウムと反応させて核分裂させることで、より多くのトリチウムを生成させる必要がある。

${\displaystyle {\ce {^{6}Li{}+{\mathit {n}}->{}^{4}He{}+{}^{3}T}}}$

リチウムはまたアルファ粒子源としても利用される。⁷Liが加速陽子と衝突することで⁸Beとなり、⁸Beはすぐに核分裂して2つのアルファ粒子となる。この反応は1932年にジョン・コッククロフトおよびアーネスト・ウォルトンによって行われた初の完全な人工原子核反応であり、この業績は当時「splitting the atom」と呼ばれた^{[note 3][123][124]}。

医薬品

医療用として炭酸リチウム（リチウム塩）が躁病および躁うつ病の躁状態の患者に処方される^[125][126]。炭酸リチウムが躁病に効果があることは、1949年にオーストラリアのジョン・ケイドによって発見された^[127]。イギリスの大学の研究者らによるメタ分析では、他地域と比較し相対的にリチウム濃度が高い水道水の地域ほど、自殺率が低いことが明らかとなっている^[128]。日本国内でも2006年、大分大学の調査にて、大分県下において同様の調査を行ったところ、リチウム濃度の高い水道水の地区では自殺率が下がることが判明され^[129]、2022年には東京都の発表にて、「眼房水解析により、自殺者は非自殺死亡者よりリチウム濃度が低い」ことが発表されている^[130]。 炭酸リチウムの抗躁薬としての効果は、神経伝達物質の遊離やリン脂質の代謝を抑制する作用などが関係していると考えられているが、いまだ解明されていない^[126]。炭酸リチウムの投与は治療上有効とされる血中濃度と中毒に陥る濃度との範囲が狭いため、定期的に血液検査を行い、適切な血中濃度に保たれているかを確認しなければならない^[125][126]。また、利尿薬やACE阻害薬などとの併用によって腎臓でのリチウムの再吸収が促進され、中毒に陥りやすくなる^[131]。副作用としてはリチウムの中毒症状のほか不整脈や多尿、甲状腺機能の低下などがあり^[125]、腎不全や心不全の患者や妊婦には禁忌である^[125]。特に妊娠初期の女性では、胎児に心血管系の奇形（エブスタイン奇形）が発生するリスクが増加する。炭酸リチウムの投与によって体重が増加することがあるが、その原因は明確でなく、炭酸リチウムの副作用である口の渇きに起因して高カロリーな飲料が菓子類とともに多量に摂取されがちになる影響も原因の一つであると考えられている^[127]。

その他

増ちょう剤

グリースに粘性を持たせるための増ちょう剤としてリチウム石鹸が用いられる。リチウム石鹸は水酸化リチウムと脂肪酸を反応させることで得られ、特にステアリン酸リチウムは広い温度範囲で高い耐圧・耐熱性を有している。リチウム石鹸グリースにはリチウムの脂肪酸塩が5–25 %ほど含まれており、一般工業用品や軸受け、自動車、鉄道、航空機、重機、家電製品などに広く汎用的に用いられている^{[132][133][86]}。

炎色反応を利用

リチウムが炎色反応によって紅色を呈することを利用して、リチウム化合物は赤い花火や発炎筒において着色剤および酸化剤として用いられる^[7][134]。

冶金

冶金の分野においては、金属リチウムは溶接やはんだづけの際に金属材料を溶融させやすくし、不純物を吸着することで酸化物を除去するフラックスとして利用される。また、炭酸リチウムは鋼鉄を連続鋳造するためのフラックスとしても利用される。連続鋳造用途でのリチウム消費量は鋼鉄生産量の好不調に左右され、2011年では全消費量の5 %を占めている^[135][103]。リチウムとアルミニウムの合金 (Aluminium–lithium alloy) は高い剛性を有しながら低密度であるという特性を有しており、航空機の構造材料を作るのに利用される。リチウムアルミニウム合金は一般的な合金と比較して破壊靱性が低く、異方性を有するという問題があり、銅や亜鉛、ジルコニウムなどの添加や鋳造方法の改良による改善が図られている^[136]。

ガス中の水分、二酸化炭素を除去

塩化リチウムおよび臭化リチウムは吸湿性を有しているため、ガスの除湿剤として用いられる^[7]。水酸化リチウムおよび過酸化リチウムは、宇宙船や潜水艦などの閉鎖空間において、二酸化炭素を除去して空気を浄化するための用途として最も多く用いられる塩である。水酸化リチウムを含むアルカリ金属の水酸化物は、いずれも空気中の二酸化炭素を吸収して炭酸塩を形成するが、水酸化リチウムはリチウムの原子量の小ささに起因して重量あたりの二酸化炭素吸収量がアルカリ金属の水酸化物の中で最も大きいため、好んで利用される。過酸化リチウムは二酸化炭素を吸収して炭酸リチウムを形成する反応とともに酸素の放出が伴う^[137][138]。

${\displaystyle {\ce {2Li2O2 + 2CO2 -> 2Li2CO3 + O2}}}$

高分子工業

有機リチウム化合物は高分子およびファインケミカルの製造に広く利用されている。高分子工業はアルキルリチウム化合物の主要な消費者であり、触媒もしくはオレフィン基のアニオン重合におけるラジカル開始剤として用いられる^{[139][140][141][142]}。ファインケミカル産業において、有機リチウム化合物は強塩基や炭素-炭素結合を形成させるための試薬として作用する。有機リチウム化合物は金属リチウムと有機ハロゲン化合物から合成される^[143]。この反応においては、生成した有機リチウム化合物が未反応の有機ハロゲン化物と反応してしまうウルツカップリング反応が競合的に進行するため目的反応の進行が阻害されやすく、低温で反応を進めるか、もしくはウルツカップリングを起こしにくい有機臭素化合物を用いる必要がある^{[note 4][144][145]}。

推進剤

金属リチウムや水素化アルミニウムリチウムなどのヒドリド錯体は、高エネルギーなロケットエンジンの推進剤として軍事利用される^[23]。アメリカ海軍が開発した魚雷であるMk50は、固体リチウムのブロック上に六フッ化硫黄ガスを噴霧することで発生する化学エネルギーを推進力として利用しており、それは内蔵型化学エネルギー推進力システム（SCEPS）と呼ばれる。このシステムは、リチウムと六フッ化硫黄との反応によって発生した熱で水蒸気を生成し、その蒸気を利用してランキンサイクルを駆動させることで魚雷を推進させる閉鎖系のシステムである^[146]。

地球物理学

地球物理学分野では、地下水に含まれるリチウム同位体組成を知ることで地下水の由来が「表層水」あるいは「地殻深部」かを知ることができるため、地殻内部構造の解析に用いられている^[147]。