Eigenschaften
[ He ] 2 s 1 3 Li Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Lithium, Li, 3
Elementkategorie	Alkalimetalle
Gruppe, Periode, Block	1, 2, s
Aussehen	silbrig weiß/grau
CAS-Nummer	7439-93-2
EG-Nummer	231-102-5
ECHA-InfoCard	100.028.274
Massenanteil an der Erdhülle	60 ppm[1] 27. Häufigkeit
Atomar [2]
Atommasse	6,94 (6,938–6,997)[3][4] u
Atomradius (berechnet)	145 (167) pm
Kovalenter Radius	128 pm
Van-der-Waals-Radius	182 pm
Elektronenkonfiguration	[He] 2s1
1. Ionisierungsenergie	5.39171495(4) eV[5] ≈ 520.22 kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie	75.6400964(13) eV[5] ≈ 7298.16 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie	122.4543581(8) eV[5] ≈ 11815.05 kJ/mol[6]
Physikalisch [7]
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	1
Kristallstruktur	kubisch raumzentriert
Dichte	0,534 g/cm3 (20 °C)[8]
Mohshärte	0,6
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 1,4 · 10−5)[9]
Schmelzpunkt	453,69 K (180,54 °C)
Siedepunkt	1603 K[10] (1330 °C)
Molares Volumen	13,02 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	136 kJ/mol[10]
Schmelzenthalpie	3 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	6000 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	3482[1] J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit	2,9 eV[11]
Elektrische Leitfähigkeit	10,6 · 106 A·V−1·m−1
Wärmeleitfähigkeit	85 W·m−1·K−1
Chemisch [12]
Oxidationszustände	+1
Normalpotential	−3,04 V
Elektronegativität	0,98 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 6Li 7,4 % Stabil 7Li 92,6 % Stabil
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin- Quanten- zahl I γ in rad·T−1·s−1 Er (1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 6Li 1 0+3,936 · 107 [13] 8,5 · 10−3 [13] 029,45[13] 7Li 3/2 +10,398 · 107 [13] 0,294[13] 077,77[13]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[14] ggf. erweitert[15] Gefahr H- und P-Sätze H: 260​‐​314 EUH: 014 P: 223​‐​280​‐​231+232​‐​305+351+338​‐​370+378​‐​422 [15]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Lithium (abgeleitet von altgriechisch λίθος líthos, deutsch ‚Stein‘; Aussprache [ˈliːti̯ʊm]^[16][17][18] oder auch [ ˈliːʦi̯ʊm]^[19]) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Li und der Ordnungszahl 3. Es ist ein Element der 1. IUPAC-Gruppe, der Gruppe der Alkalimetalle, und gehört zur zweiten Periode des Periodensystems der Elemente. Lithium ist ein Leichtmetall und besitzt die geringste Dichte der unter Standardbedingungen festen Elemente.

Lithium kommt in der Natur aufgrund seiner hohen Reaktivität nicht elementar vor. Bei Raumtemperatur ist es nur in völlig trockener Luft über längere Zeit stabil, reagiert aber langsam zu Lithiumnitrid (Li₃N). In feuchter Luft bildet sich an der Oberfläche schnell eine mattgraue Lithiumhydroxid-Schicht. Wie alle Alkalimetalle reagiert elementares Lithium schon in Berührung mit der Hautfeuchtigkeit und führt so zu schweren Verätzungen und Verbrennungen. Viele Lithiumverbindungen, die in wässriger Lösung Lithiumionen bilden, sind im Gegensatz zu den entsprechenden Natrium- und Kaliumverbindungen als gesundheitsschädlich gekennzeichnet.

Als Spurenelement ist Lithium in Form seiner Salze ein häufiger Bestandteil von Mineralwasser. Im menschlichen Organismus sind geringe Mengen Lithium vorhanden; das Element ist jedoch nicht essenziell und hat keine bekannte biologische Funktion. Einige Lithiumsalze haben aber eine medizinische Wirkung und werden in der Lithiumtherapie bei bipolaren Affektstörungen, Manie, Depressionen und Cluster-Kopfschmerzen eingesetzt (siehe Medizin).

Geschichte

Als Entdecker des Lithiums gilt der Schwede Johan August Arfwedson, der im Jahr 1817 die Anwesenheit eines fremden Elements in Petalit (Li^[4]Al^[4][Si₄O₁₀]) und bald darauf auch in Spodumen (LiAl[Si₂O₆]) und Lepidolith (K(Li,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂) feststellte, als er Mineralienfunde von der Insel Utö in Schweden analysierte. Sein akademischer Lehrer Jöns Jakob Berzelius schlug Lithion, eine Ableitung zu altgriechisch λίθος líthos, deutsch ‚Stein‘, als Namen vor, der entsprechend den Bezeichnungen der andern beiden damals bekannten Alkalimetallen Natrium und Kalium auf das Material hinweist, aus dem es gewonnen wurde. Die latinisierte Form Lithium hat sich durchgesetzt.^[20]

1818 bemerkte der deutsche Chemiker Christian Gottlob Gmelin, dass Lithiumsalze eine rote Flammenfärbung ergeben. Beide Wissenschaftler scheiterten in den folgenden Jahren mit Versuchen, dieses Element zu isolieren. Im Jahr 1818 gelang dies erstmals William Thomas Brande und Sir Humphry Davy mittels eines elektrolytischen Verfahrens aus Lithiumoxid (Li₂O). Robert Bunsen und Augustus Matthiessen stellten 1855 durch Elektrolyse von Lithiumchlorid (LiCl) größere Mengen reinen Lithiums her. Im Jahr 1917 synthetisierte Wilhelm Schlenk aus organischen Quecksilberverbindungen die ersten lithiumorganischen Verbindungen.^[21]

Mit der ersten kommerziellen Produktion begann 1923 die deutsche Metallgesellschaft in der Hans-Heinrich-Hütte in Langelsheim im Harz, indem eine Schmelze aus Lithium- und Kaliumchlorid (KCl) elektrolysiert wurde.

Bis kurz nach dem Zweiten Weltkrieg gab es bis auf die Anwendung als Schmiermittel (Mineralöl, angedickt mit Lithiumstearat) und in der Glasindustrie (Lithiumcarbonat oder Lithiumoxid) kaum Anwendungen für Lithium. Dies änderte sich, als in den Vereinigten Staaten Tritium, das sich aus Lithium gewinnen lässt, für den Bau von Wasserstoffbomben benötigt wurde. Man begann mit einer breit angelegten Förderung, vor allem in Kings Mountain (North Carolina).^[22] Durch die auf Grund der kurzen Tritium-Halbwertszeit benötigten großen Lithium-Mengen wurde zwischen 1953 und 1963 ein großer Vorrat von Lithium angehäuft, das erst nach dem Ende des Kalten Krieges ab 1993 auf den Markt gebracht wurde.^[22] Neben dem Bergbau wurde nun auch die billigere Gewinnung aus Salzlaugen wichtig. Größere Mengen Lithium werden mittlerweile für Batterien, für die Polymerisation von Elastomeren, in der Bauindustrie und für die organische Synthese von Pharmazeutika und Agrochemikalien eingesetzt. Seit 2007 sind Primärbatterien und Akkumulatoren (Sekundärbatterien) das wichtigste Segment.^[23]

Vorkommen und Abbau

Vorkommen auf der Erde

Lithium hat an der Erdkruste einen Anteil von etwa 0,006 %.^[24] Es kommt damit etwas seltener als Zink sowie häufiger als Kobalt, Zinn und Blei in der Erdkruste vor. Obwohl Lithium häufiger als beispielsweise Blei ist, ist seine Gewinnung durch die stärkere Verteilung schwierig.^[25] Im Trinkwasser und einigen Nahrungsmitteln wie Fleisch, Fisch, Eiern und Milchprodukten ist Lithium enthalten. So enthalten 100 g Fleisch etwa 100 μg Lithium.^[26] Verschiedene Pflanzen wie beispielsweise Tabak oder Hahnenfuß nehmen Lithiumverbindungen aus dem Boden auf und reichern sie an. Der durchschnittliche Anteil an der Trockenmasse von Pflanzen liegt zwischen 0,5 ppm und 3 ppm. Meerwasser enthält durchschnittlich 180 µg/L und Flusswasser etwa 3 µg/L.

Abbau und Reserven

Mengenmäßig wurden 2015 außerhalb der USA 35.000 Tonnen Lithium gewonnen und überwiegend als Lithiumcarbonat (Li₂CO₃) gehandelt. Im Jahr 2016 war Chile der größte Produzent. Australien verdreifachte seine Produktion zwischen 2016 und 2017 und steigerte sie bis 2018 nochmals um fast 50 %. Derzeit (2018) werden fast zwei Drittel des Lithiumvorrats in Australien im Hartgesteinsbergbau und nur etwa ein Drittel aus Solen gewonnen.^[27] Die Reserven in den vorhandenen Minen werden auf rund 17 Millionen Tonnen geschätzt (Stand: Januar 2020). Das Weltvorkommen aus kontinentalen Solen, geothermischen Solen, aus dem Hectorit-Mineral, Ölfeld-Solen und aus dem magmatischen Gestein Pegmatit ist auf 80 Millionen Tonnen geschätzt worden.^[28]

Weltweite Produktion [Tonnen][28][29]	2014	2015	2016	2017	2018	2019	2020	2021 (geschätzt)	Reserven	Ressourcen
Bolivien Bolivien	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	9.000.000	21.000.000
Chile Chile	11.500	10.500	14.300	14.200	17.000	19.300	21.500	26.000	9.200.000	9.800.000
China Volksrepublik Volksrepublik China	2.300	2.000	2.300	6.800	7.100	10.800	13.300	14.000	1.500.000	5.100.000
Australien Australien	13.300	14.100	14.000	40.000	58.800	45.000	40.000	55.000	5.700.000	7.300.000
Argentinien Argentinien	3.200	3.600	5.800	5.700	6.400	6.300	5.900	6.200	2.200.000	19.000.000
Portugal Portugal	300	200	400	800	800	900	348	900	60.000	250.000
Brasilien Brasilien	160	200	200	200	300	2.400	1.420	1.500	95.000	400.000
Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	750.000	6.800.000
Simbabwe Simbabwe	900	900	1.000	800	1.600	1.200	417	1.200	220.000	540.000
Kanada Kanada	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	2.400	200	n. v.	n. v.	530.000	2.900.000
Kongo Demokratische Republik Demokratische Republik Kongo	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	3.000.000
Russland Russland	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	1.000.000
Serbien Serbien	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	1.000.000
Mexiko Mexiko	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	1.700.000
Osterreich Österreich	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	50.000
Deutschland Deutschland	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	n. v.	2.700.000
Welt	31.700	31.500	38.000	69.000	95.000	86.000	82.500	100.000	22.000.000	80.000.000

Ressource = (geschätztes) Gesamtvorkommen des Rohstoffs

Reserve = der Teil der Ressource, der in einem überschaubaren Zeithorizont unter ökonomischen Bedingungen abgebaut werden kann

Primäre Lagerstätten

Lithium kommt in einigen Mineralien in Lithium-Pegmatiten vor. Die wichtigsten Minerale sind dabei Amblygonit (LiAl[PO₄]F), Lepidolith (K(Li,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂), Petalit (Kastor; LiAl[Si₄O₁₀]) und Spodumen (Triphan; LiAl[Si₂O₆]). Diese Minerale haben einen Lithiumgehalt von bis zu 9 % (bei Amblygonit). Andere, seltenere Lithiumerze sind Kryolithionit (Li₃Na₃[AlF₆]₂), das den größten Lithiumgehalt aller Mineralien aufweist, Triphylin (Li(Fe^II,Mn^II)[PO₄]) und Zinnwaldit (K(Li,Fe,Al)₃[(Al,Si)₄O₁₀](F,OH)₂). Lithiummineralien kommen in vielen Silikat-Gesteinen vor, aber meist nur in geringen Konzentrationen. Es gibt keine großen Lagerstätten. Da die Gewinnung von Lithium aus diesen Mineralien mit großem Aufwand verbunden ist, spielen sie heutzutage bei der Gewinnung von Lithium oder Lithiumverbindungen eine untergeordnete Rolle, dies könnte sich jedoch aufgrund der erwartet hohen Nachfrage ändern. Abbauorte sind vor allem die Greenbushes- und Mt.-Cattlin-Minen in Western Australia, in deren Pegmatit-Gesteinen eine hohe Lithiumkonzentration vorliegt und in denen Lithium als Nebenprodukt der Tantalgewinnung anfällt. Auch in einigen anderen Ländern wie Kanada und Russland, bis 1998 auch in Bassemer City, North Carolina, wird Spodumen zur Lithiumgewinnung abgebaut.^[30]

Europa besitzt Li-reiche Pegmatitfelder auf der Kärntner Weinebene im Bezirk Wolfsberg, in der finnischen Region Österbotten, im Erzgebirge sowie zwischen Spanien (Almendra) und Portugal (Distrikt Guarda, Boticas).^[31][32]

Während die erste kommerzielle Produktion von Lithiumverbindungen an sich bereits 1923 im Harz begann, könnte die Förderung in den nun neu erschlossenen bedeutenden Lagerstätten in Österreich und Finnland ab 2021 beginnen.^[veraltet] Sie werden durch Global Strategic Metals bzw. Keliber betrieben. In Österreich an der Koralpe im Lavanttal haben Probestollen ein viel größeres Vorkommen von lithiumhaltigem Grundgestein ergeben, das auf 22 Millionen Tonnen geschätzt wird. Damit ist es eines der ersten groß angelegten Lithium-Abbauprojekte Europas und könnte 20 Jahre lang betrieben werden.^[33][34] Das Vorkommen bei Zinnwald im Erzgebirge wird durch die Deutsche Lithium exploriert.^[35][36]

Sekundäre Lagerstätten

Lithiumsalze, insbesondere Lithiumchlorid, kommen verbreitet auch in Salzlaugen, meist Salzseen, vor. Die Konzentration kann bis zu einem Prozent betragen. Neben der Konzentration des Lithiums ist für die Qualität der Salzlauge das Mengenverhältnis von Magnesium zu Lithium wichtig. Derzeit wird Lithium vor allem in Chile (Salar de Atacama, die mit 0,16 % mit den höchsten bekannten Lithiumkonzentration aufweist^[25]), Argentinien (Salar de Hombre Muerto), den Vereinigten Staaten von Amerika (Silver Peak, Nevada) und der Volksrepublik China (Chabyêr Caka, Tibet; Taijinaier-See, Qinghai) gewonnen. Im bolivianischen Salzsee Salar de Uyuni mit geschätzt 5,4 Millionen Tonnen Lithium lagern möglicherweise die größten Ressourcen.^[28][37] Das Staatsunternehmen Yacimientos de Litio Bolivianos investiert seit 2018 mit deutschen und chinesischen Partnern verstärkt in seine Industrialisierung, einschließlich der benachbarten Salar de Coipasa und Laguna Pastos Grandes. Es gibt weitere lithiumhaltige Salzseen, die (Stand April 2019) noch nicht zum industriellen Abbau genutzt werden, beispielsweise in China, Argentinien und Afghanistan. 2016 wurde bekannt, dass im Paradox-Becken im US-Bundesstaat Utah schon in den 1960er Jahren bei Ölexplorationsbohrungen hochsalinares Tiefengrundwasser (Sole) angetroffen wurde, aus dem sich, nach damaligen Analysen, bis zu 1700 mg/L reines Lithium gewinnen ließe.^[38]

Als Kuppelprodukte bei der Lithiumgewinnung werden häufig Kaliumcarbonat (Pottasche), Borax, Caesium und Rubidium gewonnen.

Aufgrund der erwarteten starken Nachfrage nach Lithium für Batterien von Elektrofahrzeugen prüften 2010 einige Unternehmen den Abbau von lithiumhaltigen Mineralien und Salzlaugen in verschiedenen Regionen der Welt inklusive Europa.^[39] Erforscht wird auch die Lithiumgewinnung aus Meerwasser. In den Weltmeeren sind ca. 230 Mrd. Tonnen Lithium gelöst. 2018 stellten Forscher eine Extraktionsmethode vor, bei der Lithium über solarbetriebene Elektrolyse aus Meerwasser gewonnen werden kann. Als einen Vorteil gegenüber herkömmlicher Gewinnung nannten sie, dass bei dem Prozess direkt metallisches Lithium anfällt und deshalb auf die (komplexe und energieaufwändige) Weiterverarbeitung verzichtet werden kann, wie sie bei der traditionellen Lithiumgewinnung aus Erzen notwendig ist.^[40]

Beim Leibniz-Institut für Neue Materialien startete im November 2020 das auf zwei Jahre angesetzte Forschungsprojekt MERLIN (mining water lithium extraction), mit dem die Gewinnung von Lithium aus Grubenwasser getestet werden soll.^[41]

Produktionsprozess

Lithium wird In Australien vorwiegend aus Gesteinen im offenen Tagebau, in Südamerika häufig aus Salzwasser (Grundwasser, Salzseen) durch Verdunstung gewonnen.^[45] Seltener ist die Gewinnung aus Thermal- oder Grubenwasser in Europa.^[46][41]

Darstellung

Aus lithiumhaltigen Salzlösungen wird durch Verdunsten des Wassers und Zugabe von Natriumcarbonat (Soda) Lithiumcarbonat ausgefällt. Dazu wird die Salzlake zunächst so lange an der Luft eingeengt, bis die Lithiumkonzentration 0,5 % überschreitet. Durch Zugabe von Natriumcarbonat fällt daraus das schwerlösliche Lithiumcarbonat aus:

${\displaystyle \mathrm {2\ LiCl\ +Na_{2}CO_{3}\ \longrightarrow \ Li_{2}CO_{3}\downarrow +\ 2\ NaCl} }$.

Zur Gewinnung von metallischem Lithium wird das Lithiumcarbonat zunächst mit Salzsäure umgesetzt. Dabei entstehen Kohlenstoffdioxid, das als Gas entweicht, und gelöstes Lithiumchlorid. Diese Lösung wird im Vakuumverdampfer eingeengt, bis das Chlorid auskristallisiert:

${\displaystyle \mathrm {Li_{2}CO_{3}+\ 2\ H_{3}O^{+}+\ 2\ Cl^{-}\longrightarrow \ 2\ Li^{+}+\ 2\ Cl^{-}+CO_{2}\uparrow +\ 3\ H_{2}O} }$

Die Apparate und Anlagen für die Lithiumchlorid-Gewinnung müssen aus Spezialstählen oder Nickellegierung sein, da die Salzlauge sehr korrosiv wirkt. Metallisches Lithium wird durch Schmelzflusselektrolyse eines bei 450–500 °C schmelzenden eutektischen Gemisches aus 52 Massenprozent Lithiumchlorid und 48 Massenprozent Kaliumchlorid hergestellt^[1]:

${\displaystyle \mathrm {Li^{+}+\mathrm {e} ^{-}\ {\xrightarrow[{Elektrolyse}]{(450-500)\,^{\circ }C}}\ Li} }$

Das Kalium wird bei der Elektrolyse nicht abgeschieden, weil es in der Chlorid-Schmelze ein niedrigeres Elektrodenpotential hat. Spuren von Natrium werden jedoch mit abgeschieden und machen das Lithium besonders reaktiv (vorteilhaft in der organischen Chemie, schlecht für Li-Batterien). Das flüssige Lithium sammelt sich an der Elektrolytoberfläche und kann so relativ einfach aus der Elektrolysezelle ausgeschleust werden. Es ist ebenfalls möglich, Lithium per Elektrolyse von Lithiumchlorid in Pyridin zu gewinnen. Diese Methode eignet sich besonders gut im Labormaßstab.

Wirtschaftliche Bedeutung und Rohstoffhandel

Nach seiner Gewinnung gelangt Lithium als Rohstoff über den Handel zu den weiterverarbeitenden Industrien. Im Rohstoffhandel, speziell an den Börsen für Metalle, wird kein reines Lithium gehandelt, das chemisch zu instabil wäre. Gehandelt werden stattdessen stabile Lithiumverbindungen, i. d. R. mit Lithiumsalzen bzw. Lithium-basierenden Kristallhaufwerken, überwiegend Lithiumkarbonat oder Lithiumhydroxidmonohydrat. Diese Stoffe werden u. a. an der London Metal Exchange gehandelt. 2020 wurden für Lithiumkarbonat (Minimalgehalt 99,5%) ein Preis von 8,75 USD / kg verzeichnet, für Lithiumhydroxidmonohydrat (Minimalgehalt 56,5%) 10,25 USD / kg.^[52]

Preisentwicklung

Nach einer Graphik in einem Artikel der Neuen Zürcher Zeitung (NZZ) vom 20. August 2022 bewegte sich der Preis pro Kilo „Südamerikanischem Lithiumcarbonat“ seit Ende 2020 bis Mitte 2021 noch unter 10 USD, stieg dann zu Jahresbeginn 2022 auf 25 USD und lag im März 2022 auf knapp unter 60 USD. (Quelle; Bloomberg/NZZ/dba). „Derzeit liegt der Lithiumpreis bei 70.000 Euro pro Tonne“.^[53]

Der Preis-Informationsdienst ISE – Institut für Seltene Erden und Metalle – gibt für verschiedene Lithium-Substanzen im Durchschnitt der letzten sechs Monate (März bis August 2022) folgende im Verlauf stabile Kilopreise an: Lithium Carbonate –, Reinheit 99.5%min, von verschiedenen Produzenten zwischen 63 und 72 EUR/kg. Lithium Hydroxide Monohydrate LiOH 56.5%min, China, bei 66 bis 72 EUR/kg; Delivered South Korea – 73 EUR/kg. Lithium Metal 99.9%min Delivered China – 42 EUR/kg.^[54]

Lithium ist laut der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) der „Schlüsselrohstoff der Verkehrswende“, der derzeit in Lithiumionenbatterien unabhängig von der Batteriekomposition „nicht ersetzbar ist. Gegenwärtig werden global jährlich rund 82.000 Tonnen Lithium produziert. Für 2030 prognostiziert die BGR einen Bedarf von bis zu 560.000 Tonnen.“ Zudem ist die „Veredelung der Rohstoffe zu gebrauchsfertigen Substanzen […] sehr stark auf China konzentriert, bei seltenen Erden zu fast 90 Prozent, […] bei Lithium zu 58 Prozent.“^[55]

Indexfonds

Neben der Quotierung des Lithiums als Rohstoff existieren seit 2010 Lithium-Indexfonds (ETFs), die börslich handelbar sind.^[56][57] Mit diesen ETFs wird der Börsenwert von Unternehmen abgebildet, die an der Lithium-Wertschöpfungskette beteiligt sind. Seit 2010 gibt es einen Aktien-Performance-Index von Solactive, der die Marktkapitalisierung der größten börsennotierten Unternehmen nachzeichnet, die an Erkundung und Bergbau von Lithium sowie der Produktion von Lithium-Batterien beteiligt sind. Zu den zehn größten Werten in diesem Index zählen (nach Größe absteigend, Stand April 2020): Albemarle, SQM, Tesla, BYD, Samsung, Simplo Technology, LG Chem, Panasonic, GS Yuasa und Enersys.^[58] Die wenigen Lithium-ETFs bilden überwiegend diesen Index ab.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Lithium ist ein silberweißes, weiches Leichtmetall. Es ist bei Raumtemperatur das leichteste aller festen Elemente (Dichte 0,534 g/cm³^[60]). Nur fester Wasserstoff bei −260 °C ist mit einer Dichte von 0,0763 g/cm³^[60] noch leichter.

Lithium kristallisiert – wie die anderen Alkalimetalle – in einer kubisch-raumzentrierten Kugelpackung in der Raumgruppe Im3m (Raumgruppen-Nr. 229)Vorlage:Raumgruppe/229 mit dem Gitterparameter a = 351 pm und zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle. Bei tiefen Temperaturen von 78 K ändert sich die Kristallstruktur durch Spontanumwandlung in eine hexagonale Struktur des Magnesium-Typs mit den Gitterparametern a = 311 pm und c = 509 pm oder nach Verformung in eine kubische Struktur des Kupfer-Typs (kubisch flächenzentriert) mit dem Gitterparameter a = 438 pm um. Die genauen Ursachen, welche Struktur gebildet wird, sind unbekannt.^[59]

Lithium hat unter den Alkalimetallen den höchsten Schmelz- und Siedepunkt sowie die größte spezifische Wärmekapazität. Lithium besitzt zwar die größte Härte aller Alkalimetalle, lässt sich bei einer Mohs-Härte von 0,6^[61] dennoch mit dem Messer schneiden. Als typisches Metall ist es ein guter Strom- (Leitfähigkeit: etwa 18 % von Kupfer^[24]) und Wärmeleiter.

Lithium weist weitgehende Ähnlichkeit zu Magnesium auf, was sich auch in der Tatsache des Auftretens von heterotypen Mischkristallen aus Lithium und Magnesium, der sogenannten Isodimorphie zeigt. Obwohl Magnesium in der hexagonal dichtesten, Lithium dagegen in der kubisch raumzentrierten Kugelpackung kristallisiert, sind beide Metalle weitgehend heterotyp mischbar.^[62] Dies erfolgt aber nur in einem beschränkten Konzentrationsbereich, wobei die im Überschuss vorhandene Komponente der anderen ihr Kristallgitter „aufzwingt“.

Das Lithium-Ion weist mit −520 kJ/mol^[63] die höchste Hydratationsenthalpie aller Alkalimetallionen auf. Dadurch ist es in Wasser vollständig hydratisiert und zieht die Wassermoleküle stark an. Das Lithiumion bildet zwei Hydrathüllen, eine innere mit vier Wassermolekülen, die sehr stark über ihre Sauerstoffatome an das Lithiumion gebunden sind, und eine äußere Hülle, in der über Wasserstoffbrücken weitere Wassermoleküle mit dem Li[H₂O]₄⁺-Ion verbunden sind. Dadurch ist der Ionenradius des hydratisierten Ions sehr groß, sogar größer als diejenigen der schweren Alkalimetalle Rubidium und Caesium, die in wässriger Lösung keine derart stark gebundenen Hydrathüllen aufweisen.

Als Gas kommt Lithium nicht nur in einzelnen Atomen, sondern auch molekular als Dilithium Li₂ vor. Das einbindige Lithium erreicht dadurch ein volles s-Atomorbital und somit eine energetisch günstige Situation. Dilithium hat eine Bindungslänge von 267,3 pm und eine Bindungsenergie von 101 kJ/mol.^[64] Im gasförmigen Zustand liegt etwa 1 % (nach Masse) des Lithiums als Dilithium vor.

Chemische Eigenschaften

Lithium ist – wie alle Alkalimetalle – sehr reaktiv und reagiert bereitwillig mit sehr vielen Elementen und Verbindungen (wie Wasser) unter Wärmeabgabe. Unter den Alkalimetallen ist es allerdings das reaktionsträgste. Eine Besonderheit, die Lithium von den anderen Alkalimetallen unterscheidet, ist seine Reaktion mit molekularem Stickstoff zu Lithiumnitrid, die bereits bei Raumtemperatur langsam stattfindet:

${\displaystyle \mathrm {6\ Li\ +N_{2}\ {\xrightarrow {20\,^{\circ }C}}\ 2\ Li_{3}N} }$.

Dies wird durch die hohe Ladungsdichte des Li⁺-Ions und damit durch eine hohe Gitterenergie des Lithiumnitrids ermöglicht. Lithium hat mit −3,04 V^[65] das niedrigste Normalpotential im Periodensystem und ist somit das unedelste aller Elemente.

Wie alle Alkalimetalle wird Lithium unter Petroleum oder Paraffinöl aufbewahrt, da es sonst mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff und Stickstoff reagiert.

Da die Ionenradien von Li⁺- und Mg²⁺-Ionen vergleichbar groß sind, gibt es auch Ähnlichkeiten in den Eigenschaften von Lithium beziehungsweise Lithiumverbindungen und Magnesium oder Magnesiumverbindungen. Diese Ähnlichkeit in den Eigenschaften zweier Elemente aus benachbarten Gruppen des Periodensystems ist als Schrägbeziehung im Periodensystem bekannt. So bildet Lithium, im Gegensatz zu Natrium, viele metallorganische Verbindungen (Organolithium-Verbindungen), wie Butyllithium oder Methyllithium. Ähnliche Beziehungen bestehen auch zwischen Beryllium und Aluminium sowie zwischen Bor und Silicium.

Isotope

In der Natur kommen die beiden stabilen Isotope ⁶Li (7,6 %) und ⁷Li (92,4 %) vor. Daneben sind instabile Isotope, beginnend bei ⁴Li über ⁸Li bis ¹²Li, bekannt, die nur künstlich herstellbar sind. Ihre Halbwertszeiten liegen alle im Millisekundenbereich.^[66]

⁶Li spielt eine wichtige Rolle in der Technologie der Kernfusion. Es dient sowohl im Kernfusionsreaktor als auch in der Wasserstoffbombe als Ausgangsmaterial für die Erzeugung von Tritium, das für die energieliefernde Fusion mit Deuterium benötigt wird. Tritium entsteht im Blanket des Fusionsreaktors oder in der Wasserstoffbombe neben Helium durch Beschuss von ⁶Li mit Neutronen, die bei der Fusion anfallen, nach der Kernreaktion

${\displaystyle \mathrm {\,_{3}^{6}Li+n\rightarrow \,_{2}^{4}He+\,_{1}^{3}T+4{,}78\ MeV} }$.

Die ebenfalls mögliche Reaktion

${\displaystyle \mathrm {\,_{3}^{7}Li+n\rightarrow \,_{2}^{4}He+\,_{1}^{3}T+n-2{,}74\ MeV} }$

ist weniger geeignet (siehe Blanket). Die Trennung kann beispielsweise über einen Isotopenaustausch von Lithiumamalgam und einer gelösten Lithiumverbindung (wie Lithiumchlorid in Ethanol) erfolgen (sogenannter COLEX-Prozess). Dabei werden Ausbeuten von etwa 50 % erreicht.^[67]

Ist in einer Dreistufenbombe neben ⁶Li auch ⁷Li vorhanden (wie es beispielsweise bei Castle Bravo unerwarteterweise der Fall war), reagiert dieses mit einigen der bei der Fusion erzeugten schnellen Neutronen. Dadurch entstehen wieder Neutronen, außerdem Helium und zusätzliches Tritium. Dies führt, obwohl die ⁷Li-Neutron-Reaktion zunächst Energie verbraucht, im Endergebnis zu erhöhter Energiefreisetzung durch zusätzliche Fusionen und mehr Kernspaltungen im Bombenmantel aus Uran. Die Sprengkraft ist deshalb höher, als wenn nur der ⁶Li-Anteil der Isotopenmischung in der Bombe umgewandelt worden wäre. Da vor dem Castle-Bravo-Test angenommen wurde, das ⁷Li würde nicht mit den Neutronen reagieren, war die Bombe etwa 2,5-mal so stark wie erwartet.^[68]

Das Lithiumisotop ⁷Li entsteht in geringen Mengen in Kernkraftwerken durch eine Kernreaktion des (als Neutronenabsorber verwendeten) Borisotops ¹⁰B mit Neutronen.^[69]

${\displaystyle \mathrm {\,_{\ 5}^{10}B+n\rightarrow \,_{3}^{7}Li+\,_{2}^{4}He+\gamma } }$

Die Isotope ⁶Li, ⁷Li werden beide in Experimenten mit kalten Quantengasen verwendet. So wurde das erste Bose-Einstein-Kondensat mit dem (Boson) Isotop ⁷Li erzeugt.^{[70] 6}Li dagegen ist ein Fermion, und im Jahr 2003 ist es gelungen, Moleküle dieses Isotops in ein Suprafluid zu verwandeln.^[71]

Verwendung

Lithiumbatterie und Lithium-Ionen-Akkumulator.

Die heute wichtigste und am schnellsten wachsende Anwendung für Lithium ist die Verwendung in Lithium-Ionen-Akkumulatoren (oft auch als wiederaufladbare Batterien bezeichnet), die z. B. in Smartphones, Laptops, Akkuwerkzeugen oder elektrisch betriebenen Fahrzeugen, wie Hybridautos, Elektroautos oder E-Bikes verwendet werden (siehe Diagramm rechts). Der größte Teil der produzierten Lithiumsalze wird nicht zum Metall reduziert, sondern entweder direkt als Lithiumcarbonat, Lithiumhydroxid, Lithiumchlorid, Lithiumbromid eingesetzt oder zu anderen Verbindungen umgesetzt. Das Metall wird nur in einigen Anwendungen benötigt. Die wichtigsten Verwendungszwecke von Lithiumverbindungen findet man im Abschnitt „Verbindungen“.

Analytik

Qualitative Analytik

Im Kationentrennungsgang findet sich Lithium in der löslichen Gruppe wieder. Nach einem vollständigen Trennungsgang sind folglich nur noch Ammonium -, Natrium -, Kalium -, Lithium -, und Magnesiumionen vorhanden. Nach dem Entfernen der Ammoniumionen durch Abrauchen der festen Substanz über einer offenen Flamme und dem Entfernen von Magnesiumionen durch deren Fällung als Hydroxid, bleiben noch Natrium -, Kalium - und Lithiumionen übrig, die nebeneinander nachgewiesen werden können:

Lithiumionen ergeben, ähnlich wie Natriumionen, mit Kaliumhexahydroxoantimonat(V), einen weißen, kristallen Lithiumhexahydroxoantimonat(V) - Niederschlag, der jedoch in Wasser wesentlich löslicher ist als die betreffende Natriumverbindung.

Carbonat-Ionen ergeben bei Zugabe zu Lithiumionen einen weißen Lithiumcarbonat - Niederschlag, der bei Anwesenheit von Ammoniumsalzen ausbleiben würde.

Dinatriumhydrogenphosphat in NaOH-Lösung liefert beim Kochen mit Lithiumionen einen weißen Lithiumphosphat - Niederschlag. Die Natronlauge dient als Protonenfänger. Da das Lithiumphosphat in Säuren leicht löslich ist, würde ohne die Natronlauge die Fällung nicht vollständig ablaufen.

In schwach alkalischem, etwa 95%igem Ethanol können Lithiumionen auf Zusatz von Oxin in Lithiumoxinat übergeführt werden und durch dessen grünliche Fluoreszenz nachgewiesen werden.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung des Eisenperiodatreagenz. Die Lithiumsalze ergeben hierbei einen gelblich-weißen Niederschlag wechselnder Zusammensetzung.

Lithiumverbindungen zeigen eine karminrote Flammenfärbung, die charakteristischen Spektrallinien liegen als Hauptlinien bei 670,776 und 670,791 nm; kleinere Linien liegen bei 610,3 nm. Darüber kann Lithium mit Hilfe der Flammenphotometrie nachgewiesen werden.^[96]

Gefahrenhinweise

Elementares Lithium in Form von Metallstaub entzündet sich an der Luft bereits bei Normaltemperatur.^[15] Aus diesem Grund muss metallisches Lithium auch unter Luftausschluss, meist in Petroleum gelagert werden. Bei höheren Temperaturen ab 190 °C wird bei Kontakt mit Luft sofort überwiegend Lithiumoxid gebildet. In reinem Sauerstoff entzündet sich Lithium ab etwa 100 °C. In einer reinen Stickstoffatmosphäre reagiert Lithium erst bei höheren Temperaturen schneller zu Lithiumnitrid. Beim Kontakt mit sauerstoff- oder halogenhaltigen Substanzen kann Lithium explosionsartig reagieren.

Da Lithium mit gängigen Feuerlöschmitteln wie Wasser, Kohlendioxid, Stickstoff oder dem inzwischen verbotenen Tetrachlorkohlenstoff stark exotherm reagiert, müssen Brände mit inerten Gasen wie z. B. Argon oder anderen Metallbrandbekämpfungsmitteln wie Salz (z. B. NaCl) gelöscht werden.

Elementares Lithium verursacht wie alle Alkalimetalle bei Hautkontakt Schäden durch Verbrennungen oder alkalische Verätzungen, weil es mit Wasser unter starker Wärmeabgabe Lithiumhydroxid bildet; dafür genügt schon die Hautfeuchtigkeit.^[15]

Verbindungen

Lithium ist sehr reaktiv und bildet mit den meisten Nichtmetallen Verbindungen, in denen es immer in der Oxidationsstufe +I vorliegt. Diese sind in der Regel ionisch aufgebaut, haben aber im Gegensatz zu Verbindungen anderer Alkalimetalle einen hohen kovalenten Anteil. Das zeigt sich unter anderem darin, dass viele Lithiumsalze – im Gegensatz zu den entsprechenden Natrium- oder Kaliumsalzen – gut in organischen Lösungsmitteln wie Aceton oder Ethanol löslich sind. Es existieren auch kovalente organische Lithiumverbindungen. Viele Lithiumverbindungen ähneln in ihren Eigenschaften auf Grund der ähnlichen Ionenradien den entsprechenden Magnesiumverbindungen (Schrägbeziehung im Periodensystem). Die folgende Grafik bietet eine Übersicht über die wichtigsten Reaktionen des Lithiums. Auf Stöchiometrie und genaue Reaktionsbedingungen ist hier nicht geachtet:

Weitere Lithiumverbindungen

Lithium bildet mit den Halogeniden Salze der Form LiX. Dies sind Lithiumfluorid, Lithiumchlorid, Lithiumbromid und Lithiumiodid. Da Lithiumchlorid sehr hygroskopisch ist, wird es – außer als Ausgangsmaterial für die Lithiumgewinnung – auch als Trockenmittel eingesetzt. Es dient zum Trocknen von Gasen, beispielsweise von Erdgas, bevor es durch die Pipeline geführt wird oder bei Klimaanlagen zur Herabsetzung der Luftfeuchte (bis 2 % relativer Luftfeuchte). Lithiumchlorid dient ferner noch zur Herabsetzung von Schmelztemperaturen, in Schweiß- und Hartlötbädern und als Schweißelektroden-Ummantelung für das Schweißen von Aluminium. Lithiumfluorid findet als Einkristall in der Infrarotspektroskopie Verwendung.

Die technisch wichtigste Lithiumverbindung ist das schwerlösliche Lithiumcarbonat. Es dient zur Gewinnung der meisten anderen Lithiumverbindungen und wird in der Glasindustrie und bei der Herstellung von Email als Flussmittel eingesetzt. Auch in der Aluminiumherstellung wird es zur Verbesserung von Leitfähigkeit und Viskosität der Schmelze zugesetzt.

Lithiumseifen sind Lithiumsalze von Fettsäuren. Sie finden vor allem als Verdickungsmittel in hochwertigen Mineralöl-basierten Schmierfetten^[97] und -wachsen sowie zur Herstellung von Bleistiften Verwendung.

Weitere Lithiumsalze sind:

• Lithiumperchlorat LiClO₄,
• Lithiumsulfat Li₂SO₄,
• Lithiumnitrat LiNO₃, wird mit Kaliumnitrat in der Gummiindustrie für die Vulkanisation verwendet,
• Lithiumnitrid Li₃N, entsteht bei der Reaktion von Lithium mit Stickstoff,
• Lithiumniobat LiNbO₃, ist in einem großen Wellenlängenbereich transparent und wird in der Optik und für Laser verwendet,
• Lithiumamid LiNH₂, ist eine starke Base und entsteht bei der Reaktion von Lithium mit flüssigem Ammoniak.
• Lithiumstearat C₁₈H₃₅LiO₂, ist ein wichtiger Zusatz für Öle, um diese als Schmierfette einzusetzen. Diese werden in Automobilen, in Walzenstraßen und bei Landmaschinen verwendet. Lithiumstearate sind in Wasser sehr schwer löslich, dadurch bleibt der Schmierfilm erhalten, wenn sie mit wenig Wasser in Berührung kommen. Die erhaltenen Schmierfette weisen eine hervorragende Temperaturstabilität (>150 °C) auf und bleiben bis −20 °C schmierfähig.^[98]
• Lithiumacetat C₂H₃LiO₂
• Lithiumcitrat C₆H₅Li₃O₇
• Lithiumhexafluorophosphat LiPF₆ findet als Leitsalz in Lithium-Ionen-Akkus Verwendung.
• Lithiumphosphat Li₃PO₄, wird als Katalysator für die Isomerisation von Propylenoxid eingesetzt.
• Lithiummetaborat LiBO₂ und Lithiumtetraborat Li₂B₄O₇
• Lithiumbromid LiBr ist ein Reagenz zur Herstellung von Pharmazeutika, es wird aber auch in Absorptionskälteanlagen eingesetzt.

Literatur

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• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
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• Michael Bauer, Paul Grof, Bruno Muller-Oerlinghausen (Hrsg.): Lithium in Neuropsychiatry: The Comprehensive Guide. 1. Auflage. Informa Healthcare, 2006, ISBN 1-84184-515-9.

Weblinks

Wiktionary: Lithium  – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Lithium  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Lithium  – Lern- und Lehrmaterialien

• Zusammenfassung über Alkalimetalle von wiley-vch (PDF; 2,2 MB)
• Terra Xplore: Lithium fürs E-Auto – bald aus dem Rhein? auf YouTube, 28. September 2021.

Einzelnachweise

1. 1 2 3 Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Lithium) entnommen.
3. ↑ Angegeben ist der von der IUPAC empfohlene Standardwert, da die Isotopenzusammensetzung dieses Elements örtlich schwanken kann, ergibt sich für das mittlere Atomgewicht der in Klammern angegebene Massenbereich. Siehe: Michael E. Wieser, Tyler B. Coplen: Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report). In: Pure and Applied Chemistry. 2010, S. 1, doi:10.1351/PAC-REP-10-09-14.
4. ↑ IUPAC, Standard Atomic Weights Revised 2013.
5. 1 2 3 Eintrag zu lithium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd).  Abgerufen am 11. Juni 2020.
6. 1 2 3 Eintrag zu lithium bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
7. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Lithium) entnommen.
8. ↑ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 97.
9. ↑ Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
10. 1 2 Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
11. ↑ Ludwig Bergmann, Clemens Schaefer, Rainer Kassing: Lehrbuch der Experimentalphysik. Band 6: Festkörper. 2. Auflage. Walter de Gruyter, 2005, ISBN 3-11-017485-5, S. 361.
12. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Lithium) entnommen.
13. 1 2 3 4 5 6 M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh: Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie. Thieme, 2002 .
14. ↑ Eintrag zu Lithium im Classification and Labelling Inventory der Europäischen Chemikalienagentur (ECHA), abgerufen am 1. August 2016. Hersteller bzw. Inverkehrbringer können die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnung erweitern.
15. 1 2 3 4 Eintrag zu Lithium in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 30. April 2017. (JavaScript erforderlich)
16. ↑ Wolfgang Pfeiler: Quanten, Atome, Kerne, Teilchen. Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2017, ISBN 978-3-11-044571-8, S. 238.
17. ↑ Max Mangold: Das Aussprachewörterbuch (= Der Duden in 12 Bänden. Band 6). 6. Auflage. 2005, ISBN 3-411-04066-1, S. 514.
18. ↑ Helmut de Boor, Hugo Moser, Christian Winkler (Hrsg.): Siebs: Deutsche Aussprache. Reine und gemäßigte Hochlautung mit Aussprachewörterbuch.De Gruyter, Berlin 1969, S. 334 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
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22. 1 2 Jessica Elzea Kogel: Industrial minerals & rocks: commodities, markets, and uses. 7. Auflage. SME, 2006, ISBN 0-87335-233-5, S. 599 (Industrial minerals & rocks in der Google-Buchsuche).
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46. 1 2 3 Tamara Worzewski: Weißes Gold aus Deutschlands Geothermieanlagen. Spektrum.de, 8. Oktober 2021, abgerufen am 10. April 2022. 
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48. ↑ zdf.de vom 9. September 2018, E-Autos: Ein nur scheinbar sauberes Geschäft. In: ZDF. 10. September 2018, archiviert vom Original am 15. November 2019; abgerufen am 20. Februar 2022.  insbesondere der Abschnitt „Problemrohstoff Lithium“.
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