Litio

El litio (del griego: λίθος, romanizado: lithos, lit.  'piedra') es un elemento químico con el símbolo Liy número atómico 3. Es un metal alcalino blando de color blanco plateado. En condiciones estándar, es el metal menos denso y el elemento sólido menos denso. Como todos los metales alcalinos, el litio es altamente reactivo e inflamable y debe almacenarse al vacío, en una atmósfera inerte o en un líquido inerte como queroseno purificado o aceite mineral. Cuando se corta, exhibe un brillo metálico, pero el aire húmedo lo corroe rápidamente a un gris plateado opaco y luego a un deslustre negro. Nunca ocurre libremente en la naturaleza, sino solo en compuestos (generalmente iónicos), como los minerales pegmatíticos, que alguna vez fueron la principal fuente de litio. Debido a su solubilidad como ion, está presente en el agua del océano y se obtiene comúnmente de las salmueras. El litio metálico se aísla electrolíticamente a partir de una mezcla de cloruro de litio y cloruro de potasio.

El núcleo del átomo de litio roza la inestabilidad, ya que los dos isótopos de litio estables que se encuentran en la naturaleza tienen una de las energías de unión por nucleón más bajas de todos los nucleidos estables. Debido a su relativa inestabilidad nuclear, el litio es menos común en el sistema solar que 25 de los primeros 32 elementos químicos, aunque sus núcleos son muy ligeros: es una excepción a la tendencia de que los núcleos más pesados ​​son menos comunes. Por razones relacionadas, el litio tiene usos importantes en la física nuclear. La transmutación de átomos de litio en helio en 1932 fue la primera reacción nuclear totalmente artificial, y el deuteruro de litio sirve como combustible de fusión en armas termonucleares por etapas.

El litio y sus compuestos tienen varias aplicaciones industriales, que incluyen vidrio y cerámica resistentes al calor, lubricantes de grasa de litio, aditivos fundentes para la producción de hierro, acero y aluminio, baterías de metal de litio y baterías de iones de litio. Estos usos consumen más de las tres cuartas partes de la producción de litio.

El litio está presente en los sistemas biológicos en cantidades mínimas; sus funciones son inciertas. Las sales de litio han demostrado ser útiles como estabilizadores del estado de ánimo y antidepresivos en el tratamiento de enfermedades mentales como el trastorno bipolar.

Propiedades

Atómico y físico

Los metales alcalinos también se denominan familia del litio, por su elemento principal. Al igual que los otros metales alcalinos (que son sodio (Na), potasio (K), rubidio (Rb), cesio (Cs) y francio (Fr)), el litio tiene un único electrón de valencia que se cede fácilmente para formar un catión.. Debido a esto, el litio es un buen conductor del calor y la electricidad, así como un elemento altamente reactivo, aunque es el menos reactivo de los metales alcalinos. La baja reactividad del litio se debe a la proximidad de su electrón de valencia a su núcleo (los dos electrones restantes están en el orbital 1s, mucho más bajos en energía y no participan en enlaces químicos). El litio fundido es significativamente más reactivo que su forma sólida.

El metal de litio es lo suficientemente blando como para cortarlo con un cuchillo. Cuando se corta, posee un color blanco plateado que cambia rápidamente a gris a medida que se oxida a óxido de litio. Su punto de fusión de 180,50 °C (453,65 K; 356,90 °F) y su punto de ebullición de 1342 °C (1615 K; 2448 °F) son los más altos de todos los metales alcalinos, mientras que su densidad de 0,534gramo/cmes el más bajo.

El litio tiene una densidad muy baja (0,534 g/cm), comparable con la madera de pino. Es el menos denso de todos los elementos que son sólidos a temperatura ambiente; el siguiente elemento sólido más ligero (potasio, con 0,862 g/cm) es un 60 % más denso. Aparte del helio y el hidrógeno, como sólido es menos denso que cualquier otro elemento como líquido, siendo sólo dos tercios más denso que el nitrógeno líquido (0,808 g/cm). El litio puede flotar en los aceites de hidrocarburo más livianos y es uno de los tres únicos metales que pueden flotar en el agua, los otros dos son el sodio y el potasio.

El coeficiente de expansión térmica del litio es el doble que el del aluminio y casi cuatro veces el del hierro. El litio es superconductor por debajo de 400 μK a presión estándar ya temperaturas más altas (más de 9 K) a presiones muy altas (>20 GPa). A temperaturas inferiores a 70 K, el litio, como el sodio, sufre transformaciones de cambio de fase sin difusión. A 4,2 K tiene un sistema cristalino romboédrico (con un espaciado repetido de nueve capas); a temperaturas más altas se transforma en cúbica centrada en las caras y luego en cúbica centrada en el cuerpo. A temperaturas de helio líquido (4 K) prevalece la estructura romboédrica. Se han identificado múltiples formas alotrópicas para el litio a altas presiones.

El litio tiene una capacidad de calor específico de masa de 3,58 kilojulios por kilogramo-kelvin, la más alta de todos los sólidos. Debido a esto, el metal de litio se usa a menudo en refrigerantes para aplicaciones de transferencia de calor.

Isótopos

El litio natural se compone de dos isótopos estables, Li y Li, siendo este último el más abundante (92,5 % de abundancia natural). Ambos isótopos naturales tienen una energía de enlace nuclear por nucleón anormalmente baja (en comparación con los elementos vecinos en la tabla periódica, el helio y el berilio); el litio es el único elemento de número bajo que puede producir energía neta a través de la fisión nuclear. Los dos núcleos de litio tienen energías de enlace por nucleón más bajas que cualquier otro nucleido estable que no sea deuterio y helio-3. Como resultado de esto, aunque muy ligero en peso atómico, el litio es menos común en el Sistema Solar que 25 de los primeros 32 elementos químicos. Se han caracterizado siete radioisótopos, siendo Li el más estable con una vida media de 838 ms yLi con una vida media de 178 ms. Todos los isótopos radiactivos restantes tienen vidas medias inferiores a 8,6 ms. El isótopo de litio de vida más corta es el Li, que se desintegra mediante la emisión de protones y tiene una vida media de 7,6 × 10 s. El isótopo de Li es uno de los únicos cinco nucleidos estables que tienen un número impar de protones y un número impar de neutrones, los otros cuatro nucleidos impares estables son hidrógeno-2, boro-10, nitrógeno-14 y tantalio-180m.

Li es uno de los elementos primordiales (o, más correctamente, nucleidos primordiales) producidos en la nucleosíntesis del Big Bang. Una pequeña cantidad tanto de Li como de Li se produce en las estrellas durante la nucleosíntesis estelar, pero se "quema" aún más tan rápido como se produce. Li también se puede generar en estrellas de carbono. Se pueden generar pequeñas cantidades adicionales de Li y Li a partir del viento solar, los rayos cósmicos que golpean átomos más pesados ​​​​y de la desintegración radiactiva Be y Be del sistema solar primitivo.

Los isótopos de litio se fraccionan sustancialmente durante una amplia variedad de procesos naturales, incluida la formación de minerales (precipitación química), el metabolismo y el intercambio iónico. Los iones de litio sustituyen al magnesio y al hierro en los sitios octaédricos de los minerales arcillosos, donde se prefiere el Li al Li, lo que resulta en un enriquecimiento del isótopo ligero en los procesos de hiperfiltración y alteración de las rocas. Se sabe que el exótico Li exhibe un halo de neutrones, con 2 neutrones orbitando alrededor de su núcleo de 3 protones y 6 neutrones. El proceso conocido como separación de isótopos por láser se puede utilizar para separar isótopos de litio, en particular Li de Li.

La fabricación de armas nucleares y otras aplicaciones de la física nuclear son una fuente importante de fraccionamiento artificial de litio, y la industria y las reservas militares retienen el isótopo ligero Li hasta tal punto que ha causado un cambio leve pero medible en las proporciones de Li a Li en fuentes naturales., como los ríos. Esto ha llevado a una incertidumbre inusual en el peso atómico estandarizado del litio, ya que esta cantidad depende de las proporciones de abundancia natural de estos isótopos de litio estables que ocurren naturalmente, ya que están disponibles en fuentes comerciales de minerales de litio.

Ambos isótopos estables de litio pueden enfriarse con láser y se usaron para producir la primera mezcla Bose-Fermi degenerada cuántica.

Ocurrencia

Astronómico

Aunque se sintetizó en el Big Bang, el litio (junto con el berilio y el boro) es notablemente menos abundante en el universo que otros elementos. Este es el resultado de las temperaturas estelares comparativamente bajas necesarias para destruir el litio, junto con la falta de procesos comunes para producirlo.

Según la teoría cosmológica moderna, el litio, en ambos isótopos estables (litio-6 y litio-7), fue uno de los tres elementos sintetizados en el Big Bang. Aunque la cantidad de litio generada en la nucleosíntesis del Big Bang depende de la cantidad de fotones por barión, para los valores aceptados se puede calcular la abundancia de litio y existe una "discrepancia cosmológica de litio" en el universo: las estrellas más viejas parecen tener menos litio. de lo que deberían, y algunas estrellas más jóvenes tienen mucho más. La falta de litio en las estrellas más viejas aparentemente se debe a la "mezcla" de litio en el interior de las estrellas, donde se destruye.mientras que el litio se produce en estrellas más jóvenes. Aunque se transmuta en dos átomos de helio debido a la colisión con un protón a temperaturas superiores a los 2,4 millones de grados centígrados (la mayoría de las estrellas alcanzan fácilmente esta temperatura en sus interiores), el litio es más abundante de lo que predicen los cálculos en las estrellas de generaciones posteriores.

El litio también se encuentra en objetos subestelares enanos marrones y ciertas estrellas naranjas anómalas. Debido a que el litio está presente en enanas marrones más frías y menos masivas, pero se destruye en estrellas enanas rojas más calientes, su presencia en el espectro de las estrellas se puede usar en la "prueba de litio" para diferenciar las dos, ya que ambas son más pequeñas que el Sol.. Ciertas estrellas naranjas también pueden contener una alta concentración de litio. Esas estrellas naranjas que tienen una concentración de litio más alta de lo normal (como Centaurus X-4) orbitan objetos masivos, estrellas de neutrones o agujeros negros, cuya gravedad evidentemente atrae litio más pesado a la superficie de una estrella de hidrógeno-helio, causando más litio. a ser observado.

El 27 de mayo de 2020, los astrónomos informaron que las explosiones de nova clásicas son productoras galácticas de litio-7.

Terrestre

Aunque el litio está ampliamente distribuido en la Tierra, no se presenta naturalmente en forma elemental debido a su alta reactividad. cerca de fuentes hidrotermales se encuentran concentraciones más altas que se acercan a 7 ppm.

Las estimaciones del contenido de la corteza terrestre oscilan entre 20 y 70 ppm por peso. El litio constituye alrededor del 0,002 por ciento de la corteza terrestre. De acuerdo con su nombre, el litio forma una parte menor de las rocas ígneas, con las mayores concentraciones en los granitos. Las pegmatitas graníticas también proporcionan la mayor abundancia de minerales que contienen litio, siendo la espodumena y la petalita las fuentes comercialmente más viables. Otro mineral importante de litio es la lepidolita, que ahora es un nombre obsoleto para una serie formada por polilitionita y trilitionita. Una fuente más nueva de litio es la arcilla de hectorita, cuyo único desarrollo activo es a través de Western Lithium Corporation en los Estados Unidos. Con 20 mg de litio por kg de corteza terrestre,el litio es el vigésimo quinto elemento más abundante.

Según el Handbook of Lithium and Natural Calcium, "el litio es un elemento comparativamente raro, aunque se encuentra en muchas rocas y algunas salmueras, pero siempre en concentraciones muy bajas. Hay una cantidad bastante grande de depósitos de salmuera y minerales de litio, pero solo comparativamente pocos de ellos tienen un valor comercial real o potencial. Muchos son muy pequeños, otros son de grado demasiado bajo ".

Se estima que Chile (2020) tiene las mayores reservas con diferencia (9,2 millones de toneladas) y Australia la mayor producción anual (40.000 toneladas). Una de las mayores bases de reservas de litio se encuentra en el área del Salar de Uyuni de Bolivia, que tiene 5,4 millones de toneladas. Otros proveedores importantes incluyen Australia, Argentina y China. A partir de 2015, el Servicio Geológico Checo consideró a todos los Montes Metálicos de la República Checa como provincia de litio. Se registran cinco depósitos, uno cerca de Cínovec [cs] se considera como un depósito potencialmente económico, con 160 000 toneladas de litio. En diciembre de 2019, la empresa minera finlandesa Keliber Oy informó que su depósito de litio Rapasaari tiene reservas de mineral probadas y probables estimadas en 5.280 millones de toneladas.

En junio de 2010, The New York Times informó que geólogos estadounidenses estaban realizando estudios terrestres en lagos salados secos en el oeste de Afganistán, creyendo que allí se encuentran grandes depósitos de litio. Estas estimaciones están "basadas principalmente en datos antiguos, que fueron recopilados principalmente por los soviéticos durante su ocupación de Afganistán entre 1979 y 1989". El Departamento de Defensa estimó que las reservas de litio en Afganistán equivalen a las de Bolivia y lo denominó como una potencial "Arabia Saudita de litio". En Cornualles, Inglaterra, la presencia de salmuera rica en litio era bien conocida debido a la industria minera histórica de la región, e inversionistas privados han realizado pruebas para investigar la posible extracción de litio en esta área.

Biológico

El litio se encuentra en cantidades mínimas en numerosas plantas, plancton e invertebrados, en concentraciones de 69 a 5760 partes por billón (ppb). En los vertebrados, la concentración es ligeramente menor, y casi todos los tejidos y fluidos corporales de los vertebrados contienen litio en un rango de 21 a 763 ppb. Los organismos marinos tienden a bioacumular litio más que los organismos terrestres. Se desconoce si el litio tiene un papel fisiológico en cualquiera de estos organismos.

Los estudios de concentraciones de litio en suelos ricos en minerales arrojan rangos entre alrededor de 0,1 y 50-100 ppm, con algunas concentraciones tan altas como 100-400 ppm, aunque es poco probable que todo esté disponible para que lo absorban las plantas. La concentración de litio en el tejido vegetal suele ser de alrededor de 1 ppm, y algunas familias de plantas bioacumulan más litio que otras; la acumulación de litio no parece afectar la composición de nutrientes esenciales de las plantas. La tolerancia al litio varía según la especie de planta y normalmente es paralela a la tolerancia al sodio; el maíz y la hierba de Rhodes, por ejemplo, son muy tolerantes al daño por litio, mientras que el aguacate y la soja son muy sensibles.De manera similar, el litio en concentraciones de 5 ppm reduce la germinación de semillas en algunas especies (p. ej., arroz asiático y garbanzo), pero no en otras (p. ej., cebada y trigo). Muchos de los principales efectos biológicos del litio pueden explicarse por su competencia con otros iones. El ion de litio monovalente Licompite con otros iones como el sodio (inmediatamente debajo del litio en la tabla periódica), que al igual que el litio también es un metal alcalino monovalente. El litio también compite con los iones de magnesio bivalentes, cuyo radio iónico (86 pm) es aproximadamente el del ion de litio (90 pm). Los mecanismos que transportan sodio a través de las membranas celulares también transportan litio. Por ejemplo, los canales de sodio (tanto dependientes de voltaje como epiteliales) son vías particularmente importantes de entrada para el litio. Los iones de litio también pueden penetrar a través de los canales iónicos activados por ligandos, así como cruzar las membranas nucleares y mitocondriales. Al igual que el sodio, el litio puede ingresar y bloquear parcialmente (aunque no penetrar) los canales de potasio y los canales de calcio. Los efectos biológicos del litio son muchos y variados, pero sus mecanismos de acción solo se comprenden parcialmente. Por ejemplo, los estudios de pacientes con trastorno bipolar tratados con litio muestran que, entre muchos otros efectos, el litio revierte parcialmente el acortamiento de los telómeros en estos pacientes y también aumenta la función mitocondrial, aunque no se comprende cómo el litio produce estos efectos farmacológicos. Incluso los mecanismos exactos involucrados en la toxicidad del litio no se comprenden completamente.

Historia

La petalita (LiAlSi ₄ O ₁₀) fue descubierta en 1800 por el químico y estadista brasileño José Bonifácio de Andrada e Silva en una mina en la isla de Utö, Suecia. Sin embargo, no fue hasta 1817 que Johan August Arfwedson, entonces trabajando en el laboratorio del químico Jöns Jakob Berzelius, detectó la presencia de un nuevo elemento mientras analizaba el mineral de petalita. Este elemento formaba compuestos similares a los del sodio y el potasio, aunque su carbonato e hidróxido eran menos solubles en agua y menos alcalinos. Berzelius le dio al material alcalino el nombre de " lithion / lithina ", de la palabra griega λιθoς (transliterado como lithos, que significa "piedra"), para reflejar su descubrimiento en un mineral sólido, a diferencia del potasio, que se había descubierto en cenizas de plantas, y el sodio, que era conocido en parte por su gran abundancia en la sangre animal. Llamó al metal dentro del material "litio".

Arfwedson demostró más tarde que este mismo elemento estaba presente en los minerales espodumeno y lepidolita. En 1818, Christian Gmelin fue el primero en observar que las sales de litio dan un color rojo brillante a la llama. Sin embargo, tanto Arfwedson como Gmelin intentaron sin éxito aislar el elemento puro de sus sales. No se aisló hasta 1821, cuando William Thomas Brande lo obtuvo por electrólisis del óxido de litio, un proceso que había sido empleado previamente por el químico Sir Humphry Davy para aislar los metales alcalinos potasio y sodio. Brande también describió algunas sales puras de litio, como el cloruro, y, estimando que la litia (óxido de litio) contenía aproximadamente un 55 % de metal, estimó que el peso atómico del litio era de alrededor de 9,8 g/mol (valor moderno ~6,94 g/mol).En 1855, Robert Bunsen y Augustus Matthiessen produjeron grandes cantidades de litio mediante la electrólisis del cloruro de litio. El descubrimiento de este procedimiento condujo a la producción comercial de litio en 1923 por parte de la empresa alemana Metallgesellschaft AG, que realizó una electrólisis de una mezcla líquida de cloruro de litio y cloruro de potasio.

Al psiquiatra australiano John Cade se le atribuye la reintroducción y popularización del uso del litio para tratar la manía en 1949. Poco después, a mediados del siglo XX, la aplicabilidad del litio para estabilizar el estado de ánimo en la manía y la depresión despegó en Europa y los Estados Unidos.

La producción y el uso del litio sufrieron varios cambios drásticos en la historia. La primera aplicación importante del litio fue en grasas de litio de alta temperatura para motores de aviones y aplicaciones similares en la Segunda Guerra Mundial y poco después. Este uso fue respaldado por el hecho de que los jabones a base de litio tienen un punto de fusión más alto que otros jabones alcalinos y son menos corrosivos que los jabones a base de calcio. La pequeña demanda de jabones de litio y grasas lubricantes fue respaldada por varias operaciones mineras pequeñas, principalmente en los EE. UU.

La demanda de litio aumentó drásticamente durante la Guerra Fría con la producción de armas de fusión nuclear. Tanto el litio-6 como el litio-7 producen tritio cuando son irradiados por neutrones y, por lo tanto, son útiles para la producción de tritio por sí mismos, así como una forma de combustible de fusión sólido que se usa dentro de las bombas de hidrógeno en forma de deuteruro de litio. Estados Unidos se convirtió en el principal productor de litio entre finales de la década de 1950 y mediados de la de 1980. Al final, la reserva de litio era de aproximadamente 42.000 toneladas de hidróxido de litio. El litio almacenado se redujo en litio-6 en un 75 %, lo que fue suficiente para afectar el peso atómico medido del litio en muchas sustancias químicas estandarizadas, e incluso el peso atómico del litio en algunas "fuentes naturales" de iones de litio que habían sido "contaminadas". "

El litio se utiliza para disminuir la temperatura de fusión del vidrio y mejorar el comportamiento de fusión del óxido de aluminio en el proceso Hall-Héroult. Estos dos usos dominaron el mercado hasta mediados de la década de 1990. Después del final de la carrera de armamentos nucleares, la demanda de litio disminuyó y la venta de las reservas del departamento de energía en el mercado abierto redujo aún más los precios. A mediados de la década de 1990, varias empresas comenzaron a aislar litio de la salmuera, lo que resultó ser una opción menos costosa que la minería subterránea oa cielo abierto. La mayoría de las minas cerraron o cambiaron su enfoque a otros materiales porque solo se podía extraer el mineral de las pegmatitas zonificadas a un precio competitivo. Por ejemplo, las minas estadounidenses cerca de Kings Mountain, Carolina del Norte, cerraron antes de principios del siglo XXI.

El desarrollo de baterías de iones de litio aumentó la demanda de litio y se convirtió en el uso dominante en 2007. Con el aumento de la demanda de litio en baterías en la década de 2000, las nuevas empresas han ampliado los esfuerzos de aislamiento de salmuera para satisfacer la creciente demanda.

Se ha argumentado que el litio será uno de los principales objetos de la competencia geopolítica en un mundo que funciona con energías renovables y depende de las baterías, pero esta perspectiva también ha sido criticada por subestimar el poder de los incentivos económicos para expandir la producción.

Química

De litio metal

El litio reacciona fácilmente con el agua, pero con mucha menos energía que otros metales alcalinos. La reacción forma hidrógeno gaseoso e hidróxido de litio. Cuando se colocan sobre una llama, los compuestos de litio emiten un llamativo color carmesí, pero cuando el metal se quema con fuerza, la llama se vuelve plateada brillante. El litio se encenderá y se quemará en oxígeno cuando se exponga al agua o al vapor de agua. En el aire húmedo, el litio se empaña rápidamente para formar una capa negra de hidróxido de litio (LiOH y LiOH·H ₂ O), nitruro de litio (Li ₃ N) y carbonato de litio (Li ₂ CO ₃, resultado de una reacción secundaria entre LiOH y CO2) _. El litio es uno de los pocos metales que reaccionan con el gas nitrógeno.

Debido a su reactividad con el agua, y especialmente con el nitrógeno, el litio metálico generalmente se almacena en un sellador de hidrocarburo, a menudo vaselina. Aunque los metales alcalinos más pesados ​​pueden almacenarse bajo aceite mineral, el litio no es lo suficientemente denso como para sumergirse por completo en estos líquidos.

El litio tiene una relación diagonal con el magnesio, un elemento de radio atómico e iónico similar. Las similitudes químicas entre los dos metales incluyen la formación de un nitruro por reacción con N ₂, la formación de un óxido (Li₂O) y peróxido (Li₂O₂) cuando se quema en O ₂, sales con solubilidades similares e inestabilidad térmica de los carbonatos y nitruros. El metal reacciona con gas hidrógeno a altas temperaturas para producir hidruro de litio (LiH).

El litio forma una variedad de materiales binarios y ternarios por reacción directa con los elementos del grupo principal. Estas fases de Zintl, aunque altamente covalentes, pueden verse como sales de aniones poliatómicos como Si ₄, P ₇ y Te ₅. Con el grafito, el litio forma una variedad de compuestos de intercalación.

Se disuelve en amoníaco (y aminas) para dar [Li(NH ₃) ₄ ] y el electrón solvatado.

Compuestos inorgánicos

El litio forma derivados salinos con todos los haluros y pseudohaluros. Algunos ejemplos incluyen los haluros LiF, LiCl, LiBr, LiI, así como los pseudohaluros y aniones relacionados. El carbonato de litio ha sido descrito como el compuesto más importante del litio. Este sólido blanco es el principal producto del beneficio de los minerales de litio. Es un precursor de otras sales, incluidas las cerámicas y los materiales para baterías de litio.

Los compuestos LiBH₄y LiAlH₄son reactivos útiles. Estas sales y muchas otras sales de litio exhiben una alta solubilidad en éteres, en contraste con las sales de metales alcalinos más pesados.

En solución acuosa, el complejo de coordinación [Li(H ₂ O) ₄ ] predomina en muchas sales de litio. Se conocen complejos relacionados con aminas y éteres.

Química Orgánica

Los compuestos de organolitio son numerosos y útiles. Se definen por la presencia de un enlace entre el carbono y el litio. Sirven como carbaniones estabilizados con metales, aunque su solución y estructuras de estado sólido son más complejas que esta visión simplista. Por lo tanto, estas son bases y nucleófilos extremadamente poderosos. También se han aplicado en síntesis asimétrica en la industria farmacéutica. Para la síntesis orgánica de laboratorio, muchos reactivos de organolitio están disponibles comercialmente en forma de solución. Estos reactivos son muy reactivos y, en ocasiones, son pirofóricos.

Al igual que sus compuestos inorgánicos, casi todos los compuestos orgánicos del litio siguen formalmente la regla del dúo (p. ej., BuLi, MeLi). Sin embargo, es importante tener en cuenta que, en ausencia de ligandos o disolventes coordinados, los compuestos de organolitio forman grupos diméricos, tetrámeros y hexaméricos (p. ej., BuLi es en realidad [BuLi] ₆ y MeLi es en realidad [MeLi] ₄) que presentan múltiples enlace central y aumentar el número de coordinación alrededor del litio. Estos grupos se descomponen en unidades más pequeñas o monoméricas en presencia de disolventes como dimetoxietano (DME) o ligandos como tetrametiletilendiamina (TMEDA). Como excepción a la regla del dúo, un complejo de litato de dos coordenadas con cuatro electrones alrededor del litio, [Li(thf) ₄ ] [((Me ₃Si) ₃ C) ₂ Li], se ha caracterizado cristalográficamente.

Producción

País	Producción	Reservas	Recursos
Argentina	6,200	1,900,000	19,300,000
Australia	40.000	4,700,000	6,400,000
Austria	-	-	50,000
Bolivia	-	-	21,000,000
Brasil	1,900	95,000	470.000
Canadá	0	530.000	2,900,000
Chile	18,000	9,200,000	9,600,000
Porcelana	14,000	1,500,000	5,100,000
República Checa	-	-	1,300,000
República Democrática del Congo	-	-	3,000,000
Finlandia	-	-	50,000
Alemania	-	-	2,700,000
Ghana	-	-	90.000
Kazajistán	-	-	50,000
Malí	-	-	700,000
México	-	-	1,700,000
Namibia	-	-	50,000
Perú	-	-	880.000
Portugal	900	60.000	270.000
Serbia	-	-	1,200,000
España	-	-	300.000
Estados Unidos	870	750.000	7,900,000
Zimbabue	1200	220,000	500,000
total mundial	82,000	21,000,000	86,000,000+

La producción de litio ha aumentado considerablemente desde el final de la Segunda Guerra Mundial. Las principales fuentes de litio son las salmueras y los minerales.

El litio metálico se produce mediante electrólisis aplicada a una mezcla de cloruro de litio al 55 % y cloruro de potasio al 45 % fundidos a unos 450 °C.

Reservas y ocurrencia

El Servicio Geológico de EE. UU. (USGS) estimó que las reservas de litio identificadas en todo el mundo en 2020 y 2021 serán de 17 millones y 21 millones de toneladas, respectivamente. Una estimación precisa de las reservas mundiales de litio es difícil. Una razón de esto es que la mayoría de los esquemas de clasificación de litio se desarrollan para depósitos de minerales sólidos, mientras que la salmuera es un fluido que es problemático de tratar con el mismo esquema de clasificación debido a las concentraciones variables y los efectos de bombeo.

Luego de un aumento en el precio del litio en 2015 y la preocupación por la insuficiencia de recursos de litio para la creciente industria de baterías de litio, un análisis revisado por pares de los datos del USGS en 2017 predijo que no habrá escasez de litio y las estimaciones actuales de reservas aumentarán junto con la demanda. Los recursos mundiales de litio identificados por USGS comenzaron a aumentar en 2017 debido a la exploración continua. Los recursos identificados en 2016, 2017, 2018, 2019 y 2020 fueron de 41, 47, 54, 62 y 80 millones de toneladas, respectivamente.

En 2013, se estimó que el mundo contenía alrededor de 15 millones de toneladas de reservas de litio, mientras que 65 millones de toneladas de recursos conocidos eran razonables. El 75% de las reservas de litio podrían encontrarse en los diez yacimientos más grandes del mundo. Otro estudio señaló que el 83% de los recursos geológicos de litio se encuentran en seis depósitos de salmuera, dos de pegmatita y dos sedimentarios.

En los EE. UU., el litio se recupera de las piscinas de salmuera en Nevada. Se estima que un depósito descubierto en 2013 en Rock Springs Uplift de Wyoming contiene 228.000 toneladas. Los depósitos adicionales en la misma formación se estimaron en hasta 18 millones de toneladas. De manera similar, en Nevada, McDermitt Caldera alberga lodos volcánicos con litio que consisten en los depósitos de litio más grandes conocidos dentro de los Estados Unidos.

Triángulo de litio

Los cuatro principales países productores de litio del mundo a partir de 2019, según lo informado por el Servicio Geológico de EE. UU., son Australia, Chile, China y Argentina.

Los tres países de Chile, Bolivia y Argentina conforman una región conocida como el Triángulo de Litio. El Triángulo del Litio es conocido por sus salinas de alta calidad, que incluyen el Salar de Uyuni de Bolivia, el Salar de Atacama de Chile y el Salar de Arizaro de Argentina. Se cree que el Triángulo de Litio contiene más del 75% de las reservas de litio conocidas existentes. Los depósitos también se encuentran en América del Sur a lo largo de la cadena montañosa de los Andes. Chile es el principal productor, seguido de Argentina. Ambos países recuperan litio de las piscinas de salmuera. Según USGS, el desierto de Uyuni de Bolivia tiene 5,4 millones de toneladas de litio. La mitad de las reservas conocidas del mundo se encuentran en Bolivia a lo largo de la vertiente central oriental de los Andes.Las salmueras en las salinas del Triángulo de Litio varían ampliamente en contenido de litio. Las concentraciones también pueden variar con el tiempo, ya que las salmueras son fluidos cambiantes y móviles.

Desde 2018, se sabe que la República Democrática del Congo tiene el depósito de roca dura de espodumeno de litio más grande del mundo. El depósito ubicado en Manono, República Democrática del Congo, puede contener hasta 1.500 millones de toneladas de roca dura de espodumeno de litio. Las dos pegmatitas más grandes (conocidas como Pegmatita Carriere de l'Este y Pegmatita Roche Dure) tienen un tamaño similar o más grande que la famosa Pegmatita Greenbushes en Australia Occidental. Por lo tanto, se espera que la República Democrática del Congo sea un importante proveedor de litio para el mundo con su alto grado y bajas impurezas.

Según un estudio posterior de 2011 realizado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y la Universidad de California, Berkeley, la base de reserva de litio estimada en ese momento no debería ser un factor limitante para la producción de baterías a gran escala para vehículos eléctricos porque se estima que 1 billón 40 kWh Li Se podrían construir baterías basadas en esas reservas, alrededor de 10 kg de litio por automóvil. Otro estudio de 2011 en la Universidad de Michigan y Ford Motor Company encontró suficientes recursos para respaldar la demanda global hasta 2100, incluido el litio requerido para el uso potencial generalizado del transporte. El estudio estimó las reservas globales en 39 millones de toneladas y la demanda total de litio durante el período de 90 años se anualizó en 12 a 20 millones de toneladas, según los escenarios relacionados con el crecimiento económico y las tasas de reciclaje.

En 2014, The Financialist afirmó que la demanda de litio estaba creciendo a más del 12% anual. Según Credit Suisse, esta tasa superó la disponibilidad proyectada en un 25%. La publicación comparó la situación del litio de 2014 con la del petróleo, según la cual "los precios más altos del petróleo estimularon la inversión en costosas técnicas de producción en aguas profundas y arenas bituminosas"; es decir, el precio del litio seguiría aumentando hasta que los métodos de producción más caros que podrían impulsar la producción total atrajeran la atención de los inversores.

El 16 de julio de 2018, se encontraron 2,5 millones de toneladas de recursos de litio de alta ley y 124 millones de libras de recursos de uranio en el depósito de roca dura Falchani en la región de Puno, Perú.

En 2019, la producción mundial de litio a partir de espodumeno fue de alrededor de 80.000 t anuales, principalmente de la pegmatita Greenbushes y de algunas fuentes chinas y chilenas. Se informa que la mina Talison en Greenbushes es la más grande y tiene la ley de mineral más alta con 2,4 % de Li ₂ O (cifras de 2012).

Se estima que los océanos contienen 230 mil millones de toneladas de litio, pero la concentración es de 0,1 a 0,2 ppm, lo que hace que sea más costoso aislarlo con la tecnología 2020 que con la salmuera y las rocas terrestres.

Fuentes

Otra fuente potencial de litio a partir de 2012 se identificó como los lixiviados de los pozos geotérmicos, que se llevan a la superficie. La recuperación de este tipo de litio ha sido demostrada en campo; el litio se separa por simple filtración. Las reservas son más limitadas que las de los yacimientos de salmuera y roca dura.

Precios

En 1998, el precio del litio metálico era de unos 95 USD/kg (o 43 USD/lb). Después de la crisis financiera de 2007, los principales proveedores, como Sociedad Química y Minera (SQM), redujeron los precios del carbonato de litio en un 20 %. Los precios subieron en 2012. Un artículo de Business Week de 2012 describió un oligopolio en el espacio del litio: "SQM, controlada por el multimillonario Julio Ponce, es la segunda más grande, seguida por Rockwood, que cuenta con el respaldo de KKR & Co. de Henry Kravis, y Filadelfia -based FMC", con Talison mencionado como el mayor productor. El consumo global puede aumentar a 300 000 toneladas métricas por año para 2020 desde unas 150 000 toneladas en 2012, para igualar la demanda de baterías de litio que ha estado creciendo alrededor de un 25 % anual, superando el aumento general del 4 % al 5 % en la producción de litio.

Extracción

Históricamente, el litio y sus compuestos se aislaron y extrajeron de rocas duras, pero en la década de 1990, los manantiales minerales, las piscinas de salmuera y los depósitos de salmuera se habían convertido en la fuente dominante. La mayoría de estos fueron en Chile, Argentina y Bolivia. Grandes depósitos de arcilla de litio en desarrollo en la caldera McDermitt (Nevada, EE. UU.) requieren ácido sulfúrico concentrado para lixiviar el litio del mineral de arcilla.

A principios de 2021, gran parte del litio extraído a nivel mundial proviene de "espodumeno, el mineral contenido en rocas duras que se encuentran en lugares como Australia y Carolina del Norte" o de la salmuera salada bombeada directamente del suelo, como se encuentra en lugares en Chile. En el Salar de Atacama de Chile, la concentración de litio en la salmuera se eleva por la evaporación solar en un sistema de estanques. El proceso de enriquecimiento por evaporación puede requerir hasta un año y medio, cuando la salmuera alcanza un contenido de litio del 6%. El procesamiento final en este ejemplo se realiza cerca de la ciudad de Antofagasta en la costa, donde se produce carbonato de litio puro, hidróxido de litio y cloruro de litio a partir de la salmuera.

Se espera que los cátodos con bajo contenido de cobalto para baterías de litio requieran hidróxido de litio en lugar de carbonato de litio como materia prima, y ​​esta tendencia favorece a la roca como fuente.

Se ha propuesto el uso de electrodiálisis e intercalación electroquímica para extraer compuestos de litio del agua de mar (que contiene litio a 0,2 partes por millón), pero aún no es comercialmente viable.

Cuestiones ambientales

Los procesos de fabricación de litio, incluido el solvente y los desechos mineros, presentan riesgos significativos para el medio ambiente y la salud. La extracción de litio puede ser fatal para la vida acuática debido a la contaminación del agua. Se sabe que causa contaminación de aguas superficiales, contaminación de agua potable, problemas respiratorios, degradación de ecosistemas y daños al paisaje. También conduce a un consumo de agua insostenible en regiones áridas (1,9 millones de litros por tonelada de litio). La generación masiva de subproductos de la extracción de litio también presenta problemas sin resolver, como grandes cantidades de residuos de magnesio y cal.

En los Estados Unidos, existe una competencia activa entre la minería a cielo abierto catastrófica ambientalmente, la minería de remoción de cimas de montañas y la minería de extracción de salmuera menos dañina en un esfuerzo por expandir drásticamente la capacidad de extracción de litio nacional. Las preocupaciones ambientales incluyen la degradación del hábitat de la vida silvestre, la contaminación del agua potable, incluida la contaminación por arsénico y antimonio, la reducción insostenible del nivel freático y los desechos mineros masivos, incluidos los subproductos de uranio radiactivo y la descarga de ácido sulfúrico.

Cuestiones de derechos humanos

Un estudio de las relaciones entre las empresas de extracción de litio y los pueblos indígenas en Argentina indicó que es posible que el Estado no haya protegido el derecho de los pueblos indígenas al consentimiento libre, previo e informado, y que las empresas de extracción generalmente controlaban el acceso de la comunidad a la información y establecían los términos para la discusión de la proyectos y distribución de beneficios.

El desarrollo de la mina de litio Thacker Pass en Nevada, EE. UU., se ha enfrentado a protestas y demandas de varias tribus indígenas que han dicho que no recibieron el consentimiento libre, previo e informado y que el proyecto amenaza los sitios culturales y sagrados. También han expresado su preocupación de que el desarrollo del proyecto creará riesgos para las mujeres indígenas, porque la extracción de recursos está vinculada a mujeres indígenas desaparecidas y asesinadas. Los manifestantes han estado ocupando el sitio de la mina propuesta desde enero de 2021.

Aplicaciones

Baterías

En 2021, la mayor parte del litio se utilizará para fabricar baterías de iones de litio para automóviles eléctricos y dispositivos móviles.

Cerámica y vidrio

El óxido de litio se usa ampliamente como fundente para procesar sílice, lo que reduce el punto de fusión y la viscosidad del material y conduce a vidriados con propiedades físicas mejoradas, incluidos coeficientes bajos de expansión térmica. A nivel mundial, este es uno de los mayores usos de los compuestos de litio. Los esmaltes que contienen óxidos de litio se utilizan para utensilios de cocina. El carbonato de litio (Li ₂ CO ₃) se usa generalmente en esta aplicación porque se convierte en óxido al calentarse.

Eléctrico y electronico

A fines del siglo XX, el litio se convirtió en un componente importante de los electrolitos y electrodos de las baterías, debido a su alto potencial de electrodo. Debido a su baja masa atómica, tiene una alta relación carga y potencia-peso. Una batería típica de iones de litio puede generar aproximadamente 3 voltios por celda, en comparación con los 2,1 voltios de plomo-ácido y los 1,5 voltios de zinc-carbono. Las baterías de iones de litio, que son recargables y tienen una alta densidad de energía, se diferencian de las baterías de metal de litio, que son baterías desechables (primarias) con litio o sus compuestos como ánodo. Otras baterías recargables que usan litio incluyen la batería de polímero de iones de litio, la batería de fosfato de hierro y litio y la batería de nanocables.

A lo largo de los años, las opiniones sobre el crecimiento potencial han sido diferentes. Un estudio de 2008 concluyó que "la producción de carbonato de litio alcanzable de manera realista sería suficiente para solo una pequeña fracción de los futuros requisitos del mercado mundial de PHEV y EV", que "la demanda del sector de la electrónica portátil absorberá gran parte de los aumentos de producción planificados en la próxima década"., y que "la producción en masa de carbonato de litio no es ambientalmente racional, causará daños ecológicos irreparables a los ecosistemas que deben protegerse y que la propulsión de LiIon es incompatible con la noción de 'Green Car'".

Grasas lubricantes

El tercer uso más común del litio es en grasas. El hidróxido de litio es una base fuerte y, cuando se calienta con una grasa, produce un jabón hecho de estearato de litio. El jabón de litio tiene la capacidad de espesar los aceites y se utiliza para fabricar grasas lubricantes multiuso para altas temperaturas.

Metalurgia

El litio (p. ej., como carbonato de litio) se utiliza como aditivo para las escorias fundentes de moldes de colada continua donde aumenta la fluidez, un uso que representa el 5 % del uso mundial de litio (2011). Los compuestos de litio también se utilizan como aditivos (fundentes) en la arena de fundición para la fundición de hierro a fin de reducir el veteado.

El litio (como fluoruro de litio) se utiliza como aditivo en las fundiciones de aluminio (proceso Hall-Héroult), reduciendo la temperatura de fusión y aumentando la resistencia eléctrica, uso que representa el 3% de la producción (2011).

Cuando se usa como fundente para soldar o soldar, el litio metálico promueve la fusión de los metales durante el proceso y elimina la formación de óxidos al absorber impurezas. Las aleaciones del metal con aluminio, cadmio, cobre y manganeso se utilizan para fabricar piezas de aeronaves de baja densidad y alto rendimiento (ver también aleaciones de litio y aluminio).

Nano-soldadura de silicio

Se ha encontrado que el litio es efectivo para ayudar a la perfección de las nanosoldaduras de silicio en componentes electrónicos para baterías eléctricas y otros dispositivos.

Pirotécnica

Los compuestos de litio se utilizan como colorantes pirotécnicos y oxidantes en bengalas y fuegos artificiales rojos.

Purificación de aire

El cloruro de litio y el bromuro de litio son higroscópicos y se utilizan como desecantes para corrientes de gas. El hidróxido de litio y el peróxido de litio son las sales más utilizadas en áreas confinadas, como a bordo de naves espaciales y submarinos, para la eliminación de dióxido de carbono y la purificación del aire. El hidróxido de litio absorbe dióxido de carbono del aire formando carbonato de litio y se prefiere a otros hidróxidos alcalinos por su bajo peso.

El peróxido de litio (Li ₂ O ₂) en presencia de humedad no solo reacciona con el dióxido de carbono para formar carbonato de litio, sino que también libera oxígeno. La reacción es la siguiente:2 Li ₂ O ₂ + 2 CO ₂ → 2 Li ₂ CO ₃ + O ₂.

Algunos de los compuestos antes mencionados, así como el perclorato de litio, se utilizan en velas de oxígeno que suministran oxígeno a los submarinos. Estos también pueden incluir pequeñas cantidades de boro, magnesio, aluminio, silicio, titanio, manganeso y hierro.

Óptica

El fluoruro de litio, cultivado artificialmente en forma de cristal, es claro y transparente y, a menudo, se usa en óptica especializada para aplicaciones IR, UV y VUV (vacío UV). Tiene uno de los índices de refracción más bajos y el mayor rango de transmisión en UV profundo de los materiales más comunes. El polvo de fluoruro de litio finamente dividido se ha utilizado para la dosimetría de radiación termoluminiscente (TLD): cuando una muestra de este se expone a la radiación, acumula defectos de cristal que, cuando se calientan, se resuelven mediante una liberación de luz azulada cuya intensidad es proporcional a la dosis absorbida., lo que permite cuantificarlo. El fluoruro de litio se usa a veces en lentes focales de telescopios.

La alta no linealidad del niobato de litio también lo hace útil en aplicaciones de óptica no lineal. Se utiliza mucho en productos de telecomunicaciones, como teléfonos móviles y moduladores ópticos, para componentes como cristales resonantes. Las aplicaciones de litio se utilizan en más del 60% de los teléfonos móviles.

Química orgánica y de polímeros

Los compuestos de organolitio se utilizan ampliamente en la producción de polímeros y productos químicos finos. En la industria de los polímeros, que es el principal consumidor de estos reactivos, los compuestos de alquil litio son catalizadores/iniciadores. en la polimerización aniónica de olefinas no funcionalizadas. Para la producción de productos químicos finos, los compuestos de organolitio funcionan como bases fuertes y como reactivos para la formación de enlaces carbono-carbono. Los compuestos de organolitio se preparan a partir de haluros de metal de litio y de alquilo.

Muchos otros compuestos de litio se utilizan como reactivos para preparar compuestos orgánicos. Algunos compuestos populares incluyen hidruro de litio y aluminio (LiAlH ₄), trietilborohidruro de litio, n-butil-litio y terc-butil-litio.

Militar

El litio metálico y sus hidruros complejos, como Li[AlH ₄ ], se utilizan como aditivos de alta energía para propulsores de cohetes. El hidruro de aluminio y litio también se puede usar solo como combustible sólido.

El sistema de propulsión de energía química almacenada del torpedo Mark 50 (SCEPS) utiliza un pequeño tanque de hexafluoruro de azufre, que se rocía sobre un bloque de litio sólido. La reacción genera calor, creando vapor para impulsar el torpedo en un ciclo cerrado de Rankine.

El hidruro de litio que contiene litio-6 se usa en armas termonucleares, donde sirve como combustible para la etapa de fusión de la bomba.

Nuclear

El litio-6 se valora como material de origen para la producción de tritio y como absorbente de neutrones en la fusión nuclear. El litio natural contiene aproximadamente un 7,5 % de litio-6, a partir del cual se han producido grandes cantidades de litio-6 mediante la separación de isótopos para su uso en armas nucleares. El litio-7 ganó interés para su uso en refrigerantes de reactores nucleares.

El deuteruro de litio fue el combustible de fusión elegido en las primeras versiones de la bomba de hidrógeno. Cuando son bombardeados por neutrones, tanto el Li como el Li producen tritio; esta reacción, que no se entendió completamente cuando se probaron las bombas de hidrógeno por primera vez, fue responsable del rendimiento desbocado de la prueba nuclear de Castle Bravo. El tritio se fusiona con el deuterio en una reacción de fusión que es relativamente fácil de lograr. Aunque los detalles siguen siendo secretos, el deuteruro de litio-6 aparentemente todavía juega un papel en las armas nucleares modernas como material de fusión.

El fluoruro de litio, cuando está altamente enriquecido en el isótopo litio-7, forma el constituyente básico de la mezcla de sales de fluoruro LiF-BeF ₂ que se utiliza en los reactores nucleares de fluoruro líquido. El fluoruro de litio es excepcionalmente estable químicamente y las mezclas LiF-BeF ₂ tienen puntos de fusión bajos. Además, Li, Be y F se encuentran entre los pocos nucleidos con secciones transversales de captura de neutrones térmicos lo suficientemente bajas como para no envenenar las reacciones de fisión dentro de un reactor de fisión nuclear.

En plantas de energía de fusión nuclear conceptualizadas (hipotéticas), el litio se utilizará para producir tritio en reactores confinados magnéticamente utilizando deuterio y tritio como combustible. El tritio natural es extremadamente raro y debe producirse sintéticamente rodeando el plasma que reacciona con una "manta" que contiene litio donde los neutrones de la reacción deuterio-tritio en el plasma fisionarán el litio para producir más tritio:Li + n → He + H.

El litio también se utiliza como fuente de partículas alfa o núcleos de helio. Cuando el Li es bombardeado por protones acelerados, se forma Be, que casi inmediatamente se fisiona para formar dos partículas alfa. Esta hazaña, llamada "dividir el átomo" en ese momento, fue la primera reacción nuclear completamente hecha por el hombre. Fue producido por Cockroft y Walton en 1932.

En 2013, la Oficina de Responsabilidad del Gobierno de EE. UU. dijo que la escasez de litio-7, fundamental para el funcionamiento de 65 de los 100 reactores nucleares estadounidenses, "pone en riesgo su capacidad para continuar proporcionando electricidad". Castle Bravo utilizó por primera vez litio-7, en el Shrimp, su primer dispositivo, que pesaba solo 10 toneladas, y generó una contaminación atmosférica nuclear masiva del atolón Bikini. Esto quizás explique el declive de la infraestructura nuclear estadounidense.El equipo necesario para separar el litio-6 del litio-7 es principalmente un remanente de la guerra fría. Estados Unidos cerró la mayor parte de esta maquinaria en 1963, cuando tenía un enorme excedente de litio separado, consumido principalmente durante el siglo XX. El informe dijo que tomaría cinco años y $ 10 millones a $ 12 millones para restablecer la capacidad de separar el litio-6 del litio-7.

Los reactores que utilizan litio-7 calientan agua a alta presión y transfieren calor a través de intercambiadores de calor que son propensos a la corrosión. Los reactores utilizan litio para contrarrestar los efectos corrosivos del ácido bórico, que se añade al agua para absorber el exceso de neutrones.

Medicamento

El litio es útil en el tratamiento del trastorno bipolar. Las sales de litio también pueden ser útiles para diagnósticos relacionados, como el trastorno esquizoafectivo y la depresión mayor cíclica. La parte activa de estas sales es el ion litio Li. Pueden aumentar el riesgo de desarrollar la anomalía cardíaca de Ebstein en bebés nacidos de mujeres que toman litio durante el primer trimestre del embarazo.

El litio también se ha investigado como un posible tratamiento para las cefaleas en racimo.

Precauciones

El metal de litio es corrosivo y requiere un manejo especial para evitar el contacto con la piel. Respirar polvo de litio o compuestos de litio (que a menudo son alcalinos) inicialmente irrita la nariz y la garganta, mientras que una mayor exposición puede causar una acumulación de líquido en los pulmones, lo que lleva a un edema pulmonar. El metal en sí mismo es un peligro de manipulación porque el contacto con la humedad produce el hidróxido de litio cáustico. El litio se almacena de forma segura en compuestos no reactivos como la nafta.