リチウム（Encyclo - Webster's Revised Unabridged Dictionary (1913)、 ）は、原子番号3の元素。元素記号はLi。原子量は6.941。アルカリ金属元素の一つ。
名称 サムネイル|リチウム 発見者が所属していた研究室の主催者イェンス・ベルセリウスが名付けた。（lithos）は、ギリシャ語で「石」を意味する。これは、リチウムが鉱石から発見されたことにちなむ。
2020年代の日本の報道などでは、その希少性や有用性から「白いダイヤ」とも例えられている。
性質 thumb| 銀白色の軟らかい元素であり、全ての金属元素の中で最も軽く、比熱容量は全固体元素中で最も高い。
リチウムの化学的性質は、他のアルカリ金属元素よりもむしろアルカリ土類金属元素に類似している。酸化還元電位は全元素中で最も低い。リチウムには2つの安定同位体および8つの放射性同位体があり、天然に存在するリチウムは安定同位体である6Liおよび7Liからなっている。これらのリチウムの安定同位体は、中性子の衝突などによる核分裂反応を起こしやすいため恒星中で消費されやすく、原子番号の近い他の元素と比較して存在量は著しく小さい。
物理的性質
常温常圧では銀白色の軟らかい金属で、ナトリウムより硬い。常温で安定な結晶構造は体心立方格子（BCC）。融点は、沸点は（沸点は異なる実験値あり）であり、その融点および沸点はアルカリ金属元素の中で最も高い。また0.534という比重は全金属元素の中で最も軽く、水より軽い3つの金属元素のうちの一つ（残りの二つはナトリウムとカリウム）でもある。また、という比熱容量は全固体元素中で最大である。その比熱容量の高さから、リチウムは伝熱用途において冷却材としてしばしば利用される。
リチウムの熱膨張率はアルミニウムの2倍、鉄のほぼ4倍である。常圧、400 μK以下の条件で超伝導となり、20 GPaという高圧条件下においては9 K以上というより高い温度で超伝導となる。
炎色反応においてリチウムおよびその化合物は深紅色の炎色を呈する。主な輝線は波長670.8 nmの赤色のスペクトル線であり、他に610.4 nm（橙色）、460.3 nm（青色）などにスペクトル線が見られる。
リチウムは70 K（）以下の温度で、ナトリウムと同じようにマルテンサイト変態を起こす。4.2 K（）で菱面体晶を取り、より高い温度で面心立方晶となり、それから体心立方晶となる。液体ヘリウムを用いて4 Kまで冷却すると菱面体晶が最も支配的となる。高圧条件下においては、複数の同素体の形を取ることが報告されている。また、80 GPa程度の高圧下で金属から半導体に相転移するTakahiro Matsuoka & Katsuya Shimizu, "Direct observation of a pressure-induced metal-to-semiconductor transition in lithium", Nature 458, 186-189 (2009). 。
化学的性質
同じアルカリ金属のナトリウム、カリウムと比べて反応性は劣り、イオン半径が小さいため電荷/半径比がアルカリ金属としては高く、化合物の化学的性質は、アルカリ土類金属、特にマグネシウムと類似するF. ALBERT COTTON and GEOFFREY WILKINSON, Cotton and Wilkinson ADVANCED INORGANIC CHEMISTRY A COMPREHENSIVE TEXT Fourth Edition, INTERSCIENCE, 1980.（ただし、リチウムはアルカリ土類金属ではない）。乾いた空気中ではほとんど変化しないが、水分があると常温でも窒素と反応して窒化リチウム（Li3N）を生ずる。また、熱すると燃焼して酸化リチウム（Li2O）になる。このため、金属リチウムはアルゴン雰囲気下で取り扱う必要がある。ただし燃焼により酸化物を生成する挙動は他のアルカリ金属が空気中で燃焼した場合、過酸化物や超酸化物を生成するのとは対照的である。
イオン化傾向が大きく、酸化還元電位は全元素中でももっと低いであるが、水との反応性はアルカリ金属中では最も穏かである。それでも多量のリチウムと水が反応すると発火する。
危険性 リチウムは腐食性を有しており、高濃度のリチウム化合物に曝露されると肺水腫が引き起こされることがある。リチウムは覚醒剤を合成するためのバーチ還元における還元剤として利用されるため、一部の地域ではリチウム電池の販売が規制の対象となっている。また、リチウム電池は短絡によって急速に放電して過熱することで爆発が起こる危険性がある。
上記のようにリチウムは腐食性を有しているため、身体へのあらゆる接触を避けることが求められる。水と激しく反応するために、リチウムは禁水性の物質とされている。よって、安全のためにナフサのような非反応性の化合物中に保管される。粉末状のリチウム、もしくは多くの場合は塩基性であるリチウム化合物を吸入すると鼻や喉が刺激され、一方でより高濃度のリチウム（化合物）に曝されると肺水腫を引き起こすことがある。
妊娠第1三半期の間にリチウムを摂取した女性の産む子どもにおいて、エブスタイン奇形が発生するリスクが増加するという報告があったWeinstein, M. R. and Goldfield, M. D.: Cardiovascular malformations with Lithium use during pregnancy, Am. J. Psychiatry, 132, 529-531 (1975).が、催奇形性を否定する調査結果もある松島英介「妊婦・授乳婦に対する向精神薬の使い方(教育講演,<特集>第42回日本女性心身医学会学術集会報告)」『女性心身医学』2014年 18巻 3号 pp.327-332, 。
同位体 天然に存在するリチウムは6Liおよび7Liの2つの安定同位体からなっており、その天然存在比は7Liが92.5 %と大半を占めている。この2つの天然同位体はどちらも、リチウムよりも軽い元素であるヘリウムおよび重い元素であるベリリウムに比べて核子に対するが極端に低く、これはつまり安定な軽元素の中でもリチウムは極めて核分裂反応を起こしやすいということを意味している。これら2つのリチウム天然同位体は、重水素およびヘリウム3以外のどんな安定核種よりも核子あたりの結合エネルギーが低い:File:Binding energy curve - common isotopes.svg shows binding energies of stable nuclides graphically; the source of the data-set is given in the figure background.。そのため非常に軽い元素であり、ビッグバン時に合成されたにもかかわらず太陽系における原子番号32番までの元素のうちでリチウム元素が占める存在量の順位は25位であってあまり多くないNumerical data from: Graphed at :File:SolarSystemAbundances.jpg。
リチウムには8つの放射性同位体の存在が明らかにされており、比較的半減期の長いものとして半減期の8Liおよび半減期の9Liがある。他の全ての放射性同位体は半減期以下である。もっとも半減期の短いものは4Liであり、それは陽子放出によって崩壊し、その半減期はである。エキゾチック原子核である11Liは中性子ハローを示すことが知られている。3Liは、存在が確認されている中で、1H以外で唯一陽子のみで構成された原子核を持つ。
7Liはビッグバン原子核合成において生成されたのひとつである。少量の6Liおよび7Liは恒星内元素合成において生産されるが、生産される速度と同程度の速さでして消費されると考えられている。6Liおよび7Liはより重い元素が宇宙線による核破砕を受けることによっても少量が付加的に生成され、初期の太陽系での7Beおよび10Beの放射性崩壊によっても生成される。また、7Liは炭素星においても生成される。
リチウムは原子量が小さいため6Liと7Liの相対質量差は14.7%と非常に大きく、そのため自然現象の作用による同位体の分離が起こりやすい元素である。リチウムイオンは粘土鉱物の八面体サイトにおいてマグネシウムや鉄の代替となり、高配位の八面体サイトには軽い同位体である6Liが7Liより優先して取り込まれるため粘土鉱物においては6Liが濃縮される。また、リチウムが水に溶解する際には7Liが優先して溶出するため、河川や海中において7Liの濃縮が起こる。更に、海底で形成される粘土鉱物によって海水中の6Liが取り込まれるため、海水中の7Li濃度は河川よりも更に高くなっている。
リチウム同位体の分離にはと呼ばれる方法が利用できる。このような同位体分離は6Liの利用を目的として行われており、6Liが抽出された後のリチウムは試薬用などに再利用されている。そのため天然物と比較して6のLi同位体比が少なくなった状態のリチウムが流通しており、6Liの天然存在比は7.5%であるものの試薬中における6Liの含有比は2.007%から7.672%と大きな変動幅を持っている。日本化学会原子量専門委員会が作成する各元素の原子量を有効数字4桁で表して一覧とした「4桁の原子量表」においても、リチウムは人為的な同位体分離の影響で原子量の変動範囲が大きいため唯一有効数字3桁の値とされている。
歴史 1817年にヨアン・オーガスト・アルフェドソンがペタル石の分析によって発見した。アルフェドソンは金属リチウムの単離には成功せず、1821年にウィリアム・トマス・ブランドが電気分解によって初めて金属リチウムの単離に成功した。1923年、ドイツのメタルゲゼルシャフト社が溶融塩電解による金属リチウムの工業的生産法を発見し、その後の金属リチウム生産へとつながっていった。第二次世界大戦の戦中戦後には航空機用の耐熱グリースとしての小さな需要しかなかったが、冷戦下には水素爆弾製造のための需要が急激に増加した。その後、冷戦の終了により（水爆の量産を続けている中国を除いて）核兵器用のリチウムの需要が大幅に冷え込んだものの、21世紀にかけて電気自動車（EV）の動力であるリチウムイオン二次電池用の大量の需要を満たすため中南米やオーストラリア、中華人民共和国で採掘や鉱山開発が進んでおり、「白いダイヤ」とも呼ばれるようになったマイケル・ストット（フィナンシャルタイムズ』ラテンアメリカエディター）「中南米、リチウムで皮算用」『日本経済新聞』朝刊2022年2月23日オピニオン面。
thumb|1817にリチウムを発見したヨアン・オーガスト・アルフェドソン 1800年、ブラジルの化学者ジョゼ・ボニファシオ・デ・アンドラーダ・エ・シルヴァによってスウェーデンのの鉱山からリチウムを含有した葉長石（LiAlSi4O10）が発見された。葉長石の発見から17年後の1817年、当時イェンス・ベルセリウスの研究室で働いていたヨアン・オーガスト・アルフェドソンが葉長石の分析から新しい元素の存在を発見した。この元素はナトリウムやカリウムに似た化合物を形成したが、ナトリウムやカリウムの炭酸塩および水酸化物が水に対する溶解度および塩基性の高い物質であることと対照的に、炭酸リチウムおよび水酸化リチウムの水に対する溶解度や塩基性は低かった。
後に、アルフェドソンはリシア輝石やリチア雲母にもリチウムが含まれていることを示した。1818年、クリスティアン・グメリンはリチウム塩類が深紅色の炎色反応を示すことを初めて言及した。アルフェドソンとグメリンはリチウム塩類から単体のリチウム金属を単離しようとしたが、成功しなかった。1821年、ウィリアム・トマス・ブランドは、以前にハンフリー・デービーが同じアルカリ金属類のナトリウムおよびカリウムの単体金属を得るのに利用した電気分解によって、酸化リチウムよりリチウムの単体金属を得た。ブランドはまた、塩化リチウムのようないくつかの純粋なリチウム塩類の分析から、リチア（酸化リチウム）がおよそ55 %の金属リチウムを含んでいると見積もり、リチウムの原子量をおよそ9.8 g/molであると推定した（現在の値は6.94 g/mol）。1855年、ロベルト・ブンゼン、アウグストゥス・マーティセンによって塩化リチウムの電気分解から大量の金属リチウムが生成された。1923年から始まった、ドイツ企業のメタルゲゼルシャフト社による、塩化リチウムおよび塩化カリウムの混合液を電気分解させて金属リチウムを得る工業的生産法は、その後のリチウムの商業生産へとつながる発見となった。
リチウムの生産とその用途は、歴史的にいくつかの急激な転換点を経験している。初期に見出されたリチウムの主要な用途は、第二次世界大戦およびその直後の期間における、航空機のエンジンやそれに類似した用途のための高温グリースであった。まだ小さな市場であったこの時期の需要の大部分は、アメリカ合衆国のいくつかの小規模な鉱工業によって支えられていた。
1つ目の転換点となったのは、冷戦下において水素爆弾製造を目的としたリチウムの需要の劇的な増加である。リチウム6およびリチウム7に中性子を照射することでトリチウムの生産が行われ、このような単独でのトリチウム生産に役立つのみならず、重水素化リチウム（特に重水素化リチウム6）の形で水素爆弾内の固体核融合燃料にも用いられた。1950年代後半から1980年代中期の期間、アメリカはリチウムの主要な生産者となった。最終的には、の水酸化リチウムが備蓄されていた。天然産のものに比べて備蓄されていたリチウムは同位体比が大きく異なり，リチウム6の75 %が減損されていた。
そのほかにもリチウムはガラスの融点を降下させるのに用いられ、また、ホール・エルー法における酸化アルミニウムの溶解性の改善のためにも用いられた。1990年代半ばまでは、産業用途と核開発の2つの用途がリチウム市場を支配していた。
2つ目の転換点となる冷戦の終了により、核兵器開発競争も下火になるとリチウムの需要は減少し、アメリカ合衆国エネルギー省が備蓄していたリチウムの一般市場への売却はリチウムの価格をさらに押し下げた。1990年代半ばになるとこれを背景に、いくつかの会社が、地下や鉱山より採掘されたリチウム原料を用いるよりもより安価である塩水からのリチウムの抽出を開始した。これによって多くの鉱山は閉山するか、ペグマタイトなどほかの採算が取れる鉱石のみに絞っての採掘へと移行した。たとえば、アメリカのノースカロライナ州キングスマウンテン近郊の鉱山は、21世紀になる前に閉山した。
2000年代になるとリチウムイオン電池が急速に普及し、2007年にはリチウムの主要な用途となるなどリチウムの需要が再び増大した。リチウムイオン電池におけるリチウム需要の急増によって、企業はリチウム需要を満たすために塩水抽出によるリチウム生産能力の増強に努めている)。リチウム資源の偏在と価格の高沸を回避する為、代替のナトリウムやカリウムを使う電池の開発も真剣に進められている。ただし全ての元素中で最低電位を示すリチウムが最も優秀なイオンキャリアで有る事は変わらない。2019年にジョン・グッドイナフ、スタンリー・ウィッティンガム、吉野彰の3名が、リチウムイオン二次電池の発明でノーベル化学賞を受賞した。
2019年からは直接金属リチウムを負極活物質として利用できる全固体電池が実用化された。また2023年からは大容量全固体電池も実用化された。この全固体電池は金属リチウムを負極活物質として利用できる為、リチウムイオン電池より遥かに高性能を示し、今後は電気自動車用にも搭載予定となっている。
分布
リチウムは地球上に広く分布しているが、非常に高い化学反応性を持つため単体としては存在しておらず、火成岩や塩湖鹹水中に化合物として含まれる。リチウムの埋蔵量の多くはアンデス山脈沿いに偏在しており、最大の産出国はチリである。世界のリチウム市場は少数の供給企業による寡占状態であるため、資源の偏在性と併せて需給ギャップが懸念されている。
地表 地殻中のリチウム濃度は重量分率でおよそにわたると見積もられており、地殻中で25番目に多く存在する元素である。リチウムは火成岩を構成する非主要な元素であり、中でも花崗岩で最大の濃度となる。リチウム鉱物であるリシア輝石や葉長石を含有するペグマタイトもまた多くリチウムを含んでおり、リチウム源として最も多く商業利用されている。もう一つの重要なリチウム鉱物にリチア雲母がある。新しいリチウム源としてはヘクトライト粘土があり、アメリカのWestern Lithium Corporation社によって活発に資源開発されている。リチウムは、水分蒸発量の多い乾燥した地域の塩湖などにおいて非常に長い時間をかけて濃縮され、鉱床を形成することも知られている。そのような乾燥した塩湖には、全世界のリチウム埋蔵量（鉱石ベース）のおよそ半分におよぶ540万トンの埋蔵量を有していると推定されているボリビアのウユニ塩原や、埋蔵量の27 %、およそ300万トンの埋蔵量を有するチリのアタカマ塩原 Published on Forbes Magazine dated November 24, 2008.などが含まれる。
アメリカ地質調査所の2011年の推定によると、最大の可採埋蔵量. USGSの定義によれば、埋蔵量 (reserve base) とは「実績ある技術および現在の経済状況の想定を超えて、将来において経済的に利用可能となるような潜在的可能性を有している資源をも含有したものを示す。埋蔵量には、現在経済的に利用可能なもの（可採埋蔵量、reserves）、準経済的なもの（準埋蔵量、marginal reserves）および経済的に採算の取れないもの（非経済的埋蔵量、subeconomic resources）が含まれる。」を有する国はチリの750万トンでありClarke, G.M. and Harben, P.W., "Lithium Availability Wall Map". Published June 2009. Referenced at International Lithium Alliance（2013年1月13日時点のアーカイブ）、チリは生産量も1万2600トンと世界最大である。他の主要なリチウム産出国としては、オーストラリア、アルゼンチン、中国が含まれる。ボリビアは世界最大のリチウム埋蔵量を占めるウユニ塩原を有しているが、技術的・政治的な問題によりリチウム生産の事業化には至っていない。
2010年6月、『ニューヨーク・タイムズ』は、アメリカの地質学者がアフガニスタン西部の干上がった塩湖跡にリチウムを含む巨大な堆積物が存在していると考え、地質調査を行っていると報じた。アメリカ合衆国国防総省は「彼らの初期の分析結果によれば、ガズニー州のある場所には現在知られている中で世界最大のリチウム埋蔵量を有するボリビアのそれと同程度に大きなリチウム鉱床が存在する可能性が示されている」と述べた。これらの予想は、おもにソ連によって収集された1979年から1989年頃の古いデータに基づいており、アメリカ地質調査所のAfghanistan Minerals Projectの長であるスティーブン・ペータースは、過去2年間にアフガニスタンで行ったアメリカ地質調査所の関与したどのような新しい鉱物の測量においても確認されておらず、「我々はいかなるリチウムの発見も承知していない」と述べた。2021年現在、オーストラリア、チリ、中国の3か国だけで、世界生産の90%を占める。アルゼンチンに先行投資している日本企業の後を追って、中国では同国にリチウム採掘への投資を行っている。
2023年1月、『ニューズウィーク日本版』は、カシミール地方でインドが実効支配するにて推定590万トンにおよぶリチウム資源を発見した旨をインド政府当局が発表したと報じているが、専門家によれば、インドがリチウム採掘や精製の技術を整備するのに要する期間は少なくとも10年と見ている。
海洋 海水に含まれるリチウムの総量は非常に多く2300億トンと推定されており、その分率は、もしくはモル濃度で25 μmol/Lと比較的安定した濃度で存在している。熱水噴出孔ではより高濃度にリチウムが存在しており、その分率はに達する。海水からリチウムを回収する技術の研究開発が進められている。
生体 リチウムは多数の植物、プランクトンおよび無脊椎生物において痕跡量存在しており、その分率はである。脊椎動物中のリチウム濃度は先述のものよりもわずかに低く、ほとんど全ての脊椎動物の体組織および体液中にはのリチウムが含まれている。水棲生物はリチウムを生物濃縮する。これらの生物においてリチウムがどのような生物学的役割を有しているかは知られていないが、哺乳類の栄養学的な研究によってリチウムの健康に対する重要性が示されており、必須微量元素として1 mg/dのRDA（1日に摂取すべき栄養量）が提言されている。2011年に報告された日本における観察研究によると、飲料水中に含まれる天然由来のリチウムが人間の寿命を増やす可能性が示唆されている。
宇宙
リチウムはビッグバン原子核合成において6Liおよび7Liの2つの安定同位体が合成された。ビッグバンによって生成された原子の量は、光子とバリオンの存在比に依存しているため、リチウムの存在量は計算によって求められる。
リチウムは水素、ヘリウムとともにビッグバンによって合成された初めの元素のひとつであるが、リチウムおよびベリリウムとホウ素は近い原子番号の他の元素と比較してその存在量は著しく小さい。これは、リチウムが比較的低温で核反応を起こすため別の元素に変換されやすく、かつリチウムが生成される反応経路が少ないためである。
リチウムは亜恒星天体である褐色矮星や、特定の特異な橙色の星において見られる。リチウムは温度が低く小さな褐色矮星に存在するが、より温度の高い赤色矮星では核反応によって消費されリチウムが存在しないため、太陽よりも小さなこれら2つを識別するためにリチウムの存在を確認する「リチウム・テスト」と呼ばれる方法が利用される。ケンタウルス座X-4のような橙色の星からもまたリチウムが検出される。これらの星は中性子星やブラックホールのようなより大きな天体を周回しており、水素やヘリウムよりも重いリチウムが重力によって星の表面へと引かれるためリチウムが観測されると考えられる。
リチウム原子核は太陽内部の高温の環境において容易に破壊される。このため今日太陽表面に存在するリチウムの量は、太陽系の材料となった星間物質における原初の存在比と比べて100分の1以下にまで減少していると考えられている。この減少率は太陽内部の状態（特に元素の鉛直方向の輸送の程度）に影響されるため、リチウム存在量は直接観測が困難な太陽の内部モデルを検証する上での制約条件の1つとなる。
生産 +リチウム生産量（鉱石ベース、2011年） および可採埋蔵量（単位：トン）U.S. Geological Survey, 2012, commodity summaries 2011: U.S. Geological Survey 国 生産量 可採埋蔵量 3200 9260 160 (2010) 480 5200 820 470 3800 世界計 リチウムの生産量は第二次世界大戦後に大きく増加した。リチウムはペグマタイトなどの火成岩中から他の元素と分離され、もしくは鉱泉や塩水溜まり（塩湖かん水）、堆積塩などから抽出される。金属リチウムは55 %の塩化リチウムと45 %の塩化カリウムの混合物をで溶融塩として電解することによって生産される。金属リチウムの価格は1998年時点で95 USドル/kg（43 USドル/ポンド）であった。また、リチウムイオン電池の原料に使われる炭酸リチウムの価格は、車載用バッテリー用途の需要の高まりにより2015年以降高騰しており、2015年6月に7.7ドル/kgであった平均価格が、2016年6月には26.8 ドル/kgにまで上昇している。
アメリカ地質調査所の推定によるリチウムの可採埋蔵量は鉱石ベースで1300万トンである。それは南米のアンデス山脈沿いに多く見られ、リチウムの主要生産国としてチリやアルゼンチンが挙げられる。両国はリチウムを塩湖かん水から生産しており、アメリカでもネバダ州にあるシルバーピーク鉱山の塩湖かん水からリチウムを産出している。世界の既知の埋蔵量のうち、半数近くをアンデス山脈の中央東部に位置するボリビアが占めているが、この資源の開発はあまり進展しておらず、2013年2月に日本とボリビアの共同でリチウムの抽出試験が開始されたばかりである。
一方で、リチウム鉱石からのリチウム生産は主にオーストラリアやジンバブエなどで行われている。オーストラリアではペグマタイトからタンタルを生成する際の副生物として回収されており、世界2位の生産量を占めている。鉱石としてのリチウム資源はアメリカが全埋蔵量の47%を有しているが、2010年の時点ではアメリカで稼働中のリチウム鉱山は塩湖かん水を利用するシルバーピーク鉱山のみであり、リチウム鉱石の採掘は行われていない。
潜在的なリチウムの資源回収源として地熱井戸が挙げられる。地熱井戸では高温の水のような地熱流体の移動を介して地表に熱エネルギーを伝達するがParker, Ann. Mining Geothermal Resources. Lawrence Livermore National Laboratory、そのような地熱流体に含まれるリチウムを単純な濾過技術によって回収することが可能であり、これは既に現場実証されているPatel, P. (2011-11-16) Startup to Capture Lithium from Geothermal Plants. technologyreview.com。環境保護に関するコストは、主に既存の地熱井戸操業に関するものであるため、相対的な環境面の影響は肯定的であるWald, M. (2011-09-28) Start-Up in California Plans to Capture Lithium, and Market Share. The New York Times。
世界金融危機後、産業界において炭酸リチウムの市場規模縮小が広がったため、世界最大手のソシエダード・キミカ・イ・ミネラ・デ・チリ（SQM）のようなリチウムの主要供給者は、リチウム資源開発者の新規参入を考慮し、さらに市場でのその立場を守るために設定価格を20%低下させた。2012年には、リチウム需要の増加にともない市場規模は拡大している。2012年の『ビジネスウィーク』の記事は、「億万長者であるフリオ・ポンセが支配する"SQM"、ヘンリー・クラビスのコールバーグ・クラビス・ロバーツ社に支援されたロックウッド、フィラデルフィアに拠点を置くFMC社」などの既存企業によるリチウム市場の寡占を概説した。リチウム電池の需要が年におよそ25%ずつ増加しており、全体のリチウム需要を4-5%ほど押し上げているため、世界的なリチウムの消費量は2012年の15万トンから2020年には30万トンにまで急増する可能性がある。