Lithiumcarbonat

Strukturformel
2 Struktur des Li+-Ions Struktur des Carbonations
Allgemeines
Name	Lithiumcarbonat
Andere Namen
Summenformel	Li2CO3
Kurzbeschreibung	weißer Feststoff<ref name="GESTIS" />
Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer Vorlage:CASRN EG-Nummer 209-062-5 ECHA-InfoCard 100.008.239 PubChem 11125 ChemSpider 10654 DrugBank DB14509 Wikidata [[:d:|]]
Arzneistoffangaben
ATC-Code	N05AN01
Eigenschaften
Molare Masse	73,89 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	2,11 g·cm−3<ref name="roth-SDB">Datenblatt Vorlage:Linktext-Check (PDF) bei Carl RothVorlage:Abrufdatum</ref>
Schmelzpunkt	720 °C<ref name="roth-SDB" />
Siedepunkt	1310 °C (Zersetzung)<ref name="GESTIS" />
Löslichkeit	13,3 g·l−1 (20 °C) in Wasser<ref name="IS1"></ref> 7,2 g·l−1 (100 °C) in Wasser<ref name="IS1" /> nahezu unlöslich in Ethanol<ref name="roempp">Eintrag zu Lithiumcarbonat. In: Römpp Online. Georg Thieme VerlagVorlage:Abrufdatum</ref>, Aceton<ref name="Lax" />
Sicherheitshinweise
Bitte die Befreiung von der Kennzeichnungspflicht für Arzneimittel, Medizinprodukte, Kosmetika, Lebensmittel und Futtermittel beachten GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref name="GESTIS">Eintrag zu Vorlage:Linktext-Check in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFAVorlage:Abrufdatum (JavaScript erforderlich)</ref> Gefahrensymbol Achtung H- und P-Sätze H: 302​‐​319 P: 264​‐​270​‐​280​‐​301+312​‐​305+351+338​‐​337+313<ref name="GESTIS" />
Toxikologische Daten	531 mg·kg−1 (LD50, Maus, oral)<ref>Eintrag zu Lithium Carbonate in der Hazardous Substances Data Bank (via PubChem)Vorlage:Abrufdatum</ref>
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−1215,9 kJ/mol<ref name="CRC90_5_20">David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances, S. 5-20.</ref>
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Lithiumcarbonat (fachsprachlich) oder Lithiumkarbonat (Li₂CO₃) ist das Lithiumsalz der Kohlensäure. Lithiumcarbonat ist die wichtigste Lithiumverbindung. Schon im Jahr 1985 betrug der Weltabsatz von Lithiumcarbonat ca. 28.000 Tonnen/Jahr.

In der Natur kommt Lithiumcarbonat sehr selten in Form des Minerals Zabuyelit vor.

Gewinnung und Darstellung

Lithiumcarbonat wird aus lithiumhaltigen Erzen (Pegmatite) und Solen hergestellt. Wichtigstes Erz ist Spodumen.<ref>Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg et al.: Industrielle Anorganische Chemie. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-3-527-64958-7 (Google Books). </ref>

Im Jahr 1923 begann in der Hans-Heinrich-Hütte der Metallgesellschaft in Langelsheim (Harz) die Produktion des ersten technischen Lithiumcarbonats.

Das lithiumhaltige Erz wird zerkleinert, zur Entfernung organischer Verunreinigungen geröstet und mit Schwefelsäure aufgeschlossen. Durch Zugabe von Natriumcarbonat (Soda) werden zuerst die Verunreinigungen ausgefällt und abfiltriert. Weiteres Alkalisieren mit Natriumcarbonat führt zur Ausfällung von Lithiumcarbonat, das abfiltriert oder abzentrifugiert wird.<ref name="wiberg">A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 101. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 1995, ISBN 3-11-012641-9, S. 1153.</ref> Bei stark verunreinigtem Ausgangsmaterial wird nochmals mit Schwefelsäure aufgelöst und mit Natriumcarbonat gefällt. Vor dem Verpacken wird das Lithiumcarbonat in einem Vakuumtrockner getrocknet.

Durch Reaktion mit Kohlendioxid wandelt sich das wasserunlösliche Lithiumcarbonat in das metastabile Lithiumhydrogencarbonat (Lithiumbicarbonat) um. Nach Ausfällung der Aluminium- und Eisensilikate wird das Lithiumhydrogencarbonat aufgefangen und durch Erhitzen auf 95 °C wieder in reines Lithiumcarbonat umgewandelt.<ref name="lithium">Donald E. Garrett: Handbook of Lithium and Natural Calcium Chloride. Academic Press, 2004, ISBN 978-0-08-047290-4 (Google Books). </ref>

Kostengünstiger ist das Verarbeiten von lithiumhaltigen Solen. Vor der Fällung mit Soda werden sie aufkonzentriert. Im Gewinnungsgebiet Salar de Atacama in Chile geschieht dies teilweise durch Verdunsten des Wassers in Solarteichen. Der anschließende Fertigungsweg geschieht so wie oben beschrieben.

Recycling aus Lithium-Ionen-Akkus

Aufgrund des steigenden Bedarfs an Lithium ist das Recycling ein wichtiger Prozessschritt. Hierbei wird Lithiumcarbonat als weiter zu verarbeitendes Endprodukt erhalten.

Eigenschaften

Datei:Lithiumcarbonat Löslichkeit.PNG

Löslichkeitsdiagramm von Lithiumcarbonat in Wasser<ref name="handbuch" />

Lithiumcarbonat kristallisiert im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/c (Raumgruppen-Nr. 15)Vorlage:Raumgruppe/15 mit den Gitterparametern a = 835,9 pm, b = 497,67 pm, c = 619,4 pm und β = 114,72°. In der Elementarzelle befinden sich vier Formeleinheiten.<ref name="Lax">Jean D’Ans, Ellen Lax: Taschenbuch für Chemiker und Physiker. 3. Elemente, anorganische Verbindungen und Materialien, Minerale, Band 3. 4. Auflage, Gabler Wissenschaftsverlage, 1997, ISBN 978-3-540-60035-0, S. 532 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).</ref> Bei 350 °C und 410 °C finden Phasenübergänge statt.<ref name="Lax" /> Im Gegensatz zu den Carbonaten der übrigen Alkalimetalle ist Lithiumcarbonat in Wasser weniger gut löslich. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Löslichkeit ab. Daher bietet sich als Herstellungsmethode die Umsetzung von wässrigen Lithiumsalzlösungen mit Natriumcarbonat an:

<math>\mathrm{2 \ Li^+ + Na_2CO_3 \longrightarrow Li_2CO_3 + 2 \ Na^+}</math>

Im Labor wird dieses Löslichkeitsverhalten ausgenutzt, um handelsübliches Lithiumcarbonat aufzureinigen. Hierzu wird eine kaltgesättigte Lösung hergestellt, diese ggf. von unlöslichen Verunreinigungen abfiltriert und dann unter starkem Rühren zum Sieden erhitzt. Auf Grund der sinkenden Löslichkeit des Lithiumcarbonat bei steigender Temperatur beginnt hierbei reines Lithiumcarbonat auszufallen, welches dann heiß abfiltriert wird.<ref name="IS1" />

Anders als die Carbonate von Natrium und Kalium gibt trockenes Lithiumcarbonat beim Erhitzen Kohlendioxid ab<ref name="handbuch">R. Abegg, F. Auerbach, I. Koppel: Handbuch der anorganischen Chemie. Verlag S. Hirzel, 1908, 2. Band, 1. Teil, S. 146ff. Volltext</ref>

<math>\mathrm{Li_2CO_3 \longrightarrow Li_2O + CO_2}</math>

Erhitzt man Lithiumcarbonat im elektrischen Ofen mit einem Überschuss von Kohlenstoff, so entsteht Lithiumcarbid. Auch hier gleicht das Lithium eher dem Calcium als den anderen Alkalimetallen, die unter diesen Umständen zum Metall reduziert werden.<ref name="handbuch" />

<math>\mathrm{ Li_2CO_3 + 4 \ C \longrightarrow Li_2C_2 + 3 \ CO}</math>

Die Standardbildungsenthalpie des kristallinen Lithiumcarbonats beträgt Δ_fH⁰₂₉₈ = −1215,87 kJ/mol.<ref name="Herzberg">Oliver Herzberg: Untersuchung organischer Festkörperreaktionen am Beispiel von Substitutions- und Polykondensationsreaktionen. Hamburg 2000, DNB 960245774, urn:nbn:de:gbv:18-2380 (Dissertation, Universität Hamburg). </ref>

Verwendung

Datei:Lithium carbonate.jpg

Lithiumcarbonat

Die Hälfte des Absatzes wird für die Aluminiumherstellung (Schmelzflusselektrolyse) benötigt. Weitere Anwendungsgebiete sind die Glas-, Keramik-, Emailindustrie. Lithiumcarbonat sorgt für eine geringere Schmelztemperatur – wodurch Energiekosten gesenkt werden – und verleiht der heißen Glasmasse eine geringere Viskosität (wodurch z. B. die Herstellung von sehr dünnwandigem Glas erleichtert wird).

Lithiumcarbonat kann als Ausgangsstoff zur Herstellung weiterer Lithiumverbindungen wie beispielsweise Lithiumchlorid, Lithiumformiat, Lithiumhydroxid oder Lithiumniobat verwendet werden. Des Weiteren wird es zur Schmelzpunkterniedrigung in der schmelzflusselektrolytischen Gewinnung von Aluminium genutzt.<ref name="wiberg" /> Lithiumhaltige Gläser werden auf Grund ihres geringen Ausdehnungskoeffizienten zur Herstellung feuerfester Gläser verwendet.<ref name="wiberg" /> Es ist außerdem Bestandteil von Schnellzementen und Estrichen<ref>Tätigkeitsbericht 2005. Institut für Holztechnologie Dresden, S. 18, abgerufen am 19. Februar 2023. </ref> und dient dort dem schnelleren Abbinden des Zements. In Schmelzkarbonatbrennstoffzellen ist es Bestandteil des Elektrolyts.<ref>J. Deberitz, G. Boche: Lithium und seine Verbindungen – Industrielle, medizinische und wissenschaftliche Bedeutung. In: Chemie in unserer Zeit. Bd. 37, 2003. S. 258–266, doi:10.1002/ciuz.200300264.</ref> In der Industrie wird es auch als Flussmittel zur Herstellung von Glas, Keramik und Email eingesetzt.<ref name="wiberg" />

In der Lithiumtherapie wird Lithiumcarbonat zur Behandlung depressiver Erkrankungen, Manien oder bipolarer Störungen eingesetzt. Handelsnamen sind beispielsweise in Deutschland Hypnorex und Quilonum, in Österreich Neurolepsin und Quilonorm, in der Schweiz Quilonorm.<ref>Depression. 2. Auflage. Thieme Verlag, 2002, ISBN 3-13-104662-7, 4. Medikamente, Checklisten, Beurteilungsinstrumente, doi:10.1055/b-0033-858. </ref> Da Lithiumcarbonat weniger wasserlöslich ist als andere Lithiumsalze, wird es durch den oberen Gastrointestinaltrakt weniger schnell absorbiert. Bis zum Erreichen der Spitzenplasmakonzentration dauert es viermal so lange wie bei anderen Lithiumsalzen. Dennoch werden häufig Retard-Tabletten verabreicht, die den Wirkstoff noch langsamer freisetzen. Die Wirkungsweise ist ansonsten wie bei allen anderen Lithiumsalzen gleich. Die niedrige therapeutische Breite führt dazu, dass Patienten regelmäßig durch Laboranalysen ihren Lithiumspiegel im Blut kontrollieren lassen müssen.<ref>DFP-Literatur: Lithiumtherapie bei bipolarer Störung. Österreichische Gesellschaft für Neuropsychopharmakologie und Biologische Psychiatrie, 3. September 2014, abgerufen am 15. August 2021. </ref> Lithiumcarbonat wird von der WHO in der Liste der unentbehrlichen Arzneimittel geführt.<ref>WHO model list of essential medicines - 22nd list, 2021. Abgerufen am 16. Juni 2022 (). </ref>

Musik

2004 benannte der Produzent Venetian Snares seinen Song Li2CO3 nach der chemischen Verbindung.

Literatur

• Richard Bauer: Lithium – wie es nicht im Lehrbuch steht, Chemie in unserer Zeit, Oktober 1985, S. 167, VCH Verlagsgesellschaft mbH Weinheim

Einzelnachweise

<references />