Lithium - Lithium

Lithium,  3 Li
Paraffine de lithium.jpg
Lithium flottant dans le pétrole
Lithium
Prononciation / L ɪ & thetav i ə m / ( LITH -ee-əm )
Apparence blanc argenté
Poids atomique standard A r, std (Li) [6.9386.997 ] conventionnel : 6,94
Lithium dans le tableau périodique
Hydrogène Hélium
Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon
Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon
Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Le fer Cobalt Nickel Le cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodié Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon
Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutécium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure (élément) Thallium Mener Bismuth Polonium Astatine Radon
Francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Berkélium Californie Einsteinium Fermium Mendélévie nobélium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium Copernicium Nihonium Flérovium Moscou Livermorium Tennessine Oganesson
H
de
Li

Na
héliumlithiumbéryllium
Numéro atomique ( Z ) 3
Grouper groupe 1 : hydrogène et métaux alcalins
Période période 2
Bloquer   bloc-s
Configuration électronique [ Il ] 2s 1
Électrons par coquille 2, 1
Propriétés physiques
Phase à  STP solide
Point de fusion 453,65  K ​(180,50 °C, ​356,90 °F)
Point d'ébullition 1603 K ​(1330 °C, ​2426 °F)
Densité (près de  rt ) 0,534 g / cm 3
quand liquide (au  mp ) 0,512 g / cm 3
Point critique 3220 K, 67 MPa (extrapolé)
Température de fusion 3,00  kJ/mol
Chaleur de vaporisation 136 kJ/mol
Capacité calorifique molaire 24,860 J/(mol·K)
La pression de vapeur
P  (Pa) 1 dix 100 1 kilo 10 kilos 100 000
à  T  (K) 797 885 995 1144 1337 1610
Propriétés atomiques
États d'oxydation +1 (unoxydefortement basique )
Électronégativité Échelle de Pauling : 0.98
Énergies d'ionisation
Rayon atomique empirique : 152  h
Rayon covalent 128±19h
Rayon de Van der Waals 182 heures
Lignes de couleur dans une gamme spectrale
Lignes spectrales du lithium
Autres propriétés
Occurrence naturelle primordial
Structure en cristal corps cubique centrée (bcc)
Structure cristalline cubique centrée pour le lithium
Vitesse du son tige mince 6000 m/s (à 20 °C)
Dilatation thermique 46 µm/(m⋅K) (à 25 °C)
Conductivité thermique 84,8 W/(m⋅K)
Résistivité électrique 92,8 nΩ⋅m (à 20 °C)
Commande magnétique paramagnétique
Susceptibilité magnétique molaire +14,2 × 10 −6  cm 3 /mol (298 K)
Module d'Young 4.9 GPa
Module de cisaillement 4.2 GPa
Module de vrac 11 GPa
Dureté de Mohs 0,6
dureté Brinell 5 MPa
Numero CAS 7439-93-2
Histoire
Découverte Johan August Arfwedson (1817)
Premier isolement William Thomas Brande (1821)
Principaux isotopes du lithium
Isotope Abondance Demi-vie ( t 1/2 ) Mode de décomposition Produit
6 Li 7,59% stable
7 Li 92,41 % stable
Catégorie Catégorie : Lithium
| les références

Le lithium (du grec : λίθος , romanisélithos , lit. 'pierre') est un élément chimique avec le symbole Li et le numéro atomique  3. C'est un métal alcalin doux, blanc argenté . Dans des conditions standard , c'est le métal le plus léger et l'élément solide le plus léger. Comme tous les métaux alcalins, le lithium est hautement réactif et inflammable, et doit être stocké sous vide, en atmosphère inerte ou dans un liquide inerte tel que du kérosène purifié ou de l'huile minérale. Une fois coupé, il présente un éclat métallique , mais l'air humide le corrode rapidement en un gris argenté terne, puis une ternissure noire. Il ne se produit jamais librement dans la nature, mais uniquement dans des composés (généralement ioniques) , tels que les minéraux pegmatitiques , qui étaient autrefois la principale source de lithium. En raison de sa solubilité en tant qu'ion, il est présent dans l'eau de mer et est généralement obtenu à partir de saumures . Le lithium métal est isolé électrolytiquement à partir d'un mélange de chlorure de lithium et de chlorure de potassium .

Le noyau de l'atome de lithium frise l'instabilité, car les deux isotopes stables du lithium trouvés dans la nature ont parmi les plus faibles énergies de liaison par nucléon de tous les nucléides stables . En raison de sa relative instabilité nucléaire, le lithium est moins répandu dans le système solaire que 25 des 32 premiers éléments chimiques même si ses noyaux sont très légers : c'est une exception à la tendance selon laquelle les noyaux plus lourds sont moins fréquents. Pour des raisons connexes, le lithium a des utilisations importantes en physique nucléaire . La transmutation des atomes de lithium en hélium en 1932 a été la première réaction nucléaire entièrement artificielle , et le deutérure de lithium sert de combustible de fusion dans les armes thermonucléaires étagées .

Le lithium et ses composés ont plusieurs applications industrielles, notamment le verre et la céramique résistant à la chaleur , les lubrifiants à base de graisse au lithium , les additifs de flux pour la production de fer, d'acier et d'aluminium, les batteries au lithium et les batteries lithium-ion . Ces usages consomment plus des trois quarts de la production de lithium.

Le lithium est présent dans les systèmes biologiques en quantités infimes; ses fonctions sont incertaines. Les sels de lithium se sont avérés utiles comme stabilisateurs de l'humeur et antidépresseurs dans le traitement des maladies mentales telles que le trouble bipolaire .

Propriétés

Un diagramme de Lithium-7, montrant qu'il a 3 protons, 4 neutrons et 3 électrons.
Structure atomique du Lithium-7

Atomique et physique

Lingots de lithium avec une fine couche de ternissement de nitrure noir

Les métaux alcalins sont aussi appelés la famille du lithium , d'après son élément principal. Comme les autres métaux alcalins (qui sont le sodium (Na), le potassium (K), le rubidium (Rb), le césium (Cs) et le francium (Fr)), le lithium a un seul électron de valence qui est facilement cédé pour former un cation . Pour cette raison, le lithium est un bon conducteur de chaleur et d'électricité ainsi qu'un élément hautement réactif, bien qu'il soit le moins réactif des métaux alcalins. La faible réactivité du lithium est due à la proximité de son électron de valence avec son noyau (les deux électrons restants sont dans l' orbitale 1s , beaucoup moins énergétiques et ne participent pas aux liaisons chimiques). Le lithium fondu est significativement plus réactif que sa forme solide.

Le lithium métal est suffisamment mou pour être coupé avec un couteau. Une fois coupé, il possède une couleur blanc argenté qui vire rapidement au gris lorsqu'il s'oxyde en oxyde de lithium . Son point de fusion de 180,50 °C (453,65 K; 356,90 °F) et son point d'ébullition de 1 342 °C (1 615 K; 2 448 °F) sont chacun le plus élevé de tous les métaux alcalins tandis que sa densité de 0,534 g/cm 3 est le plus bas.

Le lithium a une densité très faible (0,534 g/cm 3 ), comparable au bois de pin . C'est le moins dense de tous les éléments solides à température ambiante ; l'élément solide suivant le plus léger (potassium, à 0,862 g/cm 3 ) est plus de 60 % plus dense. En dehors de l' hélium et de l' hydrogène , en tant que solide, il est moins dense que tout autre élément sous forme liquide, n'étant qu'aux deux tiers aussi dense que l' azote liquide (0,808 g/cm 3 ). Le lithium peut flotter sur les hydrocarbures les plus légers et est l'un des trois seuls métaux pouvant flotter sur l'eau, les deux autres étant le sodium et le potassium .

Lithium flottant dans le pétrole

Le coefficient de dilatation thermique du lithium est deux fois celui de l' aluminium et presque quatre fois celui du fer . Le lithium est supraconducteur en dessous de 400 μK à pression standard et à des températures plus élevées (plus de 9 K) à des pressions très élevées (>20 GPa). À des températures inférieures à 70 K, le lithium, comme le sodium, subit des transformations de changement de phase sans diffusion . À 4,2 K, il a un système cristallin rhomboédrique (avec un espacement de répétition de neuf couches) ; à des températures plus élevées, il se transforme en cubique face centrée puis en cubique centrée sur le corps . Aux températures de l'hélium liquide (4 K), la structure rhomboédrique est prédominante. De multiples formes allotropiques ont été identifiées pour le lithium à haute pression.

Le lithium a une capacité thermique massique de 3,58 kilojoules par kilogramme-kelvin, la plus élevée de tous les solides. Pour cette raison, le lithium métal est souvent utilisé dans les liquides de refroidissement pour les applications de transfert de chaleur .

Isotopes

Le lithium naturel est composé de deux isotopes stables , 6 Li et 7 Li, ce dernier étant le plus abondant (92,5 % d'abondance naturelle ). Les deux isotopes naturels ont une énergie de liaison nucléaire anormalement faible par nucléon (par rapport aux éléments voisins du tableau périodique , l' hélium et le béryllium ); le lithium est le seul élément à faible numéro qui peut produire de l'énergie nette par fission nucléaire . Les deux noyaux de lithium ont des énergies de liaison par nucléon plus faibles que tout autre nucléide stable autre que le deutérium et l' hélium-3 . En conséquence, bien que très léger en poids atomique, le lithium est moins courant dans le système solaire que 25 des 32 premiers éléments chimiques. Sept radio - isotopes ont été caractérisés, le plus stable étant le 8 Li avec une demi-vie de 838 ms et le 9 Li avec une demi-vie de 178 ms. Tous les isotopes radioactifs restants ont des demi-vies inférieures à 8,6 ms. L'isotope du lithium dont la durée de vie est la plus courte est le 4 Li, qui se désintègre par émission de protons et a une demi-vie de 7,6 × 10 −23 s.

7 Li est l'un des éléments primordiaux (ou, plus exactement, des nucléides primordiaux ) produits dans la nucléosynthèse du Big Bang . Une petite quantité de 6 Li et de 7 Li est produite dans les étoiles pendant la nucléosynthèse stellaire , mais elle est en outre brûlée " brûlée " aussi vite qu'elle est produite. 7 Li peut également être généré dans les étoiles de carbone . De petites quantités supplémentaires de 6 Li et de 7 Li peuvent être générées par le vent solaire, les rayons cosmiques frappant des atomes plus lourds et par la désintégration radioactive du 7 Be et du 10 Be du système solaire .

Les isotopes du lithium se fractionnent considérablement au cours d'une grande variété de processus naturels, y compris la formation minérale (précipitation chimique), le métabolisme et l' échange d'ions . Les ions lithium remplacent le magnésium et le fer dans les sites octaédriques des minéraux argileux , où le 6 Li est préféré au 7 Li, ce qui entraîne un enrichissement de l'isotope léger dans les processus d'hyperfiltration et d'altération des roches. L'exotique 11 Li est connu pour présenter un halo nucléaire . Le procédé connu sous le nom de séparation isotopique par laser peut être utilisé pour séparer les isotopes du lithium, en particulier 7 Li de 6 Li.

La fabrication d'armes nucléaires et d'autres applications de la physique nucléaire sont une source majeure de fractionnement artificiel du lithium, l'isotope léger 6 Li étant retenu par l'industrie et les stocks militaires à un point tel qu'il a provoqué une modification légère mais mesurable des rapports 6 Li à 7 Li dans les sources naturelles, comme les rivières. Cela a conduit à une incertitude inhabituelle dans le poids atomique standardisé du lithium, car cette quantité dépend des rapports d'abondance naturelle de ces isotopes stables de lithium naturels, car ils sont disponibles dans les sources minérales de lithium commerciales.

Les deux isotopes stables du lithium peuvent être refroidis au laser et ont été utilisés pour produire le premier mélange quantique dégénéré Bose - Fermi .

Occurrence

Le lithium est à peu près aussi commun que le chlore dans la croûte continentale supérieure de la Terre , sur une base par atome.

Astronomique

Bien qu'il ait été synthétisé lors du Big Bang , le lithium (avec le béryllium et le bore) est nettement moins abondant dans l'univers que les autres éléments. Cela est dû aux températures stellaires relativement basses nécessaires pour détruire le lithium, ainsi qu'à l'absence de processus communs pour le produire.

Selon la théorie cosmologique moderne, le lithium, dans les deux isotopes stables (lithium-6 et lithium-7), était l'un des trois éléments synthétisés lors du Big Bang. Bien que la quantité de lithium générée dans la nucléosynthèse du Big Bang dépende du nombre de photons par baryon , pour les valeurs acceptées, l'abondance du lithium peut être calculée, et il existe un « écart cosmologique du lithium » dans l'univers : les étoiles plus anciennes semblent avoir moins de lithium qu'elles ne le devraient, et certaines stars plus jeunes en ont beaucoup plus. Le manque de lithium dans les étoiles plus anciennes est apparemment causé par le "mélange" du lithium à l'intérieur des étoiles, où il est détruit, tandis que le lithium est produit dans les étoiles plus jeunes. Bien qu'il se transmute en deux atomes d' hélium en raison d'une collision avec un proton à des températures supérieures à 2,4 millions de degrés Celsius (la plupart des étoiles atteignent facilement cette température à l'intérieur), le lithium est plus abondant que les calculs ne le prédisent dans les étoiles de génération ultérieure.

Nova Centauri 2013 est le premier dans lequel des preuves de lithium ont été trouvées.

Le lithium se trouve également dans les objets substellaires naines brunes et certaines étoiles orange anormales. Parce que le lithium est présent dans les naines brunes plus froides et moins massives, mais est détruit dans les étoiles naines rouges plus chaudes , sa présence dans le spectre des étoiles peut être utilisée dans le "test au lithium" pour différencier les deux, car les deux sont plus petits que le Soleil. . Certaines étoiles oranges peuvent également contenir une forte concentration de lithium. Ces étoiles oranges qui ont une concentration de lithium plus élevée que d'habitude (comme Centaurus X-4 ) orbitent autour d'objets massifs - étoiles à neutrons ou trous noirs - dont la gravité attire évidemment le lithium plus lourd à la surface d'une étoile à hydrogène-hélium, provoquant plus de lithium être observé.

Le 27 mai 2020, les astronomes ont rapporté que les explosions de nova classiques sont des producteurs galactiques de lithium-7.

Terrestre

Bien que le lithium soit largement répandu sur Terre, il ne se présente pas naturellement sous forme élémentaire en raison de sa grande réactivité. La teneur totale en lithium de l'eau de mer est très importante et est estimée à 230 milliards de tonnes, où l'élément existe à une concentration relativement constante de 0,14 à 0,25 parties par million (ppm), ou 25 micromolaires ; des concentrations plus élevées approchant 7 ppm se trouvent près des sources hydrothermales .

Les estimations du contenu de la croûte terrestre varient de 20 à 70 ppm en poids. Le lithium constitue environ 0,002 pour cent de la croûte terrestre. Fidèle à son nom, le lithium forme une partie mineure des roches ignées , avec les plus grandes concentrations dans les granites . Les pegmatites granitiques fournissent également la plus grande abondance de minéraux contenant du lithium, le spodumène et la pétalite étant les sources les plus viables sur le plan commercial. Un autre minéral important du lithium est la lépidolite qui est maintenant un nom obsolète pour une série formée de polylithionite et de trilithionite. Une nouvelle source de lithium est l' argile hectorite , dont le seul développement actif se fait par l'intermédiaire de la Western Lithium Corporation aux États-Unis. Avec 20 mg de lithium par kg de croûte terrestre, le lithium est le 25e élément le plus abondant.

Selon le Handbook of Lithium and Natural Calcium , « Le lithium est un élément relativement rare, bien qu'il se trouve dans de nombreuses roches et certaines saumures, mais toujours à de très faibles concentrations. Il existe un assez grand nombre de gisements de minéraux de lithium et de saumure, mais seuls relativement peu d'entre eux ont une valeur commerciale réelle ou potentielle. Beaucoup sont très petits, d'autres sont de qualité trop faible. »

On estime que le Chili (2020) possède de loin les réserves les plus importantes (9,2 millions de tonnes) et l'Australie la production annuelle la plus élevée (40 000 tonnes). L'une des plus grandes réserves de lithium se trouve dans la région du Salar de Uyuni en Bolivie, qui compte 5,4 millions de tonnes. Les autres principaux fournisseurs sont l'Australie, l'Argentine et la Chine. En 2015, la Commission géologique tchèque considérait l'ensemble des monts Métallifères de la République tchèque comme une province du lithium. Cinq gisements sont recensés, un près de Cínovec  [ cs ] est considéré comme un gisement potentiellement économique, avec 160 000 tonnes de lithium. En décembre 2019, la société minière finlandaise Keliber Oy a annoncé que son gisement de lithium Rapasaari a estimé les réserves de minerai prouvées et probables à 5,280 millions de tonnes.

En juin 2010, le New York Times a rapporté que des géologues américains menaient des enquêtes au sol sur des lacs salés asséchés dans l'ouest de l' Afghanistan, croyant que d'importants gisements de lithium s'y trouvaient . Ces estimations sont « basées principalement sur des données anciennes, qui ont été recueillies principalement par les Soviétiques pendant leur occupation de l'Afghanistan de 1979 à 1989 ». Le ministère américain de la Défense a estimé que les réserves de lithium en Afghanistan équivalaient à celles de la Bolivie et l'a qualifiée de potentielle « Arabie saoudite de lithium ». À Cornwall , en Angleterre, la présence de saumure riche en lithium était bien connue en raison de l' industrie minière historique de la région , et des investisseurs privés ont mené des tests pour étudier l'extraction potentielle de lithium dans cette région.

Biologique

Le lithium se trouve à l'état de traces dans de nombreuses plantes, plancton et invertébrés, à des concentrations de 69 à 5 760 parties par milliard (ppb). Chez les vertébrés, la concentration est légèrement inférieure et presque tous les tissus et fluides corporels des vertébrés contiennent du lithium allant de 21 à 763 ppb. Les organismes marins ont tendance à bioaccumuler le lithium plus que les organismes terrestres. On ne sait pas si le lithium a un rôle physiologique dans l'un de ces organismes.

Les études sur les concentrations de lithium dans les sols riches en minéraux donnent des fourchettes comprises entre environ 0,1 et 50 à 100 ppm , avec certaines concentrations pouvant atteindre 100 à 400 ppm, bien qu'il soit peu probable que la totalité soit disponible pour l'absorption par les plantes . La concentration de lithium dans les tissus végétaux est généralement d'environ 1 ppm , certaines familles de plantes bioaccumulant plus de lithium que d'autres; l'accumulation de lithium ne semble pas affecter la composition en éléments nutritifs essentiels des plantes. La tolérance au lithium varie selon les espèces végétales et correspond typiquement à la tolérance au sodium ; le maïs et l'herbe de Rhodes , par exemple, sont très tolérants aux dommages causés par le lithium tandis que l' avocat et le soja sont très sensibles. De même, le lithium à des concentrations de 5 ppm réduit la germination des graines chez certaines espèces (par exemple le riz asiatique et le pois chiche ) mais pas dans d'autres (par exemple l' orge et le blé ). Bon nombre des principaux effets biologiques du lithium peuvent s'expliquer par sa compétition avec d'autres ions. L' ion lithium monovalent Li +
est en concurrence avec d'autres ions tels que le sodium (immédiatement en dessous du lithium dans le tableau périodique ), qui, comme le lithium, est également un métal alcalin monovalent . Le lithium est également en concurrence avec
les ions magnésium bivalents , dont le rayon ionique (86 pm ) est approximativement celui de l'ion lithium (90 pm). Les mécanismes qui transportent le sodium à travers les membranes cellulaires transportent également le lithium. Par exemple, les canaux sodiques (à la fois voltage-dépendants et épithéliaux ) sont des voies d'entrée particulièrement importantes pour le lithium. Des ions lithium peuvent également pénétrer à travers les canaux ioniques ligand-dépendants ainsi que les deux traverser nucléaires et mitochondriales membranes . Comme le sodium, le lithium peut pénétrer et bloquer partiellement (mais pas pénétrer ) les canaux potassiques et les canaux calciques . Les effets biologiques du lithium sont nombreux et variés mais ses mécanismes d'action ne sont que partiellement compris. Par exemple, des études sur des patients traités au lithium atteints de trouble bipolaire montrent que, parmi de nombreux autres effets, le lithium inverse partiellement le raccourcissement des télomères chez ces patients et augmente également la fonction mitochondriale, bien que la manière dont le lithium produit ces effets pharmacologiques ne soit pas comprise. Même les mécanismes exacts impliqués dans la toxicité du lithium ne sont pas entièrement compris.

Histoire

Johan August Arfwedson est crédité de la découverte du lithium en 1817

La pétalite (LiAlSi 4 O 10 ) a été découverte en 1800 par le chimiste et homme d'État brésilien José Bonifácio de Andrada e Silva dans une mine de l'île d' Utö , en Suède. Cependant, ce n'est qu'en 1817 que Johan August Arfwedson , alors travaillant dans le laboratoire du chimiste Jöns Jakob Berzelius , détecte la présence d'un nouvel élément lors de l'analyse du minerai de pétalite. Cet élément forme des composés similaires à ceux du sodium et du potassium , bien que son carbonate et son hydroxyde soient moins solubles dans l'eau et moins alcalins . Berzelius a donné au matériau alcalin le nom de " lithion / lithina ", du mot grec λιθoς (translittéré en lithos , signifiant "pierre"), pour refléter sa découverte dans un minéral solide, par opposition au potassium, qui avait été découvert dans les cendres végétales , et le sodium, qui était connu en partie pour sa grande abondance dans le sang animal. Il a nommé le métal à l'intérieur du matériau « lithium ».

Arfwedson a montré plus tard que ce même élément était présent dans les minéraux spodumène et lépidolite . En 1818, Christian Gmelin fut le premier à observer que les sels de lithium donnent une couleur rouge vif à la flamme. Cependant, tant Arfwedson que Gmelin ont essayé et échoué à isoler l'élément pur de ses sels. Il n'a été isolé qu'en 1821, lorsque William Thomas Brande l'a obtenu par électrolyse d' oxyde de lithium , un procédé qui avait été précédemment employé par le chimiste Sir Humphry Davy pour isoler les métaux alcalins potassium et sodium. Brande a également décrit certains sels purs de lithium, tels que le chlorure, et, estimant que le lithia ( oxyde de lithium ) contenait environ 55% de métal, a estimé le poids atomique du lithium à environ 9,8 g/mol (valeur moderne ~ 6,94 g/mol ). En 1855, de plus grandes quantités de lithium ont été produites par l'électrolyse du chlorure de lithium par Robert Bunsen et Augustus Matthiessen . La découverte de ce procédé a conduit à la production commerciale de lithium en 1923 par la société allemande Metallgesellschaft AG , qui a réalisé une électrolyse d'un mélange liquide de chlorure de lithium et de chlorure de potassium .

Le psychiatre australien John Cade est crédité d'avoir réintroduit et popularisé l'utilisation du lithium pour traiter la manie en 1949. Peu de temps après, au milieu du 20e siècle, l'applicabilité du lithium à la stabilisation de l'humeur pour la manie et la dépression a décollé en Europe et aux États-Unis.

La production et l'utilisation du lithium ont subi plusieurs changements drastiques dans l'histoire. La première application majeure du lithium était dans les graisses au lithium à haute température pour les moteurs d'avion et les applications similaires pendant la Seconde Guerre mondiale et peu de temps après. Cette utilisation a été soutenue par le fait que les savons à base de lithium ont un point de fusion plus élevé que les autres savons alcalins et sont moins corrosifs que les savons à base de calcium. La faible demande de savons au lithium et de graisses lubrifiantes a été soutenue par plusieurs petites exploitations minières, principalement aux États-Unis.

La demande de lithium a considérablement augmenté pendant la guerre froide avec la production d' armes à fusion nucléaire . Le lithium-6 et le lithium-7 produisent du tritium lorsqu'ils sont irradiés par des neutrons, et sont donc utiles pour la production de tritium par lui-même, ainsi qu'une forme de combustible de fusion solide utilisé à l'intérieur des bombes à hydrogène sous forme de deutérure de lithium . Les États-Unis sont devenus le premier producteur de lithium entre la fin des années 50 et le milieu des années 80. Au final, le stock de lithium était d'environ 42 000 tonnes d'hydroxyde de lithium. Le lithium stocké était appauvri en lithium-6 de 75 %, ce qui était suffisant pour affecter le poids atomique du lithium mesuré dans de nombreux produits chimiques normalisés, et même le poids atomique du lithium dans certaines "sources naturelles" d'ions lithium qui avaient été "contaminées". " par les sels de lithium rejetés par les installations de séparation des isotopes, qui s'étaient retrouvés dans les eaux souterraines.

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Images satellite du Salar del Hombre Muerto, en Argentine (à gauche) et d' Uyuni , en Bolivie (à droite), des marais salants riches en lithium. La saumure riche en lithium est concentrée par pompage dans des bassins d'évaporation solaire (visible sur l'image de gauche).

Le lithium est utilisé pour diminuer la température de fusion du verre et pour améliorer le comportement de fusion de l'oxyde d'aluminium dans le procédé Hall-Héroult . Ces deux usages ont dominé le marché jusqu'au milieu des années 1990. Après la fin de la course aux armements nucléaires , la demande de lithium a diminué et la vente des stocks d'énergie du département sur le marché libre a encore fait baisser les prix. Au milieu des années 1990, plusieurs entreprises ont commencé à isoler le lithium de la saumure, ce qui s'est avéré être une option moins coûteuse que l'exploitation minière souterraine ou à ciel ouvert. La plupart des mines ont fermé ou se sont tournées vers d'autres matériaux car seul le minerai des pegmatites zonées pouvait être extrait à un prix compétitif. Par exemple, les mines américaines près de Kings Mountain , en Caroline du Nord, ont fermé avant le début du 21e siècle.

Le développement des batteries lithium-ion a augmenté la demande de lithium et est devenu l'utilisation dominante en 2007. Avec l'augmentation de la demande de lithium dans les batteries dans les années 2000, de nouvelles entreprises ont intensifié leurs efforts d'isolation de la saumure pour répondre à la demande croissante.

Il a été avancé que le lithium serait l'un des principaux objets de la concurrence géopolitique dans un monde fonctionnant aux énergies renouvelables et dépendant des batteries, mais cette perspective a également été critiquée pour avoir sous-estimé le pouvoir des incitations économiques à une production accrue.

Propriétés de l'élément

Structure hexamère du fragment de n-butyllithium dans un cristal

Lorsqu'ils sont placés au-dessus d'une flamme, les composés de lithium dégagent une couleur pourpre frappante, mais lorsque le métal brûle fortement, la flamme devient un argent brillant. Le lithium s'enflamme et brûle dans l'oxygène lorsqu'il est exposé à de l'eau ou des vapeurs d'eau.

Chimie

De lithium métal

Le lithium réagit facilement avec l'eau, mais avec nettement moins de vigueur que les autres métaux alcalins. La réaction forme de l' hydrogène gazeux et de l'hydroxyde de lithium . Dans l'air humide, le lithium se ternit rapidement pour former une couche noire d' hydroxyde de lithium (LiOH et LiOH·H 2 O), de nitrure de lithium (Li 3 N) et de carbonate de lithium (Li 2 CO 3 , résultat d'une réaction secondaire entre LiOH et CO 2 ). Le lithium est l'un des rares métaux à réagir avec l' azote gazeux.

En raison de sa réactivité avec l'eau, et en particulier l'azote, le lithium métal est généralement stocké dans un mastic hydrocarboné, souvent de la vaseline . Bien que les métaux alcalins les plus lourds puissent être stockés sous huile minérale , le lithium n'est pas assez dense pour s'immerger complètement dans ces liquides.

Le lithium a une relation diagonale avec le magnésium , un élément de rayon atomique et ionique similaire . Les ressemblances chimiques entre les deux métaux incluent la formation d'un nitrure par réaction avec N 2 , la formation d'un oxyde ( Li
2
O
) et le peroxyde ( Li
2
O
2
) lors de la combustion dans O 2 , des sels de solubilités similaires , et une instabilité thermique des carbonates et nitrures. Le métal réagit avec l'hydrogène gazeux à haute température pour produire de l'hydrure de lithium (LiH).

Le lithium forme une variété de matériaux binaires et ternaires par réaction directe avec les principaux éléments du groupe. Ces phases Zintl , bien que hautement covalentes, peuvent être considérées comme des sels d'anions polyatomiques tels que Si 4 4- , P 7 3- et Te 5 2- . Avec le graphite, le lithium forme une variété de composés d'intercalation .

Il se dissout dans l'ammoniac (et les amines) pour donner [Li(NH 3 ) 4 ] + et l' électron solvaté .

Composés inorganiques

Le lithium forme des dérivés de type sel avec tous les halogénures et pseudohalogénures. Quelques exemples incluent les halogénures LiF , LiCl , LiBr , LiI , ainsi que les pseudohalogénures et les anions apparentés. Le carbonate de lithium a été décrit comme le composé le plus important du lithium. Ce solide blanc est le principal produit d'enrichissement des minerais de lithium. C'est un précurseur d'autres sels, notamment des céramiques et des matériaux pour batteries au lithium.

Les composés LiBH
4
et LiAlH
4
sont des réactifs utiles . Ces sels et de nombreux autres sels de lithium présentent une solubilité particulièrement élevée dans les éthers, contrairement aux sels de métaux alcalins plus lourds.

En solution aqueuse, le complexe de coordination [Li(H 2 O) 4 ] + prédomine pour de nombreux sels de lithium. Des complexes apparentés sont connus avec des amines et des éthers.

Chimie organique

Les composés organolithiens sont nombreux et utiles. Ils sont définis par la présence d'une liaison entre le carbone et le lithium. Ils servent de carbanions métal-stabilisés , bien que leur solution et leurs structures à l'état solide soient plus complexes que cette vision simpliste. Ce sont donc des bases et des nucléophiles extrêmement puissants . Ils ont également été appliqués en synthèse asymétrique dans l'industrie pharmaceutique. Pour la synthèse organique en laboratoire, de nombreux réactifs organolithiens sont disponibles dans le commerce sous forme de solution. Ces réactifs sont très réactifs, et sont parfois pyrophoriques.

Comme ses composés inorganiques, presque tous les composés organiques du lithium suivent formellement la règle du duo (par exemple, BuLi, MeLi). Cependant, il est important de noter qu'en l'absence de solvants ou de ligands de coordination, les composés organolithiens forment des clusters dimères, tétramères et hexamères (par exemple, BuLi est en fait [BuLi] 6 et MeLi est en fait [MeLi] 4 ) qui présentent plusieurs liaison centrale et augmenter le nombre de coordination autour du lithium. Ces clusters sont décomposés en unités plus petites ou monomériques en présence de solvants comme le diméthoxyéthane (DME) ou de ligands comme la tétraméthyléthylènediamine (TMEDA). Par exception à la règle du duo, un complexe lithiate à deux coordonnées avec quatre électrons autour du lithium, [Li(thf) 4 ] + [((Me 3 Si) 3 C) 2 Li] , a été caractérisé par cristallographie.

Production

Nuages ​​de points de la teneur et du tonnage de lithium pour certains gisements mondiaux, à partir de 2017

La production de lithium a fortement augmenté depuis la fin de la Seconde Guerre mondiale . Les principales sources de lithium sont les saumures et les minerais.

Le lithium métal est produit par électrolyse à partir d'un mélange de 55% de chlorure de lithium fondu et 45% de chlorure de potassium à environ 450 °C.

Réserves et occurrence

Les réserves mondiales identifiées en 2020 et 2021 ont été estimées par l' US Geological Survey (USGS) à 17 millions et 21 millions de tonnes , respectivement. Une estimation précise des réserves mondiales de lithium est difficile. L'une des raisons à cela est que la plupart des schémas de classification du lithium sont développés pour les gisements de minerai solide, alors que la saumure est un fluide qui est problématique à traiter avec le même schéma de classification en raison des concentrations variables et des effets de pompage.

Les ressources mondiales de lithium identifiées par l' USGS ont commencé à augmenter en 2017 en raison de la poursuite de l'exploration. Les ressources identifiées en 2016, 2017, 2018, 2019 et 2020 étaient respectivement de 41, 47, 54, 62 et 80 millions de tonnes.

Le monde en 2013 était estimé à environ 15 millions de tonnes de réserves de lithium, tandis que 65 millions de tonnes de ressources connues étaient raisonnables. Un total de 75 % de tout pourrait généralement être trouvé dans les dix plus grands gisements du monde. Une autre étude a noté que 83 % des ressources géologiques de lithium se trouvent dans six gisements de saumure, deux pegmatites et deux gisements sédimentaires.

Aux États-Unis, le lithium est récupéré des piscines de saumure au Nevada . Un gisement découvert en 2013 dans le Wyoming's Rock Springs Uplift est estimé à 228 000 tonnes. Les gisements supplémentaires dans la même formation ont été estimés à pas moins de 18 millions de tonnes.

Triangle au lithium

Selon l'US Geological Survey, les quatre principaux pays producteurs de lithium au monde en 2019 sont l'Australie, le Chili, la Chine et l'Argentine. L'intersection du Chili , de la Bolivie et de l' Argentine constitue la région connue sous le nom de Triangle du lithium . Le Triangle du lithium est connu pour ses marais salants de haute qualité, notamment le Salar de Uyuni en Bolivie , le Salar de Atacama au Chili et le Salar de Arizaro en Argentine . On pense que le triangle du lithium contient plus de 75 % des réserves connues de lithium existantes. Les gisements se trouvent en Amérique du Sud dans toute la chaîne de montagnes des Andes . Le Chili est le premier producteur, suivi de l'Argentine. Les deux pays récupèrent le lithium des gisements de saumure. Selon l'USGS, le désert d' Uyuni en Bolivie contient 5,4 millions de tonnes de lithium. La moitié des réserves mondiales connues se trouvent en Bolivie , le long du versant centre-est des Andes. Depuis 2009, le gouvernement bolivien recherchait des investisseurs pour développer la mine du Salar de Uyuni parmi lesquels des entreprises japonaises, françaises et coréennes. En 2019, la société d'État bolivienne YLB a signé un contrat avec l'allemand ACI Systems estimé à 1,2 milliard de dollars pour la construction d'usines d'hydroxyde de lithium et de batteries lithium-ion, mais a rapidement annulé l'accord.

Production minière de lithium (2020), réserves et ressources en tonnes selon USGS
Pays Production Réserves Ressources
Argentine 6 200 1 900 000 19 300 000
Australie 40 000 4.700.000 6 400 000
L'Autriche - - 50 000
Bolivie - - 21 000 000
Brésil 1900 95 000 470 000
Canada 0 530 000 2 900 000
Chili 18 000 9 200 000 9 600 000
République Tchèque - - 1 300 000
RD Congo - - 3.000.000
Finlande - - 50 000
Allemagne - - 2 700 000
Ghana - - 90 000
Kazakhstan - - 50 000
Mali - - 700 000
Mexique - - 1 700 000
Namibie - - 50 000
les gens de la République de Chine 14 000 1 500 000 5 100 000
Pérou - - 880 000
le Portugal 900 60 000 270 000
Serbie - - 1 200 000
Espagne - - 300 000
États Unis 870 750 000 7 900 000
Zimbabwe 1 200 220 000 500 000
Total mondial 82 000 21 000 000 86 000 000+

Depuis 2018, la République démocratique du Congo est connue pour avoir le plus grand gisement de roche dure de lithium spodumène au monde. La ressource totale du gisement situé à Manono, au centre de la RDC , a le potentiel d'être de l'ordre de 1,5 milliard de tonnes de roche dure de lithium spodumène. Les deux plus grandes pegmatites (connues sous le nom de Carriere de l'Este Pegmatite et Roche Dure Pegmatite) sont chacune de taille similaire ou plus grande que la célèbre Pegmatite de Greenbushes en Australie occidentale. Dans un avenir proche d'ici 2023, la République démocratique du Congo devrait être un important fournisseur de lithium dans le monde avec sa haute teneur et ses faibles impuretés.

Selon une étude réalisée plus tard en 2011 par le Lawrence Berkeley National Laboratory et l' Université de Californie à Berkeley , la base de réserve de lithium alors estimée ne devrait pas être un facteur limitant pour la production de batteries à grande échelle pour les véhicules électriques, car environ 1 milliard 40 kWh Li- des batteries à base de batteries pourraient être construites avec ces réserves - environ 10 kg de lithium par voiture. Une autre étude réalisée en 2011 à l' Université du Michigan et à la Ford Motor Company a trouvé suffisamment de ressources pour soutenir la demande mondiale jusqu'en 2100, y compris le lithium requis pour l'utilisation potentielle généralisée des transports. L'étude a estimé les réserves mondiales à 39 millions de tonnes et la demande totale de lithium au cours de la période de 90 ans annualisée à 12-20 millions de tonnes, selon les scénarios concernant la croissance économique et les taux de recyclage.

En 2014, The Financialist a déclaré que la demande de lithium augmentait de plus de 12% par an. Selon le Credit Suisse, ce taux dépassait de 25 % la disponibilité prévue. La publication a comparé la situation du lithium en 2014 avec le pétrole, où « la hausse des prix du pétrole a stimulé l'investissement dans des techniques coûteuses de production en eau profonde et dans les sables bitumineux » ; c'est-à-dire que le prix du lithium continuerait d'augmenter jusqu'à ce que des méthodes de production plus coûteuses qui pourraient augmenter la production totale retiennent l'attention des investisseurs.

Le 16 juillet 2018, 2,5 millions de tonnes de ressources de lithium à haute teneur et 124 millions de livres de ressources d'uranium ont été découvertes dans le gisement de roche dure de Falchani dans la région de Puno, au Pérou.

En 2019, la production mondiale de lithium à partir de spodumène était d'environ 80 000 t par an, principalement à partir de la pegmatite de Greenbushes et de certaines sources chinoises et chiliennes . La mine Talison à Greenbushes serait la plus grande et aurait la teneur en minerai la plus élevée à 2,4 % Li 2 O (chiffres de 2012).

On estime que les océans contiennent 230 milliards de tonnes de lithium, mais la concentration est de 0,1 à 0,2 ppm, ce qui le rend plus coûteux à isoler avec la technologie 2020 qu'à partir de la saumure et de la roche terrestres.

Sources

Une autre source potentielle de lithium A partir de 2012 a été identifiée comme les lixiviats des puits géothermiques , qui sont transportés à la surface. La récupération de ce type de lithium a été démontrée sur le terrain ; le lithium est séparé par simple filtration. Les réserves sont plus limitées que celles des réservoirs de saumure et des roches dures.

Prix

En 1998, le prix du lithium métal était d'environ 95 USD/kg (ou 43 USD/ lb ). Après la crise financière de 2007 , les principaux fournisseurs, tels que la Sociedad Química y Minera (SQM), ont baissé les prix du carbonate de lithium de 20 %. Les prix ont augmenté en 2012. Un article de 2012 Business Week a décrit un oligopole dans l'espace du lithium : « SQM, contrôlé par le milliardaire Julio Ponce , est le deuxième plus grand, suivi de Rockwood , qui est soutenu par KKR & Co. d' Henry Kravis , et Philadelphie. -based FMC", avec Talison mentionné comme le plus grand producteur. La consommation mondiale pourrait passer à 300 000 tonnes par an d'ici 2020, contre environ 150 000 tonnes en 2012, pour répondre à la demande de batteries au lithium qui a augmenté d'environ 25 % par an, dépassant le gain global de 4 à 5 % de la production de lithium.

Extraction

Analyses de l'extraction du lithium de l'eau de mer, publiées en 1975

Le lithium et ses composés ont été historiquement isolés et extraits de la roche dure, mais dans les années 1990 , les sources minérales , les bassins de saumure et les gisements de saumure étaient devenus la source dominante. La plupart d'entre eux se trouvaient au Chili, en Argentine et en Bolivie.

Au début de 2021, une grande partie du lithium extrait dans le monde provient soit du « spodumène , le minéral contenu dans les roches dures trouvées dans des endroits comme l'Australie et la Caroline du Nord », soit de la saumure salée pompée directement du sol, comme c'est le cas dans des endroits de Chili.

Les cathodes à faible teneur en cobalt pour les batteries au lithium devraient nécessiter de l'hydroxyde de lithium plutôt que du carbonate de lithium comme matière première, et cette tendance favorise la roche comme source.

Dans une méthode de fabrication d'intermédiaires au lithium à partir de saumure, la saumure est d'abord pompée à partir de piscines souterraines et concentrée par évaporation solaire. Lorsque la concentration en lithium est suffisante, le carbonate de lithium et l'hydroxyde de lithium sont précipités par addition de carbonate de sodium et d' hydroxyde de calcium respectivement. Chaque lot prend de 18 à 24 mois.

L'utilisation de l' électrodialyse et de l'intercalation électrochimique a été proposée pour extraire les composés du lithium de l'eau de mer (qui contient du lithium à 0,2 partie par million ), mais elle n'est pas encore commercialement viable.

Problèmes environnementaux

Les procédés de fabrication du lithium, notamment le solvant et les déchets miniers , présentent des risques environnementaux et sanitaires importants. L'extraction du lithium peut être fatale à la vie aquatique en raison de la pollution de l'eau . Il est connu pour causer la contamination des eaux de surface, la contamination de l'eau potable, des problèmes respiratoires, la dégradation des écosystèmes et des dommages au paysage. Elle entraîne également une consommation d'eau non durable dans les régions arides (1,9 million de litres par tonne de lithium). La génération massive de sous-produits de l'extraction du lithium présente également des problèmes non résolus, tels que de grandes quantités de déchets de magnésium et de chaux .

Aux États-Unis, il existe une concurrence active entre l' environnement catastrophique exploitation minière à ciel ouvert , l' extraction minière à sommet de la montagne et moins endommager l' extraction minière de la saumure dans le but d'accroître considérablement la capacité d'extraction de lithium domestique. Les préoccupations environnementales comprennent la dégradation de l'habitat faunique, la pollution de l'eau potable, y compris la contamination à l' arsenic et à l' antimoine , la réduction non durable de la nappe phréatique et les déchets miniers massifs , y compris les sous-produits radioactifs de l' uranium et les rejets d' acide sulfurique .

Investissement

Un certain nombre d'options sont disponibles sur le marché pour investir dans le métal. Bien qu'il soit difficilement possible d'acheter des actions physiques de lithium, les investisseurs peuvent acheter des actions de sociétés engagées dans l'extraction et la production de lithium. En outre, les investisseurs peuvent acheter un ETF lithium dédié offrant une exposition à un groupe de producteurs de matières premières.

Avec une croissance substantielle de la demande de lithium dans les années 2020, les sociétés d'extraction et de production de lithium se développent et certaines connaissent des augmentations marquées de la valorisation boursière. Les cours des actions de Lithium Americas, Piedmont Lithium , AVZ Minerals et MP Materials ont considérablement augmenté en raison de l'importance accrue du lithium dans l'économie mondiale. En 2021, AVZ Minerals, une société australienne, développe le projet Manono Lithium and Tin à Manono, en République démocratique du Congo , la ressource a de faibles impuretés à haute teneur à 1,65% Li2O (oxyde de lithium) spodumène roche dure basée sur des études et forage de Roche Dure, l'une des nombreuses pegmatites du gisement. L' UE et les principaux constructeurs automobiles ( OEM ) poussent à l'échelle mondiale pour que tout le lithium soit produit et approvisionné de manière durable avec des initiatives ESG et une empreinte carbone nulle à faible . Le projet AVZ Minerals Manono a terminé une étude de serre GES en 2021 sur son futur bilan carbone. Cela est devenu plus courant pour les entreprises de la chaîne d'approvisionnement des batteries de se conformer aux pratiques environnementales, sociales et de gouvernance (ESG) , au respect des réglementations environnementales gouvernementales, à l' EIE et aux performances à faible empreinte carbone, afin d'être pris en compte pour les activités de financement/d'investissement. et des portefeuilles de fonds. Des investissements responsables sont essentiels pour aider à respecter l'Accord de Paris et les ODD des Nations Unies. L'étude montre que le projet AVZ Minerals DRC Manono a probablement l'une des plus faibles empreintes carbone de tous les producteurs de roche dure de spodumène de 30 à 40 % et de certains producteurs de saumure à travers le monde. AVZ Minerals a signé un partenariat de prélèvement à long terme avec l'important Ganfeng Lithium, le plus grand producteur chinois de composés de lithium. Il est important de noter que le partenariat prévoit que les deux parties se concentrent sur le développement environnemental, social et de gouvernance (ESG) .

Au début de 2021, Piedmont Lithium Ltd, une société australienne fondée en 2016, explore 2 300 acres (930 ha) de terres qu'elle possède ou détient des droits miniers dans le comté de Gaston, en Caroline du Nord . « L'industrie lithium-minière moderne a commencé dans cette Caroline du Nord région dans les années 1950, lorsque le métal a été utilisé pour les composants de maquillage pour les bombes nucléaires . L' un des plus grands mineurs de lithium par la production, du monde Albemarle Corp , est situé à proximité de Charlotte. Presque tous de son lithium, cependant, est extrait en Australie et au Chili, qui ont d'importants gisements accessibles du métal." En 2021, seulement 1% de l'approvisionnement mondial en lithium est à la fois extrait et traité aux États-Unis (3 150 t (6 940 000 lb)), tandis que 233 550 t (514 890 000 lb) sont produites en Australie et au Chili.

On s'attend à ce que le lithium soit recyclé à partir des batteries lithium-ion en fin de vie à l'avenir, mais à partir de 2020, les quantités de batteries à recycler sont insuffisantes et la technologie n'est pas bien développée. Dans tous les cas, le composant le plus précieux restera probablement le matériau de cathode NCM , et la récupération de ce matériau devrait être le moteur.

Applications

Estimations des utilisations mondiales de lithium en 2011 (photo) et 2019 (chiffres ci-dessous)
  Céramique et verre (18%)
  Piles (65%)
  Graisses lubrifiantes (5%)
  Coulée continue (3%)
  Traitement de l'air (1%)
  Polymères
  Production d'aluminium primaire
  Médicaments
  Autre (5%)

Piles

En 2021, la plupart du lithium est utilisé pour fabriquer des batteries lithium-ion pour voitures électriques et appareils mobiles .

Céramique et verre

L'oxyde de lithium est largement utilisé comme fondant pour le traitement de la silice , réduisant le point de fusion et la viscosité du matériau et conduisant à des glaçures aux propriétés physiques améliorées, notamment de faibles coefficients de dilatation thermique. Dans le monde, c'est l'une des utilisations les plus importantes pour les composés du lithium. Les émaux contenant des oxydes de lithium sont utilisés pour la vaisselle. Le carbonate de lithium (Li 2 CO 3 ) est généralement utilisé dans cette application car il se transforme en oxyde lors du chauffage.

Électrique et électronique

À la fin du 20e siècle, le lithium est devenu un composant important des électrolytes et des électrodes des batteries, en raison de son potentiel d'électrode élevé . En raison de sa faible masse atomique , il a un rapport charge et puissance/poids élevé. Une batterie lithium-ion typique peut générer environ 3 volts par cellule, contre 2,1 volts pour le plomb-acide et 1,5 volts pour le zinc-carbone . Les batteries lithium-ion, qui sont rechargeables et ont une densité énergétique élevée , diffèrent des batteries au lithium , qui sont des batteries jetables ( primaires ) avec du lithium ou ses composés comme anode . D' autres piles rechargeables au lithium-utilisation comprennent la batterie polymère au lithium-ion , batteries de phosphate de fer de lithium , et la batterie de nanofils .

Au fil des ans, les opinions ont divergé sur la croissance potentielle. Une étude de 2008 a conclu que « une production de carbonate de lithium réalisable de manière réaliste ne serait suffisante que pour une petite fraction des futurs besoins du marché mondial des PHEV et EV », que « la demande du secteur de l'électronique portable absorbera une grande partie des augmentations de production prévues au cours de la prochaine décennie » , et que "la production de masse de carbonate de lithium n'est pas respectueuse de l'environnement, elle causera des dommages écologiques irréparables aux écosystèmes qu'il convient de protéger et que la propulsion LiIon est incompatible avec la notion de 'Green Car'".

Graisses lubrifiantes

La troisième utilisation la plus courante du lithium est dans les graisses. L'hydroxyde de lithium est une base forte et, lorsqu'il est chauffé avec une graisse, produit un savon à base de stéarate de lithium . Le savon de lithium a la capacité d' épaissir les huiles et il est utilisé pour fabriquer des graisses lubrifiantes tout usage à haute température .

Métallurgie

Le lithium (par exemple sous forme de carbonate de lithium) est utilisé comme additif dans les scories de fondant des moules de coulée continue où il augmente la fluidité, une utilisation qui représente 5 % de l'utilisation mondiale de lithium (2011). Les composés du lithium sont également utilisés comme additifs (fondants) au sable de fonderie pour la fonte afin de réduire les veines.

Le lithium (sous forme de fluorure de lithium ) est utilisé comme additif dans les alumineries ( procédé Hall-Héroult ), réduisant la température de fusion et augmentant la résistance électrique, une utilisation qui représente 3 % de la production (2011).

Lorsqu'il est utilisé comme fondant pour le soudage ou le brasage , le lithium métallique favorise la fusion des métaux pendant le processus et élimine la formation d' oxydes en absorbant les impuretés. Les alliages du métal avec l'aluminium, le cadmium , le cuivre et le manganèse sont utilisés pour fabriquer des pièces d'avion à hautes performances (voir aussi Alliages lithium-aluminium ).

Nano-soudure au silicium

Le lithium s'est avéré efficace pour aider à la perfection des nano-soudures au silicium dans les composants électroniques des batteries électriques et autres appareils.

L'utilisation du lithium dans les fusées éclairantes et la pyrotechnie est due à sa flamme rose-rouge.

Pyrotechnie

Les composés du lithium sont utilisés comme colorants pyrotechniques et oxydants dans les feux d'artifice et les fusées éclairantes rouges .

Purification de l'air

Le chlorure de lithium et le bromure de lithium sont hygroscopiques et sont utilisés comme dessiccants pour les flux gazeux. L'hydroxyde de lithium et le peroxyde de lithium sont les sels les plus utilisés dans les zones confinées, comme à bord des engins spatiaux et des sous - marins , pour l'élimination du dioxyde de carbone et la purification de l'air. L'hydroxyde de lithium absorbe le dioxyde de carbone de l'air en formant du carbonate de lithium, et est préféré aux autres hydroxydes alcalins pour son faible poids.

Le peroxyde de lithium (Li 2 O 2 ) en présence d'humidité non seulement réagit avec le dioxyde de carbone pour former du carbonate de lithium, mais libère également de l'oxygène. La réaction est la suivante :

2 Li 2 O 2 + 2 CO 2 → 2 Li 2 CO 3 + O 2 .

Certains des composés susmentionnés, ainsi que le perchlorate de lithium , sont utilisés dans les bougies à oxygène qui alimentent les sous-marins en oxygène . Ceux-ci peuvent également inclure de petites quantités de bore , de magnésium , d' aluminium , de silicium , de titane , de manganèse et de fer .

Optique

Le fluorure de lithium , cultivé artificiellement sous forme de cristal , est clair et transparent et souvent utilisé dans l'optique spécialisée pour les applications IR , UV et VUV ( UV sous vide ). Il possède l'un des indices de réfraction les plus bas et la plage de transmission la plus éloignée dans les UV profonds de la plupart des matériaux courants. La poudre de fluorure de lithium finement divisée a été utilisée pour la dosimétrie par rayonnement thermoluminescent (TLD) : lorsqu'un échantillon de celui-ci est exposé à un rayonnement, il accumule des défauts cristallins qui, lorsqu'ils sont chauffés, se résolvent via un dégagement de lumière bleuâtre dont l'intensité est proportionnelle à la dose absorbée , permettant ainsi de le quantifier. Le fluorure de lithium est parfois utilisé dans les lentilles focales des télescopes .

La non-linéarité élevée du niobate de lithium le rend également utile dans les applications d'optique non linéaire . Il est largement utilisé dans les produits de télécommunication tels que les téléphones portables et les modulateurs optiques , pour des composants tels que les cristaux résonants . Les applications lithium sont utilisées dans plus de 60% des téléphones portables.

Chimie organique et polymère

Les composés organolithiens sont largement utilisés dans la production de polymères et de produits chimiques fins. Dans l'industrie des polymères, qui est la principale consommatrice de ces réactifs, les composés d'alkyl lithium sont des catalyseurs / initiateurs . en polymérisation anionique d' oléfines non fonctionnalisées . Pour la production de produits chimiques fins, les composés organolithiens fonctionnent comme des bases fortes et comme des réactifs pour la formation de liaisons carbone-carbone . Les composés organolithiens sont préparés à partir de lithium métallique et d'halogénures d'alkyle.

De nombreux autres composés du lithium sont utilisés comme réactifs pour préparer des composés organiques. Certains composés populaires comprennent l'hydrure de lithium et d'aluminium (LiAlH 4 ), le triéthylborohydrure de lithium , le n-butyllithium et le tert-butyllithium .

Le lancement d'une torpille utilisant le lithium comme combustible

Militaire

Le lithium métallique et ses hydrures complexes , tels que Li[AlH 4 ] , sont utilisés comme additifs à haute énergie pour les propergols des fusées . L'hydrure de lithium et d'aluminium peut également être utilisé seul comme combustible solide .

Le système de propulsion à énergie chimique stockée par torpilles Mark 50 (SCEPS) utilise un petit réservoir d' hexafluorure de soufre , qui est pulvérisé sur un bloc de lithium solide. La réaction génère de la chaleur, créant de la vapeur pour propulser la torpille dans un cycle de Rankine fermé .

L'hydrure de lithium contenant du lithium-6 est utilisé dans les armes thermonucléaires , où il sert de combustible pour l'étape de fusion de la bombe.

Nucléaire

Le lithium-6 est apprécié comme matière première pour la production de tritium et comme absorbeur de neutrons dans la fusion nucléaire . Le lithium naturel contient environ 7,5% de lithium-6 à partir duquel de grandes quantités de lithium-6 ont été produites par séparation isotopique pour être utilisées dans les armes nucléaires . Le lithium-7 a suscité de l'intérêt pour son utilisation dans les caloporteurs des réacteurs nucléaires .

Le deutéride de lithium a été utilisé comme combustible dans le dispositif nucléaire Castle Bravo .

Le deutéride de lithium était le combustible de fusion de choix dans les premières versions de la bombe à hydrogène . Bombardés par des neutrons , les deux 6 Li et 7 Li produits tritium - cette réaction, qui n'a pas été entièrement compris lorsque des bombes à hydrogène ont d' abord été testées, était responsable du rendement emballement du château Bravo essai nucléaire . Le tritium fusionne avec le deutérium dans une réaction de fusion relativement facile à réaliser. Bien que les détails restent secrets, le deutéride de lithium-6 joue apparemment toujours un rôle dans les armes nucléaires modernes en tant que matériau de fusion.

Le fluorure de lithium , lorsqu'il est fortement enrichi en isotope lithium-7, constitue le constituant de base du mélange de sels de fluorure LiF- BeF 2 utilisé dans les réacteurs nucléaires de fluorure liquide . Le fluorure de lithium est exceptionnellement stable chimiquement et les mélanges LiF-BeF 2 ont des points de fusion bas. De plus, 7 Li, Be et F sont parmi les quelques nucléides avec des sections efficaces de capture de neutrons thermiques suffisamment faibles pour ne pas empoisonner les réactions de fission à l'intérieur d'un réacteur à fission nucléaire.

Dans les centrales à fusion nucléaire conceptualisées (hypothétiques) , le lithium sera utilisé pour produire du tritium dans des réacteurs à confinement magnétique utilisant du deutérium et du tritium comme combustible. Le tritium naturel est extrêmement rare et doit être produit synthétiquement en entourant le plasma réactif d'une « couverture » contenant du lithium où les neutrons de la réaction deutérium-tritium dans le plasma fissionneront le lithium pour produire plus de tritium :

6 Li + n → 4 He + 3 H.

Le lithium est également utilisé comme source de particules alpha , ou noyaux d' hélium . Lorsque 7 Li est bombardé par des protons accélérés, il se forme 8 Be , qui subit une fission pour former deux particules alpha. Cet exploit, appelé « diviser l'atome » à l'époque, était la première réaction nucléaire entièrement artificielle . Il a été produit par Cockroft et Walton en 1932.

En 2013, le Government Accountability Office des États-Unis a déclaré qu'une pénurie de lithium-7 critique pour le fonctionnement de 65 des 100 réacteurs nucléaires américains « met en péril leur capacité à continuer à fournir de l'électricité ». Castle Bravo a d' abord utilisé le lithium-7, dans le Shrimp , son premier appareil, qui ne pesait que 10 tonnes, et a généré une contamination atmosphérique nucléaire massive de l'atoll de Bikini . Cela explique peut-être le déclin de l'infrastructure nucléaire américaine. L'équipement nécessaire pour séparer le lithium-6 du lithium-7 est principalement un reste de la guerre froide. Les États-Unis ont fermé la plupart de ces machines en 1963, alors qu'elles disposaient d'un énorme excédent de lithium séparé, principalement consommé au cours du XXe siècle. Le rapport indique qu'il faudrait cinq ans et 10 à 12 millions de dollars pour rétablir la capacité de séparer le lithium-6 du lithium-7.

Les réacteurs qui utilisent du lithium-7 chauffent de l'eau sous haute pression et transfèrent la chaleur à travers des échangeurs de chaleur sujets à la corrosion. Les réacteurs utilisent du lithium pour contrer les effets corrosifs de l'acide borique , qui est ajouté à l'eau pour absorber les neutrons en excès.

Médicament

Le lithium est utile dans le traitement du trouble bipolaire . Les sels de lithium peuvent également être utiles pour les diagnostics connexes, tels que le trouble schizo-affectif et la dépression majeure cyclique . La partie active de ces sels est l'ion lithium Li + . Ils peuvent augmenter le risque de développer une anomalie cardiaque d'Ebstein chez les nourrissons nés de femmes qui prennent du lithium pendant le premier trimestre de la grossesse.

Le lithium a également fait l'objet de recherches comme traitement possible des céphalées en grappe .

Précautions

Lithium
Dangers
Pictogrammes SGH GHS02 : InflammableGHS05 : Corrosif
Mention d'avertissement SGH Danger
H260 , H314
P223 , P231+232 , P280 , P305+351+338 , P370+378 , P422
NFPA 704 (diamant de feu)
3
2
2

Le lithium métal est corrosif et nécessite une manipulation spéciale pour éviter le contact avec la peau. L'inhalation de poussière de lithium ou de composés de lithium (souvent alcalins ) irrite initialement le nez et la gorge, tandis qu'une exposition plus élevée peut provoquer une accumulation de liquide dans les poumons , entraînant un œdème pulmonaire . Le métal lui-même est un danger de manipulation car le contact avec l'humidité produit de l' hydroxyde de lithium caustique . Le lithium est stocké en toute sécurité dans des composés non réactifs tels que le naphta .

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes