Lithium (Li) – Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Lithium (Li) ist das leichteste Metall der Welt. Das chemische Element mit der Ordnungszahl 3 gehört zur Gruppe der Alkalimetalle und steht in der zweiten Periode des Periodensystems. Es ist silbrig glänzend, außergewöhnlich leicht und chemisch sehr reaktionsfreudig. Lithium ist heute vor allem durch Lithium-Ionen-Akkus bekannt, die Smartphones, Laptops und Elektroautos mit Energie versorgen. Doch seine Bedeutung reicht weit darüber hinaus: Lithium wird in Spezialgläsern, Keramiken, Schmierstoffen und bestimmten Arzneimitteln eingesetzt. Auch für die Kernfusion und die moderne Batterieforschung spielt das Element eine wichtige Rolle. Besonders faszinierend ist seine Kombination aus geringer Masse und hoher Reaktivität. Lithium kann auf Wasser schwimmen, reagiert dabei jedoch mit dem Wasser und setzt brennbaren Wasserstoff frei. Es zeigt damit eindrucksvoll, warum die Stellung eines Elements im Periodensystem so viel über seine chemischen Eigenschaften verrät.

Lithium im Periodensystem – Steckbrief

Die relative Atommasse wird als Intervall angegeben, weil die natürliche Isotopenzusammensetzung von Lithium je nach Herkunft variieren kann. In vielen Periodensystemen findet sich deshalb der gerundete Wert 6,94.

Was ist Lithium?

Lithium ist ein chemisches Element aus der ersten Hauptgruppe des Periodensystems. Es gehört zu den Alkalimetallen, zu denen außerdem Natrium, Kalium, Rubidium, Caesium und Francium zählen. Alkalimetalle besitzen jeweils ein Elektron in ihrer äußersten Elektronenschale. Dieses Elektron können sie vergleichsweise leicht abgeben. Deshalb reagieren sie häufig mit anderen Stoffen und bilden bevorzugt einfach positiv geladene Ionen. Lithium ist innerhalb dieser Gruppe das Element mit der kleinsten Atommasse und dem kleinsten Atomradius. Es zeigt viele typische Eigenschaften der Alkalimetalle, unterscheidet sich jedoch in einigen Punkten deutlich von seinen schwereren Gruppenmitgliedern.

Warum steht Lithium in der ersten Gruppe des Periodensystems?

Ein neutrales Lithiumatom besitzt drei Protonen im Atomkern und drei Elektronen in der Atomhülle. Seine Elektronenkonfiguration lautet 1s² 2s¹. Zwei Elektronen befinden sich in der ersten Schale, das dritte Elektron in der zweiten Schale. Dieses einzelne Außenelektron bestimmt wesentlich das chemische Verhalten des Lithiums. Bei vielen Reaktionen gibt Lithium sein Außenelektron ab und bildet ein einfach positiv geladenes Lithium-Ion:

Li → Li⁺ + e⁻

Das Lithium-Ion besitzt dann die Elektronenkonfiguration des Edelgases Helium. Die Neigung zur Bildung von Li⁺ erklärt, weshalb Lithium in seinen gewöhnlichen chemischen Verbindungen fast ausschließlich in der Oxidationsstufe +1 vorkommt.

Welche Eigenschaften hat Lithium?

Lithium ist ein silbrig weißes, weiches Metall. Frisch geschnittene Oberflächen glänzen metallisch, laufen an der Luft jedoch schnell an, weil Lithium mit Bestandteilen der Umgebung reagiert. Mit einer Dichte von ungefähr 0,534 g/cm³ ist Lithium das leichteste Metall. Es ist deutlich leichter als Wasser und kann deshalb auf dessen Oberfläche schwimmen. Lithium lässt sich mechanisch relativ leicht bearbeiten. Gleichzeitig ist es reaktionsfreudig und muss vor Feuchtigkeit und ungeeigneten Umgebungsbedingungen geschützt werden.

Warum ist Lithium so leicht?

Lithium besitzt die Ordnungszahl 3. Sein Atomkern enthält nur drei Protonen und bei den häufigsten stabilen Isotopen drei beziehungsweise vier Neutronen. Damit gehört Lithium zu den leichtesten chemischen Elementen. Zusätzlich besitzt festes Lithium eine vergleichsweise geringe Dichte. Ein Kubikzentimeter Lithium hat bei Raumtemperatur nur eine Masse von etwa 0,534 Gramm. Zum Vergleich: Ein Kubikzentimeter Wasser besitzt unter gewöhnlichen Bedingungen ungefähr eine Masse von einem Gramm. Lithium ist somit nur etwas mehr als halb so dicht wie Wasser.

Wie reagiert Lithium mit Wasser?

Lithium reagiert mit Wasser unter Bildung von Lithiumhydroxid und Wasserstoff. Die Reaktionsgleichung lautet:

2 Li + 2 H₂O → 2 LiOH + H₂

Bei dieser Reaktion gibt jedes Lithiumatom ein Elektron ab. Die entstehenden Lithium-Ionen bilden zusammen mit Hydroxid-Ionen eine alkalische Lösung. Gleichzeitig entsteht gasförmiger Wasserstoff. Die Reaktion ist exotherm, das heißt, sie setzt Wärme frei. Lithium reagiert mit kaltem Wasser in der Regel weniger heftig als Natrium oder Kalium. Trotzdem ist die Reaktion gefährlich: Der entstehende Wasserstoff ist brennbar, und die gebildete Lithiumhydroxidlösung wirkt stark alkalisch und ätzend.

Warum reagiert Lithium weniger heftig als Natrium oder Kalium?

Innerhalb der Alkalimetalle nimmt die Reaktionsfreudigkeit gegenüber Wasser von Lithium zu den schwereren Gruppenmitgliedern im Allgemeinen zu. Das liegt unter anderem daran, dass das Außenelektron mit zunehmendem Atomradius weniger stark vom Atomkern angezogen wird und leichter abgegeben werden kann. Lithium besitzt innerhalb der Alkalimetalle die höchste erste Ionisierungsenergie. Die tatsächliche Heftigkeit einer Reaktion hängt allerdings auch von weiteren Faktoren ab, etwa der Oberfläche des Metalls, der Temperatur und dem Wärmeabtransport.

Wie reagiert Lithium mit Sauerstoff und Stickstoff?

An der Luft reagiert Lithium unter anderem mit Sauerstoff. Dabei kann Lithiumoxid entstehen:

4 Li + O₂ → 2 Li₂O

Eine Besonderheit des Lithiums ist seine Fähigkeit, auch mit dem Stickstoff der Luft direkt zu reagieren. Dabei entsteht Lithiumnitrid:

6 Li + N₂ → 2 Li₃N

Diese Reaktion unterscheidet Lithium von den meisten anderen Alkalimetallen, die unter gewöhnlichen Bedingungen nicht in vergleichbarer Weise direkt mit Stickstoff reagieren. Die Bildung von Lithiumnitrid zeigt, dass Lithium trotz seiner Stellung in der ersten Hauptgruppe einige besondere chemische Eigenschaften besitzt.

Wo kommt Lithium vor?

Lithium ist auf der Erde weit verbreitet, tritt jedoch aufgrund seiner hohen Reaktionsfreudigkeit praktisch nicht als reines Metall in der Natur auf. Es kommt überwiegend in chemisch gebundener Form vor, beispielsweise in Mineralien, salzhaltigen Wässern und bestimmten Gesteinen.

Lithium in Mineralien und Gesteinen

Zu den wichtigen lithiumhaltigen Mineralien gehören:

• Spodumen (LiAlSi₂O₆): ein lithiumhaltiges Silikat, das für die industrielle Rohstoffgewinnung besonders bedeutend ist.

• Petalit (LiAlSi₄O₁₀): ein Lithium-Aluminium-Silikat, in dem Lithium 1817 entdeckt wurde.

• Lepidolith: eine Gruppe lithiumhaltiger Glimmerminerale.

• Elbait: eine lithiumhaltige Varietät aus der Turmalingruppe.

Lithiumreiche Minerale treten häufig in bestimmten magmatischen Gesteinen auf, insbesondere in Pegmatiten. Pegmatite sind grobkörnige magmatische Gesteine, die sich bei der späten Kristallisation von Magmen bilden können. Dabei können sich bestimmte seltenere Elemente, darunter Lithium, anreichern.

Lithium in Salzseen und salzhaltigen Wässern

Eine weitere wichtige Lithiumquelle sind salzhaltige Lösungen, sogenannte Solen. In bestimmten trockenen Regionen können sich über sehr lange Zeiträume lithiumhaltige Salze in abflusslosen Becken anreichern. Bekannte Vorkommen befinden sich unter anderem in Südamerika, insbesondere in Chile, Argentinien und Bolivien. Die Gewinnung erfolgt je nach Lagerstätte und Verfahren durch Konzentration, chemische Aufbereitung oder technische Verfahren zur direkten Lithiumextraktion. Dabei müssen neben der Wirtschaftlichkeit auch der Wasserverbrauch, der Energiebedarf und mögliche Auswirkungen auf die örtlichen Ökosysteme berücksichtigt werden.

Gibt es Lithium auch in Deutschland?

Auch in Deutschland gibt es lithiumhaltige Vorkommen. Von besonderem Interesse sind unter anderem bestimmte Thermal- und Tiefenwässer sowie lithiumhaltige Gesteine. Ob eine wirtschaftliche Gewinnung möglich ist, hängt von der Konzentration des Lithiums, den eingesetzten Verfahren, den Kosten und den Umweltbedingungen ab. Lithium ist damit nicht ausschließlich ein Rohstoff ferner Länder, auch wenn die weltweite Förderung und Verarbeitung derzeit stark auf bestimmte Regionen konzentriert ist.

Die Isotope von Lithium: Lithium-6 und Lithium-7

Lithium besitzt zwei stabile Isotope. Beide enthalten drei Protonen, unterscheiden sich jedoch in ihrer Neutronenzahl.

Lithium-7 – das häufigste Lithiumisotop

Lithium-7 macht den überwiegenden Anteil des natürlich vorkommenden Lithiums aus. Es ist stabil und besitzt vier Neutronen im Atomkern. Seine Häufigkeit trägt wesentlich zur mittleren Atommasse des Elements bei.

Lithium-6 – Bedeutung für die Kerntechnik

Lithium-6 ist ebenfalls stabil, besitzt jedoch nur drei Neutronen. Es kann bestimmte Neutronen einfangen. Bei einer wichtigen Kernreaktion entstehen dabei Tritium und ein Helium-4-Kern:

⁶Li + n → ³H + ⁴He

Diese Reaktion ist für die Kernfusionsforschung von Bedeutung. In zukünftigen Fusionsreaktoren, die mit Deuterium und Tritium arbeiten, könnte Lithium zur Erzeugung des benötigten Tritiums eingesetzt werden. Die technische Umsetzung ist allerdings anspruchsvoll und Gegenstand intensiver Forschung.

Die Entdeckung von Lithium – ein neues Element aus einem Stein

Die Geschichte des Lithiums beginnt im Jahr 1817. Der schwedische Chemiker Johan August Arfwedson (1792–1841) untersuchte das Mineral Petalit, das auf der schwedischen Insel Utö gefunden worden war. Bei seiner chemischen Analyse erkannte er, dass das Mineral ein bislang unbekanntes Alkalimetall enthielt.

Johan August Arfwedson entdeckt Lithium im Jahr 1817

Arfwedson arbeitete im Umfeld des bedeutenden schwedischen Chemikers Jöns Jakob Berzelius. Bei der Untersuchung von Petalit stellte er fest, dass sich die darin enthaltenen Bestandteile nicht vollständig mit den damals bekannten Elementen erklären ließen. Er identifizierte eine neue alkalische Komponente und damit die Grundlage für die Entdeckung des Elements Lithium. Der Name Lithium leitet sich vom griechischen Wort lithos für „Stein“ ab. Damit wurde hervorgehoben, dass das neue Element in einem Mineral entdeckt worden war.

Humphry Davy und William Thomas Brande – die frühe Isolierung

Arfwedson gelang es zunächst nicht, Lithium als reines Metall zu gewinnen. Humphry Davy (1778–1829) erzeugte 1818 durch Elektrolyse geringe Mengen metallischen Lithiums. Auch der britische Chemiker William Thomas Brande (1788–1866) beschäftigte sich mit der elektrolytischen Gewinnung von Lithium und veröffentlichte 1821 entsprechende Arbeiten. Die frühe Isolierung war schwierig, weil Lithium äußerst reaktionsfreudig ist und in der Natur nicht in metallischer Form vorkommt. Erst mit der Weiterentwicklung elektrochemischer Verfahren wurde die Gewinnung des Metalls besser beherrschbar. Die Entdeckung des Lithiums zeigt, wie eng die Entwicklung der Chemie mit der Analyse von Mineralien und den Fortschritten der Elektrochemie verbunden war.

Wofür wird Lithium verwendet?

Lithium besitzt Eigenschaften, die es für zahlreiche technische Anwendungen besonders wertvoll machen. Seine geringe Atommasse, seine elektrochemischen Eigenschaften und die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten seiner Verbindungen haben dazu geführt, dass Lithium heute zu den strategisch wichtigen Industriemetallen zählt.

Lithium-Ionen-Akkus – Energiespeicher für Alltag und Mobilität

Die bekannteste Anwendung von Lithium sind Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Sie werden unter anderem in Smartphones, Laptops, Elektrowerkzeugen, Elektroautos und stationären Energiespeichern eingesetzt. Lithium eignet sich besonders gut für elektrochemische Energiespeicher, weil es eine geringe Atommasse besitzt und das Redoxpaar Li⁺/Li ein sehr negatives Standardelektrodenpotenzial aufweist. Dadurch können geeignete Lithium-Batteriesysteme hohe Zellspannungen und hohe spezifische Energien erreichen.

Wie funktioniert ein Lithium-Ionen-Akku?

Ein Lithium-Ionen-Akku besitzt zwei Elektroden, zwischen denen Lithium-Ionen beim Laden und Entladen wandern. Beim Entladen bewegen sich Lithium-Ionen innerhalb der Zelle von der negativen zur positiven Elektrode. Die Elektronen fließen gleichzeitig über den äußeren Stromkreis und können ein elektrisches Gerät mit Energie versorgen. Beim Laden werden die Vorgänge durch eine äußere elektrische Energiequelle umgekehrt.

Wichtig ist die Unterscheidung zwischen Lithium-Metall-Batterien und Lithium-Ionen-Akkus. Gewöhnliche wiederaufladbare Lithium-Ionen-Akkus enthalten in ihrer negativen Elektrode normalerweise kein metallisches Lithium. Stattdessen werden Lithium-Ionen beispielsweise in Graphit eingelagert. Je nach Batterietyp kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz, etwa Lithium-Eisenphosphat oder lithiumhaltige Nickel-Mangan-Cobalt-Oxide.

Warum ist Lithium für Elektroautos so wichtig?

Elektrofahrzeuge benötigen leistungsfähige Batterien, die möglichst viel Energie bei begrenzter Masse speichern können. Lithium-Ionen-Akkus verbinden eine hohe spezifische Energie mit guter Wiederaufladbarkeit und vergleichsweise langer Lebensdauer. Allerdings unterscheiden sich die Eigenschaften der einzelnen Batterietypen erheblich. Neben der Energiedichte spielen Sicherheit, Kosten, Rohstoffverfügbarkeit, Ladegeschwindigkeit und Lebensdauer eine wichtige Rolle. Lithium ist deshalb ein zentraler Rohstoff für viele heutige Elektrofahrzeuge, aber nicht die einzige denkbare Grundlage zukünftiger Batterietechnologien.

Lithium in Glas und Keramik

Lithiumverbindungen werden bei der Herstellung bestimmter Gläser und Keramiken eingesetzt. Sie können unter anderem die Schmelzeigenschaften und die thermischen Eigenschaften beeinflussen. Besonders wichtig sind Lithium-Aluminium-Silikat-Glaskeramiken, die einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen können. Solche Werkstoffe eignen sich beispielsweise für Anwendungen, bei denen starke Temperaturunterschiede auftreten.

Lithium in Schmierfetten

Lithiumhaltige Seifen werden als Verdickungsmittel in zahlreichen Schmierfetten verwendet. Dabei handelt es sich nicht um metallisches Lithium, sondern um bestimmte Lithiumverbindungen, beispielsweise Lithiumsalze organischer Fettsäuren. Diese Schmierfette können günstige Eigenschaften hinsichtlich mechanischer Stabilität, Wasserbeständigkeit und Temperaturverhalten besitzen. Sie werden unter anderem in Lagern, Maschinen und Fahrzeugkomponenten eingesetzt.

Lithium in der Medizin

Bestimmte Lithiumsalze, insbesondere Lithiumcarbonat, werden seit Jahrzehnten zur Behandlung bipolarer Erkrankungen eingesetzt. Sie können helfen, das Risiko manischer und depressiver Krankheitsepisoden zu verringern. Die genaue Wirkungsweise von Lithium im Nervensystem ist komplex und bis heute nicht vollständig geklärt. Lithiumhaltige Arzneimittel besitzen eine enge therapeutische Breite. Das bedeutet, dass der Abstand zwischen wirksamen und gesundheitsschädlichen Konzentrationen vergleichsweise gering ist. Deshalb müssen die Behandlung und die Kontrolle der Lithiumkonzentration im Blut ärztlich überwacht werden. Die medizinische Anwendung von Lithiumsalzen darf nicht mit der Verwendung von metallischem Lithium verwechselt werden.

Lithium und die Energiewende

Lithium ist zu einem wichtigen Rohstoff der Energiewende geworden. Wiederaufladbare Batterien ermöglichen es, elektrische Energie zeitlich versetzt zu nutzen. Sie können dadurch zur Elektromobilität und zur Integration schwankender erneuerbarer Stromerzeugung beitragen. Die steigende Nachfrage nach Lithium wirft jedoch auch Fragen nach einer nachhaltigen Rohstoffversorgung auf.

Welche Umweltprobleme entstehen bei der Lithiumgewinnung?

Die Umweltauswirkungen hängen stark von der Lagerstätte und dem eingesetzten Gewinnungsverfahren ab. Beim Abbau lithiumhaltiger Gesteine entstehen beispielsweise Eingriffe in die Landschaft, Energiebedarf und mineralische Rückstände. Bei der Gewinnung aus Solen können Wasserhaushalt und lokale Ökosysteme betroffen sein. Eine pauschale Bewertung aller Lithiumgewinnungsverfahren ist deshalb wissenschaftlich nicht sinnvoll. Entscheidend sind die konkreten geologischen Bedingungen, die eingesetzte Technik und die Umweltstandards.

Kann Lithium recycelt werden?

Lithium kann grundsätzlich aus gebrauchten Batterien zurückgewonnen werden. Dafür werden verschiedene mechanische, thermische und chemische Verfahren eingesetzt. Neben Lithium lassen sich je nach Batterietyp auch andere wertvolle Materialien zurückgewinnen, beispielsweise Nickel, Cobalt oder Kupfer. Das Recycling kann langfristig dazu beitragen, den Bedarf an neu gewonnenen Rohstoffen zu verringern. Allerdings ersetzt es den Bergbau nicht vollständig, insbesondere solange die Zahl neu produzierter Batterien stark wächst und viele vorhandene Batterien noch jahrelang genutzt werden.

Ist Lithium gefährlich?

Metallisches Lithium ist ein reaktionsfreudiger Stoff. Es kann mit Wasser unter Wärmeentwicklung reagieren und dabei brennbaren Wasserstoff freisetzen. Auch die Reaktion mit feuchter Luft und anderen Stoffen kann gefährlich sein. Lithiumbrände erfordern geeignete Löschverfahren. Wasser ist für Brände von metallischem Lithium ungeeignet.

Lithiumverbindungen besitzen dagegen sehr unterschiedliche Eigenschaften. Ihre Gefährlichkeit muss jeweils anhand der konkreten Verbindung beurteilt werden. Ein Lithium-Ionen-Akku ist ebenfalls nicht mit einem Stück metallischen Lithiums gleichzusetzen. Bei beschädigten, überhitzten oder fehlerhaft geladenen Akkus können jedoch gefährliche thermische Reaktionen auftreten.

Welche biologische Bedeutung hat Lithium?

Lithium kommt in sehr geringen Mengen in der Umwelt und auch im menschlichen Körper vor. Es ist jedoch für den Menschen bislang nicht eindeutig als essentielles Spurenelement anerkannt. Ein essentielles Element muss für normale biologische Funktionen notwendig sein und darf nicht vollständig durch andere Elemente ersetzt werden können. Für Lithium ist eine solche unverzichtbare physiologische Funktion beim Menschen nicht gesichert. Seine medizinische Wirkung als Bestandteil bestimmter Arzneimittel ist davon zu unterscheiden.

Fünf faszinierende Fakten über Lithium

1. Lithium ist das leichteste Metall. Mit einer Dichte von etwa 0,534 g/cm³ ist es deutlich leichter als Wasser.

2. Lithium wurde in einem Stein entdeckt. Johan August Arfwedson identifizierte das Element 1817 bei der Analyse des Minerals Petalit.

3. Lithium reagiert sogar mit dem Stickstoff der Luft. Dabei kann Lithiumnitrid entstehen – eine Besonderheit unter den Alkalimetallen.

4. Lithium-Ionen-Akkus enthalten normalerweise kein metallisches Lithium als negative Elektrode. Die Lithium-Ionen werden in geeigneten Elektrodenmaterialien gespeichert und zwischen ihnen transportiert.

5. Lithium verbindet Chemie, Medizin und Energietechnik. Seine Verbindungen werden in Batterien, Spezialgläsern, Schmierstoffen und bestimmten Arzneimitteln eingesetzt.

Lithium im Online-Periodensystem von blume

Lithium steht mit der Ordnungszahl 3 am Anfang der zweiten Periode und in der ersten Gruppe des Periodensystems. Als erstes Alkalimetall zeigt es besonders anschaulich, wie ein einzelnes Außenelektron das chemische Verhalten eines Elements bestimmt. Der Vergleich mit Wasserstoff und Helium verdeutlicht zugleich, wie stark sich die Eigenschaften der Elemente bereits innerhalb der ersten drei Ordnungszahlen unterscheiden.

Im Online-Periodensystem von blume lassen sich Lithium und die weiteren chemischen Elemente im Zusammenhang ihrer Stellung, ihres Atomaufbaus und ihrer Eigenschaften entdecken.

Wissenschaftliche Quellen und Literatur

Buchquellen

• Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5.

• Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9.

Ergänzende wissenschaftliche Referenzquellen

• Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights (CIAAW): Standard Atomic Weights.

• National Institute of Standards and Technology (NIST): Atomic Data for Lithium.

• NIST: Atomic Weights and Isotopic Compositions for Lithium.

• Royal Society of Chemistry: Lithium – Element information.

• United States Geological Survey (USGS): Lithium – Mineral Commodity Summaries.