Litio | ||||
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Apariencia de una sustancia simple. | ||||
muestra de litio | ||||
Propiedades del átomo | ||||
Nombre, símbolo, número | Litio / Litio (Li), 3 | |||
Grupo , período , bloque |
1 (obsoleto 1), 2, elemento s |
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Masa atómica ( masa molar ) |
[6.938; 6.997] [comunicación 1] [1] a. m.e. ( g / mol ) | |||
Configuración electrónica |
[Él] 2s 1 1s 2 2s 1 |
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Radio del átomo | 145 [2] de la tarde | |||
Propiedades químicas | ||||
radio covalente | 134 [2] p . m. | |||
Radio de iones | 76 (+1e) [3] pm | |||
Electronegatividad | 0,98 (escala de Pauling) | |||
Potencial de electrodo | -3.06V | |||
Estados de oxidación | 0, +1 | |||
Energía de ionización (primer electrón) |
519,9 (5,39) kJ / mol ( eV ) | |||
Propiedades termodinámicas de una sustancia simple. | ||||
Densidad (en n.a. ) | 0,534 g/cm³ | |||
Temperatura de fusión | 453,69 K (180,54 ° C , 356,97 °F) | |||
Temperatura de ebullición | 1613K (1339,85 ° C , 2443,73 °F) | |||
Oud. calor de fusión | 2,89 kJ/mol | |||
Oud. calor de evaporacion | 148 kJ/mol | |||
Capacidad calorífica molar | 24,86 [4] J/(K mol) | |||
Volumen molar | 13,1 cm³ / mol | |||
La red cristalina de una sustancia simple. | ||||
Estructura de celosía | centrado en el cuerpo cúbico | |||
Parámetros de celosía | 3.490 Å | |||
Debye temperatura | 400K _ | |||
Otras características | ||||
Conductividad térmica | (300 K) 84,8 W/(m·K) | |||
número CAS | 7439-93-2 | |||
Espectro de emisión | ||||
3 | Litio |
li6,94 ± 0,06 [5] | |
[No] 2s 1 |
Litio ( símbolo químico - Li , del lat. Litio ) - un elemento químico del 1er grupo (según la clasificación obsoleta - el subgrupo principal del primer grupo, IA), el segundo período del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev , con número atómico 3.
Como sustancia simple, el litio es un metal alcalino blando muy ligero (tiene la densidad más baja entre todos los metales ), de un color blanco plateado.
El litio fue descubierto en 1817 por el químico y mineralogista sueco Johann Arfvedson , primero en el mineral petalita Li[AlSi 4 O 10 ], luego en el spodum LiAl [Si 2 O 6 ] y en la lepidolita K 2 Li 3 Al 5 [ Si6O20 ] (F , OH ) 4 . El metal de litio fue obtenido por primera vez por Humphrey Davy en 1818 .
El litio obtuvo su nombre debido al hecho de que se encontraba en "piedras" ( griego antiguo λίθος - piedra). Originalmente llamado "lithion", el nombre moderno fue sugerido por Berzelius .
El litio es un metal blanco plateado , blando y dúctil, más duro que el sodio pero más blando que el plomo . Se puede procesar presionando y laminando.
A temperatura ambiente, el litio metálico tiene una red centrada en el cuerpo cúbico ( número de coordinación 8), grupo espacial I m3m, parámetros de celda a = 0,35021 nm, Z = 2. Por debajo de 78 K, una forma cristalina estable es una estructura compacta hexagonal , en el que cada átomo de litio tiene 12 vecinos más cercanos ubicados en los vértices de un cuboctaedro . La red cristalina pertenece al grupo espacial P 6 3 /mmc, parámetros a = 0.3111 nm, c = 0.5093 nm, Z = 2.
De todos los metales alcalinos, el litio tiene los puntos de fusión y ebullición más altos (180,54 y 1340 °C, respectivamente), tiene la densidad a temperatura ambiente más baja de todos los metales (0,533 g/cm³, casi la mitad de la densidad del agua ). Debido a su baja densidad, el litio flota no solo en el agua, sino también, por ejemplo, en el queroseno [6] .
El pequeño tamaño del átomo de litio conduce a la aparición de propiedades especiales del metal. Por ejemplo, se mezcla con sodio solo a temperaturas inferiores a 380 °C y no se mezcla con potasio , rubidio y cesio fundidos , mientras que otros pares de metales alcalinos se mezclan entre sí en cualquier proporción.
El litio es un metal alcalino , pero relativamente estable en el aire . El litio es el metal alcalino menos reactivo, prácticamente no reacciona con el aire seco (e incluso con el oxígeno seco ) a temperatura ambiente . Por esta razón, el litio es el único metal alcalino que no se almacena en el queroseno (además, la densidad del litio es tan baja que flotará en él); se puede almacenar en el aire por un corto tiempo.
En aire húmedo, reacciona lentamente con el nitrógeno y otros gases en el aire, convirtiéndose en nitruro de Li 3 N , hidróxido de LiOH y carbonato de Li 2 CO 3 .
Por lo tanto, el litio se almacena durante mucho tiempo en éter de petróleo , parafina , gasolina y/o aceite mineral en cajas de hojalata selladas herméticamente.
En oxígeno, cuando se calienta, se quema, convirtiéndose en óxido Li 2 O.
Una característica interesante del litio es que, en el rango de temperatura de 100 °C a 300 °C, se cubre con una densa película de óxido y no se oxida más. A diferencia de otros metales alcalinos, que dan superóxidos y ozónidos estables ; el superóxido de litio y el ozónido son compuestos inestables [7] .
En 1818, el químico alemán Leopold Gmelin descubrió que el litio y sus sales tiñen la llama de rojo carmín , que es un signo cualitativo para determinar el litio. La temperatura de autoignición está en la región de 300 °C. Los productos de combustión irritan la membrana mucosa de la nasofaringe.
Tranquilamente, sin explosión ni ignición, reacciona con el agua, formando LiOH y H 2 .
Reacciona también con alcohol etílico absoluto (para formar etilato ):
El etilato de litio se descompone completamente con agua, con la formación de hidróxido de litio y alcohol etílico, el etóxido de sodio se hidroliza de manera similar .
Reacciona con hidrógeno (a 500–700 °C) para formar hidruro de litio :
Reacciona con amoníaco al calentarlo para formar primero amida de litio (220°C) y luego imida de litio (400°C):
Al reaccionar con halógenos (con yodo , solo cuando se calienta, por encima de 200 ° C) se forman los haluros correspondientes :
A 130 °C reacciona con el azufre para formar sulfuro :
En el vacío a temperaturas superiores a 200 °C, reacciona con el carbono ( se forma acetilenuro ):
A 600–700 °C, el litio reacciona con el silicio para formar un siliciuro:
Químicamente soluble en amoníaco líquido (−40 °C), se forma una solución azul.
En solución acuosa, el ion de litio tiene el potencial de electrodo estándar más bajo (−3,045 V) debido al tamaño pequeño y al alto grado de hidratación del ion de litio.
El metal de litio causa quemaduras cuando entra en contacto con la piel húmeda, las membranas mucosas y los ojos .
De acuerdo con sus propiedades geoquímicas, el litio pertenece a los elementos litófilos de iones grandes, incluidos el potasio , el rubidio y el cesio . El contenido de litio en la corteza continental superior es de 21 g / t , en agua de mar - 0,17 mg/l [8] .
Los principales minerales de litio son la mica lepidolita - KLi 1.5 Al 1.5 [Si 3 AlO 10 ] (F, OH) 2 y el espodumeno piroxeno - LiAl [Si 2 O 6 ]. Cuando el litio no forma minerales independientes, reemplaza isomórficamente al potasio en los minerales formadores de rocas generalizados.
Los depósitos de litio están confinados a intrusiones de granito de metales raros, en relación con las cuales se desarrollan pegmatitas que contienen litio o depósitos complejos hidrotermales , que también contienen estaño , tungsteno , bismuto y otros metales. Vale la pena señalar las rocas específicas de ongonita : granitos con topacio magmático , alto contenido de flúor y agua y concentraciones excepcionalmente altas de varios elementos raros, incluido el litio.
Otro tipo de depósitos de litio son las salmueras de algunos lagos altamente salinos y antiguos lagos que se han convertido en marismas.
El litio natural consta de dos isótopos estables: 6 Li (7,5 %) y 7 Li (92,5 %); en algunas muestras de litio, la proporción de isótopos puede verse gravemente alterada debido al fraccionamiento de isótopos naturales o artificiales. Esto debe tenerse en cuenta en experimentos químicos precisos que utilicen litio o sus compuestos. El litio tiene 7 isótopos radiactivos artificiales ( 4 Li - 12 Li) y dos isómeros nucleares ( 10m1 Li y 10m2 Li). El más estable de estos, 8 Li, tiene una vida media de 0,8403 s. El exótico isótopo 3Li (triprotón ) no parece existir como un sistema unido.
7 Li es uno de los pocos isótopos que emergieron durante la nucleosíntesis primaria (es decir, en el período de 1 segundo a 3 minutos después del Big Bang [9] ) en una cantidad de no más de 10 -9 de todos los elementos [10] [11] . Una cierta cantidad del isótopo 6 Li , al menos diez mil veces menos que 7 Li, también se formó en la nucleosíntesis primaria [9] .
Aproximadamente diez veces más de 7 Li se formaron en la nucleosíntesis estelar. El litio es un producto intermedio de la reacción ppII , pero a altas temperaturas se convierte activamente en dos núcleos de helio-4 [12] [13] (a través de 8 Be).
Se observa un contenido anómalamente alto de litio en formaciones estelares que consisten en una gigante roja (o supergigante), dentro de la cual hay una estrella de neutrones: objetos Landau-Thorn-Zhitkov [14] .
También hay un gran número de estrellas gigantes con un contenido inusualmente alto de litio, lo que se explica por la entrada de litio en la atmósfera de las estrellas cuando absorben exoplanetas gigantes [ 15] [16] .
Las materias primas iniciales para el litio son de dos fuentes: materias primas minerales (por ejemplo, espodumeno ) y soluciones salinas de lagos salados, ricas en sales de litio. En ambos casos, el resultado del trabajo es carbonato de litio Li 2 CO 3 .
El espodumeno ( silicato de litio y aluminio ) se puede reciclar de varias formas [17] . Por ejemplo, al sinterizar con sulfato de potasio , se obtiene sulfato de litio soluble , que se precipita de una solución con sosa :
Las soluciones de sal se evaporan previamente. Las soluciones salinas contienen cloruro de litio LiCl. Sin embargo, también contiene grandes cantidades de otros cloruros. Para aumentar la concentración de litio de la solución evaporada , se precipita carbonato de litio Li 2 CO 3 , por ejemplo, según el esquema
Recepción de metalesEl litio metálico se obtiene con mayor frecuencia por electrólisis de sales fundidas o por reducción a partir de óxido [18] .
ElectrólisisLa electrólisis utiliza cloruro de litio . Se obtiene a partir de carbonato según el esquema:
Dado que el punto de fusión del cloruro de litio es cercano al punto de ebullición del litio, se utiliza una mezcla eutéctica con cloruro de potasio o de bario , lo que reduce la temperatura de fusión y elimina la necesidad de atrapar vapores metálicos. La electrólisis de la masa fundida se realiza a 400-460 °C. Las carcasas de hierro de los baños de electrólisis están revestidas con materiales resistentes al electrolito fundido. Las varillas de grafito sirven como ánodo y las varillas de hierro sirven como cátodo. Consumo de electricidad hasta 14 kWh por 1 kg de litio. El cloro gaseoso se produce en el otro electrodo.
RecuperaciónDado que el litio es un metal activo, su reducción a partir de óxidos o haluros solo es posible con la eliminación inmediata del litio de la zona de reacción. De lo contrario, es imposible cambiar el equilibrio de la reacción en la dirección correcta. El litio se elimina de la zona de reacción manteniendo temperaturas a las que el litio se vaporiza y sale de la zona de reacción como vapor. Otros reactivos deben permanecer en el fundido. Para la restauración se utiliza silicio o aluminio , por ejemplo:
RefinaciónEl litio resultante se purifica por destilación al vacío , evaporando secuencialmente diferentes metales de la aleación a determinadas temperaturas.
El principal centro de la minería metálica hoy en día es el “ Triángulo del Litio ” de América del Sur, que abarca los territorios de Chile , Bolivia y Argentina . Aquí está el 70% de todas las reservas mundiales disponibles de litio. 2/3 de ellos están en Bolivia. Todas las exportaciones de litio del Triángulo pasan por las instalaciones de enriquecimiento de SQM de Chile y el puerto chileno de Antofagasta. Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos (USGS) para 2021, los recursos de litio identificados en todo el mundo han aumentado significativamente y se ubican en alrededor de 86 millones de toneladas. Bolivia tiene las mayores reservas del mundo con 21 millones de toneladas, seguida de Argentina (19,3 millones de toneladas), Chile (9,6 millones de toneladas), Australia (6,4 millones de toneladas), China (5,1 millones de toneladas), República Democrática del Congo ( 3 millones de toneladas), Canadá (2,9 millones de toneladas) y Alemania (2,7 millones de toneladas). [19]
Se conocen yacimientos de litio en Chile , Bolivia ( Salar de Uyuni , el más grande del mundo [20] ), EE . UU ., Argentina , Congo , China (Lago Chabier-Tsaka ), Brasil , Serbia , Australia [21] [22] , Afganistán .
En Rusia, más del 50% de las reservas se concentran en depósitos de metales raros de la región de Murmansk . También hay depósitos de litio en Daguestán , los más grandes de los cuales son Yuzhno-Sukhokumskoye, Tarumovskoye y Berikeiskoe. En el depósito Yuzhno-Sukhokumskoye, el volumen previsto de producción de compuestos de litio se estima en 5-6 mil toneladas por año. Está previsto considerar la posibilidad de crear la producción de carbonato de litio. Los depósitos de litio de Daguestán son los únicos en el sur del país; los más cercanos se encuentran en el este de Siberia y Yakutia [23] .
El mercado mundial del litio está compuesto principalmente por productores estadounidenses, asiáticos y australianos. Los mayores productores de compuestos de litio son Albemarle ( Virginia , EE . UU .), Sociedad Química y Minera de Chile ( Chile ), Sichuan Tianqi Lithium , Jiangxi Ganfeng Lithium ( PRC ) y Livent ( Pensilvania , EE. UU.). Existe competencia en el mercado mundial del litio en términos de calidad, variedad, confiabilidad del suministro y servicios adicionales para el comprador (por ejemplo, para la eliminación de baterías usadas) [24] .
En 2015 se extrajeron en el mundo 32,5 mil toneladas de litio y sus compuestos en términos de metal [25] . Los mayores países productores son Australia , Chile y Argentina. En Rusia, su propia producción de litio se perdió por completo después del colapso de la URSS, pero en 2017 Rusia lanzó una instalación experimental que permite extraer litio de minerales de baja ley a bajo costo [26] .
La mayor parte se extrae de lentes de agua naturales en el espesor de los lagos salados, en soluciones salinas saturadas en las que se concentra el cloruro de litio. La solución se bombea y se evapora al sol, la mezcla resultante de sales se procesa. El contenido de litio en solución oscila entre 0,01% y 1%. Asimismo, una proporción importante de la producción recae en minerales, por ejemplo, el mineral espodumeno .
En 2019 el precio alcanzó los 6750 USD/t, en 2019 se extrajeron 315 mil toneladas de litio [27] .
Una aleación de sulfuro de litio y sulfuro de cobre es un semiconductor eficaz para convertidores termoeléctricos ( EMF es de aproximadamente 530 μV/K ).
Los ánodos están hechos de litio para fuentes de corriente química ( baterías , por ejemplo, baterías de litio-cloro ) y celdas galvánicas con un electrolito sólido (por ejemplo, litio-cromo-plata , litio -bismuto , litio - óxido de cobre , litio-dióxido de manganeso , plomo y yodo de litio , yodo de litio , cloruro de tionilo de litio , óxido de vanadio de litio , fluorocobre de litio , pilas de dióxido de azufre de litio ) que funcionan a base de electrolitos líquidos y sólidos no acuosos ( tetrahidrofurano , carbonato de propileno , formiato de metilo , acetonitrilo ).
El cobaltato de litio y el molibdato de litio mostraron las mejores propiedades de rendimiento e intensidad energética como electrodo positivo de las baterías de litio .
El hidróxido de litio se utiliza como uno de los componentes para la preparación de electrolitos para baterías alcalinas . La adición de hidróxido de litio al electrolito de las baterías de tracción hierro-níquel , níquel-cadmio , níquel-zinc aumenta su vida útil en 3 veces y la capacidad en un 21% (debido a la formación de niquelatos de litio).
El aluminato de litio es el electrolito sólido más eficiente (junto con el cesio -beta-alúmina).
Los monocristales de fluoruro de litio se utilizan para fabricar láseres altamente eficientes ( 80 % de eficiencia) basados en centros de color libres y para fabricar ópticas con un amplio ancho de banda espectral.
El perclorato de litio se utiliza como agente oxidante.
El sulfato de litio se utiliza en la detección de fallas.
El nitrato de litio se usa en pirotecnia para colorear el fuego de rojo.
Las aleaciones de litio con plata y oro , así como el cobre , son soldaduras muy efectivas . Las aleaciones de litio con magnesio , escandio , cobre , cadmio y aluminio son nuevos materiales prometedores en aviación y astronáutica (debido a su ligereza). A base de aluminato y silicato de litio se han creado cerámicas que endurecen a temperatura ambiente y se utilizan en tecnología militar, metalurgia y, en un futuro, en energía termonuclear. El vidrio a base de silicato de litio y aluminio , reforzado con fibras de carburo de silicio , tiene una gran resistencia . El litio es muy efectivo para fortalecer las aleaciones de plomo y darles ductilidad y resistencia a la corrosión.
El triborato de litio y cesio se utiliza como material óptico en la radioelectrónica. El niobato de litio cristalino LiNbO 3 y el tantalato de litio LiTaO 3 son materiales ópticos no lineales y se utilizan ampliamente en óptica no lineal , óptica acústica y optoelectrónica .
El litio también se usa para llenar lámparas de iluminación de halogenuros metálicos de descarga de gas .
El hidróxido de litio se agrega al electrolito de las baterías alcalinas para aumentar su vida útil.
En la metalurgia ferrosa y no ferrosa, el litio se utiliza para desoxidar y aumentar la ductilidad y la resistencia de las aleaciones. El litio se utiliza a veces para la reducción de metales raros mediante métodos metalotérmicos .
metalurgia del aluminioEl carbonato de litio es la sustancia auxiliar más importante (añadida al electrolito) en la fundición de aluminio , y su consumo crece cada año en proporción al volumen de la producción mundial de aluminio (el consumo de carbonato de litio es de 2,5 a 3,5 kg por tonelada de aluminio fundido). ).
La introducción del litio en el sistema de aleación permite obtener nuevas aleaciones de aluminio con elevadas resistencias específicas .
La adición de litio reduce la densidad de la aleación y aumenta el módulo de elasticidad . Con un contenido de litio de hasta el 1,8 %, la aleación tiene una baja resistencia a la corrosión bajo tensión, y con un 1,9 %, la aleación no es propensa al agrietamiento por corrosión bajo tensión. Un aumento en el contenido de litio al 2,3 % contribuye a un aumento en la probabilidad de formación de holguras y grietas. En este caso, las propiedades mecánicas cambian: aumentan la resistencia a la tracción y el límite elástico, y disminuyen las propiedades plásticas.
Los sistemas de aleación más conocidos son Al-Mg-Li (un ejemplo es la aleación 1420, utilizada para la fabricación de estructuras de aeronaves) y Al-Cu-Li (un ejemplo es la aleación 1460, utilizada para la fabricación de contenedores para gases licuados ).
Los isótopos 6 Li y 7 Li tienen diferentes propiedades nucleares (sección transversal de absorción de neutrones térmicos, productos de reacción) y su alcance es diferente. El hafniato de litio es parte de un esmalte especial diseñado para la eliminación de desechos nucleares de actividad alta que contienen plutonio .
Litio-6Se utiliza en la ingeniería de energía termonuclear.
Cuando el nucleido 6 Li se irradia con neutrones térmicos, se obtiene tritio 3 H radiactivo:
Gracias a esto, el litio-6 se puede utilizar como reemplazo del tritio radiactivo, inestable e inconveniente para manejar tanto en fines militares ( armas termonucleares ) como civiles ( fusión termonuclear controlada ). Las armas termonucleares suelen utilizar deuteruro de litio-6 ( 6 Li 2 H) .
También promete usar litio-6 para producir helio-3 (a través de tritio) para su uso posterior en reactores termonucleares de deuterio-helio.
Litio-7Se utiliza en reactores nucleares [29] . Debido a su calor específico muy alto y su baja sección transversal de captura de neutrones térmicos, el litio-7 líquido (a menudo en forma de una aleación con sodio o cesio ) sirve como un refrigerante eficaz . El fluoruro de litio-7 en una aleación con fluoruro de berilio (66 % LiF + 34 % BeF 2 ) se denomina "flybe" (FLiBe) y se utiliza como refrigerante y disolvente muy eficaz para los fluoruros de uranio y torio en sal líquida a alta temperatura. reactores , así como para la producción de tritio .
Los compuestos de litio enriquecidos en el isótopo litio-7 se utilizan en los reactores PWR para mantener el régimen químico del agua, así como en el desmineralizador primario. El requerimiento anual de EE. UU. se estima en 200-300 kg , solo Rusia y China tienen producción [30] .
El bromuro de LiBr altamente higroscópico y el cloruro de litio LiCl se utilizan para secar el aire y otros gases.
Las sales de litio (principalmente carbonato de litio) tienen propiedades normotímicas y otras propiedades medicinales. Por lo tanto, encuentran aplicación en la psiquiatría .
El estearato de litio (" jabón de litio ") se utiliza como espesante para producir lubricantes pastosos de alta temperatura para máquinas y mecanismos. Ver por ejemplo: Litol , CIATIM-201 .
El hidróxido de litio LiOH, el peróxido de Li 2 O 2 se utilizan para purificar el aire del dióxido de carbono ; mientras que este último compuesto reacciona con la liberación de oxígeno (por ejemplo, 2Li 2 O 2 + 2CO 2 → 2Li 2 CO 3 + O 2 ), por lo que se utiliza en máscaras antigás aislantes , en cartuchos para purificación de aire en submarinos , en naves espaciales tripuladas, etc. d.
El litio y sus compuestos se utilizan ampliamente en la industria de los silicatos para la fabricación de tipos especiales de vidrio y para el revestimiento de productos de porcelana.
Los compuestos de litio se utilizan en la industria textil (blanqueo de tejidos), alimentaria (conservación) y farmacéutica ( cosméticos ).
Es muy prometedor utilizar litio como relleno de flotador de batiscafo : este metal tiene una densidad que es casi la mitad que la del agua (534 kg/m³), lo que significa que un metro cúbico de litio puede flotar casi 170 kg más de uno metro cúbico de gasolina . Sin embargo, el litio es un metal alcalino que reacciona activamente con el agua; estas sustancias deben separarse de alguna manera de manera confiable y no debe permitirse que entren en contacto [31] .
El triborato de litio y cesio se utiliza como material óptico en la radioelectrónica. El niobato de litio cristalino LiNbO 3 y el tantalato de litio LiTaO 3 son materiales ópticos no lineales y se utilizan ampliamente en óptica no lineal , óptica acústica y optoelectrónica . El litio también se utiliza en el relleno de lámparas de halogenuros metálicos de descarga de gas. El hidróxido de litio se agrega al electrolito de las baterías alcalinas para aumentar su vida útil.
El litio metálico se utiliza como combustible en la propulsión de la turbina de vapor del pequeño torpedo estadounidense Mark 50 para aguas profundas . Los productos de reacción de litio con hexafluoruro de azufre , fluoruro de litio y azufre puro , son sólidos que no necesitan ser arrojados por la borda, por lo que el torpedo no tiene estela de burbuja que desenmascara y no pierde potencia debido a la presión de escape.
El litio con moderación es necesario para el cuerpo humano (alrededor de 100-200 mcg / día para adultos). Principalmente en el cuerpo, el litio se encuentra en la glándula tiroides , los ganglios linfáticos , el corazón , el hígado , los pulmones, los intestinos , el plasma sanguíneo y las glándulas suprarrenales .
El litio participa en importantes procesos:
Los preparados de litio se utilizan ampliamente en el tratamiento de los trastornos mentales.
El litio se excreta del cuerpo principalmente por los riñones.
A fines de 2007 - principios de 2008 , los precios del litio metálico (99% de pureza) eran de 6,3 a 6,6 dólares por 1 kg. El precio en 2018 fue de $ 16,5 por 1 kg. [32] .
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