Teaching Chemistry Through The Jigsaw Strategy
Example 4
Topic
Uses of lithium
Subtopics
1. Lithium batteries
2. Treatment of manic-depression
3. Absorption of carbon dioxide
4. Production of energy
Level
Secondary 4-5
Curriculum Links
Elements and compounds
Periodic table
Chemical bonding
Reactivity of metals
Medium of instruction
Chinese
Copyright © 2007 by Quality Education Fund, Hong Kong
All rights reserved. Prepared by Professor Derek Cheung, The Department of Curriculum and Instruction, The Chinese University of Hong Kong. No part of this document may be reproduced in any manner whatsoever without written permission, except in the case of use as instructional material in a school by a teacher.
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1. 鋰電池
2005 年12 月一名女子在馬鞍山逛街時，褲袋的鋰電池(lithium battery)突然爆炸及着火，大腿被燒傷﹗究竟鋰電池與我們一般常用的電池有什麼分別呢﹖
電池的基本構造包括正極、負極和電解質。鋰電池是用鋰金屬作為負極的電池。鋰與活潑金屬鉀(Potassium)和鈉(Sodium)都屬於第I 族元素，因此鋰原子亦是一種非常活潑的物質，容易釋放電子，若電池的內部設計不完善，可能引致鋰電池爆炸。那麼為什麼會有鋰電池的出現呢﹖
其實，早在 1970 年代，鋰在製造電池上的潛力便為人所注目。鋰是世界上最輕的金屬，因此，鋰電池具有輕身及儲電量高的優點。當電子產品都向著輕薄、細小的方向發展時，鋰電池便正好能配合這方面的發展。而且鋰相對於一般電池中的鉛、鎘、汞等金屬對環境的污染又較少，因此，鋰電池是有一定的發展潛力的。
由於鋰原子的危險性，後來就有了改進型的鋰離子(lithium ion)電池。這種電池不再用活潑的鋰金屬作為負極，而改用碳作為負極。正極則採用鋰的化合物，較常見的是氧化鈷鋰(LiCoO2)。因此，鋰離子電池中不再有危險的鋰原子。此外，這種電池還加入了一些成份(如鈷、錳等等)，以抑制使用電池時可能產生的鋰原子。因此，鋰離子電池就變得更為安全，而舊一代的鋰電池也被淘汰了。在標記上，鋰電池標識為「LI」，鋰離子電池則為「LI-ION」。鋰離子電池還有一個好處，就是它是可以被充電及重覆使用的。現時，鋰離子電池被廣泛應用於手提電腦、手提電話等電子產品上，消費者在選購或更換有關的鋰離子電池時，切勿購買來歷不明的雜牌子，以免構成使用上的危險。
現在甚至有高分子鋰離子電池，這是指電池的正極、負極或電解質中最少一項是使用高分子物料作為主要材料。例如在電解質方面，便可以使用固態或膠態高分子物料。傳統的鋰離子電池是採用液態電解質的，但採用液態電解質容易造成漏液，而使用固態或膠態高分子電解質，就沒有這個問題，故可省去封閉液態電解質的金屬容器，高分子鋰離子電池因而變得更為輕巧，形狀也不再受到規限。例如，鋰離子電池的厚度最少為6mm，但高分子鋰離子電池則只有約2 至4mm。另外，高分子鋰離子電池在充放電、安全性等方面都較一般的鋰離子電池優勝。正因為高分子鋰離子電池的多種優勢，目前已有許多廠商紛紛推出商品化的高分子鋰離子電池。
不過，高分子鋰離子電池並非十全十美的。高分子鋰離子電池的充放電次數只有400 －600 次，經過改良的也只有800 多次。此外高分子鋰離子電池的價格也比較高昂。看來，高分子鋰離子電池仍有待進一步的發展。
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2. 醫治躁鬱症
所謂「躁鬱症」（manic-depression），是指病人有時出現憂鬱的症狀(常帶着自殘性)，有時又出現狂躁的症狀(常帶着攻擊性)，因此此症又被稱為「雙極性疾患」（bipolar disorder）。當患者出現狂躁的徵狀時，其情緒異常興奮、自我膨脹、說話速度快、衝動、睡眠時數減少，但當病者處於憂鬱的階段時，卻變得沮喪、對任何事缺乏反應或興趣、缺乏活力、有負面的想法。根據中大香港健康情緒中心委託中大亞太研究所在2007年年初的調查發現，每百名成年人中，便有三人患上「躁鬱症」，推算全港患者高達十八萬人。所以大家不可不認識躁鬱症這種精神病。
躁鬱症的病因目前並不明確，但醫學界大多認為與大腦內神經傳導物質或腦神經細胞膜上的離子運送失衡有很大的關係，這種現象與遺傳有關，所以躁鬱症患者的兄弟姊妹和子女有較高罹患躁鬱症的機會。而壓力則被認為是引發躁鬱症的誘因。現時治療患者的方法，除了有心理上的治療外，還會配合使用情緒穩定劑(mood stabilizers)，其中鋰鹽(lithium salts)便是一種有效預防及治療躁鬱症的藥物。
鋰鹽在治療躁鬱症的成效是1949年澳洲精神病學家John Cade意外地發現的。John Cade在研究躁鬱症的成因時估計躁鬱症與尿酸有關，不過由於尿酸不溶於水，難以用動物作為試驗，而尿酸鋰是最溶於水的尿酸鹽，因此John Cade便改用尿酸鋰來進行有關的動物試驗。結果發現，有關動物在接受尿酸鋰後，都變得十分溫馴。後來經過John Cade的不斷研究，才發現尿酸鋰中的鋰離子(Li+)才是關鍵所在。
醫學界仍未能完全掌握鋰離子在醫治躁鬱症上的機制，但相信是與影響神經傳送有關。跟鋰同屬第一組，同樣有一粒最外層電子的鈉和鉀，在神經傳送上便擔當着重要的角色。神經所有處理過程都是由稱作「神經元」的體細胞完成的，而神經訊號能由一個神經元傳遞到另一個神經元，是因為鈉離子(Sodium ion Na+)和鉀離子(Potassium ion K+) 在神經元細胞內外的濃度差所引起的。神經元細胞壁上有一些離子通道，能控制這些離子的通過及濃度。不過，以我們所知，那些離子通道只能讓某一兩種離子通過，故此鋰離子是否能通過這些通道，並影響神經傳送，仍然有待探討。
現時，碳酸鋰、檸檬酸鋰都是被美國食物及藥物管理局批准作為醫治躁鬱症的鋰鹽﹐但服用鋰鹽可能會有一些副作用。由於鋰與鈉非常相似，因此服用鋰鹽的患者就像吃了食鹽(即氯化鈉sodium chloride)一樣，會感到口渴，同時亦可能會因水份積聚在身體裏而令體重上升。另外，還常會有手震、噁心、腹部不適等症狀，但這些徵狀在服用鋰鹽一段時間後會慢慢改善。不過，有腎功能障礙或嚴重心臟病的患者，便不適合用鋰鹽作治療。
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3. 作為二氧化碳吸附劑
2000年8月，蘇聯「庫爾斯克號」核潛艇因有易燃氣體從魚雷的裂縫洩漏而先後發生兩次爆炸，引致潛艇隔倉內的溫度急劇上升至2000至3000度，潛艇上的95人在幾秒內全部喪生，而另外的23人逃到潛艇尾部而暫時幸存。隨着每次呼吸，潛艇艇內的氧氣濃度不斷下降，二氧化碳的濃度又不斷上升。雖說潛艇上有除去二氧化碳的裝置，但爆炸已令有關裝置損壞，而二氧化碳濃度便迅速上升。當二氧化碳濃度上升至3%時，人便會中毒死亡。最後，這23人亦未能被及時救出，因窒息及二氧化碳中毒而罹難。究竟吸收二氧化碳的裝置是怎樣運作的呢﹖
其實，早在第二次大戰之前，船員已懂得將氫氧化鋰(LiOH)放在桌上去吸收二氧化碳，但吸入腐蝕性的氫氧化鋰會令人感到不適。科學家於是便嘗試將氫氧化鋰放在透氣的布料之上，做一塊吸收二氧化碳的簾子，但最後他們也找不到合適的布料。
英國一間海上科技公司創造出一種新型的控制裝置，一旦潛艇內的二氧化碳含量超出安全範圍時，二氧化碳便會被裝置中的氫氧化鋰微粒所吸收，而且裝置裏有過濾器防止氫氧化鋰微粒飄走。因此，這種裝置可以防止失事潛艇內空氣中的二氧化碳達到威脅艇員生命的水平，提高艇員在等待救援時的生存機會。
氫氧化鋰吸附二氧化碳的原理如下:
氫氧化鋰 + 二氧化碳
碳酸鋰 + 水 △H= - 290kJmol-1
2LiOH + CO2
Li2CO3 + H2O (負號代表放熱)
在海底，溫度低至接近零度，船員如果置身於一艘發生故障的潛艇中，便容易患上低溫症。由於氫氧化鋰能吸附二氧化碳並產生熱能，令溫度提升至攝氏
60度，故此，在出現事故時，此裝置便能夠保持艙內溫暖。另外，吸收了二氧化碳的氫氧化鋰更可被帶到陸地上，進行循環再造，那麼，氫氧化鋰微粒便可再次使用於吸收二氧化碳上。
正因為蘇聯「庫爾斯克號」核潛艇的意外，美國海軍有了新的規定，要求潛艇上氫氧化鋰濾毒罐的數量要從1963年制定的150個增加到370個，讓失事潛艇裡的艇員等待救援的日數可以由3天延續到7天。
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4. 能源金屬
今天，人類所使用的能源主要來自石油、天然氣及煤這些不能再生的資源。但以現時的使用速率計算，這些能源將於本世紀末殆盡枯竭。因此，當世界人口不斷膨脹，人均用電量不斷增加，而溫室效應又持續加劇時，人類就必須發掘新的能源。核能是人類未來能源的希望。核能可分為核裂變(nuclear fission)能及核聚變(nuclear fusion)能，其中，核聚變能更是受到世界各國高度重視的新能源。
核裂變是指由較重的原子核分裂成較輕的原子核，並釋出能量的過程，如原子彈爆炸；核聚變則是指由較輕的原子核聚合成較重的原子核，並釋出巨大能量的過程，如太陽發光發熱及氫彈爆炸的過程。核聚變的原理簡單來說是在超高溫(高至上億度)及高壓下，氫的兩個同位素(isotopes) ?氘(deuterium，H)和氚(tritium，H) ?聚合成為一個氦(helium，He)，並釋放出中子(neutron， n) 及巨大能量。 氘(
21H)+ 氚(H) 氦(42He) + 中子(n) + 能量 213142103110
核聚變較核裂變有兩個重大的優點。一是地球上蘊藏的核聚變能遠比核裂變能豐富(約為核裂變能的1000萬倍)。核裂變所需的鈾(uranium)在地球上的蘊藏量並不豐富，按目前的消耗量，只夠開採幾十年。相反，核聚變的原料則是用之不盡的。核聚變所需的氘(又叫重氫)，僅在海水中就有45萬億噸，按現時人類消耗能源的速率計算，已可供人類用上百億年。至於氚(又叫超重氫)，因為不穩定，在自然界中並不存在，但可以由鋰(lithium)的同位素鋰-6 (Li) 吸收中子產生。 鋰- 6 (
63Li) + 中子(n) 氚(31H)+ 氦(He) + 能量 631042
鋰-6的原子核有3個中子及3個質子。鋰有「能源金屬」之稱，海水中就含有大量鋰，據估計，地球上的鋰已足夠用上1萬至2萬年。核聚變能的第二個優點是既安全又乾淨。核聚變的產物是無放射污染的氦，而且過程中並沒有溫室氣體的產生。
目前人類已經實現了不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但人類要有效利用核聚變能，就必須要有可被控制的核聚變。目前世界上就有30多個國家正進行着這方面的研究，參與的科研人員超過1萬人，而每年的研究經費更逾20億美元。中國在這方面的研究更是走在世界的尖端，在2006年中國自行設計及研製的世界第一個「人造太陽」實驗裝置，就已成功進行了首次工程調試，向成功發展出受控核聚變，又邁進了一大步。不過，現時這種技術只能在實驗室內進行，要達到工業上的應用，在成本及發電量方面還差很遠，相信理想核聚變的實現至少還需要40－50年時間。
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