리튬(Lithium, Li)의 성질과 이용

​리튬(Lithium, Li)의 성질과 이용

• 원자번호：3
• 족：1족(2주기)
• 원자량：6.941
• 밀도：0.82 g·cm-3
• 각 전자궤도의 전자 수：2, 1
• mp：179℃ / bp：1,336℃

리튬은 주기율표에서 수소, 헬륨 다음번 원소이다. 가장 가벼운 금속 물질로서 화학반응을 잘 일으킨다. 예를 들어 리튬을 물에 넣으면 수소가 발생하는 한편, 산소와 결합하여 산화리튬(Li2O)으로 변한다. 이처럼 화학반응을 잘 일으키기 때문에 리튬은 평소 보관할 때 공기(산소, 질소)와 접촉하지 못하도록 기름이나 케로신(kerosene) 속에 보존한다.

리튬의 성질

리튬은 1817년에 스웨덴의 화학자 아르프베드손(Johan August Arfwedson 1792-1841)이 처음 발견했다. 주기율표 제일 왼쪽 1족에 속하는 원소들 즉, 리튬을 비롯한 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 프랑슘은 1개의 ‘원자가 전자’를 가지고 있으며, 매우 반응성이 높은 첫 번째 ‘알칼리금속’이다.

알칼리금속들은 주기율표에서 아래로 내려갈수록 화학반응성이 강해진다. 그 이유는 아래의 원자일수록 전자의 수가 많고, 그에 따라 제일 바깥 궤도의 전자는 핵으로부터 멀리 떨어져 있으므로 이웃에 있는 원자로 쉽게 끌려갈 수 있기 때문이다. 예를 들어 1족 원소 중에 원자가가 큰 루비듐이나 세슘은 물을 만나면 폭발하듯이 맹렬히 반응한다.

리튬은 워낙 가벼운 금속이어서 물 위에 뜬다. 또 리튬은 날카로운 쇠칼로 자를 수 있을 정도로 무르다. 이 원소는 자연계에 순수한 형태로는 존재하지 않고 물이나 공기와 화합물을 이루고 있다. 순수한 리튬은 아름다운 은백색이다.

리튬의 이용도

오늘날 리튬은 매우 중요한 산업자원이다. 리튬을 대량생산할 때는 탄산리튬(LiCO3)이나 염화리튬(LiCl)을 전기분해하여 얻는다. 이들을 전기분해하면 음극에 리튬이 모인다. 2010년 8월에는 우리나라 정부가 유명한 리튬 생산국인 볼리비아 정부와 리튬 채굴 협정을 맺었다. 볼리비아 서부 ‘우유니 호’는 이스라엘의 사해보다 농도가 진한 소금 호수인데, 이곳 소금물에 염화나트륨과 함께 세계 리튬 부존양(賦存量)의 절반 정도가 염화리튬 상태로 녹아 있다고 한다.

리튬은 20세기 후반부터 매우 중요한 원소가 되었다, 리튬전지(lithium battery)는 생활에 매우 중요한 전지이다. 리튬 금속을 전극으로 사용하는 소형 전지(리튬전지)는 카메라, 심장 박동기, 계산기 등에 이용된다. 리튬전지는 건전지보다 훨씬 가벼우면서 고전압(3V)을 낼 수 있다. 그러나 재충전하지는 못한다. 반면에 리튬의 화합물을 건전지 재료로 사용하여 전자가 나오도록 만든 리튬이온건전지(lithium ion battery)는 재충전하여 사용하는 매우 편리한 전지이다. 리튬전지 사업을 본격화한 포스코는 2011년 염수에서 리튬을 직접 추출하는 기술을 개발했다고 발표했다.

리튬과 알루미늄을 결합시키면 매우 가벼우면서 단단한 금속이 된다. 이 합금은 비행기와 선박 건조에 이용된다. 수산화리튬(LiOH)을 물에 녹이면 강한 알칼리성을 나타내는 수산이온(OH)이 고농도로 생겨난다. 수산화리튬과 지방을 결합하여 만든 ‘리튬비누’는 자동차나 기계의 반고형(半固形) 윤활유(그리스)로 쓰인다.

수산화리튬은 이산화탄소를 흡수하여 탄산리튬으로 변하는데, 이 성질을 이용하여 잠수함이나 우주선에서는 내부의 이산화탄소 농도가 높아지는 것을 방지하는 공기정화에 이용한다. 탄산리튬은 뇌신경 질환의 하나인 조울증(bipolar disorder) 환자를 안정시키는 약으로 사용되기도 한다. 탄산리튬이 뇌의 신경전달물질로서 미지(未知)의 작용을 한다고 생각되고 있다.

수소폭탄에 사용되는 리튬

리튬은 지금까지 7종류의 동위원소가 알려졌다. 자연계에 가장 많이(92.5%) 존재하는 것은 리튬-7(3개의 양성자와 4개의 중성자를 가짐)이고, 그 다음으로는 리튬-6(3개의 중성자와 3개의 양성자를 가짐)이 많다. 리튬-6은 수소폭탄 제조에서 중요하게 쓰인다.

수소폭탄은 중수소와 삼중수소의 핵을 융합시켜 막대한 에너지를 얻는다. 이런 핵융합반응을 일으키려면 엄청난 고온(高溫)이 필요하다. 제2차 세계대전 때, 헝가리 태생의 미국 물리학자 텔러(Edward Teller 1908-2003)는 리튬-6과 중수소를 고온에서 결합시켜 무색의 고체인 중수소리튬(LiH：lithium deuteride)을 만드는데 성공했다. 고체 상태인 이 물질은 작은 양이지만 많은 중수소를 포함하고 있으므로, 여기에 중성자를 충돌시키면 삼중수소를 대량 만들 수 있었다. 이렇게 하여 최초의 수소폭탄은 우라늄 폭탄 주변을 중수소리튬으로 둘러싼 형태로 개발하게 되었다. 이 폭탄은 우라늄 폭탄이 터질 때 중성자가 방출되고, 핵융합에 필요한 고열을 충분히 공급했다.

여러 가지 물질 중에서 열을 가장 잘 저장하는 성질을 가진 것은 물이다. 그런데 리튬은 물보다 2배나 더 많은 열을 저장하는 성질을 가졌다. 오늘날 전 세계의 과학자들은 핵융합반응을 자유롭게 조절하여 무한의 에너지를 얻는 ‘핵융합원자로’ 개발에 큰 힘을 쏟고 있다. 리튬은 가까운 날 핵융합원자로의 연료로 이용될 것이며, 핵융합로에서 발생한 열을 저장하는 물질로도 중요한 역할을 할 것이다.

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