El litio ( 3 Li) que se encuentra en la naturaleza se compone de dos isótopos estables , litio-6 ( 6 Li) y litio-7 ( 7 Li), 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 6 Li y5 606 .4401(6) keV para 7 Li) en comparación con los elementos adyacentes más ligeros y más pesados, el helio (7 073 .9156(4) keV para helio-4) y berilio (6 462 .6693(85) keV para el berilio-9). El radioisótopo de litio de vida más larga es el 8 Li, que tiene una vida media de sólo838,7(3) milisegundos . 9 Li tiene una vida media de178,2(4) ms y 11 Li 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 4 Li, que se desintegra por emisión de protones con una vida media de aproximadamente91(9) yoctosegundos (9,1(9) × 10 −23 s ), aunque la vida media del 3 Li aún está por determinar, y es probable que sea mucho más corta, como la del 2 He (helio-2, diprotón) que experimenta emisión de protones dentro de10 −9 s.
Tanto el 7Li como el 6Li son dos de los nucleidos primordiales que se produjeron en el Big Bang , siendo el 7Li 10 −9 de todos los nucleidos primordiales, y el 6Li alrededor de 10 −13 . [4] También se sabe que un pequeño porcentaje del 6Li se produce por reacciones nucleares en ciertas estrellas. Los isótopos del litio se separan un poco 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 en arcillas , y el litio-6 a veces se prefiere al 7Li . Esto da como resultado cierto enriquecimiento del 6Li en los procesos geológicos.
En física nuclear , el 6Li es un isótopo importante, porque cuando es bombardeado con neutrones , se produce tritio .
Los isótopos 6Li y 7Li muestran un efecto de resonancia magnética nuclear , a pesar de ser cuadrupolares (con espines nucleares de 1+ y 3/2−). El 6Li tiene líneas más nítidas, pero debido a su menor abundancia requiere un espectrómetro de RMN más sensible. El 7Li es más abundante, pero tiene líneas más anchas debido a su mayor espín nuclear. El rango de desplazamientos químicos es el mismo para 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 una mayor afinidad por el elemento mercurio que el litio-7 . 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 por colex ( intercambio de columnas ) hace uso de esto al 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 principalmente con el hidróxido. En la parte inferior 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 de flujo.
En la técnica de destilación al vacío, el litio se calienta a una temperatura de aproximadamente550 °C en vacío . Los átomos de litio se evaporan de la superficie del líquido y se recogen en una superficie fría situada a unos pocos centímetros por encima de la superficie del líquido. [8] Dado que los átomos de litio-6 tienen un mayor recorrido libre medio , se recogen 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 métodos electroquímicos y cromatografía de destilación, que actualmente están en desarrollo. [9]
El litio-3 , también conocido como triprotón , estaría formado por tres protones y cero neutrones . En 1969 se informó que no tenía protones ligados , pero este resultado no fue aceptado y, por lo tanto, su existencia no está probada. [10] No se han encontrado otras resonancias atribuibles a3
Li
Se han informado y se espera que se descomponga por emisión rápida de protones (muy similar 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 intermedio en algunas reacciones de fusión nuclear .
El litio-6 es valioso como materia prima para la producción de tritio (hidrógeno-3) y como absorbente de neutrones en las reacciones de fusión nuclear. Entre el 1,9% y el 7,8% del litio terrestre en materiales normales consiste en litio-6, y el resto es litio-7. Se han separado grandes cantidades de litio-6 para su uso en armas termonucleares . La separación de litio-6 ya ha cesado en las grandes potencias termonucleares [ cita requerida ] , pero aún quedan reservas de este metal en estos países.
La reacción de fusión de 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 requeriría litio enriquecido en litio-6 para generar las cantidades necesarias de tritio. Los recursos de litio mineral y de salmuera son un factor limitante potencial en este escenario, pero eventualmente también se puede utilizar agua de mar. [13] Los reactores de agua pesada presurizados 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 una alternativa al uso de litio-6.
El litio-6 es uno de los cuatro únicos isótopos estables con un espín de 1, los otros son el deuterio , el boro-10 y el nitrógeno-14 [14] , y tiene el momento cuadrupolo eléctrico nuclear distinto de cero más pequeño de cualquier núcleo estable.
El litio-7 es, con diferencia, el isótopo más abundante del litio, ya que 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 parte de él 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 arroyo West Valley en Pensilvania , que se encuentra aguas abajo de una planta de procesamiento de litio. La composición isotópica del litio en materiales normales puede variar un poco 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 sal fundida : reactores nucleares de fluoruro líquido . La gran sección transversal de absorción de neutrones del litio-6 (aproximadamente 940 barns [16] ) en comparación con la muy pequeña sección transversal de neutrones del litio-7 (aproximadamente 45 milibares ) hace que la alta separación del litio-7 del litio natural sea un fuerte requisito 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 presurizada . [17]
Se ha producido algo de litio-7, durante unos pocos picosegundos, que contiene una partícula lambda en su núcleo, mientras que generalmente se piensa que un núcleo atómico contiene solo neutrones y protones. [18] [19]
Se ha propuesto que el litio-8 es una 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 de ciclotrón . [20]
El litio-11 es un núcleo de halo que consiste en 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 la descripción como un " 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 las tablas de arriba y abajo). Con 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 se desintegra como se mencionó anteriormente.
Mientras que la desintegración β − en isótopos de berilio (a menudo combinada con emisión de neutrones simples o múltiples) es predominante en los isótopos más pesados del 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 a través de múltiples formas de fisión. Isótopos más ligeros que6
Li
decaen exclusivamente por emisión de protones, ya que están más allá de la línea de goteo de protones. Los modos de decaimiento de los dos isómeros de10
Li
son desconocidos
Lewis, GN; MacDonald, RT (1936). "La separación de isótopos de litio". Revista de la Sociedad Química Americana . 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)