Kolloidales Lithium selbst herstellen: Geht das mit Lithiumstäben?

Lithiumstäbe im Wasser: 
Was entsteht tatsächlich?

Was bei der Anwendung einfach erscheint, ist chemisch deutlich komplexer

Lithiumstäbe werden vereinzelt als Elektroden zur Herstellung von „kolloidalem Lithium“ angeboten. Die Anwendung erscheint auf den ersten Blick einfach: Zwei Elektroden werden mit einem Generator verbunden, in Wasser eingesetzt und für eine vorgegebene Zeit unter Spannung gehalten.

Doch Lithium unterscheidet sich grundlegend von Elektrodenmaterialien wie Silber, Gold, Kupfer oder Eisen. Das Metall reagiert bereits ohne eingeschalteten Generator mit seiner Umgebung. Luftfeuchtigkeit und insbesondere Wasser verändern die Oberfläche und die chemische Form des Lithiums unmittelbar.

Damit stellen sich mehrere entscheidende Fragen:

• Bleibt das eingesetzte Lithium im Wasser elementar?
• Entstehen tatsächlich kolloidale Lithiumpartikel?
• Oder enthält die Flüssigkeit überwiegend Lithiumionen und chemische Reaktionsprodukte?
• Welche Rolle spielt der angeschlossene Kolloidgenerator?
• Und welche Sicherheitsrisiken entstehen beim Auspacken, Einsetzen und Aufbewahren der Elektroden?

Dieser Fachbeitrag erklärt, weshalb eine lithiumhaltige Flüssigkeit nicht automatisch eine kolloidale Lithiumdispersion ist und warum Lithiumstäbe nicht wie gewöhnliche Elektroden verwendet werden sollten.

Kurz erklärt:

Eine sichtbare Reaktion, eine steigende Leitfähigkeit oder ein messbarer Lithiumgehalt beweisen nicht, dass elementares Lithium in kolloidaler Partikelform vorliegt.

Warum Lithium kein gewöhnliches Elektrodenmaterial ist

Ein reaktives Alkalimetall mit besonderen Anforderungen

Bei der elektrolytischen Herstellung kolloidaler Dispersionen wird häufig mit hochreinen Elektroden gearbeitet. Dabei werden durch den Stromfluss Bestandteile des Elektrodenmaterials in das Wasser überführt. Welche Stoffformen tatsächlich entstehen, hängt jedoch nicht allein von Spannung, Stromstärke und Herstellungszeit ab.

Entscheidend sind ebenfalls:

• das verwendete Element,
• dessen elektrochemisches Verhalten,
• die Reaktivität mit Wasser und Luft,
• der pH-Wert,
• der Leitwert,
• die Temperatur,
• vorhandene Begleitstoffe,
• die Stabilität der entstehenden Teilchen und Verbindungen.

Lithium gehört zu den Alkalimetallen und weist eine besonders hohe chemische Reaktivität auf. Anders als Gold oder Silber bleibt eine frisch freigelegte Lithiumoberfläche unter normalen Raumbedingungen nicht lange unverändert.

Sobald metallisches Lithium mit Umgebungsluft in Kontakt kommt, beginnt sich seine Oberfläche chemisch zu verändern. Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und insbesondere Luftfeuchtigkeit können daran beteiligt sein. Dabei kann eine ungleichmäßige Oberflächenschicht entstehen, die unter anderem Lithiumoxid, Lithiumhydroxid, Lithiumcarbonat und – abhängig von den Bedingungen – Lithiumnitrid enthalten kann.

Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass sich auf metallischem Lithium unter Umgebungsluft bereits innerhalb kurzer Zeit dünne Schichten aus Lithiumoxid, Lithiumhydroxid und Lithiumcarbonat bilden können. Die Oberfläche bleibt damit nicht identisch mit dem ursprünglich hergestellten reinen Metall. Entwicklung von Lithiumoberflächen an Luft

Warum kann dabei eine Reizung der Atemwege wahrgenommen werden?

Nicht das Metall verdampft – mögliche Reizungen haben andere Ursachen

Metallisches Lithium besitzt bei Raumtemperatur keinen relevanten Dampfdruck. Von einem intakten Lithiumstab geht deshalb nicht einfach eine sichtbare oder unsichtbare „Lithiumwolke“ aus. Ein Gefühl in Hals, Brust oder Atemwegen kann nicht pauschal dem Verdampfen des Metalls zugeschrieben werden.

Eine Reizung ist jedoch möglich, wenn beispielsweise:

• feine Partikel oder Oberflächenabrieb freigesetzt werden,
• pulverförmige Reaktionsprodukte vorhanden sind,
• Feuchtigkeit mit reaktiven Oberflächenbestandteilen reagiert,
• alkalische Aerosole oder korrosive Reaktionsprodukte eingeatmet werden,
• das Material beschädigt, angerieben oder unsachgemäß gereinigt wird.

Besonders bedeutsam ist Lithiumhydroxid. Es ist stark alkalisch und kann Augen, Haut und Atemwege verätzen. Eine schädliche Konzentration entsteht bei Raumtemperatur nicht durch Verdampfung, wohl aber dann, wenn feine Partikel oder Aerosole in die Luft gelangen. Die Internationale Chemikaliensicherheitskarte beschreibt Lithiumhydroxid als korrosiv gegenüber den Atemwegen. ILO/WHO: Lithiumhydroxid

Auch für metallisches Lithium wird die Einatmung fein verteilter Partikel beziehungsweise von Aerosolen als gefährlicher Expositionsweg aufgeführt. Bei der Reaktion mit Wasser können zudem korrosive Reaktionsprodukte entstehen. Internationale Chemikaliensicherheitskarte: Lithium

Ein Kratzen im Hals, Husten, ein Brennen oder ein ungewöhnliches Gefühl in den Atemwegen ist kein Beleg für besonders reines Lithium.

Es ist vielmehr ein mögliches Anzeichen für eine unerwünschte Exposition und sollte nicht als normale Begleiterscheinung der Anwendung akzeptiert werden.

Treten nach dem Öffnen oder Handhaben Atemwegsbeschwerden auf, sollte die Exposition sofort beendet und für frische Luft gesorgt werden. Bei anhaltenden Beschwerden, Atemnot oder stärkerer Reizung ist unverzüglich medizinischer Rat beziehungsweise im akuten Fall der Notruf erforderlich.

Was geschieht, wenn Lithiumstäbe in Wasser eingesetzt werden?

Die chemische Reaktion beginnt bereits ohne eingeschalteten Generator

Sobald metallisches Lithium mit Wasser in Kontakt kommt, beginnt eine eigenständige chemische Reaktion. Dafür ist weder eine elektrische Spannung noch ein Stromfluss zwischen zwei Elektroden erforderlich.

Vereinfacht lässt sich die Reaktion folgendermaßen darstellen:
2 Li + 2 H₂O → 2 LiOH + H₂ ↑

Bei der Reaktion entsteht Lithiumhydroxid. In Wasser liegt dieses weitgehend in Form gelöster Lithiumionen und Hydroxidionen vor. Gleichzeitig werden gasförmiger Wasserstoff und Reaktionswärme freigesetzt.

Dabei entstehen hauptsächlich:

• Lithiumhydroxid beziehungsweise gelöste Lithium- und Hydroxidionen,
• gasförmiger Wasserstoff,
• Reaktionswärme.

Damit unterscheidet sich Lithium grundlegend von weniger reaktiven Elektrodenmaterialien. Die Veränderung des Metalls wird nicht erst durch den Kolloidgenerator ausgelöst. Sie beginnt bereits in dem Moment, in dem die Lithiumstäbe in das Wasser eingesetzt werden.

Was verändert der angeschlossene Kolloidgenerator?

Eine elektrische Spannung verhindert die chemische Reaktion mit Wasser nicht

Werden zwei Lithiumstäbe mit einem Generator verbunden, überlagert sich der elektrochemische Prozess mit der ohnehin stattfindenden chemischen Reaktion zwischen Lithium und Wasser.

Der Generator kann einen Stromfluss zwischen den Elektroden ermöglichen. Er verhindert jedoch nicht, dass metallisches Lithium gleichzeitig mit Wasser reagiert und dabei Lithiumhydroxid sowie Wasserstoff entstehen.

Aus Spannung und Laufzeit allein lässt sich deshalb nicht zuverlässig ableiten, wie viel Lithium chemisch umgesetzt wurde, welchen pH-Wert die Flüssigkeit erreicht hat oder in welcher Stoffform das Lithium vorliegt.

Ein einfaches 12-Volt-Netzteil mit zwei Anschlüssen besitzt zudem keine analytische Rückmeldung über die entstandene Zusammensetzung. Stromfluss, Gasbildung oder steigende Leitfähigkeit sind kein Nachweis für eine stabile kolloidale Lithiumdispersion.

Kann elementares Lithium in Wasser kolloidal stabil bleiben?

Die Reaktivität endet nicht mit der Ablösung von der Elektrode

Selbst wenn sich während des Vorgangs sehr kleine Bestandteile von einer Lithiumelektrode lösen sollten, folgt daraus noch keine stabile Dispersion aus elementarem Lithium.

Auch ein kleiner Lithiumpartikel besitzt eine Oberfläche, die mit dem umgebenden Wasser reagieren kann. Bei sehr kleinen Teilchen ist das Verhältnis von Oberfläche zu Materialmenge besonders groß. Die geringe Teilchengröße schützt das Lithium daher nicht vor einer weiteren chemischen Umsetzung.

Elementares Lithium ist unter gewöhnlichen wässrigen Bedingungen keine dauerhaft stabile Stoffform. Es kann weiter zu Lithiumhydroxid beziehungsweise gelösten Lithium- und Hydroxidionen reagieren.

Klein bedeutet nicht automatisch kolloidal stabil

Ein möglicherweise kurzzeitig vorhandener kleiner Metallbestandteil ist noch kein Nachweis für eine beständige kolloidale Dispersion.

Aus Wasser wird eine alkalische lithiumhaltige Lösung

Lithiumhydroxid verändert pH-Wert und Leitfähigkeit

Lithiumhydroxid ist in Wasser gut löslich. Es liegt dort weitgehend in Form positiv geladener Lithiumionen und negativ geladener Hydroxidionen vor:

LiOH → Li⁺ + OH⁻

Die entstehenden Hydroxidionen erhöhen den pH-Wert. Aus dem zunächst annähernd neutralen Wasser kann dadurch eine zunehmend alkalische Flüssigkeit werden.

Gleichzeitig nimmt die Zahl der frei beweglichen Ladungsträger im Wasser zu. Dadurch steigt auch die elektrische Leitfähigkeit. Diese Veränderung kann bereits durch die chemische Reaktion zwischen Lithium und Wasser auftreten – unabhängig davon, ob der Kolloidgenerator eingeschaltet ist.

Ein steigender Leitwert ist daher kein Nachweis für die Bildung elementarer Lithiumpartikel. Er zeigt zunächst nur, dass sich mehr elektrisch geladene Bestandteile in der Flüssigkeit befinden.

Keine dieser Beobachtungen beweist für sich allein, dass eine stabile Dispersion aus elementaren Lithiumpartikeln entstanden ist.

Leitwert ist kein Partikelnachweis

Gelöste Ionen tragen besonders wirksam zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Ein steigender Messwert kann daher durch Lithiumionen und Hydroxidionen erklärt werden, ohne dass elementares Lithium in kolloidaler Form vorliegt.

Was geschieht bei längerem Kontakt mit Wasser?

Mehr Zeit bedeutet nicht automatisch mehr kolloidales Lithium

Solange metallisches Lithium mit Wasser in Kontakt steht, kann weiteres Lithium reagieren. Dabei entstehen Lithiumhydroxid, gasförmiger Wasserstoff und Reaktionswärme. Mit fortschreitender Reaktion gelangen dadurch mehr Lithiumionen und Hydroxidionen in die Flüssigkeit.

Die Konzentration der Hydroxidionen bestimmt wesentlich, wie alkalisch die Lösung wird. Je mehr Lithium tatsächlich umgesetzt wird, desto höher können pH-Wert und elektrische Leitfähigkeit ansteigen.

Eine längere Einwirkzeit bedeutet deshalb nicht automatisch, dass sich mehr elementare Lithiumpartikel bilden. Sie kann vielmehr dazu führen, dass:

• mehr metallisches Lithium chemisch umgesetzt wird,
• die Konzentration gelöster Lithiumionen zunimmt,
• der pH-Wert weiter ansteigt,
• zusätzlicher Wasserstoff freigesetzt wird,
• weitere Reaktionswärme entsteht,
• die Flüssigkeit zunehmend alkalisch wird und abhängig von der erreichten Konzentration eine reizende oder ätzende Wirkung entwickeln kann. 

Die Internationale Chemikaliensicherheitskarte beschreibt Lithiumhydroxid als korrosiv gegenüber Augen, Haut und Atemwegen. Auch eine klare und äußerlich unauffällige Lösung kann deshalb gefährlich sein. Lithiumhydroxid

Zwei ganze Lithiumstäbe bedeuten eine große reaktive Oberfläche

Zehn Minuten sind keine chemisch neutrale Wartezeit

Werden zwei vollständige Lithiumstäbe in Wasser eingesetzt, steht eine vergleichsweise große Metalloberfläche für die Reaktion zur Verfügung. Eine Anwendungsdauer von beispielsweise zehn Minuten ist daher keine chemisch neutrale Wartezeit.

Wie viel Lithium innerhalb dieser Zeit tatsächlich reagiert, lässt sich allein aus der Zeitdauer nicht zuverlässig bestimmen. Reaktionsschichten auf der Oberfläche können den Ablauf vorübergehend verlangsamen. Gleichzeitig können Beschädigungen, Risse oder frisch freigelegte Stellen lokal deutlich stärker reagieren. Dadurch kann die Umsetzung ungleichmäßig und schwer vorhersehbar verlaufen.

Auch eine angelegte Spannung macht diesen Vorgang nicht automatisch kontrollierbar. Die chemische Reaktion zwischen Lithium und Wasser findet unabhängig vom Generator statt.

Zehn Minuten sind keine kontrollierte Dosierung

Aus Elektrodenlänge, Spannung und Zeit lässt sich nicht zuverlässig ableiten, welche Lithiummenge umgesetzt wurde, welchen pH-Wert die Flüssigkeit erreicht hat oder in welcher chemischen Form das Lithium vorliegt.

Bereits kleine Lithiummengen können den pH-Wert stark verändern

Der logarithmische pH-Wert macht geringe Stoffmengen bedeutsam

Der pH-Wert ist logarithmisch. Steigt er um eine Einheit, sinkt die Konzentration der Oxoniumionen auf ein Zehntel. Unter idealisierten Bedingungen steigt gleichzeitig die Konzentration der Hydroxidionen ungefähr auf das Zehnfache. Eine scheinbar kleine Änderung des pH-Wertes kann daher chemisch eine erhebliche Veränderung bedeuten.

Das folgende idealisierte Rechenbeispiel zeigt, welchen Einfluss bereits geringe Mengen vollständig umgesetzten Lithiums auf 250 Milliliter Wasser haben könnten:

Die Werte sind ausschließlich theoretische Orientierungswerte. Sie beruhen auf einer vollständigen Umsetzung zu Lithiumhydroxid und idealisierten Bedingungen. Das tatsächliche Ergebnis kann unter anderem durch Temperatur, Kohlendioxidaufnahme, Wasserqualität, Oberflächenreaktionen und Messbedingungen abweichen.

Das Beispiel macht dennoch deutlich: Für eine stark alkalische Flüssigkeit muss keineswegs ein ganzer Lithiumstab umgesetzt werden. Bereits ein sehr kleiner Anteil des vorhandenen Metalls kann den pH-Wert erheblich erhöhen.

Was kann bei zu hoher Alkalität passieren?

Mit steigender Konzentration an Lithiumhydroxid nimmt die Gefahr einer ätzenden Wirkung zu. Eine stark alkalische Flüssigkeit kann:

• Haut und Schleimhäute schädigen,
• schwere Augenverletzungen verursachen,
• bei Verschlucken Mund, Speiseröhre und Magen-Darm-Trakt verätzen,
• als Sprühnebel oder Aerosol die Atemwege reizen oder schädigen,
• bestimmte Metalle und ungeeignete Behältermaterialien angreifen.

Hinzu kommt der entstehende Wasserstoff. Dieser ist leicht entzündlich und kann in schlecht belüfteten Bereichen ein zündfähiges Gemisch mit Luft bilden. Die Reaktion von Lithium mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Lithiumhydroxid wird auch in den europäischen Gefahrstoffinformationen ausdrücklich beschrieben. ECHA: Lithium

Klares Aussehen bedeutet nicht ungefährlich

Lithiumhydroxid kann vollständig gelöst vorliegen. Die Flüssigkeit muss deshalb weder trüb sein noch sichtbare Partikel enthalten, um stark alkalisch und potenziell ätzend zu wirken.

Eine möglicherweise stark alkalische lithiumhaltige Flüssigkeit sollte nicht probiert, versprüht oder ohne geeignete Schutzmaßnahmen berührt werden. Auch eine eigenständige Neutralisation durch Zugabe einer Säure ist keine sichere Lösung, da dabei erhebliche Wärme entstehen und die Flüssigkeit verspritzen kann.

Was sagt der Preis von Lithiumstäben über das Ergebnis aus?

Ein hoher Elektrodenpreis ist kein Nachweis für eine kolloidale Dispersion

Lithiumstäbe werden teilweise zu sehr hohen Preisen angeboten. Der Preis allein ist jedoch weder ein Nachweis für die Reinheit des Materials noch für die Entstehung einer kolloidalen Lithiumdispersion.

Orientiert an öffentlich verfügbaren Angeboten kann der rechnerische Materialwert eines Paars Lithiumstäbe – abhängig von Reinheit, Durchmesser und Länge – bei etwa 50 bis 100 Euro liegen. Ein konkretes Beispiel sind Lithiumstäbe mit einer Reinheit von 99,95 %, einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 250 mm. Bei einem anteiligen Wert von rund 40 Euro je Stab ergibt sich für zwei Stäbe ein rechnerischer Materialwert von ungefähr 80 Euro.

Mindestabnahmemengen, Zuschnitt, Schutzverpackung und Gefahrguthandling können den tatsächlichen Einkaufspreis erhöhen. Metallisches Lithium muss aufgrund seiner Reaktivität unter geeigneten Schutzbedingungen gelagert, verpackt und als Gefahrgut versendet werden. Dadurch soll insbesondere verhindert werden, dass das Material während Lagerung und Transport mit Luftfeuchtigkeit oder Wasser in Kontakt kommt. Je nach Anbieter erfolgt die Lieferung beispielsweise vakuumiert oder unter einer Schutzatmosphäre.

Bei kleinen Sonderanfertigungen können durch Zuschnitt, Verpackung und Versand zusätzliche Kosten entstehen. Entscheidend ist jedoch nicht allein der Preis der Elektroden, sondern die Frage, was beim Kontakt mit Wasser tatsächlich entsteht.

Eine lithiumhaltige Flüssigkeit kann gelöste Lithiumionen und Reaktionsprodukte wie Lithiumhydroxid enthalten. Daraus folgt nicht automatisch, dass stabile Partikel aus elementarem Lithium vorliegen. Eine solche Aussage müsste durch geeignete und nachvollziehbare Laboranalysen belegt werden.

Hoher Preis bedeutet nicht kolloidaler Nachweis

Selbst besonders reine Lithiumstäbe beweisen nicht, dass bei der Anwendung in Wasser stabile Partikel aus elementarem Lithium entstehen. Materialreinheit, Lithiumgehalt und kolloidale Partikelform sind getrennt voneinander zu beurteilen.

Warum bietet Colloimed keine Lithiumstäbe an?

Eine bewusste Entscheidung auf Grundlage von Chemie und Anwendungssicherheit

Colloimed bietet bewusst keine Lithiumstäbe zur Verwendung mit dem CM2000 oder Xpert an. Der Grund liegt nicht in der technischen Leistung der Geräte, sondern in den besonderen chemischen Eigenschaften des Elements Lithium.

Beim Kontakt von metallischem Lithium mit Wasser können Lithiumhydroxid, gelöste Lithiumionen und brennbarer Wasserstoff entstehen. Unter gewöhnlichen Anwendungsbedingungen kann deshalb nicht davon ausgegangen werden, dass eine stabile Dispersion aus elementaren Lithiumpartikeln hergestellt wird.

Ohne einen belastbaren Nachweis der tatsächlich entstandenen Stoffform und ohne ein für Privatanwender geeignetes Sicherheitskonzept hält Colloimed das Verfahren nicht für eine verantwortbare Anwendung. Die Gerätefreigabe für andere Elektrodenmaterialien lässt sich daher nicht auf Lithium übertragen.

Fazit: 

Eine lithiumhaltige Flüssigkeit ist nicht automatisch kolloidales Lithium

Metallisches Lithium verändert sich bereits an Raumluft und reagiert beim Kontakt mit Wasser unabhängig von einem angeschlossenen Generator. Dabei können Lithiumhydroxid, gelöste Lithiumionen, Hydroxidionen, Wasserstoff und Reaktionswärme entstehen.

Eine längere Laufzeit kann Lithiumgehalt, Leitfähigkeit und pH-Wert erhöhen. Keine dieser Veränderungen beweist jedoch, dass eine stabile Dispersion aus elementaren Lithiumpartikeln entstanden ist.

Spannung, Laufzeit, Gasbildung und ein messbarer Lithiumgehalt erlauben keine zuverlässige Beurteilung der chemischen Stoffform. Ohne geeignete Laboranalysen sollte eine so hergestellte Flüssigkeit deshalb nicht als „kolloidales Lithium“ bezeichnet werden.

Die entscheidende Frage lautet nicht, ob Lithium im Wasser nachweisbar ist, sondern in welcher Form es vorliegt.