Le lithium (Z = 3)

Bien qu'on en trouve un peu partout dans la nature, aussi bien dans la croûte terrestre que dans les océans, le lithium est un élément relativement peu abondant (dans l'eau de mer, il n'arrive qu'en dix-septième position en terme de masse). Il existe principalement sous deux formes (plus précisément deux isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons.) stables : le lithium 7 (⁷Li), de loin le plus abondant (92,5 %), dont le noyau contient 3 protons et 4 neutrons, et le lithium 6 (⁶Li), dont le noyau contient 3 protons et 3 neutrons.

Origine du lithium

A l'instar de l'hélium, une partie du lithium (près de 25 %) aurait été synthétisé lors des premiers instants (entre dix et vingt minutes) qui ont suivi le Big Bang, au cours de ce qui est appelé la "nucléosynthèse primordiale". On donne à ce lithium le nom de "lithium cosmologique", même s'il est strictement identique, du point de vue de la chimie, au lithum provenant d'autres sources. Petit problème, il y a discordance entre la théorie et les observations. Il semblerait en effet que les étoiles les plus anciennes de notre Galaxie, dont les couches externes sont censées avoir une composition chimique très stable, proche de celle de l'Univers primordial, contiennent pratiquement trois fois moins de lithium 7 que ce qui est prédit par les modèles. Oups... Quand au lithium 6, c'est l'inverse ! On en observe en effet beaucoup trop, des centaines de fois plus que ce qui est prévu par la théorie. De quoi donner quelques bonnes migraines aux cosmologistes, mais ces derniers en ont l'habitude...

Autre problème, il reste à expliquer l'origine des 75 % de lithium restant, celui qui n'est pas d'origine cosmologique. Or les étoiles, pour ce que l'on en sait, n'en produisent pas (elles auraient même plutôt tendance à le détruire, dès que la température devient trop élevée). Il faut donc trouver d'autres mécanismes, or plusieurs pistes sont envisagées. On sait notamment que du lithium est produit en permanence dans l'espace interstellaire, où il résulte de la fission d'atomes plus gros sous l'action des rayons cosmiques, ces particules de (très) haute énergie qui circulent dans l'espace à des vitesses parfois proches de celle de la lumière. Ce phénomène est appelé spallation. Toutefois, des études récentes laissent à penser que le lithium pourrait bien être synthétisé en grandes quantités au cours d'explosions d'étoiles arrivées en fin de vie, qui en seraient même la principale source. Affaire à suivre...

Un peu d'histoire

Découvert à Stockholm en 1817, par le chimiste suédois Johan August Arfwedson (1792-1841), dans un minerai appelé pétalite, le lithium a été isolé pour la première fois par électrolyse en 1818, par les chimistes britaniques Humphry Davy et William Brande. Il tire nom du grec "lithos" qui signifie "pierre" car, n'existant pas à l'état natif (c'est-à-dire à l'état de métal pur), on ne le trouve que sous forme de sels dissous dans l'eau, ou combiné à certaines roches (pétalite, spodumène, lépidotite...).

Propriétés du lithium

Premier élément du groupe des alcalins, le lithium pur se présente sous la forme d'un métal gris argenté !, très mou et très léger (c'est même le plus léger de tous les métaux), sa masse volumique étant de seulement 0,534 g/cm³. Il flotte donc à la surface de l'eau, avec laquelle il réagit d'ailleurs assez vigoureusement (mais moins que les autres métaux alcalins), avec dégagement de dihydrogène ! et formation d'hydroxyde de lithium :

2 Li + 2 H₂O ---> 2 LiOH + H₂

Il réagit également au contact de l'air (tant avec le dioxygène qu'avec le diazote), d'où la nécessité de le conserver dans de l'huile minérale. Sa température de fusion est de 180,5°C.

Production industrielle du lithium

Nous venons de le voir, l'eau des mers et des océans contient une petite proportion de lithium. A l'échelle de la planète, cela représente tout de même près de 230 milliards de tonnes, mais l'exploitation n'en est pas rentable, c'est pourquoi le lithium employé dans l'industrie trouve son origne dans deux autres types de sources : d'une part des saumures provenant de grands lacs salés, d'autre part de minerais extraits de mines "traditionnelles", telles que celle de Greenbushes, en Australie.
Les grands lacs salés en question, ou salars, se trouvent principalement en Amérique du Sud, répartis sur trois pays (Chili, Bolivie et Argentine) formant ce que l'on appelle le "triangle du lithium", qui représentait près de 45 % de la production mondiale de lithium en 2017.

Quand aux minerais, on les trouve dans des gisements répartis un peu partout sur la planète : Chine, Etats-Unis, Canada, Afrique du Sud, Europe. Ce sont toutefois les gisements australiens qui sont à l'heure actuelle les plus exploités : en 2018, l'Australie était même le plus gros producteur mondial de lithium, avec près de 50 000 tonnes. Dans l'avenir, la Chine devrait cependant se tailler la part du lion, puisqu'on estime qu'elle dispose de près de 26 % des réserves mondiales, que ce soit sous forme de saumures ou de minerais.

Quelques exemples d'utilisation du lithium

- Près des deux tiers de la production mondiale de lithium (77 000 tonnes pour la seule année 2019) sont utilisés pour fabriquer des piles et des accumulateursLes accumulateurs sont des dispositifs permettant de stocker de l'énergie électrique, que l'on peut recharger après usage, contrairement aux piles. pour batteriesLes batteries sont des assemblages d'accumulateurs, reliés entre eux de sorte à obtenir une tension plus élevée.. L'avantage des batteries lithium-ion ne réside pas seulement dans leur légèreté et dans la grande quantité d'énergie qu'elles peuvent stocker, mais également dans l'absence d'effet mémoire, qui affecte les performances d'autres types de batteries (notamment celles au nickel-cadmium) si celles-ci ne sont pas totalement déchargées avant d'effectuer la recharge suivante. Les batteries lithium-ion ne doivent au contraire jamais être totalement déchargées, car cela peut les abimer et diminuer leur durée de vie.
Les batteries lithium-ion sont aujourd'hui incontournables. Elles sont utilisées aussi bien dans les téléphones et ordinateurs portables, que dans les véhicules électriques et les sondes spatiales. Vous souhaitez connaître leur principe de fonctionnement ? Rendez-vous ici !.

- Le lithium est utilisé dans certains verres (et céramiques), car il permet d'une part d'abaisser leur température de fusion (et de cuisson), d'autre part de limiter leur coefficient de dilatation thermique. C'est pour cette raison que le Zerodur, verre contenant près de 3 % d'oxyde de lithium, est employé dans la fabrication des miroirs de télescopes de grand diamètre, tels ceux du VLT ou de l'observatoire Keck.

- Le lithium est également employé dans les graisses servant à lubrifier des mécanismes portés à haute température (par exemple des roulements à billes), ou devant supporter des charges conséquentes.

- En médecine, le lithium est utilisé sous forme de sels (carbonate et citrate de lithium) dans le traitement des troubles bipolaires. Bien que l'on ne comprenne toujours pas son mode d'action, certaines études semblent indiquer qu'il améliorerait la communication entre les neurones de la matière grise du cerveau, mais cela reste une hypothèse.

- Dans les endroits confinés (sous-marins, engins spaciaux), il est employé sous forme d'hydoxyde de lithium pour assainir l'air en absorbant l'excès d'humidité et de dioxyde de carbone.

Voilà pour ses principales utilisations, mais il y en a d'autres : il est employé comme additif dans certains ergols (carburants pour fusées), en métallurgie pour améliorer la fluidité (et donc l'écoulement) des métaux en fusion, dans l'aéronautique où il sert à fabriquer des alliages aluminium-lithium très légers, dans le domaine nucléaire militaire pour produire du tritium, qui permet d'augmenter le rendement de certaines bombes nucléaire, etc...

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