Lithium
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Lithium
HéliumLithiumBéryllium
H
  Structure cristalline cubique à corps centré

3
Li
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Li
Na
Table complèteTable étendue
Informations générales
Nom, symbole, numéro Lithium, Li, 3
Série chimique Métal alcalin
Groupe, période, bloc 1, 2, s
Masse volumique 0,534 g·cm-3 (20 °C)[1]
Dureté 0,6
Couleur Blanc argenté / gris
No CAS 7439-93-2
No EINECS 231-102-5
Propriétés atomiques
Masse atomique 6,941 ± 0,002 u [1]
Rayon atomique (calc) 145 pm (167 pm)
Rayon de covalence 1,28 ± 0,07 Å [2]
Rayon de van der Waals 182 pm
Configuration électronique [He] 2s1
Électrons par niveau d’énergie 2, 1
État(s) d’oxydation +1
Oxyde base forte
Structure cristalline Cubique centré
Propriétés physiques
État ordinaire Solide diamagnétique
Point de fusion 180,5 °C [1]
Point d’ébullition 1 342 °C [1]
Énergie de fusion 3 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 145,92 kJ·mol-1
Température critique 3 223 °C [3]
Pression critique 68,9 MPa [3]
Volume critique 66 cm3·mol-1 [3]
Volume molaire 13,02×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 1,63×10-8 Pa
à 180,54 °C
Vitesse du son 6 000 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 0,98
Chaleur massique 3 582 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 10,8×106 S·m-1
Conductivité thermique 84,7 W·m-1·K-1
Énergies d’ionisation[4]
1re : 5,391719 eV 2e : 75,6400 eV
3e : 122,45429 eV
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
6Li 7,5 % stable avec 3 neutrons
7Li 92,5 % stable avec 4 neutrons
8Li {syn.} 0,838 s β- 16 8Be
Précautions
Directive 67/548/EEC[5],[6]
Corrosif
C
Facilement inflammable
F
Phrases R : 14/15, 34,
Phrases S : (1/2), 8, 43, 45,
Transport[5]
X423
   1415   
SIMDUT[7]
B6 : Matière réactive inflammableE : Matière corrosive
B6, E,
SGH[8],[6]
SGH02 : InflammableSGH05 : Corrosif
Danger
H260, H314, EUH014, P223, P231, P232, P280, P305, P338, P351, P370, P378, P422,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3. Dans le tableau périodique des éléments, il est situé dans le groupe 1, parmi les métaux alcalins. Comme tous les métaux alcalins, il est très réactif et est généralement conservé dans de l'huile minérale pour le préserver de l'air. Le lithium pur est un métal mou, de couleur blanc argenté, qui se ternit et s'oxyde très rapidement au contact de l'air et de l'eau, prenant une teinte grise virant rapidement à l'anthracite et au noir. C'est l'élément solide le plus léger. Il est essentiellement utilisé pour réaliser des verres et des céramiques réfractaires, des alliages à la fois légers et résistants pour l'aéronautique, et surtout des piles au lithium et des batteries au lithium.

En raison de sa très grande réactivité chimique, le lithium n'existe pas à l'état natif dans le milieu naturel, et ne s'y trouve que dans des composés le plus souvent ioniques. On l'extrait de minéraux de type pegmatite, ainsi que d'argiles et de saumures. Il est produit industriellement par électrolyse d'un mélange de chlorure de lithium et de chlorure de potassium. Les réserves mondiales de lithium étaient estimées à 13 millions de tonnes fin 2010[9], dont 58 % au Chili et 27 % en Chine. La production mondiale, quant à elle, s'est élevée à 25 300 tonnes en 2010, hors États-Unis (dont les données ne sont pas rendues publiques par l'USGS), assurée essentiellement par le Chili (35 %), l'Australie (34 %), la Chine (18 %) et l'Argentine (11,5 %).

Le noyau des deux isotopes stables du lithium comptent parmi les noyaux atomiques ayant l'énergie de liaison par nucléon la plus faible de tous les isotopes stables, ce qui signifie que ces noyaux sont en fait assez peu stables comparés à ceux des autres éléments légers. C'est pourquoi ils peuvent être utilisés dans des réactions de fission nucléaire comme de fusion nucléaire. C'est également la raison pour laquelle le lithium est moins abondant dans le Système solaire que 25 des 32 éléments chimiques les plus légers[10]. Le lithium joue par conséquent un rôle important en physique nucléaire. La transmutation d'atomes de lithium en tritium a été la première réaction de fusion nucléaire artificielle, et le deutérure de lithium est le combustible de la bombe H.

Le lithium est présent à l'état de traces dans les océans et chez tous les êtres vivants. Il ne semble pas avoir de rôle biologique notable car les animaux et les végétaux peuvent vivre en bonne santé dans un milieu dépourvu de lithium. Les éventuelles fonctions non vitales du lithium n'ont pas non plus été élucidées, cependant l'administration d'ions Li+ sous forme de sels de lithium s'est révélée efficace comme thymorégulateur, notamment en cas de trouble bipolaire.

Sommaire

Histoire

Le lithium (du grec lithos signifiant « pierre ») a été découvert par Johan August Arfwedson en 1817.

Arfwedson découvrit un nouveau sel en analysant des minéraux de pétalite, de spodumène et de lépidolite en provenance de l'île de Utö, commune de Haninge en Suède.

En 1818, Christian Gmelin (1792 - 1860) fut le premier à observer que ces sels (de lithium) donnaient une flamme rouge et brillante.

Toutefois, les deux hommes cherchèrent à isoler l'élément de son sel mais n'y parvinrent pas. L'élément fut isolé par électrolyse d'un oxyde de lithium par William Thomas Brande et Sir Humphry Davy. On lui donna le nom de lithium pour rappeler qu'il fut découvert dans le règne minéral.

La production commerciale de lithium commença en 1923 par la firme allemande Metallgesellschaft AG qui utilisa l'électrolyse d'un mélange de chlorure de lithium et de chlorure de potassium fondu.

Propriétés

Le lithium est le métal ayant la plus faible masse molaire et la plus faible densité, avec une masse volumique inférieure de moitié à celle de l'eau. Conformément à loi de Dulong et Petit, c'est le solide ayant la plus grande chaleur massique.

Comme les autres métaux alcalins, le lithium réagit facilement au contact de l'eau ou de l'air (cependant moins que le sodium) ; il n'existe pas à l'état natif.


Lorsqu'il est placé au-dessus d'une flamme, celle-ci prend une couleur cramoisie mais lorsqu'il commence à brûler, la flamme devient d'un blanc très brillant. En solution, il forme des ions Li+.

Utilisation

Le lithium est souvent utilisé comme anode de batterie du fait de son grand potentiel électrochimique. Les batteries lithium sont très utilisées dans le domaine des systèmes embarqués du fait de leur grande densité énergétique aussi bien massique que volumique.

Autres usages :

Le lithium 6 est une matière nucléaire dont la détention est réglementée (Article R1333-1 du code de la défense).

Biologie

Le lithium est trouvé à l'état de traces dans le plancton, dans de nombreuses plantes et invertébrés à des concentrations variant de 69 ppb à 5760 ppb. Dans les tissus et fluides vitaux des vertébrés, la concentration varie de 21 à 763 ppb[13]. Les organismes marins accumulent davantage de lithium dans leurs tissus que leurs homologues terrestres[14]. Le rôle du lithium dans le vivant est encore assez obscur[13] mais des études nutritionnelles chez les mammifères l'impliquent comme facteur de bonne santé et suggèrent qu'il doit être considéré comme un élément-trace essentiel avec une DJA de l'ordre de 1 mg/jour[15]. Une étude épidémiologique observationnelle récente (2011) indiquerait un lien entre entre le taux de lithium dans l'eau de boisson et la longévité[15].

Gisements

Échantillons de lithium métallique

Le lithium est bien moins abondant que les alcalins et alcalino-terreux usuels (Na, K, Mg, Ca) même s'il est largement distribué dans la nature (ce n'est que le 33e élément le plus abondant sur Terre[16]).

On ne le trouve pas sous sa forme métallique à cause de sa grande réactivité, et il n'existe, en concentration permettant une exploitation économique rentable qu'en très peu d'endroits sur Terre. On le trouve principalement comme impureté dans les sels d'autres métaux alcalins, sous forme principalement de :

  • chlorures (LiCl), essentiellement dans les saumures de certains vieux lacs salés continentaux et mélangé à d'autres sels de métaux alcalins ;
  • silicates, dont spodumène, LiAl (Si2O6)) ou petalite (Li(AlSi4O10)) dans la pegmatite ;
  • l’hectorite, une sorte d'argile de formule Na0,4Mg2,7Li0,3Si4O10 (OH)2, issue de l'altération de certaines roches volcaniques ;
  • jadarite, Li Na Si B3 O7 (OH) qui est un borate.

L'USGS évaluait en 2009 les ressources mondiales exploitables à 11 millions de tonnes (USGS)[17].

Le plus grand gisement au monde est le Salar de Uyuni, dans le département de Potosí, au sud-ouest de la Bolivie. Ce gisement représente un tiers des ressources mondiales et intéresse beaucoup le groupe Bolloré[18]. Le Chili possède le deuxième plus grand gisement avec le salar d'Atacama. L'Argentine possède également un gisement de lithium, avec le salar del Hombre Muerto, à une centaine de kilomètres au nord d'Antofagasta de la Sierra, dans le nord-ouest du pays. Ce gisement est difficile d'accès, il n'y a que des pistes en terre naturelle pour y parvenir.

D'autres gisements sont exploités notamment des lacs salés au Tibet ainsi que des mines en Australie, en Russie et aux États-Unis. Le Chili est devenu le premier exportateur mondial depuis 1997, la compagnie allemande Chemettall en étant l'opérateur principal[18]. En mars 2008, la Bolivie a autorisé l'exploitation du lithium sur le lac salé fossile d'Uyuni et la création d'une usine d'extraction[18].

Les eaux géothermiques de Salton Sea (Californie) sont aussi riches en lithium que les lacs salés boliviens et chiliens. Un procédé original et récent a permis d'en extraire du lithium pur. Le premier prototype de démonstration espère produire environ 1 tonne de métal de lithium par mois [19],[20]; Un gisement a été découvert en 2010 dans les environs de la Baie James au Canada.

De très importantes réserves en Afghanistan ont été récemment (juin 2010) évoquées dans la presse [21],[22].

Économie

Les principaux producteurs sont le Chili, avec le Salar d'Atacama (39,3 % de la production mondiale), la Chine (13,3 %) et l'Argentine (9,8 %), selon les statistiques du Meridian International Research[23].

La production annuelle est estimée en 2007 à 25000 tonnes selon le service de géologie des États-Unis (USGS)[18],[24].

La demande ayant explosé, notamment pour la production de batteries en lithium-ion pour le marché de l'informatique et de la téléphonie, le prix du lithium est passé d'environ 310 €/tonne à 2 000 €/tonne (350 $/tonne à près de 3 000 $/tonne) entre 2003 et 2008[18].

Les réserves mondiales de lithium étaient estimées par l'USGS à plus de 11 millions de tonnes[25]. Ces chiffres sont contestés par le cabinet Meridian International Research, qui pense que les réserves actuelles pourraient ne pas suffire pour une utilisation massive dans les batteries lithium-ion[26].

Environnement

Le lithium métallique réagit avec l'azote, l'oxygène et la vapeur d'eau dans l'air. Par conséquent, la surface de lithium devient un mélange d'hydroxyde de lithium (LiOH), de carbonate de lithium (Li2CO3) et de nitrure de lithium (Li3N), l'hydroxyde de lithium étant corrosif du fait de son pH fortement basique. Une attention spéciale devrait être portée aux organismes aquatiques (toxicité de l'ion lithium en milieu aquatique).[réf. nécessaire]

Notes et références

  1. a, b, c et d (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0) 
  2. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », dans Dalton Transactions, 2008, p. 2832 - 2838 [lien DOI] 
  3. a, b et c « Lithium, elemental » dans la base de données Hazardous Substances Data Bank, consulté le 1 mai 2010
  4. "Ionization Energies of Atoms and Atomic Ions," in CRC Handbook of Chemistry and Physics, 91st Edition (Internet Version 2011), W. M. Haynes, ed., CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL., p. 10-203
  5. a et b Entrée de « Lithium » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 26 mars 2011 (JavaScript nécessaire)
  6. a et b SIGMA-ALDRICH
  7. « Lithium » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  8. Numéro index 003-001-00-4 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  9. (en) USGS Minerals « Lithium. »
  10. (en) Katharina Lodders, « Solar System Abundances and Condensation Temperatures of the Elements », dans The Astrophysical Journal, vol. 591, no 2, 2003, p. 1220 [texte intégral, lien DOI (pages consultées le 7 février 2011)] 
  11. Dr Elie Hantouche (psychiatre) et Régis Blain, La Cyclothymie, pour le pire et le meilleur, éditions Robert Lafont, 254 pages. Dr Christian Gay (psychiatre), Vivre avec un maniaco-dépressif, Hachette Littératures, 211 pages.
  12. http://education.jlab.org/itselemental/ele003.html
  13. a et b Some Facts about Lithium, ENC Labs. Consulté le 2010-10-15
  14. C Chassard-Bouchaud, « Bioaccumulation of lithium by marine organisms in European, American, and Asian coastal zones: microanalytic study using secondary ion emission », dans Comptes rendus de l'Academie des sciences. Serie III, Sciences de la vie, vol. 299, no 18, 1984, p. 719–24 [lien PMID] 
  15. a et b K.Zarse et al., Low-dose lithium uptake promotes longevity in humans and metazoans, European Journal of Nutrition, 2001, vol.50(5), pp. 387-389. DOI:10.1007/s00394-011-0171-x, résumé.
  16. http://www.enerzine.com/14/4503+le-lithium-du-tibet+.html
  17. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lithium/mcs-2008-lithi.pdf Chiffres de la production de lithium à l'échelle mondiale, USGS, 7 janvier 2009
  18. a, b, c, d et e http://www.lemonde.fr/planete/article/2008/10/07/les-ressources-limitees-de-lithium-pourraient-freiner-l-essor-des-voitures-electriques_1103972_3244.html Les ressources limitées de lithium pourraient freiner l'essor des voitures électriques, Le Monde, 7 octobre 2008
  19. http://www.enerzine.com/4/8869+les-centrales-geothermiques-fourniront-aussi-du-lithium+.html
  20. http://www.physorg.com/news179999592.html
  21. http://www.nytimes.com/2010/06/14/world/asia/14minerals.html U.S. Identifies Vast Mineral Riches in Afghanistan
  22. http://www.alterinfo.net/L-Afghanistan-est-riche-en-matieres-premieres-et-en-mineraux-Qui-va-les-exploiter_a43028.html L’Afghanistan est riche en matières premières et en minéraux - Qui va les exploiter?
  23. http://www.lefigaro.fr/international/2009/09/08/01003-20090908ARTFIG00367-la-bolivie-futur-moyen-orient-du-lithium-.php
  24. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/lithium/mcs-2008-lithi.pdf Chiffres de la production de lithium à l'échelle mondial, USGS, 7 janvier 2009
  25. Données sur le lithium, source USGS
  26. The trouble with lithium, étude du cabinet Meridain International Resarch]

Voir aussi

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1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés


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