Pourquoi la masse atomique du lithium est-elle un intervalle ?
L’IUPAC donne la masse atomique standard du lithium comme [6,938 ; 6,997], un intervalle couvrant près de 0,06 unité. Rapporté à la taille de l’élément, c’est l’un des plus larges du tableau.
Le lithium naturel mêle du lithium 7, environ 92,4 %, et du lithium 6, environ 7,6 %. L’écart de masse entre les deux est proportionnellement important — un neutron de plus sur un noyau qui en compte sept — si bien que les processus géochimiques ordinaires les séparent de façon mesurable, comme pour l’hydrogène.
Mais le lithium a une seconde cause qu’aucun autre élément ne partage au même degré : la séparation isotopique industrielle à grande échelle.
Le lithium 6 est la matière première du tritium, aussi bien pour les armes thermonucléaires que pour la recherche sur la fusion. Son enrichissement laisse d’énormes quantités de lithium appauvri en lithium 6, et ce résidu est entré dans les circuits commerciaux ordinaires. Un flacon de réactif acheté aujourd’hui peut présenter une composition isotopique nettement différente de celle du lithium dans le sol.
La CIAAW en avertit explicitement. Une mesure supposant la valeur naturelle peut être fausse d’un écart significatif en travail de précision, et la recommandation est de déterminer la composition isotopique du matériau réellement utilisé plutôt que de se fier à une valeur tabulée.
C’est le cas le plus net, dans tout le tableau périodique, d’une activité humaine modifiant les constantes publiées d’un élément.
Pourquoi le lithium est-il le métal le plus léger ?
La masse volumique du lithium vaut 534 kg/m³ — environ la moitié de celle de l’eau. C’est le métal le moins dense et le solide élémentaire le moins dense à température ambiante, et un morceau flotte brièvement avant que la réaction avec l’eau ne l’emporte.
Deux facteurs y contribuent. L’atome lui-même est léger, avec seulement trois protons. Et la liaison métallique y est faible, chaque atome n’apportant qu’un électron 2s faiblement retenu à la mer électronique commune. Une liaison faible signifie des atomes plus éloignés, donc un réseau ouvert plutôt que compact.
Cette même faiblesse donne au lithium un point de fusion de 181 °C, bas pour un métal, et le rend assez tendre pour se couper au couteau.
Faible densité et potentiel d’électrode très négatif — le plus négatif de tous les éléments, à −3,04 V — forment précisément la combinaison recherchée par un concepteur de batterie. Beaucoup de tension pour peu de masse : c’est pourquoi le lithium a supplanté toutes les chimies rechargeables antérieures dans les appareils portables.
Comment lire la configuration électronique du lithium ?
L’état fondamental du lithium est [He] 2s¹ : un cœur 1s saturé et un unique électron en 2s. Électrons par couche : 2, 1.
C’est le premier élément doté d’une couche interne, donc le premier où l’écrantage compte. Cet unique électron 2s est masqué du noyau par les deux électrons 1s, si bien qu’il ressent une charge nucléaire effective plus proche de 1 que de 3. Il est faiblement retenu, et le lithium le cède volontiers.
La première énergie d’ionisation vaut 520 kJ/mol. La seconde vaut 7 298 kJ/mol — quatorze fois plus, cet électron devant sortir du cœur 1s saturé. L’ampleur de ce saut explique que le lithium soit exclusivement +1, et constitue l’une des preuves les plus nettes que les couches électroniques sont une structure physique réelle et non une convention comptable.
Le terme spectroscopique est ²S₁/₂, comme pour tout métal alcalin.
Li⁺ est très petit et porte une charge entière, ce qui le rend fortement polarisant. Les composés du lithium ont donc plus de caractère covalent que ceux des autres alcalins — le lithium se comporte à plusieurs égards davantage comme le magnésium que comme le sodium, exemple de la relation diagonale du tableau périodique.
Pourquoi le lithium domine-t-il la chimie des batteries ?
L’énergie d’une batterie dépend de la charge qu’elle peut déplacer et de la tension à laquelle elle le fait, rapportées à la masse. Le lithium gagne sur les deux tableaux simultanément, ce qui est rare.
Son potentiel de −3,04 V donne la plus grande tension de cellule possible avec une cathode adaptée. Sa masse atomique d’environ 6,94 fait que très peu de masse est dépensée à transporter cette charge. Et Li⁺ est assez petit pour entrer et sortir des structures en feuillets du graphite et des oxydes métalliques sans les détruire — l’intercalation qui rend une cellule lithium-ion rechargeable plutôt que jetable.
Aucun autre élément ne réunit ces propriétés. Le sodium lui ressemble chimiquement, mais son ion est nettement plus gros et plus lourd, d’où une énergie massique moindre ; les cellules sodium-ion se commercialisent malgré tout, le sodium étant abondant et bon marché.
La contrepartie est que la réactivité du lithium est exactement ce qui rend les cellules dangereuses en cas de défaillance, et pourquoi l’électrolyte doit être non aqueux.
D’où vient le lithium ?
Deux sources dominent, sans lien géologique entre elles.
Les saumures sont la voie la moins chère. Les eaux souterraines de bassins fermés — l’Atacama au Chili, les salars d’Argentine et de Bolivie — ont dissous le lithium des roches volcaniques environnantes et l’ont concentré par évaporation sur de longues périodes. La production consiste à pomper la saumure dans des bassins peu profonds et à laisser le soleil la concentrer pendant des mois, puis à en extraire du carbonate de lithium. C’est lent, gourmand en eau dans certains des endroits habités les plus arides du monde, et bon marché.
La roche dure signifie le spodumène, un silicate d’aluminium et de lithium exploité classiquement, surtout en Australie. L’extraction est plus rapide et plus maîtrisable mais consomme beaucoup plus d’énergie, le minéral devant être grillé puis attaqué chimiquement.
Les réserves sont géographiquement concentrées, et la demande a fortement crû avec les véhicules électriques, ce qui a fait de l’approvisionnement en lithium un sujet de politique industrielle plutôt qu’un simple négoce de matière première.