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리튬

상태와 변화2016.10.24 14:57

   

최근에 우리나라 정부는 남미의 볼리비아와 리튬 자원 개발 및 산업화 연구에 한국 기업이 참여하는데 합의하고, 합작 사업을 위한 양해각서를 체결하였다. 도대체 리튬은 어떤 원소이며, 전지 이외에는 어디에 사용되는지, 그리고 왜 그 먼 곳까지 가서 리튬 자원을 확보해야 하는지를 알아보기로 하자.

원자번호 3번, 리튬

리튬

은 원자번호 3번의 원소로 원소기호는 Li이다. 주기율표에서 알칼리 금속

족(1족)에 속하며, 은백색 금속이다. 금속 중에서 가장 가볍고 고체 원소 중에서는 밀도가 가장 낮다. 다른 알칼리 금속과 마찬가지로, 물, 산소와 잘 반응하며 자연 상태에서는 화합물로만 존재한다. 현대 우주론에 따르면, 우주 생성의 대폭발(빅뱅) 때 수소, 헬륨과 더불어 생성된 원소이나, 핵의 안정성이 크지 않아 대부분 파괴되어 현재 지각에서의 존재량은 무게 비로 단지 0.002~0.007%일 뿐이다. 칼로 자를 수 있을 정도로 무르나, 알루미늄이나 마그네슘과의 합금은 매우 가볍고 강하여 항공기 부품 재료로 이용된다. 냉전 시대에는 수소 폭탄 제조와 연관하여 큰 관심을 끌었다. 20 세기 후반부터 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 전지리튬 이온 2차 전지의 양극 물질로 사용되어 휴대용 전자 제품의 혁신을 가져왔으며, 전기 자동차의 대중화를 위한 필수적인 원소가 되었다.

   

원자번호 3번, 리튬.

리튬 원소 정보.

리튬의 발견

리튬을 발견한 스웨덴의 아르프베드손.

   

스웨덴의 베르셀리우스(J. J. Berzelius, 1779~1848) 연구실의 젊은 조수였던 아르프베드손(J. A. Arfwedson, 1792~1841)이 1817년에 리튬 장석(petalite: LiAlSi4O10)에서 처음 발견하였다. 아르프베드손은 새로 발견된 원소가 당시 알려진 알칼리 금속인 소듐(Na), 포타슘(K)과 비슷한 형식의 화합물들을 형성하나, 이의 탄산염과 수산화물은 물에 대한 용해도가 낮음을 알아내었다.

베르셀리우스는 소듐과 포타슘이 식물에서 발견된 것과는 달리, 이 알칼리 원소는 고체 광석에서 발견된 것을 나타내기 위해 암석의 그리스어 'lithos'에서 따와 리튬(lithium)이라 명명하였다. 1821년에 브란드(W. T. Brande, 1788~1866)는 산화 리튬(Li2O)을 전기분해시켜 금속 리튬을 처음으로 분리하였다.

   

원자구조와 원소 성질

리튬은 안정한 헬륨의 전자배치에 추가적으로 1개의 전자가 더 높은 에너지 상태에 있다. 이 추가적인 전자는 쉽게 이온화 될 수 있으나, 전자가 원자핵에 가까이 있으므로 알칼리 금속 중에서는 이온화 에너지가 가장 크고, 반응성이 가장 낮다. 알칼리 금속 원소들은 불꽃 반응으로 진한 색을 내는데, 리튬 불꽃은 진한 붉은색을 띤다. LI+ 이온의 반경은 마그네슘 이온(Mg2+)의 반경과 비슷하고, 리튬의 화학적 성질은 마그네슘과 비슷하다. 다만 화합물 조성에서는 1개의 Mg2+ 대신에 2개의 LI+이 들어간다. 두 금속 모두 질소(N2)와 반응하여 질소화물을 만들고, 산소(O2)와 반응하여 산화물을 만든다. Na2CO3나 K2CO3와 달리, Li2CO3는 MgCO3 처럼 물에 잘 녹지 않고 가열하면 쉽게 분해한다.

리튬은 연해서 칼로 쉽게 자를 수 있다. 처음 자른 면은 금속성 광택을 보이나, 곧 산화되어 회색이 된다. 리튬은 금속 원소 중에서 가장 가볍고 비열이 가장 크다. 밀도는 물의 약 반인 0.534 g/cm3에 불과하여 물에 뜰 수 있다. 그러나 물과 빠르게 반응하여 리튬 수산화물(LiOH 및 이의 수화물 LiOH·H2O)이 되고 수소 기체를 내어 놓는다.

리튬의 안정한 동위원소로는 6Li와 7Li 두 가지가 있는데, 자연 상태에서는 7Li가 92.4%를 차지한다. 이들의 핵 결합에너지는 비교적 낮다. 리튬의 여러 방사능 동위원소들이 핵 반응으로 만들어졌으며, 이중 반감기가 비교적 긴 것이 8Li (반감기 0.838 초)와 9Li (반감기 0.178 초)이다.

   

리튬의 불꽃 반응. 진한 붉은색을 띤다.

기름에 떠 있는 리튬의 모습. 리튬은 금속 원소 중에서 가장 가볍다. <출처: (CC)W.Oelen at Wikipedia.org>

   

리튬의 화합물

리튬은 수소나 다른 알칼리 금속과 비슷하게 여러 비금속 원소와 이성분 화합물을 만들며, Li+은 여러 종류의 음이온들과 염을 형성한다. 산업적으로 중요한 화합물로는 수산화 리튬(LiOH 또는 이의 수화물 LiOH·H2O)과 탄산 리튬(Li2CO3)을 들 수 있다. 탄산 리튬은 산업적으로 가장 중요한 리튬 화합물로, 거의 대부분의 리튬 화합물은 이에서 출발하여 만들어진다. 리튬-탄소 결합을 갖는 유기리튬 화합물들이 유기화학에서 강한 염기와 친핵체로 널리 사용되는데, 이들은 주로 금속 리튬과 유기할로겐 화합물을 반응시켜 얻는다.

2Li + RX RLi + LiX (R은 알킬, X는 할로겐 원소)

리튬-질소 결합을 갖는 리튬 아자이드(LiN3), 리튬 아마이드 화합물 (RR'NLi) 등과 LiH와 LiAlH4과 같은 수소화물도 유기합성에서 많이 이용된다.

리튬의 생산

리튬은 용융 염화 리튬(LiCl)과 염화 포타슘(KCl)을 전기분해시켜 얻는다. 리튬 염은 주로 남미의 칠레, 아르헨티나, 볼리비아 접경지역의 안데스 소금 호수와 암염에 전 세계 매장량의 70% 이상이 분포되어 있으며, 탄산 리튬(Li2CO3)으로 회수된다. 바닷물에는 0.1~0.2ppm의 농도로 리튬이 녹아있다. 바닷물에 녹아 있는 리튬 총량은 지금까지 추정된 회수 가능한 리튬 매장량 3,500만 톤보다 월등히 많은 2,300억 톤으로 추정되나, 농도가 너무 낮아 아직 경제적으로 회수되어 이용되지는 않고 있다.

리튬의 용도

리튬의 용도는 아주 다양하며, 시대에 따라 크게 변천하였다. 세계 제2차 대전 전후의 주된 용도는 항공기 등에 사용되는 고온 윤활제로, 리튬의 스테아린산 염이 이 목적으로 주로 사용되었다. 냉전 시대에는 핵융합 무기(수소 폭탄) 제조용으로 6Li가 많은 관심을 끌었다. 중수소(2H)와 삼중수소(3H)는 핵 반응으로 헬륨으로 융합되고 아주 큰 에너지를 내어놓는다. 이에 필요한 삼중수소(3H)는 자연계에는 거의 존재하지 않고, 6Li을 중성자와 반응시켜 얻는다.

   

   

볼리비아의 우유니 소금 사막. 사막 아래에는 세계 리튬 매장량의 50~70%이 분포되어 있는 것으로 알려져 있다.

6Li + 1n 4He + 3H

2H + 3H 1n + 4He

이들 핵 반응과 관련하여, 6Li의 중수소화물(6Li2H)이 수소폭탄의 연료로 사용되었다.

   

6Li의 중수소화물은 수소폭탄의 연료로 사용되었다.

6Li을 연료로 사용한 1954년 '캐슬 브라보' 실험 모습.

리튬은 의학용으로 항 우울제로 사용된다.

   

리튬 화합물들은 또한 도자기 유약과 알루미늄 제련의 융제(flux)로, 그리고 의학용으로는 항 우울제로 사용된다. 금속 리튬과 알루미늄 혹은 마그네슘과의 합금은 가벼우면서 강도가 높아 항공기 제작에 사용된다. 이외에도 수분 제거제, 광학 및 통신 재료 등에 여러 가지 리튬 화합물이 사용된다. 로켓에서는 리튬 금속 및 이의 수소화물이 추진제 첨가물로, 그리고 과산화물과 산소산 염은 산화제로 사용된다.

   

주로 휴대용 전자 제품에서 사용되고 있는 리튬 이온 2차 전지. <출처: (CC)Kristoferb at Wikipedia.org>

현재 확인된 리튬의 매장량은 전기 자동차 약 40억 대의 전지로 사용되기에 충분한 양이다. <출처: (CC) frankh at Wikipedia.org>

   

1980년대부터 리튬은 리튬 전지의 양극 물질로 중요하게 사용되었다. 리튬 전지의 전압은 3V로 망가니즈 전지의 1.5 V의 2배이고, 에너지 밀도가 높아 휴대용 전자 기기에 널리 사용되었다. 2000년대에 이르러서는 충전이 가능한 리튬 이온 2차 전지가 카메라, 노트북 PC, 휴대폰 등 많은 휴대용 전자 제품을 가볍게 하였고, 한번 충전으로 장시간 계속 사용할 수 있게 되었다.

이제 머지 않은 장래에 리튬 이온 전지 또는 리튬을 사용하는 새로운 형식의 2차 전지가 전기 자동차에 대량으로 사용될 것이 확실시 된다. 이런 전망에 대해 리튬 자원이 충분하지 않다는 의견이 있으나, 현재 확인된 매장량은 약 40억 대의 전기 자동차에 충분한 양이며, 사용된 전지와 바닷물에서의 리튬 회수를 통해 미래의 리튬 수요를 충분히 충족시키리라 전망된다. 다만 리튬 매장량의 대부분이 남미 일부 국가에 편중되어 있어, 국제적으로 이의 확보 경쟁이 심하다.

  • 수치로 보는 리튬
    리튬의 표준원자량은 6.941g/mol이며, 녹는점은 180.54oC이고 끓는점은 1342oC이다. 전자배열은 1s22s1이며, 이온화 에너지는 530.2kJ/mol(소듐은 495.8kJ/mol)이다. 밀도는 실온에서 0.534g/cm3으로 물의 약 1/2이며 금속 중에서 가장 가볍고, 고체 원소 중에서 가장 낮다. 비열은 실온에서 3.58J·g-1·K-1(0.856cal·g-1·K-1)로 금속 중에서 가장 크다. 리튬 불꽃의 파장은 670.8nm이다. LI+ 이온의 반경은 76pm(1pm=1x10-12m)로 Mg2+ 이온의 반경(72pm)과 비슷하다. 추정 회수 가능 매장량은 약 3,500만 톤이며 이중 70% 이상이 칠레, 볼리비아, 아르헨티나에 있다. 바닷물에는 0.1~0.2ppm(물 1L당 0.1~0.2mg)이 녹아 있다.
  • 알칼리 금속
    1족 원소로 리튬(Li), 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr)이 이에 속한다. 전자배치는 각 원소보다 원자 번호가 하나 적은 비활성 기체의 전자배치에 추가로 1개의 전자가 다음 전자껍질의 s 오비탈에 있다. 따라서 알칼리 금속들은 쉽게 1개의 전자를 잃고 +1가 이온이 된다. 좋은 전기 및 열 전도체이고 화학 반응성이 크다.

    박준우 / 이화여대 명예교수(화학)

    서울대학교 화학과를 졸업하고 템플대학교에서 박사학위를 받았다. 오랫동안 이화여대에서 화학을 연구하고 가르쳤다. 저서로 [인간과 사회와 함께한 과학기술 발전의 발자취]와 [아나스타스가 들려주는 녹색화학 이야기] 등이 있고, 역서로 [젊은 과학도에 드리는 조언] 등이 있다.

       

    원본 위치 <http://navercast.naver.com/contents.nhn?contents_id=6142&path=|453|489|&leafId=638>

       

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