El litio natural ( 3 Li) se compone de dos isótopos estables , litio-6 y litio-7, siendo este último mucho más abundante en la Tierra. Ambos isótopos naturales tienen una energía de enlace nuclear por nucleón inesperadamente baja (5 332 .3312(3) keV para litio-6 y5 606 .4401(6) keV para el litio-7) en comparación con los elementos adyacentes más ligeros y pesados, el helio (7 073 .9156(4) keV para helio-4) y berilio (6 462 .6693(85) keV para berilio-9). El radioisótopo de litio de vida más larga es el litio-8, que tiene una vida media de apenas838,7(3) milisegundos . El litio-9 tiene una vida media de178,2(4) ms , y el litio-11 tiene una vida media de8,75(6) ms . Todos los isótopos restantes del litio tienen vidas medias inferiores a 10 nanosegundos . El isótopo de litio de vida más corta conocido es el litio-4, que se desintegra mediante emisión de protones con una vida media de aproximadamente91(9) yoctosegundos (9.1(9) × 10 −23 s ), aunque la vida media del litio-3 aún no se ha determinado, y es probable que sea mucho más corta, como el helio-2 (diprotón), que sufre emisiones de protones dentro de10 −9 s.
El litio-7 y el litio-6 son dos de los nucleidos primordiales que se produjeron en el Big Bang , siendo el litio-7 el 10-9 de todos los nucleidos primordiales y el litio-6 alrededor del 10-13 . [4] También se sabe que un pequeño porcentaje de litio-6 se produce mediante reacciones nucleares en ciertas estrellas. Los isótopos del litio se separan algo durante una variedad de procesos geológicos , incluida la formación de minerales (precipitación química e intercambio iónico ). Los iones de litio reemplazan al magnesio o al hierro en ciertas ubicaciones octaédricas de las arcillas y, a veces, se prefiere el litio-6 al litio-7. Esto da como resultado cierto enriquecimiento del litio-6 en procesos geológicos.
El litio-6 es un isótopo importante en la física nuclear , porque cuando se bombardea con neutrones se produce tritio .
Tanto los isótopos de 6 Li como los de 7 Li muestran un efecto de resonancia magnética nuclear , a pesar de ser cuadrupolares (con espines nucleares de 1+ y 3/2−). 6 Li tiene líneas más nítidas, pero debido a su menor abundancia requiere un espectrómetro de RMN más sensible. 7 Li es más abundante, pero tiene líneas más anchas debido a su mayor espín nuclear. El rango de desplazamientos químicos es el mismo en ambos núcleos y se encuentra entre +10 (para LiNH 2 en NH 3 líquido ) y −12 (para Li+ en fulleruro ). [5]
El litio-6 tiene mayor afinidad que el litio-7 por el elemento mercurio . Cuando se añade una amalgama de litio y mercurio a soluciones que contienen hidróxido de litio , el litio-6 se concentra más en la amalgama y el litio-7 más en la solución de hidróxido.
El método de separación colex ( intercambio de columnas ) hace uso de esto haciendo pasar un contraflujo de amalgama e hidróxido a través de una cascada de etapas. La fracción de litio-6 es drenada preferentemente por el mercurio, pero el litio-7 fluye mayoritariamente con el hidróxido. En el fondo de la columna, el litio (enriquecido con litio-6) se separa de la amalgama y el mercurio se recupera para ser reutilizado con materia prima fresca . En la parte superior, la solución de hidróxido de litio se electroliza para liberar la fracción de litio-7. El enriquecimiento obtenido con este método varía con la longitud de la columna y la velocidad del flujo.
En la técnica de destilación al vacío, el litio se calienta a una temperatura de aproximadamente550 °C al vacío . Los átomos de litio se evaporan de la superficie del líquido y se acumulan en una superficie fría situada a unos centímetros por encima de la superficie del líquido. [8] Dado que los átomos de litio-6 tienen un camino libre medio mayor , se recolectan preferentemente. La eficiencia de separación teórica de este método es de aproximadamente el 8,0 por ciento. Se puede utilizar un proceso de varias etapas para obtener mayores grados de separación.
Los isótopos del litio, en principio, también pueden separarse mediante el método electroquímico y la cromatografía de destilación, que están actualmente en desarrollo. [9]
El litio-3 , también conocido como triprotón , estaría formado por tres protones y cero neutrones . En 1969 se informó que era un protón libre , pero este resultado no fue aceptado y, por lo tanto, su existencia no está probada. [10] No hay otras resonancias atribuibles a3
li
Se ha informado, y se espera que se desintegre mediante una rápida emisión de protones (muy parecido al diprotón ,2
Él
). [11]
El litio-4 contiene tres protones y un neutrón. Es el isótopo de litio de vida más corta conocido, con una vida media de91(9) yoctosegundos (9,1(9) × 10 −23 s ) y se desintegra por emisión de protones a helio-3 . [12] El litio-4 se puede formar como intermediario en algunas reacciones de fusión nuclear .
El litio-6 es valioso como material base para la producción de tritio (hidrógeno-3) y como absorbente de neutrones en reacciones de fusión nuclear. Entre el 1,9% y el 7,8% del litio terrestre en materiales normales se compone de litio-6, siendo el resto litio-7. Se han separado grandes cantidades de litio-6 para utilizarlo en armas termonucleares . La separación de litio-6 ya ha cesado en las grandes potencias termonucleares [ cita necesaria ] , pero quedan reservas del mismo en estos países.
La reacción de fusión deuterio-tritio se ha investigado como una posible fuente de energía, ya que actualmente es la única reacción de fusión con suficiente producción de energía para una implementación factible. En este escenario, se necesitaría litio enriquecido en litio-6 para generar las cantidades necesarias de tritio. Los recursos minerales y de salmuera de litio son un factor limitante potencial en este escenario, pero eventualmente también se puede utilizar agua de mar. [13] Los reactores de agua pesada presurizada como el CANDU producen pequeñas cantidades de tritio en su refrigerante/moderador a partir de la absorción de neutrones y esto a veces se extrae como alternativa al uso de Litio-6.
El litio-6 es uno de los cuatro isótopos estables con un espín de 1, los otros son el deuterio , el boro-10 y el nitrógeno-14 , [14] y tiene el momento cuadripolar eléctrico nuclear distinto de cero más pequeño de cualquier núcleo estable.
El litio-7 es, con diferencia, el isótopo de litio más abundante y representa entre el 92,2% y el 98,1% de todo el litio terrestre. Un átomo de litio-7 contiene tres protones, cuatro neutrones y tres electrones. Debido a sus propiedades nucleares, el litio-7 es menos común que el helio , el carbono , el nitrógeno o el oxígeno en el Universo, aunque estos tres últimos tienen núcleos más pesados . La prueba termonuclear de Castle Bravo superó con creces su rendimiento esperado debido a suposiciones incorrectas sobre las propiedades nucleares del litio-7.
La producción industrial de litio-6 da como resultado un producto de desecho que se enriquece en litio-7 y se agota en litio-6. Este material se ha vendido comercialmente y una parte se ha liberado al medio ambiente. Se ha medido una abundancia relativa de litio-7, hasta un 35 por ciento mayor que el valor natural, en el agua subterránea de un acuífero de carbonato debajo del West Valley Creek en Pensilvania , que se encuentra aguas abajo de una planta de procesamiento de litio. La composición isotópica del litio en materiales normales puede variar algo dependiendo de su origen, lo que determina su masa atómica relativa en el material de origen. No se puede medir una masa atómica relativa precisa para muestras de litio para todas las fuentes de litio. [15]
El litio-7 se utiliza como parte del fluoruro de litio fundido en reactores de sales fundidas : reactores nucleares de fluoruro líquido . La gran sección transversal de absorción de neutrones del litio-6 (alrededor de 940 graneros [16] ) en comparación con la muy pequeña sección transversal de neutrones del litio-7 (alrededor de 45 milibares ) hace que la alta separación del litio-7 del litio natural sea un requisito importante para el posible uso en reactores de fluoruro de litio.
El hidróxido de litio-7 se utiliza para alcalinizar el refrigerante en reactores de agua a presión . [17]
Se ha producido durante unos pocos picosegundos algo de litio-7, que contiene una partícula lambda en su núcleo, mientras que generalmente se piensa que un núcleo atómico contiene sólo neutrones y protones. [18] [19]
El litio-8 se ha propuesto como fuente de antineutrinos electrónicos de 6,4 MeV generados por la desintegración beta inversa del berilio-8. La colaboración de física de partículas ISODAR describe un esquema para generar Litio-8 para su desintegración inmediata bombardeando Litio-7 estable con protones de 60 MeV creados por un acelerador de partículas ciclotrón . [20]
El litio-11 es un núcleo de halo que consta de un núcleo de litio-9 rodeado por dos neutrones débilmente unidos; Ambos neutrones deben estar presentes para que este sistema esté unido, lo que ha llevado a denominarlo " núcleo borromeo ". [21] Mientras que el radio cuadrático medio del protón de 11 Li es2.18+0,16
−0,21 fm , su radio de neutrones es mucho mayor en3.34+0,02
−0,08 fm ; a modo de comparación, las cifras correspondientes a 9 Li son2,076 ± 0,037 fm para los protones y2,4 ± 0,03 fm para los neutrones. [22] Se desintegra por emisión beta y emisión de neutrones a10
Ser
,11
Ser
, o9Ser(ver tablas arriba y abajo). Al tener un número mágico de 8 neutrones, el litio-11 se encuentra en la primera de las cinco islas de inversión conocidas , lo que explica su vida media más larga en comparación con los núcleos adyacentes. [23]
El litio-12 tiene una vida media considerablemente más corta. Se desintegra por emisión de neutrones en11
li
, que decae como se mencionó anteriormente.
Mientras que la desintegración β en isótopos de berilio (a menudo combinada con emisión de neutrones únicos o múltiples) es predominante en isótopos más pesados de litio,10
li
y12
li
desintegración por emisión de neutrones en9
li
y11
li
respectivamente debido a sus posiciones más allá de la línea de goteo de neutrones . También se ha observado que el litio-11 se desintegra mediante múltiples formas de fisión. Isótopos más ligeros que6
li
se desintegran exclusivamente por emisión de protones, ya que se encuentran más allá de la línea de goteo de protones. Los modos de desintegración de los dos isómeros de10
li
son desconocidos.
Lewis, GN; MacDonald, RT (1936). "La separación de isótopos de litio". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 58 (12): 2519–2524. doi :10.1021/ja01303a045.
![{\displaystyle {\begin{array}{l}{}\\{\ce {^{4}_{3}Li->[91~{\ce {ys}}]{^{3}_{2 }Él}+{^{1}_{1}H}}}\\{\ce {^{5}_{3}Li->[370~{\ce {ys}}]{^{4} _{2}Él}+{^{1}_{1}H}}}\\{\ce {^{8}_{3}Li->[838.7~{\ce {ms}}]{^ {8}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{9}_{3}Li->[178.2~{\ce {ms}}]{^{8} _{4}Be}+{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{9}_{3}Li->[178.2~{\ce { ms}}]{^{9}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{10}_{3}Li->[2~{\ce {zs}} ]{^{9}_{3}Li}+{^{1}_{0}n}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce { ms}}]{^{10}_{4}Be}+{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li ->[8.75~{\ce {ms}}]{^{11}_{4}Be}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[ 8.75~{\ce {ms}}]{^{9}_{4}Be}+2{^{1}_{0}n}+e^{-}}}\\{\ce {^{ 11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{8}_{4}Be}+3{^{1}_{0}n}+e^{-} }}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{7}_{2}Él}+{^{4}_{2 }Él}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^{8}_{3}Li} +{^{3}_{1}H}+e^{-}}}\\{\ce {^{11}_{3}Li->[8.75~{\ce {ms}}]{^ {9}_{3}Li}+{^{2}_{1}H}+e^{-}}}\\{\ce {^{12}_{3}Li->{^{11 }_{3}Li}+{^{1}_{0}n}}}\\{}\end{array}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/49225bb422528a4887279d73972c98b4d7851459)