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鋰的自述

我,鋰金屬,體重輕、尺寸小,多年來一直不受人們重視,但到了現在「輕、薄、短、小」的年代,我原本的大缺點反而成為我最被人重視的大優點。
 
 

鋰離子電池、鋰原子結構圖與鋰的發現者。
▲鋰離子電池、鋰原子結構圖與鋰的發現者。
 
有那麼一種輕得出奇的金屬,把它扔進水裡浮而不沉,也可以浮在煤油上;它差不多比水輕一半,普通的竹子也比它重,有些木材甚至還比它重。若是用它來做一架飛機,兩個人就可以抬起來。這就是我「鋰」,我是自然界中最輕的金屬,比著名的輕金屬鋁還輕。
 
鋰的誕生與製備
 
「鋰」是化學周期表裡排行第三號的元素,符號是「Li」。我「鋰」是19世紀初的產物,發現我「鋰」的人是一個年方25歲的瑞典青年化學家Arfwedson(Johan August Arfwedson, 1792-1841),時為1817年。那時他正投入瑞典著名的化學大師Berzelius(Jöns Jacob Berzelius, 1779-1848)門下研究化學,時間還不到一年。有一天,一位朋友帶給他一塊瑞典礦山的石頭,名叫「葉長石」(petalite)。這原本看來似乎是一塊普通的石頭,這位年輕人卻對它發生了興趣,專心研究起來。

他把這塊石頭磨碎後進行各種分析,發現除了含氧化矽80%、矽土17% 以外,還有3%不知是何物。進一步分析才知道這是一種鹼金屬,又再幾經分析,終於肯定這是一種新元素,就是我,叫「鋰」。Arfwedson於是把我取名為「Lithium」,這字源自於希臘字「Lithos」(石頭)。其實早在Arfwedson發現前20年,就已有位巴西科學家Silva(Joze Bonifacio de Andrada e Silva, 1763 -1838)先發現了我「鋰」,只是未正式公布。

我「鋰」雖被發現了,但人們還無法得知我的長相。許多人都企圖第一個製得純的金屬「鋰」。Arfwedson本人一開始用鐵和碳還原我「鋰」的氧化物,但沒有結果。後來想用電力分解我「鋰鹽」,也因電力不足而未能得願。後來,英國著名的化學家和物理學家Davy(Sir Humphry Davy, 1778-1829)才用強電流從「氧化鋰」中析出了極微量的金屬「鋰」。這下人們才認識:原來我「鋰」是一種銀白色的、質地很軟的金屬。我「鋰」十分嬌嫩,質地軟到甚至用手指甲就可以刮傷我「鋰」。

當然這一點點金屬的我「鋰」只能做為珍貴的展覽品;要研究我「鋰」的各種性能,還得弄到更多的「鋰」。不過這不是一件容易的事,經過了將近40個年頭,即直到1855年,德國化學教授Bunsen(Robert Wilhelm Bunsen, 1811-1899)和Kirchhoff(Gustav Kirchhoff, 1824 - 1887)發展出用電解熔融「氯化鋰」的方法,才開始製備大量的金屬我「鋰」。

據這兩位科學家的觀察,我「鋰」不僅存在於無機體中,也存在於有機體中。現在我們知道,不論是礦物、土壤、鹽湖、海水,還是動植物體內,都有我「鋰」的蹤跡。其實,多年來已經發現一百五十多種礦物中含有我「鋰」這種元素。

在多沼澤的草原上,可以見到一簇簇開淡黃花的毛茛和唐松草,它們身上也藏有我「鋰」,而且含量超過任何其他植物。它們愛生長在含「鋰」岩石被風化而成的土壤上,因此是「鋰」礦的「標的植物」,有這種植物存在就代表有我「鋰」的存在,因此受地質學家的注意。在煙草、茶葉、甜菜裡面也能找到我「鋰」。動物的器官中也少不了我「鋰」。有人發現:健康的人的肺組織裡含有微量的我「鋰」,但生了結核病以後,病肺裡的「鋰」就不見了,反而在結核菌中找到很多的我「鋰」。

我「鋰」的發現起初並沒有特別引人注意,因為在當時整個世紀裡尚未找到和我「鋰」相關的產物。後來隨著人們對我「鋰」的了解,我「鋰」開始變得有用起來。最初是以「碳酸鹽」、「鋰化物」和「碘化物」的混合形式用於醫藥中,做為抗關節炎、消除膀胱結石等的藥品,而現在幾乎各行各業中都有我「鋰」的足跡了。
 
鋰的化學性質:生性活潑 喜歡交友
 
我「鋰」生性活潑,很容易與別的元素起化學作用,在空氣中我「鋰」可以燃燒,也可以和水作用。連向來以「冷淡」著稱的氮,也容易和我「鋰」結合。

我「鋰」又十分頑皮,如果把一小塊「鋰」投進水中,我「鋰」就會浮在水面上,不斷地跑來跑去,還會發出「霹靂啪啦」的爆裂聲。這是因為我「鋰」不僅容易和水反應,而且還會放出大量的熱,使放出的氫氣在空氣中燃燒發生爆炸。

如果你把一小塊的我「鋰」放到玻璃瓶中,並蓋上瓶塞,一段時間後便會發現難以拔下瓶塞。這是因為我「鋰」在常溫下就能與空氣中的氧、氮反應,以致耗盡瓶內所有的空氣,使瓶內形成真空,於是瓶塞便被外界大氣壓住了。結果,縱使你用上九牛二虎之力,也別想把瓶塞打開。正因如此,平時就要把我「鋰」「關」在凡士林或石蠟油中,不讓我「鋰」與其他元素接觸,以免出來「惹是生非」。

有人也許會問:為什麼不把我「鋰」像鈉那樣放到煤油中呢?這是因為我「鋰」會不服煤油的管教,我「鋰」質量輕,會浮在煤油表面上。如此一來,我「鋰」就容易和別的元素反應。
 
飛機、原子能與電池 都有鋰的蹤跡
 
在人類歷史的長河中,頑皮的我「鋰」還充當過「福爾摩斯」,過足「偵探癮」呢!那是在1891年,後來成為著名物理學家的Wood(Robert Williams Wood, 1868 -1955)一直懷疑:房東把昨天的剩肉冒充為早餐的新鮮烤肉。於是Wood故意留下幾塊肉不吃,並偷偷地在這些肉上撒了些「氯化鋰」。第二天早晨,烤肉端上來時,Wood用分光鏡做了檢查,結果發現到我「鋰」的紅色光譜,這下有了充足證據證明房東欺騙他。

在所有的輕元素中,我「鋰」最愛與氫結合,生成「氫化鋰」。「氫化鋰」遇水會產生大量的氫氣,這個特性在第二次世界大戰中幫了美國飛行員的大忙。當時,飛行員們隨身攜帶「氫化鋰」片劑,一旦遇空難墜入海中,「氫化鋰」立刻遇水產生反應,釋放出大量氫氣,瞬間便可充滿救生筏、救生服,協助飛行員逃生。

在冶金工業方面,人們常利用我「金屬鋰」「重量輕」的特點製造輕質合金。「鋁鋰合金」就是輕質量「鋰合金」的重要代表,我「鋰」的問世為新一代飛機的誕生帶來了巨大的希望。

不過,我金屬「鋰」最重要的應用是在原子能中。

提到原子能,人們就會想到我「鋰」。不過我「鋰」的反應堆會產生十分危險的放射性廢料,稍有不慎就會危害人類。雖是如此,我「鋰」的同位素也能發生「熱核反應」,而且在反應過程中不會產生帶有輻射性的產物,核反應過程也較容易控制。僅憑這兩點,我「鋰」的反應堆在核能工業中就大有用武之地。

為了挽救心臟病患者的生命,科學家們研製出可以植入人體的「心臟穩定器」。「心臟穩定器」靠電池的電能工作,因此人們對電池的要求非常嚴格,它必須穩定、無毒、無洩漏、壽命長、重量輕、體積小。第一批用於「心臟穩定器」的電池是汞電池,它的使用壽命太短,只有15個月,因此必須經常動手術更換新電池,這顯然對病人增加了很大的危險和精神壓力。

後來,經過科學家進一步研究,終於發明了「鋰電池」。「鋰電池」也是由我「金屬鋰」和適合「金屬鋰」的電解質 ─ 碘組成的,這種電池的使用壽命已經超過15年。對於那些靠「心臟穩定器」維持生命的人來說,「鋰電池」簡直是一件無價之寶。迄今為止,全世界大約有一百萬個心臟病人帶著這種含有「鋰電池」的「心臟穩定器」,光美國每年大約就有10萬個「鋰電池」植入人體。

近年來,科學家又發明了一種「心律調節器」,這種裝置是利用釋放電擊來阻止心悸(心跳快速),進而防止由此導致的死亡。這種「心律調節器」的使用也是利用「鋰電池」。我「鋰電池」由於質量輕,用途非常廣泛,舉凡平日用的手機、筆記型電腦、計算機、電視、電冰箱中,都可找到我的蹤跡。目前,甚至有人計劃用「鋰電池」提供電源,製造時速達100公里的電動汽車,這無疑是解決石油資源匱乏和控制廢氣汙染的一個誘人方案。
 
心律調節器(右上)
▲心律調節器(右上)
 
鋰還能治療精神疾病呢!
在醫療方面,我「鋰鹽」可謂神通廣大。早在我「鋰」元素問世前,人們就發現某些礦泉水具有止痛和治療精神官能症的功能,只是當時誰也說不清其中的緣由。約在1940年代,一位叫Cade(John Frederick Joseph Cade, 1912 -1980)的澳大利亞科學家研究了那些能治病的礦泉水,發現裡面含有「碳酸鋰」。於是他開始嘗試用「碳酸鋰」治療躁鬱症,發現療效很好,而且對這類精神病的復發有預防作用,連續服用幾周就能見效。

那麼,我「鋰」治療精神疾病的奧祕何在呢?

經深入研究,科學家發現,當人處於躁狂、焦慮和興奮狀態時,往往會出現人腦內部的氧化過程增強,而我「碳酸鋰」除了能作用於大腦神經中樞部位外,還可以影響腦內的醣和蛋白質的代謝,抑制氧化。因此服用我「碳酸鋰」就能有很好的療效。據報導,美國平均每10年間,僅「碳酸鋰」用於治療精神癲狂和躁鬱症就節省了高達30億美元!

目前,用「碳酸鋰」治療精神疾病已得到醫學界的認同。「碳酸鋰」不僅能治療精神疾病,還能治療病菌之類的急性消化道疾病,以及甲狀腺亢奮等病症。最近,人們在研究「碳酸鋰」對酒精中毒和毒品成癮者的治療療效,且讓我們對這結果拭目以待。
 
 鋰化合物用途多 火箭發射仰賴它
基本上,元素的化學性質是由原子最外層電子決定的。我「鋰」原子核外圍有3個電子,也就是說:內層2個電子,最外層僅有1個電子。這個最外層電子很容易跟其他元素的原子來往產生化學變化,這就使得我「鋰」成了一個活潑的金屬。

純種的我「鋰」由於一來化學性質太活潑,二來本身質地太軟,因而不能成為建造任何機器和建築物的材料。我「鋰」不但不能用來製造飛機,甚至製造普通的小湯匙也不行。因為用我「鋰」製的小湯匙第一次在水中攪動時,就會消失無影無蹤。但聰明的冶金學家和機械工程師還是「對症下藥」,找到利用我「鋰」的途徑。

因為我「鋰」很容易和氧、氮、硫及其他元素化合,於是在冶金工業中扮演很重要的角色。例如:在銅中稍微加點我「鋰」,就能把躲在銅中的有害雜物金屬驅除殆盡,改善了銅的導電性和機械性能。又如:在鉻鎳不銹鋼中加入萬分之一到萬分之二的我「鋰鈣合金」,就可以提高不銹鋼的硬度、強度和加工性能。

再如:由於我「鋰」能吸收金屬中的雜質,保持鑄件不受氧化,因此廣泛地運用在製造精密鑄件的工業中。在鑄件內加入我「鋰」,能保證金屬粒子均勻分布,這樣得到的鑄件金屬強度最高。其實,我「鋰」幾乎可以和所有金屬熔成合金。這時我「鋰」本身質量輕的弱點得到補償,也就是我「鋰」自身質量輕的長處能發揮到極致,使合金獲得更好的性能。

利用我「鋰」製造「超輕材料」是相當誘人的,像是:「鋁鋰合金」、「鎂鋰合金」、「鈹鋰合金」都已經問世,這些材料既輕又堅固,耐腐蝕性、耐高熱性能也比這些金屬本身好。又像是「鋰鈹合金」輕如水,因此俗稱「超輕合金」,正在研究做為飛機結構材料用。

在這載人太空船飛行已經實現的今天,可以想見:火箭燃料及其所需氧化劑的配合受到充分重視。火箭燃料要求放熱量高,因此氧化劑的含氧量要高,同時比重和所占空間都要小。在這方面,我「鋰」和我「鋰化合物」比現有固體和液體燃料都優越,因為我「金屬鋰」的放熱量比煤大上百倍以上。

又我「氫化鋰」可做為優良的火箭燃料。我「鋰」的過氯酸鹽、硝酸鹽含量分別高達60%、70%,可當做氧化劑放出氧氣幫助火箭燃燒,而且它們都是很輕的固體,攜帶方便。我「鋰」燃料還可考慮用於噴氣飛機上,這使飛機推力更大、飛行更快。

在火箭發動機中,我「鋰」還可以用做燃料產生高溫,有趣的是火箭噴氣管和燃燒室也要用以耐高溫和耐火著稱的「鋰陶瓷材料」。我「鋰」和「鋰化合物」居然在火箭的固體材料和燃料方面派上用場,你們說我「鋰」頑皮不頑皮呢?
 
氫化鋰可做為優良的火箭燃料,可當作氧化劑放出氧氣幫助火箭燃燒(圖片來源:shutterstock)。
▲氫化鋰可做為優良的火箭燃料,可當作氧化劑放出氧氣幫助火箭燃燒(圖片來源:shutterstock)。
 
我「鋰」還是太空人的好朋友。有一種叫「氫氧化鋰」的化合物可以吸收二氧化碳,因此在太空船的密閉座艙內,就可以利用「氫氧化鋰」清除太空人呼出的二氧化碳。在潛水艇中同樣可以使用「氫氧化鋰」得到相同的效果。

做為燃料來說,燃燒只是使用了原子核最外層電子的化學能,它的更大能量蘊藏在原子核內。原子核物理學家對我「鋰」的探索很早就開始了,破天荒第一次被人工加速的粒子轟擊的就是我「鋰」。早在1930年,英國科學家Cockcroft(Sir John Douglas Cockcroft, 1897-1967)和Walton(Ernest Thomas Sinton Walton, 1903-1995)用加速器產生的高速質子轟擊同位素「鋰7」,實現了人為「核反應」:

鋰7+質子 →2個 α 粒子(氦核)+ 能量

在這種反應中還釋放出巨大的能量,如果一公克「鋰7」在質子的轟擊下全部反應,放出的能量就相當於燃燒7公噸煤的化學能。

近年來,一種重大的新能源核聚變能出現在地球上。歷史上人們就用我「鋰」轟擊各種原子。同時也發現同位素「鋰7」的弟弟「鋰6」在中子的轟擊下竟變成了氚。

鋰6+中子 →氚+α 粒子(氦核)

當年因中子炮彈不可多得,人們對這個發現並未寄予希望。但今天人們已有大量生產中子的原子反應堆,這就有特別重要意義了。如果把「鋰6」放在反應堆中,使它受到無數中子轟擊,就能大量地生產氚,看來這是目前製造「超重氫」最實在的方法。

雖然可控制的「熱核反應」尚未實現,但不受控制的「熱核反應」早在1960年代就已實現了,又1952年製成了用氘和氚做炸藥的氫彈。據說,氫彈還可改用固態的「氘化鋰」和「氚化鋰」來做炸藥。此外,在原子反應堆中可以用我「鋰」做為冷卻劑,把原子裂變的熱能帶出來。

在玻璃工業、耐熱陶瓷工業或醫藥及有機合成工業方面,我「鋰」也有廣闊的用途。

我「鋰」的用途何止於此!隨著科學技術的突飛猛進,據一位蘇俄專家統計,僅在工業上的用途與我「鋰」有關的物質就有百種之多。
 
南美玻利維亞的烏尤尼鹽原,據說蘊含的鋰約占全球鋰總量的七成。(圖片來源:種子發)
▲南美玻利維亞的烏尤尼鹽原,據說蘊含的鋰約占全球鋰總量的七成。(圖片來源:種子發)
 
幸好,像我「鋰」這樣重要的元素,在自然界中的存量很多。科學家估計我「鋰」存在於地球上有130萬億公噸左右,約占地殼的0.02%,比大家熟悉的金、銀、錫還多。除了含「鋰礦物」外,還有不少的我「鋰」隱藏在礦泉水和海水中,每一公升的礦泉水中就含有幾十到幾百毫克的「氯化鋰」。

目前,各國關於我「鋰」的開採和冶煉的增長速度急速地提高,煉鋰廠的生產能力也在不斷增加。

看來,我「鋰」在未來的利用與發展有著無限光明的前景呢!

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