Los isótopos de litio se utilizan ampliamente no solo en la industria nuclear, sino también en la producción de baterías recargables. Hay varios tipos de ellos, dos de los cuales se encuentran en la naturaleza. Las reacciones nucleares con isótopos van acompañadas de la liberación de grandes cantidades de radiación, lo cual es una dirección prometedora en la industria energética.
Definición
Los isótopos de litio son variedades de átomos de un elemento químico determinado. Se diferencian entre sí por el número de partículas elementales con carga neutra (neutrones). La ciencia moderna conoce 9 de estos isótopos, siete de los cuales son artificiales, con masas atómicas de 4 a 12.
De estos, el más estable es 8Li. Su vida media es de 0,8403 segundos. También se han identificado 2 tipos de nucleidos isoméricos nucleares (núcleos atómicos que difieren no solo en el número de neutrones, sino también de protones): 10m1Li y 10m2 Li. Son diferentes en la estructura de los átomos en el espacio y en las propiedades.
Estar en la naturaleza
En condiciones naturales, solo hay 2 isótopos estables, con una masa de 6 y 7 unidades a. come(6Li, 7Li). El más común de ellos es el segundo isótopo de litio. El litio en el sistema periódico de Mendeleiev tiene el número de serie 3 y su número de masa principal es 7 a.u. e. m. Este elemento es bastante raro en la corteza terrestre. Su extracción y procesamiento son costosos.
La principal materia prima para la obtención del litio metálico es su carbonato (o carbonato de litio), el cual se convierte en cloruro, y luego se electroliza en una mezcla con KCl o BaCl. El carbonato se aísla de materiales naturales (lepidolita, espodumeno piroxeno) mediante sinterización con CaO o CaCO3.
En las muestras, la proporción de isótopos de litio puede variar mucho. Esto ocurre como resultado del fraccionamiento natural o artificial. Este hecho se tiene en cuenta al realizar experimentos de laboratorio precisos.
Características
Isótopos de litio 6Li y 7Li difieren en propiedades nucleares: la probabilidad de interacción de partículas elementales del núcleo atómico y reacción productos Por lo tanto, su alcance también es diferente.
Cuando el isótopo de litio 6Li es bombardeado con neutrones lentos, se produce hidrógeno superpesado (tritio). En este caso, las partículas alfa se separan y se forma helio. Las partículas son expulsadas en direcciones opuestas. Esta reacción nuclear se muestra en la siguiente figura.
Esta propiedad del isótopo se utiliza como alternativa para reemplazar el tritio en reactores y bombas de fusión, ya que el tritio se caracteriza por tener una menorestabilidad.
Isótopo de litio 7El Li en forma líquida tiene un calor específico alto y una sección eficaz nuclear baja. En una aleación con fluoruro de sodio, cesio y berilio, se utiliza como refrigerante, así como disolvente para fluoruros de U y Th en reactores nucleares de sal líquida.
Diseño del núcleo
La disposición más común de los átomos de litio en la naturaleza incluye 3 protones y 4 neutrones. El resto tiene 3 tales partículas. La disposición de los núcleos de los isótopos de litio se muestra en la siguiente figura (a y b, respectivamente).
Para formar el núcleo de un átomo de Li a partir del núcleo de un átomo de helio, es necesario y suficiente añadir 1 protón y 1 neutrón. Estas partículas conectan sus fuerzas magnéticas. Los neutrones tienen un campo magnético complejo, que consta de 4 polos, por lo que en la figura del primer isótopo, el neutrón promedio tiene tres contactos ocupados y uno potencialmente libre.
La energía de enlace mínima del isótopo de litio 7Li necesaria para dividir el núcleo del elemento en nucleones es de 37,9 MeV. Se determina mediante el método de cálculo que se indica a continuación.
En estas fórmulas, las variables y constantes tienen el siguiente significado:
- n – número de neutrones;
- m – masa de neutrones;
- p – número de protones;
- dM es la diferencia entre la masa de las partículas que forman el núcleo y la masa del núcleo del isótopo de litio;
- 931 meV es la energía correspondiente a 1 a.u. e.m.
Nucleartransformaciones
Los isótopos de este elemento pueden tener hasta 5 neutrones extra en el núcleo. Sin embargo, la vida útil de este tipo de litio no supera los pocos milisegundos. Cuando se captura un protón, el isótopo 6Li se convierte en 7Be, que luego se desintegra en una partícula alfa y un isótopo de helio 3 Él. Cuando es bombardeado por deuterones, reaparece 8Be. Cuando un deuterón es capturado por el núcleo 7Li, se obtiene el núcleo 9Be, que inmediatamente se descompone en 2 partículas alfa y un neutrón.
Como muestran los experimentos, cuando se bombardean isótopos de litio, se puede observar una amplia variedad de reacciones nucleares. Esto libera una cantidad significativa de energía.
Recibir
La separación de isótopos de litio se puede realizar de varias formas. Los más comunes son:
- Separación en flujo de vapor. Para hacer esto, se coloca un diafragma en un recipiente cilíndrico a lo largo de su eje. La mezcla gaseosa de isótopos se alimenta al vapor auxiliar. Algunas de las moléculas enriquecidas en el isótopo ligero se acumulan en el lado izquierdo del aparato. Esto se debe al hecho de que las moléculas de luz tienen una alta tasa de difusión a través del diafragma. Se descargan junto con el flujo de vapor de la boquilla superior.
- Proceso de termodifusión. En esta tecnología, como en la anterior, se aprovecha la propiedad de diferentes velocidades para el movimiento de las moléculas. El proceso de separación tiene lugar en columnas cuyas paredes se enfrían. Dentro de ellos, un alambre al rojo vivo se estira en el centro. Como resultado de la convección natural, surgen 2 flujos: el cálido se mueve a lo largocables hacia arriba y frío, a lo largo de las paredes hacia abajo. Los isótopos ligeros se acumulan y eliminan en la parte superior y los isótopos pesados en la parte inferior.
- Centrifugación de gases. Una mezcla de isótopos se ejecuta en una centrífuga, que es un cilindro de paredes delgadas que gira a alta velocidad. Los isótopos más pesados son arrojados por la fuerza centrífuga contra las paredes de la centrífuga. Debido al movimiento del vapor, son transportados hacia abajo y los isótopos ligeros desde la parte central del dispositivo hacia arriba.
- Método químico. La reacción química transcurre en 2 reactivos que se encuentran en diferentes estados de fase, lo que permite separar los flujos de isótopos. Hay variedades de esta tecnología, cuando ciertos isótopos son ionizados por un láser y luego separados por un campo magnético.
- Electrólisis de sales de cloruro. Este método se utiliza para isótopos de litio solo en condiciones de laboratorio.
Solicitud
Prácticamente todas las aplicaciones del litio están asociadas precisamente a sus isótopos. Se utiliza una variación del elemento con un número de masa de 6 para los siguientes propósitos:
- como fuente de tritio (combustible nuclear en reactores);
- para la síntesis industrial de isótopos de tritio;
- para fabricar armas termonucleares.
Isótopo 7Li se utiliza en los siguientes campos:
- para la producción de pilas recargables;
- en medicina - para la fabricación de antidepresivos y tranquilizantes;
- en reactores: como refrigerante, para mantener las condiciones operativas del aguareactores de potencia de centrales nucleares, para limpiar el refrigerante en los desmineralizadores del circuito primario de reactores nucleares.
El alcance de los isótopos de litio es cada vez más amplio. En este sentido, uno de los problemas acuciantes de la industria es obtener una sustancia de alta pureza, incluidos los productos monoisotópicos.
En 2011 también se lanzó la producción de baterías de tritio, que se obtienen irradiando litio con isótopos de litio. Se utilizan donde se requieren corrientes bajas y una vida útil prolongada (marcapasos y otros implantes, sensores de fondo de pozo y otros equipos). La vida media del tritio, y por lo tanto la vida útil de la batería, es de 12 años.
