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Litio

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Litio
  

3		Li
 
        
        
                  
                  
                                
                                
  

elio ←litio →berillio

Aspetto
Aspetto dell'elemento
Aspetto dell'elemento
Linea spettrale
Linea spettrale dell'elemento
Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomicolitio, Li, 3
Seriemetalli alcalini
Gruppo,periodo,blocco1 (IA),2,s
Densità535 kg/m³
Durezza0,6
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Termine spettroscopico2S1/2
Proprietà atomiche
Massa atomica6,941 u
Raggio atomico (calc.)145 pm
Raggio covalente134 pm
Raggio di van der Waals182 pm
Configurazione elettronica[He]2s1
e− perlivello energetico2, 1
Stati di ossidazione1 (base forte)
Struttura cristallinacubica a corpo centrato
Proprietà fisiche
Stato della materiasolido (non magnetico)
Punto di fusione453,69 K (180,54 °C)
Punto di ebollizione1 615 K (1 342 °C)
Punto critico2949,85 °C a67 MPa
Entalpia di vaporizzazione145,92 kJ/mol
Calore di fusione3 kJ/mol
Tensione di vapore1,63×10−8 Pa a 453,7 K
Velocità del suono6000 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS7439-93-2
Elettronegatività0,98 (Scala di Pauling)
Calore specifico3582 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica10,8×106 /m·Ω
Conducibilità termica84,7 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione520,23 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione7 298,22 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione11 815,13 kJ/mol
Isotopi più stabili
Per approfondire vedi la voceIsotopi del litio.
isoNATDDMDEDP
6Li7,5%È stabile con 3 neutroni
7Li92,5%È stabile con 4 neutroni
8Lisintetico836 msβ−,β− +2α16,0048Be
iso:isotopo
NA: abbondanza in natura
TD:tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento
Batteria al litio

Illitio (dalgrecoλίθος, líthos, "pietra"[1]) è l'elemento chimico dellatavola periodica degli elementi che hanumero atomico 3 e simboloLi. Inaugura ilsecondo periodo dellatavola periodica con laconfigurazione elettronica [He]2s1.[2] È il secondo elemento delprimo gruppo, ma è il primo degli elementimetallici e il capostipite deimetalli alcalini.[3]

Tra questi, l'energia di ionizzazione (5,39 eV)[4] e l'affinità elettronica (0,618 eV) del litio sono le più alte; di conseguenza, ha anche la più altaelettronegatività (0,98, scala Pauling), ma il valore è tra i più bassi per gli elementi metallici.[5]

Il litio è un metallo tenero,duttile e malleabile, di color bianco argenteo, che però a contatto con l'aria e l'umidità si ossida molto facilmente, inscurendosi progressivamente. È anche il più leggero deimetalli, con unadensità (0,535 g/cm³) pari a circa metà di quella dell'acqua. Per la sua elevata reattività e come gli altri metalli alcalini, il litio non si trova in natura allo stato elementare. È usato principalmente inleghe di ottimaconducibilità termica, nellebatterie e come componente in composti di interesse farmaceutico.

Caratteristiche

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Saggio alla fiamma di un campione di litio.

Il punto di fusione del litio è basso (180,54 °C) rispetto a molti metalli, ma è il più alto tra quelli alcalini. Per le sue ridotte dimensioni atomiche (ratomico = 145 pm[6]) ha un comportamento che a volte è riportato come anomalo: con il sodio mostra solubilità completa solo al di sopra di 380 °C e non è miscibile con il potassio e i successivi metalli alcalini, che invece tra loro sono miscibili.[7] Lo ione litio, più piccolo di quello degli altri metalli alcalini, in soluzione acquosa preferisce coordinarsi tipicamente con sole 4 molecole di acqua, dando l'acquocomplesso [Li(H2O)4]+, approssimativamente tetraedrico,[8] invece che con 6 o più degli altri metalli alcalini.

Lo ione Li+ ha inoltre ilpotenziale di elettrodo più negativo [E°(Li+ / Li) = -3,040 V][9] di ogni altro elemento metallico ed è perciò l'elemento piùriducente;[10] questo comporta la massimaenergia ottenibile per reazione con un datoossidante, per ogni mole di elettroni; tale massima energia e la ridottamassa atomica del litio (6,94 u), che comporta minor peso da trasportare, rendono finora difficilmente sostituibile il suo uso come materialeanodico (e sali di litio comeelettrolita) nelle batterie al fine di un efficiente accumulo energetico (batterie al litio).[11]

Litio metallico

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A temperatura e pressione ambiente Il litio allo stato metallico cristallizza con la struttura delreticolo cubico a corpo centrato (β-Li), la stessa degli altri metalli alcalini: ogni atomo Li è al centro di uncubo ed è circondato da 8 altri atomi posti ai vertici del cubo stesso; il lato del cubo è la costantea del reticolo, che è pari a 351,0 pm e ogni atomo di litio dista dal primo vicino di 304 pm, da cui ilraggio metallico del litio risulta 152 pm.[12] Il gruppo spaziale èIm-3m (Nº 229).[13] Per estrarre un elettrone da una superficie di litio metallico occorrono 2,95 eV[14] (potenziale di estrazione) ed è quindi necessaria unaradiazione elettromagnetica nella regione dell'ultravioletto; per confronto, servono 5,11 eV per la molecola Li2 (vide infra) e 5,39 eV per un atomo di litio isolato (primo potenziale di ionizzazione).

Ildilitio Li2 è conosciuto soltanto infasegassosa nelvapore di litio, dove si trova in miscela, in percentuale molto piccola, con il litio atomico.[15] Il dilitio è unamolecola biatomica (Li–Li) formata da due atomi di litio uniti da unlegame covalente.[16] La molecola haordine di legame di 1 (2elettroni leganti in unorbitale molecolare di tiposigma); il legame è lungo267,3 pm, una distanza notevolmente più piccola di quella esistente tra due atomi Li vicini nel litio metallico stesso, che è di 304 pm. L'energia di legame di Li2 è di102 kJ/mol, ovvero 1,06 eV.[17]

Per la specie Li2 l'entalpia di formazione standard è ΔHƒ° = 215,90 kJ/mol e l'entropia standard èS° = 197,01 J/(mol·K). Il suopotenziale di ionizzazione è di 5,11 eV,[18] un valore un po' minore rispetto a quello dell'atomo di Li isolato (5,39 eV). L'affinità protonica, una misura della basicità intrinseca di una molecola, ammonta per Li2 a 1.162 kJ/mol.[19][20] Oltre alla molecola biatomica, il litio può formare anche varicluster molecolari di formula Lin.[21]

Proprietà chimiche

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Come tutti imetalli alcalini, il litio reagisce vigorosamente con l'ossigeno formando l'ossido Li2O e questo con l'acqua si idrata facilmente formando l'idrossido LiOH:

4 Li + O2 → 2 Li2O

Li2O + H2O → 2 LiOH

Con l'acqua il litio reagisce anche direttamente e molto vigorosamente, spostandone l'idrogeno; questo si svolge come bollicine gassose dalla soluzione, e anche in questo modo si forma l'idrossido LiOH:

2 Li + 2 H2O → 2 LiOH + H2↑

Una reazione del tutto analoga, ma meno vigorosa, avviene conalcoli ROH, che porta adalcossidi di litio LiOR.

L'idrossido di litio è unabase forte e, come tale, è in grado di reagire con anidridi ed acidi per formare i corrispondentisali (e molecole di acqua); ad esempio, con l'anidride solforica e l'acido solforico si ottiene ilsolfato di litio:

2 LiOH + SO3 → Li2SO4 + H2O
2 LiOH + H2SO4 → Li2SO4 + 2 H2O

in particolare, LiOH è in grado di catturare l'anidride carbonica dall'aria formando il corrispondente carbonato:

2 LiOH + CO2 →Li2CO3 + H2O

Li2O, LiOH, Li2CO3 e Li2SO4 sono composti di tipo salino, incolori, o bianchi se in forma suddivisa; i primi due sono molto avidi di acqua e fortementeesotermici,ΔHƒ° = -553,25 kJ/mol e ΔHƒ° = -474,42 kJ/mol, rispettivamente.[22]

Con reazioni del tutto analoghe, con altri acidi si possono preparare praticamente tutti gli altri sali di litio (LiNO3,Li3PO4,Li2SO4,LiClO4, etc.) e altrettanto conacidi carbossilici: con l'acido acetico si ottiene l'acetato CH3COOLi.

Inoltre, il litio è l'unico tra i metalli alcalini a reagire spontaneamente con l'azoto dell'aria a temperatura ambiente per dare il corrispondentenitruro di litio, che è anch'essoesotermico (ΔHƒ° = -164,56 kJ/mol[23]), sebbene parecchio meno dell'ossido:[24]

6 Li + N2 → 2 Li3N

Ciononostante, il litio è meno reattivo già rispetto alsodio e, a dispetto della stretta similitudine chimica con esso e il resto dei metalli alcalini, condivide qualche proprietà anche con ilmagnesio; ad esempio, ilraggio ionico è abbastanza simile (76 pm contro 72 pm) e così pure la scarsasolubilità dei lorofluoruri (LiF eMgF2) ed anche quella dei lorocarbonati (Li2CO3 eMgCO3); aspetti questi che si inquadrano nellarelazione diagonale.[7]

Nelle sue reazioni con glialogeni si formano i corrispondentialogenuri salini (LiF,LiCl,LiBr eLiI, tutti cristallini incolori con la struttura cubica diNaCl), ma le reazioni sono molto violente e quindi non pratiche per il loro ottenimento; si preferisce prepararli, ad esempio, dalle reazioni dell'idrossido (o anche del carbonato) con i corrispondentiacidi alogenidrici HX (X = F, Cl, Br, I):[25]

LiOH + HX → LiX + LiX
Li2CO3 + 2 HX → 2 LiX + H2O + CO2↑

Del litio con l'ossigeno è noto anche ilperossidoLi2O2 che, a differenza di quelli degli altri metalli alcalini, si forma solo in piccola parte quando il litio brucia all'aria, il resto essendo l'ossido Li2O.[26]

Con lozolfo e ilselenio il litio dà i corrispondentisolfuriLi2S eseleniuri Li2Se e con ilfosforo è noto ilfosfuro Li3P.[27]

Oltre 400 °C il litio reagisce con l'idrogeno per dare l'idruro di litio,[28] anch'esso esotermico (ΔHƒ° = -90,63 kJ/mol[29]); questo idruro è il più stabile tra gli quelli dei metalli alcalini e tra essi è il solo che riesce ad arrivare al punto di fusione (692 °C) senza decomporsi:[30]

2 Li + H2 → 2 Li–H

L'idruro di litio, a differenza delfluoruro e degli altrialogenuri di litio, che sono degli ottimiisolanti, è unsemiconduttore ed ha unband gap «diretto»[31] e questo ammonta a 3,0 eV.[32]

Con ilcarbonio il litio, oltre a formare varicomposti di intercalazione con lagrafite, importanti per lebatterie al litio, forma l'acetiluro Li2C2 e questo, trattato con acqua o acidi, sviluppa acetilene (HC≡CH), ma forma anche Li4C3, che con acidi dà l'allene H2C=C=CH2 (propadiene).[33][34]

Il litio, come anche gli altri metalli alcalini e alcuni altri, si dissolve inammoniaca liquida (e inammine) dando soluzioni conduttive che contengonoelettroni solvatati e ioni complessi positivi [Li(NH3)4]+.[35][36]

Neisaggi alla fiamma i suoisali conferiscono ad essa colorcremisi, ma quando il litio brucia come polvere metallica, la fiamma si mostra di color bianco brillante.

Isotopi

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Lo stesso argomento in dettaglio:Isotopi del litio.

In natura il litio è presente con dueisotopi stabili: il6Li e il7Li; quest'ultimo ammonta al 92,5% del totale. Pur essendo stabili, le loroenergie di legame per nucleone sono tra le più basse (5,33 MeV e 5,61 MeV, rispettivamente)[37] tra gli altri isotopi stabili degli elementi; anche per questo l'abbondanza del litio è scarsa nelsistema solare ed anche più in generale nell'universo.[38] Essenzialmente per lo stesso motivo, ma in senso opposto, il litio può venir vantaggiosamente sfruttato per produrre energia in reazioni difusione nucleare, nelle quali avere nuclei iniziali "poco legati" costituisce un vantaggio.[39]

Le abbondanze degli isotopi di litio si frazionano nel corso di un'ampia gamma di processi naturali, che includono: la formazione di minerali (precipitazione chimica),metabolismo,scambio ionico. Inoltre, gli ioni litio possono a volte sostituire, per ilraggio ionico non molto diverso, ilmagnesio e ilferro in siti ottaedrici diminerali argillosi, dove il6Li e il7Li portano ad un arricchimento dell'isotopo leggero nei processi di iperfiltrazione e alterazione delle rocce.

Isotopi stabili

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Il6Li (spin 1) è uno dei pochi nuclidi non radioattivi aventi un numero dispari sia di protoni (Z), che di neutroni (N), (3 e 3): questa è una condizione generale di scarsa stabilità nucleare che in generale tende ad essere evitata; oltre che nel caso deldeuterio, è tuttavia condivisa nel secondoperiodo con i nuclidi10B (5 e 5) e14N (7 e 7) ma, arrivati alfluoro, si ha che il18F (9 e 9) è radioattivo e anche più in avanti non ci sono altri casi di nuclei stabili doppiamente dispari.[40]

Il6Li trova vantaggiosa applicazione nella produzione ditrizio, importante nelle tecniche di fusione nucleare, attraverso bombardamento con neutroni lenti provenienti dareattori nucleari, ma termalizzati, secondo la seguentereazione nucleare:[41][42]

6Li + n  →  4He +T

Il7Li (spin 3/2-) è uno deglielementi primordiali (che si ritiene sia stato prodotto nellanucleosintesi del Big Bang). Una piccola quantità di entrambi,6Li e7Li, è prodotta nellestelle, ma si pensa che vengano consumati/bruciati tanto velocemente quanto più rapidamente si formano. Altre piccole quantità di litio sia6Li che7Li possono essere generate dalvento solare, dairaggi cosmici che colpiscono gli atomi più pesanti e dal decadimento di7Be e11Be.

Per bombardamento con neutroni veloci (tipicamente 14 MeV), il7Li produce anch'esso trizio, neutroni eradiazione gamma secondo la seguente reazione nucleare:[43]

7Li + n  →  4He + T + n +γ

Isotopi radioattivi

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Dell'elemento litio sono stati riportati ottoradioisotopi, i cuinumeri di massa sono compresi traA = 3 aA = 12. D questi, i due più longevi sono8Li con untempo di dimezzamento di840,0 ms e il9Li con 178,3 ms.[44]

Il Li-3, con 3 protoni nel nucleo - senza neutroni - è praticamente sconosciuto, pur se riportato in qualche tabella, ma senza ulteriori particolari.[45]

Il Li-4 (spin 2-), come qualsiasinuclide diverso dall'elio-4, è estremamente instabile e decade per emissione diprotone (Q = 3,103 MeV) facendo intervenire l'interazione nucleare forte. Il prodotto èHe-3, stabile; l'emivita è di 7,57×10-23 s:[46] la brevità estrema è tipica dell'interazione forte.[47]

Il Li-5 (spin 3/2-) come qualsiasi nuclide aventeA = 5, è estremamente instabile; decade per emissione di protone (Q = 1,965 MeV), anche qui per intervento dell'interazione forte, dando4He, con un'emivita di 3,04×10-22 s.[48]

Il Li-8 (spin 2) decadeβ− per dareBe-8, il quale si spezza in 2particelle α (un caso particolare difissione nucleare e didecadimento alfa), emettendo 16,079 MeV di energia.[49]

Il Li-9 (spin 3/2-) nel 49,2% dei casi decadeβ− dando Be-9 (stabile) sviluppando 11,941 MeV; nel restante 50,8% dei casi, espelle anche unneutrone [decadimento (β− + n)], per dare Be-8, che poi si spezza in 2particelle α (Q = 13,607 MeV).[50]

Il Li-10 (spin incerto) decade peremissione di neutrone dando il Li-9 (T1/2 = 2×10-12 s, Q = 25 keV), il quale poi decade come sopra.[51]

Il Li-11 (spin 3/2-) decade con emivita di 8,59 ms frammentandosi in molti modi diversi, tutti accompagnati dal decadimento beta meno.[52]

Il Li-12 (spin incerto) decade con emivita di 10 ns emettendo un neutrone e trasformandosi quindi in Li-11 (Q = 1,227 MeV), che decade poi come sopra.[53]

Storia e produzione

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Johan August Arfwedson

Nel 1817, in una miniera sull'isola diUto inSvezia, fu scoperto dal chimico e statista brasilianoJosé Bonifácio de Andrada e Silva un minerale, unalluminosilicato di litio, chiamatopetalite (LiAlSi4O10). Inizialmente non si sapeva che tale minerale contenesse litio. Nel 1817Johan August Arfwedson, mentre lavorava nel laboratorio del chimicoJöns Jakob Berzelius, analizzando attentamente un campione di tale minerale rilevò la presenza di un nuovoelemento che formava composti simili a quelli del sodio e del potassio, sebbene il suo carbonato e il suo idrossido fossero meno solubili in acqua e meno alcalini. Berzelius diede a tale elemento il nome dilithion, un derivato della parolagrecaλίθoς (traslitterato comelíthos, che significa "pietra"[54]), per evidenziare il fatto che era stato scoperto all'interno di un minerale al contrario delpotassio, che era stato scoperto in ceneri vegetali, e delsodio, del quale era nota la sua abbondanza nel sangue animale.[55][56][57] Il nome greco è poi passato nellatino scientifico comelithium.[58]

In seguito Arfwedson dimostrò che questo stesso elemento era presente nei mineralispodumene elepidolite. Nel 1818,Christian Gmelin fu il primo ad osservare che i sali di litio danno un colorerosso acceso al fuoco (saggio alla fiamma). Tuttavia, sia Arfwedson e Gmelin provarono a lungo e invano ad isolare l'elemento puro dai suoi sali. Nel 1821William Thomas Brande isolò il litio ottenendolo per elettrolisi dall'ossido di litio, un processo che era stato precedentemente impiegato dal chimico SirHumphry Davy per isolare i metalli alcalini potassio e sodio. Brande descrisse anche alcuni sali puri di litio, quali cloruro, e, stimando che lalithia (ossido di litio) conteneva circa il 55% metallo, stimò il peso atomico del litio intorno a 9,8 (il valore riconosciuto è ~6,94). Nel 1855, grandi quantità di litio furono prodotte attraverso l'elettrolisi di cloruro di litio daRobert Bunsen eAugustus Matthiessen. La scoperta di questa procedura portò inevitabilmente alla produzione commerciale del litio, a partire dal 1923, dalla società tedescaMetallgesellschaft AG, che eseguiva l'elettrolisi di una miscela liquida di cloruro di litio e cloruro di potassio per isolare l'elemento allo stato puro.

La produzione e l'uso di litio hanno subito nel tempo diversi drastici cambiamenti. La prima grande applicazione del litio è stata la produzione di saponi e lubrificanti permotori aeronautici o simili nellaseconda guerra mondiale e subito dopo. Quest'uso era dovuto al fatto che i saponi al litio hanno un punto di fusione superiore ad altri saponi alcalini e sono meno corrosivi dei saponi a base di calcio. Il modesto mercato di saponi di litio e grassi lubrificanti basati su di essi è stato sostenuto grazie a piccole miniere disseminate per lo più negli Stati Uniti.

La domanda di litio aumentò notevolmente durante laguerra fredda, con la produzione di armi difusione nucleare. Sia il litio-6 sia il litio-7 producevanotrizio quando venivano bombardati conneutroni e sono pertanto utili per la produzione di trizio a sé, nonché una forma di combustibile solido usato all'internobombe all'idrogeno in forma dideuteruro di litio. Gli Stati Uniti sono diventati il primo produttore di litio al mondo nel periodo compreso tra la fine deglianni cinquanta e la metà deglianni ottanta. Alla fine, le scorte di litio erano di circa42000 t di idrossido di litio. Il litio è stato accumulato impoverito in litio-6 del 75%, che è stato sufficiente a influenzare ilpeso atomico misurato di litio in molte sostanze chimiche standard, ed anche il peso atomico del litio in alcune "fonti naturali" di ioni di litio, che erano state invece "contaminate" in sali di litio, a rapporto isotopico alterato, scaricati dagli impianti di separazione degli isotopi che avevano raggiunto le acque sotterranee.

Estrazione del litio a Clayton Valley (Nevada).

Il litio è stato utilizzato per diminuire latemperatura di fusione delvetro e per migliorare il comportamento alla fusione diossido di alluminio quando si utilizza ilprocesso Hall-Héroult. Questi due usi hanno dominato il mercato fino alla metà deglianni novanta. Dopo la fine dellacorsa agli armamenti la domanda di litio è diminuita e la vendita di scorte sul mercato da parte delDipartimento di Energia statunitense ha visto un dimezzamento dei prezzi. Ma a metà degli anni '90, diverse aziende hanno iniziato a estrarre litio dalle soluzioni, un metodo che si è rivelato meno costoso e più rapido delle miniere sotterranee o anche a cielo aperto. La maggior parte delle miniere sono state chiuse o hanno spostato l'attenzione sull'estrazione di altri materiali. Ad esempio, le principali miniere degli Stati Uniti vicino aKings Mountain,Carolina del Nord, furono chiuse prima della fine del XX secolo.

L'utilizzo dibatterie agli ioni di litio ha aumentato la domanda di litio ed è diventato l'uso dominante a partire dal 2007. Con l'aumento della domanda di litio nelle batterie del 2000, nuove società hanno ampliato gli sforzi di estrazione salina per soddisfare la crescente domanda internazionale.

Il litio è prodotto perelettrolisi da una miscela dicloruro di litio ecloruro di potassio fusi (i rispettivi punti di fusione sono600 °C e circa 350 °C). Per questo processo si sfruttano delle celle inacciaio rivestito da materiale refrattario (cioè resistente alle alte temperature), con unanodo ingrafite — dove si sviluppa il cloro — e uncatodo in acciaio, dove si accumula il litio fuso.

Il costo di questo metallo nel1997 era di circa136 $/kg.

Applicazioni

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     Ceramiche e vetro (29%)

     Batterie (27%)

     Grassi lubrificanti (12%)

     Colata di litio (5%)

     Purificazione dell'aria (4%)

     Polimeri (3%)

     Produzione di alluminio (2%)

     Farmaci (2%)

     Altri usi (16%)

[59]

Vetri e materiali ceramici

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L'ossido di dilitio (Li2O) è ampiamente utilizzato per il trattamento disilice, in grado di ridurre ilpunto di fusione e laviscosità del materiale risultante e di portare gli smalti ad averecoefficienti di dilatazione termica più bassi.[60] Gliossidi di litio sono una componente di stoviglie. In tutto il mondo questo è l'uso più ampio di composti di litio.[59] Per questa applicazione si può partire dalcarbonato di litio (Li2CO3) che, per riscaldamento, si converte nell'ossido.[61]

Ilniobato di litio (LiNbO3) è un sale di litio ma anche unmateriale ceramico con notevoli proprietà ottiche ed elettriche: il cristallo èpiezoelettrico eferroelettrico[62] ed è molto usato sin dagli anni '80 per i filtri ad onda acustica superficiale (SAW) con un grande mercato in quelli di media frequenza deitelevisori analogici. Anche iltantalato di litio (LiTaO3) ha proprietà simili e a volte è usato in associazione al niobato, anche se quest'ultimo viene quasi sempre preferito.[63]

Negli ultimi anni del XX secolo, a causa del suo elevatopotenziale di elettrodo [E°(Li+ / Li) = -3,040 V[64]], il litio divenne una componente importante deglielettrodi (anodi) nelle batterie e, come ione, del loroelettrolita. A causa della sua bassa massa atomica, conferisce una densità di carica elevata e quindi poi un rapporto potenza-peso alto. Una tipicabatteria agli ioni di litio è in grado di generare circa3 V per cella, contro i 2,1 V dellabatteria al piombo o gli 1,5 V percelle zinco-carbone. Le batterie a ioni di litio, ricaricabili e con un'alta densità di energia, non devono essere confuse con le batterie al litio, che sono usa e getta (pile primarie) con litio o suoi composti come anodo.[65][66] Altre batterie ricaricabili che utilizzano litio includono la batteria litio- polimeri, la batteria al fosfato di ferro(II) e litio (LiFePO4) e la batteria a nanofili.

Grassi lubrificanti

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Riguardano il terzo maggiore impiego del litio su vasta scala. L'idrossido di litio (LiOH) è unabase forte e, riscaldato insieme ad un grasso (esteri dellaglicerina conacidi grassi), losaponifica e, dopo allontanamento delglicerolo, viene prodotto quindi unsapone, come ad esempio lostearato di litio. Questo sapone viene impiegato come addensante per oli e come lubrificante generico ad alte temperature.[67][68][69]

Il litio metallico viene usato in leghe con alluminio emagnesio, migliorandone la resistenza e rendendole più leggere. Una lega con il magnesio viene utilizzata per la corazzatura. Le leghe con l'alluminio sono utilizzate in aerei, telai di biciclette e treni ad alta velocità.[70]

Quando viene utilizzato come un fondente persaldatura obrasatura, il litio metallico facilita la fusione dei metalli durante il processo ed elimina la formazione di ossidi assorbendo le impurità. Le sue leghe conalluminio,cadmio,rame emanganese sono usate come componenti di aeromobili ad alte prestazioni (vedi anche leleghe litio-alluminio).[71]

Applicazioni in campo militare

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In campo bellico

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Il litio metallico e i suoi idruri complessi, come LiAlH4, sono utilizzati come additivi ad alta energia di propellenti dei razzi. L'idruro di litio e alluminio può costituire da solo il combustibile solido.[72]

Il sistema di propulsione ad energia chimica del Mark 50 Torpedo (SCEPS) utilizza un piccolo serbatoio di esafluoruro di zolfo gassoso, che viene spruzzato su un blocco di litio solido. La reazione genera calore, a sua volta usato per generare vapore. Il vapore spinge il siluro in un ciclo Rankine chiuso.[73]

L'idruro di litio contenente litio-6 è usato nelle bombe all'idrogeno. In tal caso, è collocato intorno al nucleo (core) di una bomba nucleare.[74]

Deuteruro di litio usato nella bomba del test Castle Bravo.

Il litio-6 è valutato come materiale di base per la produzione ditrizio e come assorbitore di neutroni durante un processo di fusione nucleare. Il litio naturale contiene circa il 7,5% di litio-6 di cui grandi quantità sono state prodotte dalla separazione isotopica per l'uso di armi nucleari.[75] L'isotopo litio-7 ha guadagnato interesse per l'uso nei refrigeranti dei reattori nucleari.[76] Un uso per la produzione di trizio in futuro si potrebbe avere nell'impianto sperimentaleDEMO.[77]

Ildeuteruro di litio era il materiale di fusione principalmente utilizzato nelle prime versioni dellabomba all'idrogeno. Quando bombardati da neutroni, sia6Li che7Li producono trizio (questa reazione, che non era del tutto chiara quando le bombe all'idrogeno sono state ideate per la prima volta, è stata responsabile dell'inaspettato incremento nella produzione di energia del test nucleareCastle Bravo). Il trizio si unisce con il deuterio in una reazione di fusione nucleare che è relativamente facile da realizzare. Anche se i dettagli rimangono segreti, il deuteruro di litio-6 evidentemente gioca ancora un ruolo decisivo nelle armi nucleari moderne, come materiale di fusione soprattutto.[78]

Ilfluoruro di litio (LiF), quando altamente arricchito con isotopo 7 di litio, costituisce la base costituente della miscela del sale fluoruro LiF-BeF2 utilizzato nei reattori nucleari a fluoruro liquido. Il fluoruro di litio è eccezionalmente stabile e le miscele di LiF-BeF2 hanno un basso punto di fusione. Inoltre,7Li, Be, e F sono tra i pochi nuclidi in grado di non inquinare le reazioni di fissione all'interno di un reattore a fissione nucleare.[79]

In impianti di fusione nucleare in progettazione e/o in costruzione, il litio sarà utilizzato per produrre trizio nei reattori confinati magneticamente con deuterio e trizio come combustibile. In natura il trizio è estremamente raro e deve essere prodotto sinteticamente circondando il plasma reagente con una 'coperta' contenente litio, dove i neutroni, provenienti dalla reazione deuterio-trizio nel plasma, fissionino il litio per produrre altro trizio:

6Li +n →4He +3T
7Li +n →4He +3T +n

Il litio è usato anche come fonte diparticelle alfa, cioè nuclei di4He. Quando il7Li è bombardato da protoni accelerati si forma8Be, che subisce fissione e va a formare due particelle alfa, cioè due nuclei di elio. Questa impresa, denominata "scissione dell'atomo", al momento è stata la prima reazione nucleare pienamente gestita dall'uomo. È stata ideata e condotta per la prima volta daCockroft eWalton nel 1932.[80][81] A dire il vero, alcune reazioni nucleari e la trasmutazione nucleare direttamente controllata dagli esseri umani erano già state compiute nel 1917, ma utilizzando il bombardamento radioattivo naturale con particelle alfa.

Nel 2013 ilGovernment Accountability Office ha detto che il litio-7 è fondamentale per il funzionamento di 65 reattori nucleari statunitensi su 100; tuttavia «sottopone la loro capacità di continuare a fornire energia elettrica a qualche rischio». Il problema deriva dal decadimento di infrastrutture nucleari degli Stati Uniti. Questi spensero la maggior parte dei propri impianti nel 1963, a causa di unsurplus enorme. Il rapporto disse che ci sarebbero voluti cinque anni e tra i 10 e il 12 milioni didollari per completare il processo di disattivazione di tali strutture.[82]

I reattori usano il litio per contrastare gli effetti corrosivi dell'acido borico, che viene aggiunto all'acqua per assorbire i neutroni in eccesso.[82]

Il litio è particolarmente utile per la cura deldisturbo bipolare dell'umore, specialmente sotto forma dicarbonato di litio o ilcitrato di litio.[83] Essendo in grado di stabilizzare l'umore del soggetto, questi composti hanno impiego nella prevenzione della fase maniacale del disturbo, tanto da divenire il farmaco d'elezione nella cura del disturbo bipolare di tipo I.[83] Ad ogni modo, il litio presenta anche delle controindicazioni, dovute alla tossicità dei sali in base al grado di concentrazione nel sangue. Devono quindi essere somministrati sotto attenta prescrizione medica specialistica. Si ritiene inoltre che possa contribuire all'insorgere dellaanomalia cardiaca di Ebstein nei bambini nati da donne che assumono litio durante il primo trimestre delle gravidanza (ulteriori complicazioni si hanno se l'assunzione di litio è prolungata nel tempo).[84]

Secondo alcune ricerche recenti, il litio potrebbe essere efficace nel trattare lecefalee a grappolo e l'ideazione suicidaria.[85]

Purificazione dell'aria

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Ilcloruro di litio (LiCl) e ilbromuro di litio (LiBr) sonoigroscopici e sono utilizzati come disidratanti per i flussi di gas. L'idrossido di litio (LiOH, base forte) e ilperossido di litio sono i sali più utilizzati in spazi confinati, come ad esempio a bordo di veicoli spaziali e sottomarini, per la rimozione di anidride carbonica e la purificazione dell'aria. L'idrossido di litio assorbe anidride carbonica dall'aria formandocarbonato di litio ed è preferito rispetto ad altri idrossidi alcalini per il suo peso ridotto.

Il perossido di litio (Li2O2) in presenza di umidità non solo reagisce con l'anidride carbonica per formare carbonato di litio (Li2CO3), ma rilascia anche ossigeno. La reazione è la seguente:

2Li2O2+2CO2⟶2Li2CO3+O2{\displaystyle {\ce {2 Li2O2 + 2 CO2 -> 2 Li2CO3 + O2}}}.

Alcuni dei composti sopra citati, così come ilperclorato di litio, sono utilizzati in candele ad ossigeno che riforniscono sottomarini di ossigeno. Queste possono includere anche piccole quantità diboro,magnesio,alluminio,silicio,titanio,manganese eferro.

Ilfluoruro di litio, artificialmente coltivato come cristallo, è chiaro e trasparente e spesso utilizzato in ottica specializzati per applicazioni VUV (UV sottovuoto), IR e UV. Esso ha uno dei più bassiindici di rifrazione e la più lontana portata di trasmissione tra i materiali più comuni nel profondo UV.[86] Finemente divisa, la polvere di fluoruro di litio è stata usata per idosimetri a termoluminescenza (DTL in italiano, TDL in inglese che sta perthermoluminescent radiation dosimetry). Quando un campione di tale composto viene esposto alle radiazioni, si accumula sotto forma di difetti di cristallo che, se riscaldati, si risolvono tramite un rilascio di luce bluastra la cui intensità è proporzionale alla dose assorbita, permettendo così di quantificare quest'ultima.[87] Il fluoruro di litio è usato a volte nelle lenti focali deitelescopi.[67]

L'elevata non-linearità delniobato di litio lo rende utile in applicazioni ottiche. È ampiamente utilizzato in prodotti di telecomunicazione come telefoni cellulari e modulatori ottici, in componenti come i cristalli di risonanza. Il litio viene dunque adoperato in oltre il 60% dei telefoni cellulari in circolazione.[88]

Chimica organica e chimica dei polimeri

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Icomposti organo-litio sono ampiamente utilizzati nella produzione di polimeri e di prodotti chimici raffinati. Nel settore dei polimeri, che è il consumatore dominante di questi reagenti, i composti di alchillitio sono catalizzatori/iniziatori[89] nellapolimerizzazione anionica dialcheninon-funzionali.[90][91][92] Per la produzione di prodotti dei prodotti chimici raffinati, i composti organo-litio funzionano da basi forti e come reagenti per la formazione di legami carbonio-carbonio e vengono preparati dal litio metallico e da alogenuri di alchile.[93]

Molti altri composti di litio sono usati come reagenti per preparare i composti organici. Alcuni composti popolari includono l'idruro di litio e alluminio (LiAlH4) e l'n-butillitio (n-C4H9Li), comunemente usati come basi estremamente forti chiamatesuperbasi.

  • A causa del suocalore specifico (il più alto tra i solidi), il litio è usato in applicazioni per il trasferimento di calore.
  • I composti del litio sono adoperati come coloranti pirotecnici e quindi usati per ifuochi d'artificio.[94]
  • L'idruro di litio può essere usato come accumulatore termico nelle batterie a fissione spontanea per applicazioni su cuore artificiale.

Disponibilità

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Secondo la teoriacosmologica moderna il litio — sotto forma dei suoi due isotopi più stabili litio-6 e litio-7 — era fra i 3 elementi sintetizzati nel Big Bang.[95] Sebbene la quantità di litio prodotta dallanucleosintesi del Big Bang dipenda dal numero di fotoni per barione, è possibile calcolare con una buona approssimazione l'abbondanza di tale elemento nell'universo. Sorprendentemente ci si rende conto che vi è una sorta di "discrepanza cosmologica" riguardo al litio: stelle più vecchie sembrano avere meno litio di quanto dovrebbero averne mentre le stelle più giovani ne presentano quantità superiori rispetto a quanto ci si aspetterebbe da loro. La mancanza di litio nelle stelle più anziane è apparentemente causata dal "mescolamento" continuo del litio nel nucleo stellare, dove alla fine viene trasformato in altro.[96] Come già anticipato, inoltre, lestelle di generazione recente hanno livelli di litio più alti del normale, sebbene questo eccesso si tramuti facilmente in due atomi di elio a causa della collisione con un protone a temperature superiori ai 2,4 milioni di gradi Celsius, temperatura tipica dei nuclei stellari. Ad oggi non sono state ancora ben chiarite le cause di questo anomalo aumento di litio.[97]

Nonostante sia stato il terzo elemento (insieme a idrogeno ed elio) ad essere stato sintetizzato nel Big Bang, il litio, come anche il berillio e il boro, è nettamente meno abbondante rispetto agli altri elementi in posizioni vicine. Ciò si spiega considerando che bastano temperature relativamente basse per distruggere gli atomi di litio e mancano processi comuni in grado di riprodurlo.[98]

Il litio si trova anche in alcunenane brune e in stelle arancioni anomale. Poiché il litio è presente nelle più fredde e meno massicce nane brune ma è distrutto nelle più caldenane rosse, la sua presenza negli spettri delle stelle può essere utilizzata nellithium test ("test al litio") per differenziare i due tipi di stella, in quanto entrambi più piccoli del Sole.[97][99][100] Le stelle arancioni talvolta hanno un'elevata concentrazione di litio (come Centaurus X-4). Questo genere di stelle spesso orbita nei pressi di un corpo celeste con un intenso campo gravitazionale (stella di neutroni obuco nero) in grado di attirare in superficie il litio più pesante, permettendo agli astronomi di osservarne di più e di ottenere spettri diversi.[97]

Produzione di litio in miniera e riserve (in tonnellate)[101]
NazioneProduzioneRiserve
Australia (bandiera) Australia45 0006 400 000
Cile (bandiera) Cile19 3009 600 000
Cina (bandiera) Cina10 8005 100 000
Argentina (bandiera) Argentina6 30019 300 000
Brasile (bandiera) Brasile2 400470 000
Zimbabwe (bandiera) Zimbabwe1 200500 000
Portogallo (bandiera) Portogallo900270 000
Canada (bandiera) Canada2002 900 000
Stati Uniti (bandiera) Stati Uniti?7 900 000
Bolivia (bandiera) Bolivia?21 000 000
RD del Congo (bandiera) RD del Congo?3 000 000
Germania (bandiera) Germania?2 700 000
Messico (bandiera) Messico?1 700 000
Nel mondo86 00086 000 000

Il litio è il 25º elemento più abbondante nellacrosta terrestre, con una concentrazione di20 mg per kg di crosta.[102] Sebbene tale elemento sia largamente disponibile, non si trova in natura allo statometallico: a causa della sua reattività, infatti, si presenta sempre legato ad altri elementi o composti.[103] È presente in minima parte in quasi tutte lerocce ignee (specialmente ilgranito) ed anche in moltesalamoie naturali.Negli ultimi anni si è iniziato a pianificare e progettare il Litio dalle "salamoie geotermali",attraverso una centrale geotermica che estrae anche la salamoia oltre che produrre energia elettrica e trasformando ilcloruro di litio all'idrossido di litio[104].

Il contenuto totale di litio nell'acqua di mare è molto grande ed è stimato intorno ai 230 miliardi di tonnellate, con una concentrazione relativamente costante di 0,14-0,25 ppm.[105][106] Le concentrazioni più alte si avvicinano 7 ppm e si trovano nei pressi di sorgenti idrotermali.[106][107]

I minerali più ricchi di litio sonospodumene epetalite, le fonti più valide dal punto vista commerciale e la cui lavorazione è cominciata a seguito dellaSeconda guerra mondiale. Un altro minerale significativo di litio è lalepidolite,[108] mentre più recentemente l'argillahectorite[109] e l'ambligonite sono state riconosciute come risorse di litio altrettanto importanti.

La maggior parte delle riserve disponibili di litio e commercialmente sfruttabili si trova inBolivia nella zona di Salar de Uyuni, con i suoi 5,4 milioni di tonnellate di litio. LoUS Geological Survey ha stimato, nel 2010, che ilCile ha riserve di gran lunga più elevate (circa 7,5 milioni di tonnellate) con una produzione annuale di circa 8 800 tonnellate.[110] Altri fornitori principali a livello mondiale sono l'Australia, l'Argentina e laCina.[101][111]

Un quadro diverso emerge analizzando le aziende che gestiscono miniere di litio. Secondo un reportage pubblicato dalla rivista specializzata illuminem, investitori cinesi controllano diverse compagnie minerarie, che rappresentano il 33,1% della produzione totale (e la metà della produzione delle grandi imprese) di litio al mondo[112].

Nell'UE sono in corso quattro progetti per l'estrazione «sostenibile» del litio, per un totale di due miliardi di EUR, progetti che dovrebbero essere operativi tra il 2022 e il 2024 e che dovrebbero soddisfare fino all'80 % del fabbisogno di litio dell'UE nel settore delle batterie entro il 2025.[113]

Il litio si trova in tracce in numerosepiante,plancton edinvertebrati, a concentrazioni da 69 a 5 760 ppb. Nei vertebrati la concentrazione è leggermente inferiore e quasi tutti i vertebrati hanno una concentrazione di litio tra le 21 e le 763 ppb nei tessuti e nei liquidi corporei. Gli organismi marini tendono al bioaccumulo di litio più di quelli terrestri.[114] Non è noto se il litio abbia un ruolo fisiologico in uno qualsiasi di questi organismi,[106] ma studi nutrizionali nei mammiferi hanno indicato la sua importanza per la salute, che porta a suggerire che debba essere classificato come un elemento essenziale di unaRDA di1 mg/giorno.[115] Studi condotti inGiappone, riportati nel 2011, hanno suggerito che il litio naturalmente presente in acque potabili può aumentare la durata della vita umana.[116]

Precauzioni

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Simboli di rischio chimico
facilmente infiammabilecorrosivo
pericolo
frasi H260-314-EUH014[117]
frasi RR 14/15-34
consigli P223-231+232-280-305+351+338-370+378-422[118][119]
frasi SS 1/2-8-43-45
Le sostanze chimiche
vanno manipolate con cautela
Avvertenze

Come gli altri metalli alcalini, il litio nella sua forma pura è altamente infiammabile e leggermente esplosivo se esposto all'aria e soprattutto all'acqua, con la quale reagisce in maniera violenta (produzione diidrogeno).

Questo metallo è anche corrosivo e deve essere maneggiato evitando il contatto con la pelle.

Per quanto riguarda lo stoccaggio, deve essere conservato immerso in idrocarburi liquidi, come lanafta.

Il litio è considerato leggermente tossico; loione litio è coinvolto negli equilibri elettrochimici delle cellule delsistema nervoso e viene spesso prescritto come farmaco nelle terapie per il trattamento di sindromi maniaco-depressive.L'intossicazione da sali di litio, più grave e frequente nei pazienti con compromissione dellafunzione renale, si tratta efficacemente con infusione dicloruro di sodio,urea edacetazolamide o, in alternativa, con l'emodialisi.

Note

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Bibliografia

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Voci correlate

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Collegamenti esterni

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V · D · M
Tavola periodica degli elementi
H                              He
LiBe BCNOFNe
NaMg AlSiPSClAr
KCa ScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
RbSr YZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe
CsBaLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
FrRaAcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrRfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
UueUbn
Unbibidi
UbuUbbUbtUbqUbpUbhUbsUboUbeUtnUtuUtbUttUtqUtpUthUtsUto
Superattinidi
UteUqnUquUqbUqtUqqUqpUqhUqsUqoUqeUpnUpuUpbUpt
Suddivisioni della tavola periodica:Gruppi ·Periodi ·Blocchi ·Metalli ·Metalloidi (semimetalli) ·Non metalli ·Lantanoidi ·Attinoidi ·Superattinidi ·Unbibidi ·Elementi transuranici
Controllo di autoritàThesaurus BNCF25271 ·LCCN(EN) sh85077577 ·GND(DE) 4036037-4 ·BNE(ES) XX531331(data) ·BNF(FR) cb119338639(data) ·J9U(EN, HE) 987007531489505171 ·NDL(EN, JA) 00569575
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