リチウムとは｜化学的性質・同位体・用途（電池・医薬品）解説

リチウム（ギリシャ語のlithos「石」に由来）は、銀白色の柔らかい金属で、記号はLi。周期表では3番目の化学元素で、原子番号は3、原子量は約6.94です。電子配置は[He] 2s1で、アルカリ金属（第1族）に属します。リチウムは地球上で最も軽い金属の一つで、室温では非常に柔らかく、ナイフで切れるほどです。

基本的な性質

原子番号：3
標準原子量：約6.94
電子配置：[He] 2s1
密度：約0.534 g/cm3（20 °C） — 金属としては非常に軽い
融点：約180.5 °C、沸点：約1342 °C
電気陰性度（ポーリング）：約0.98
標準電極電位（Li+/Li）：約 −3.04 V（強い還元性を示す）

リチウムは空気中や水と非常に反応しやすく、空気中では酸化膜や炭酸塩、窒化物を素早く表面に生成します。水と反応すると水酸化リチウム（LiOH）と水素ガスを生じ、激しく反応します。金属リチウムは通常、油中や不活性雰囲気下で保存されます。

同位体

リチウムには主に2つの安定同位体があり、⁶Liと⁷Liが自然に存在します。自然界のリチウムのうち約92.5%が⁷Li、残りが⁶Liです。各同位体は以下のような特性と用途があります。

⁷Li：核反応での中性子捕捉断面が小さいため、原子炉の冷却材や化学反応で好まれることが多い。同位体分離された⁷Liは、原子力技術や核化学で重要。
⁶Li：中性子を捕獲して三重水素（トリチウム）を生成する反応（⁶Li + n → 3H + 4He）に利用され、核融合燃料の生産や中性子検出材料、核兵器関連技術に関わる用途があります。

化合物と化学的性質

代表的なリチウム化合物には次のようなものがあります：炭酸リチウム（Li2CO3）、水酸化リチウム（LiOH）、塩化リチウム（LiCl）、酸化リチウム（Li2O）、リチウムフッ化物（LiF）など。リチウムは有機リチウム化合物（例えばn‑ブチルリチウムなど）の形でも広く使われ、これらは強塩基・強求核剤として有機合成に欠かせない試薬です。多くのリチウム化合物は吸湿性があり、空気中のCO2や水分と反応するため取扱いに注意が必要です。

主な用途

電池

現在、リチウムの最も重要な用途は電池（特にリチウムイオン電池）です。リチウムイオン電池は高エネルギー密度、長寿命、自己放電が小さいことから、スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車（EV）や蓄電システムに広く使われています。正極材料にはLiCoO2、LiFePO4、NMC（ニッケル・マンガン・コバルト酸リチウム）などがあり、電解質は有機溶媒にリチウム塩（LiPF6など）を溶かしたものが一般的です。

一方、リチウム電池は過充電や高温で熱暴走（thermal runaway）を起こし発火・爆発する危険があるため、保護回路やセル設計、冷却システム、安全性評価が重要です。電池リサイクル技術も急速に発展しており、資源の回収と環境負荷低減が進められています。

医薬品

リチウム塩（代表的には炭酸リチウム、Li2CO3）は気分安定薬として古くから用いられており、特に双極性障害（躁うつ病）の躁状態や再発予防に効果的です。作用機序は完全には解明されていませんが、神経伝達物質や細胞内シグナル伝達経路（GSK‑3βなど）に影響を与えると考えられています。

有効域が狭く、血中濃度のモニタリングが必要（中毒に注意）
副作用：震え、口渇、多尿、腎機能障害、甲状腺機能低下などが報告される
妊婦や腎障害のある患者では慎重投与が必要

その他の用途

航空宇宙材料やアルミニウム合金の改善用添加元素（軽量化・強度向上）
耐熱ガラスやセラミックス、潤滑剤（グリース）添加剤
有機合成薬品、還元剤、触媒など化学工業での原料
核工学分野では同位体利用（上記のように⁶Liや⁷Liの用途）

資源と生産

リチウムは地殻中に広く存在しますが、経済的に採掘できる形態は限られます。主な資源は:

塩湖（ブラine）— 南米（チリ、アルゼンチンなど）の塩湖地下水が代表例で、蒸発法で濃縮してリチウムを回収します。
鉱石（スポジュメン（spodumene）、ペタライト、リーピドライトなど）— オーストラリアなどでの硬岩鉱山が主要供給源。
粘土鉱床 — 新たな開発対象として注目

主要生産国はオーストラリア、チリ、中国、アルゼンチンなどで、リチウム需要の急増に伴い採掘・精製・リサイクル体制の拡充が進んでいます。

安全性と環境への影響

金属リチウムは水や空気と反応するため、取扱いには注意が必要です。皮膚や眼に対する腐食性は低めですが、金属が燃焼すると有害なガスを生じることがあります。化合物も種類により毒性や刺激性があるため、標準的な化学薬品の安全管理（保護具、局所排気、適切な保管）が必要です。

環境面では、塩湖からの抽出が水資源や生態系に影響を与えることが懸念されており、地域住民への影響や持続可能性を巡る議論があります。使用済み電池の適切な回収・リサイクルは資源循環と環境保護の観点から重要です。

まとめ

リチウムは軽く強い還元性を持つアルカリ金属で、電池や医薬品をはじめ幅広い産業で重要な役割を果たしています。同時に、取り扱いの安全性や資源・環境問題、同位体を巡る核関連用途など注意すべき点も多く、技術・規制・社会的合意を踏まえた利用が求められます。

プロパティ

物性値

リチウムはアルカリ金属の一つです。リチウムは銀色の固体金属である（切断したての場合）。非常に柔らかい。そのため、ナイフで簡単に切断することができます。低温で溶ける。非常に軽く、木に似ている。金属で最も密度が低く、固体でも液体でも最も密度が低い元素である。他のどの固体元素よりも熱を保持することができる。熱や電気を通しやすい。

化学的性質

水と反応して水素を出し、塩基性溶液（水酸化リチウム）になる。このため、リチウムは石油ゼリーで保存しなければならない。ナトリウムやカリウムは油の中に入れておくことができますが、リチウムは軽いので無理です。油の上に浮いているだけで、油で保護されることはないのです。

リチウムはハロゲンとも反応する。窒素ガスと反応して窒化リチウムを作ることができます。空気と反応して黒い変色をし、水酸化リチウムと炭酸リチウムの白い粉末になります。

化合物

こちらもご参照ください。カテゴリ:リチウム化合物

リチウムは1つの酸化状態のみで化合物を形成する。+1.その多くは白色で反応性がない。炎で加熱すると鮮やかな赤色を呈する。少し毒性がある。ほとんどが水に溶ける。炭酸リチウムは、炭酸ナトリウムのような他のアルカリ金属炭酸塩に比べて、水に溶けにくい。

炭酸リチウム、医薬品に使用
塩化リチウム、無色の結晶性固体、加熱すると赤い炎が出る
水酸化リチウム、強塩基、宇宙船の二酸化炭素除去に使われる
硝酸リチウム、酸化剤
窒化リチウム、強塩基
酸化リチウム、水に溶けて水酸化リチウムになる
過酸化リチウム、水と反応して酸素を作る

硝酸リチウム

水酸化リチウム

炭酸リチウム

塩化リチウム

リチウムの炎試験

発生状況

自然界には元素として存在しない。リチウム化合物の形でしか存在しない。海には大量のリチウムが含まれている。ある種の花崗岩には大量のリチウムが含まれている。ほとんどの生物にリチウムが含まれている。塩の中にリチウムが多く含まれている場所がある。ある珪酸塩にはリチウムが含まれている。

歴史

リチウム（ギリシャ語で「石」の意味）は、1817年にヨハン・アルフヴェドソンによって発見された。1818年、クリスチャン・グメリンは、リチウム塩が炎の中で明るい赤色になることを観察した。その後、W.T.ブランデとサー・ハンフリー・デイヴィーが酸化リチウムの電気分解を行い、この元素を単離した。リチウムは最初、グリースに使われた。その後、核兵器がリチウムの大きな用途となった。リチウムはまた、ガラスを溶けやすくしたり、アルミニウムを作る際に酸化アルミニウムを溶けやすくするためにも使われました。現在、リチウムは主に電池に使われています。

他の一般的なアルカリ金属が植物組織から最初に発見されたのに対し、リチウムは鉱物から発見されたため、「リチウム」という名前がついたようだ。

準備

プールや温泉から塩化リチウムを採取して作ります。その塩化リチウムを溶かし、電気分解する。これで液体リチウムと塩素ができる。

使用方法

エレメントとして

主な用途は電池である。リチウムはリチウム電池の負極として使われます。アルカリ電池のような亜鉛を使った電池よりもパワーがあります。リチウムイオン電池にも、元素としてではありませんが、リチウムが入っています。また、熱伝導合金にも使われています。リチウムは有機リチウム化合物を作るのに使われます。非常に強い塩基に使われます。

化合物において

リチウム化合物は、気分安定剤として知られるいくつかの薬に使用されています。ニオブ酸リチウムは、携帯電話の無線送信機に使用されています。一部のリチウム化合物はセラミックにも使われています。塩化リチウムは、他のものから水を吸収することができます。いくつかのリチウム化合物は、石鹸やグリースを作るのに使われています。

安全性

リチウムは水と反応し、刺激性のある煙や熱を発生させる。他のアルカリ金属ほど危険ではありません。水酸化リチウムは非常に腐食性が高い。

同位体

リチウムには、原子核にそれぞれ2、3、4、5、6個の中性子を持つ5つの同位体があります。自然界で最も一般的な同位体は₃ Li⁷ で、全体の 92.58 %を占めています。2番目に広く出回っている同位体は、₃ Li⁶ で、全体の7.42 %を占めています。他の3つの同位体は非常に少量しか存在しない。リチウムの原子質量は6.939である。

質問と回答

Q:リチウムの記号は何ですか?

A:リチウムの記号はLiです。

Q:リチウムの原子番号は何番ですか?

A:リチウムの原子番号は3である。

Q:リチウム原子の原子核にある陽子はいくつですか?

A:リチウム原子の原子核には3個の陽子があります。

Q:リチウムの2つの一般的な同位体とは何ですか?

A:リチウムの2つの一般的な同位体は、6Liと7Liです。

Q:どちらの同位体がより一般的ですか?

A:7Liの方が多く、自然界に存在するリチウム原子の92.5%を占めています。

Q:リチウムはどんな性質を持っていますか?

A:リチウムは銀白色の柔らかい色をしており、非常に反応性が高いです。