Os isótopos de lítio são amplamente utilizados não apenas na indústria nuclear, mas também na produção de baterias recarregáveis. Existem vários tipos deles, dois dos quais são encontrados na natureza. As reações nucleares com isótopos são acompanhadas pela liberação de grandes quantidades de radiação, o que é uma direção promissora na indústria de energia.
Definição
Isótopos de lítio são variedades de átomos de um determinado elemento químico. Eles diferem entre si no número de partículas elementares de carga neutra (nêutrons). A ciência moderna conhece 9 desses isótopos, sete dos quais são artificiais, com massas atômicas de 4 a 12.
Destes, o mais estável é 8Li. Sua meia-vida é de 0,8403 segundos. 2 tipos de nuclídeos isoméricos nucleares (núcleos atômicos que diferem não apenas no número de nêutrons, mas também de prótons) também foram identificados - 10m1Li e 10m2 Li. Eles são diferentes na estrutura dos átomos no espaço e nas propriedades.
Estar na natureza
Em condições naturais, existem apenas 2 isótopos estáveis - com uma massa de 6 e 7 unidades a. comer(6Li, 7Li). O mais comum deles é o segundo isótopo do lítio. O lítio no sistema periódico de Mendeleev tem número de série 3 e seu número de massa principal é 7 a.u. e. m. Este elemento é bastante raro na crosta terrestre. Sua extração e processamento são caros.
A principal matéria-prima para a obtenção do lítio metálico é o seu carbonato (ou carbonato de lítio), que é convertido em cloreto e depois eletrolisado em mistura com KCl ou BaCl. O carbonato é isolado de materiais naturais (lepidolita, espodumênio piroxênio) por sinterização com CaO ou CaCO3.
Em amostras, a proporção de isótopos de lítio pode variar muito. Isso ocorre como resultado do fracionamento natural ou artificial. Este fato é levado em consideração ao realizar experimentos de laboratório precisos.
Recursos
Isótopos de lítio 6Li e 7Li diferem em propriedades nucleares: a probabilidade de interação de partículas elementares do núcleo atômico e reação produtos. Portanto, seu escopo também é diferente.
Quando o isótopo de lítio 6Li é bombardeado com nêutrons lentos, é produzido hidrogênio superpesado (trítio). Nesse caso, as partículas alfa são separadas e o hélio é formado. As partículas são ejetadas em direções opostas. Esta reação nuclear é mostrada na figura abaixo.
Esta propriedade do isótopo é utilizada como alternativa para substituir o trítio em reatores de fusão e bombas, já que o trítio é caracterizado por um menorestabilidade.
Isótopo de lítio 7Li na forma líquida tem um alto calor específico e baixa seção de choque nuclear efetiva. Em uma liga com fluoreto de sódio, césio e berílio, é usado como refrigerante, bem como solvente para fluoretos U e Th em reatores nucleares de sal-líquido.
Layout do núcleo
O arranjo mais comum dos átomos de lítio na natureza inclui 3 prótons e 4 nêutrons. O resto tem 3 dessas partículas. O layout dos núcleos dos isótopos de lítio é mostrado na figura abaixo (a e b, respectivamente).
Para formar o núcleo de um átomo de Li a partir do núcleo de um átomo de hélio, é necessário e suficiente adicionar 1 próton e 1 nêutron. Essas partículas conectam suas forças magnéticas. Os nêutrons têm um campo magnético complexo, que consiste em 4 polos, então na figura do primeiro isótopo, o nêutron médio tem três contatos ocupados e um potencialmente livre.
A energia mínima de ligação do isótopo de lítio 7Li necessária para dividir o núcleo do elemento em nucleons é 37,9 MeV. É determinado pelo método de cálculo abaixo.
Nestas fórmulas, variáveis e constantes têm o seguinte significado:
- n – número de nêutrons;
- m – massa do nêutron;
- p – número de prótons;
- dM é a diferença entre a massa das partículas que compõem o núcleo e a massa do núcleo do isótopo de lítio;
- 931 meV é a energia correspondente a 1 a.u. e.m.
Nucleartransformações
Isótopos deste elemento podem ter até 5 nêutrons extras no núcleo. No entanto, a vida útil desse tipo de lítio não excede alguns milissegundos. Quando um próton é capturado, o isótopo 6Li se transforma em 7Be, que então decai em uma partícula alfa e um isótopo de hélio 3 Ele. Quando bombardeado por dêuterons, 8Be reaparece. Quando um dêuteron é capturado pelo núcleo 7Li, o núcleo é obtido 9Be, que imediatamente decai em 2 partículas alfa e um nêutron.
Como os experimentos mostram, ao bombardear isótopos de lítio, uma grande variedade de reações nucleares pode ser observada. Isso libera uma quantidade significativa de energia.
Receber
A separação de isótopos de lítio pode ser feita de várias maneiras. Os mais comuns são:
- Separação no fluxo de vapor. Para fazer isso, um diafragma é colocado em um vaso cilíndrico ao longo de seu eixo. A mistura gasosa de isótopos é alimentada para o vapor auxiliar. Algumas das moléculas enriquecidas no isótopo de luz se acumulam no lado esquerdo do aparelho. Isso se deve ao fato de que as moléculas de luz têm uma alta taxa de difusão através do diafragma. Eles são descarregados junto com o fluxo de vapor do bico superior.
- Processo de termodifusão. Nesta tecnologia, como na anterior, é utilizada a propriedade de diferentes velocidades para mover as moléculas. O processo de separação ocorre em colunas cujas paredes são resfriadas. Dentro deles, um fio incandescente é esticado no centro. Como resultado da convecção natural, surgem 2 fluxos - o quente se movefios para cima e frio - ao longo das paredes para baixo. Os isótopos leves são acumulados e removidos na parte superior e os isótopos pesados na parte inferior.
- centrifugação a gás. Uma mistura de isótopos é executada em uma centrífuga, que é um cilindro de paredes finas girando em alta velocidade. Os isótopos mais pesados são lançados pela força centrífuga contra as paredes da centrífuga. Devido ao movimento do vapor, eles são carregados para baixo e isótopos leves da parte central do dispositivo - para cima.
- Método químico. A reação química ocorre em 2 reagentes que estão em diferentes estados de fase, o que permite separar os fluxos de isótopos. Existem variedades dessa tecnologia, quando certos isótopos são ionizados por um laser e depois separados por um campo magnético.
- Eletrólise de sais de cloreto. Este método é usado para isótopos de lítio apenas em condições de laboratório.
Aplicativo
Praticamente todas as aplicações do lítio estão associadas precisamente aos seus isótopos. Uma variação do elemento com número de massa 6 é usada para os seguintes propósitos:
- como fonte de trítio (combustível nuclear em reatores);
- para a síntese industrial de isótopos de trítio;
- para fazer armas termonucleares.
Isótopo 7Li é usado nos seguintes campos:
- para a produção de baterias recarregáveis;
- na medicina - para a fabricação de antidepressivos e tranquilizantes;
- em reatores: como refrigerante, para manter as condições de operação da águareatores de energia de usinas nucleares, para limpar o refrigerante nos desmineralizadores do circuito primário de reatores nucleares.
O escopo dos isótopos de lítio está se tornando mais amplo. Nesse sentido, um dos problemas prementes da indústria é obter uma substância de alta pureza, incluindo produtos monoisotópicos.
Em 2011, também foi lançada a produção de baterias de trítio, que são obtidas por irradiação de lítio com isótopos de lítio. Eles são usados onde são necessárias baixas correntes e longa vida útil (marcapassos e outros implantes, sensores de fundo de poço e outros equipamentos). A meia-vida do trítio e, portanto, a vida útil da bateria, é de 12 anos.
