Litio

Propiedades físicas y químicas. Metal, metales. Yacimientos, reservas, salmueras. Obtención, compuestos, derivados

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  • País: Chile Chile
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Reseña histórica

El litio fue descubierto en 1817 por Arfredson y lo individualizó con el nombre de “Lithos” que es una palabra griega que significa piedra, para indicar que dicho elemento proviene de un mineral. La obtención del litio metálico por electrólisis del LiCl fue realizada con éxito por primera vez, por Bunsen y Matthiesen en un pequeño crisol de porcelana, usando un fino hilo de fierro como cátodo y una varilla de carbón como ánodo. La primera producción comercial de minerales de litio se inicio en USA en 1898 con el envío de 30 toneladas de Espodumeno proveniente del mina ETTA de Dakota del Sur. Desde entonces otras minas comenzaron a producir minerales de litio y por el año 1910 la producción de USA alcanzó 238 toneladas procedentes totalmente de Dakota del Sur.

¿Qué es el Litio?

  • Propiedades Físicas

En el sistema periódico de los elementos, el litio encabeza el grupo I o grupo de los metales alcalinos, constituido por Li, Na, K, Rb, Cs, (Fr), los que se caracterizan por tener un sólo electrón en un orbital “s” más allá de la capa central electrónica.

El litio metálico, es de color blanco plateado y blando. Es el metal más liviano que se conoce, densidad de 0,531 g/cm³, de número atómico 3 y peso atómico 6,941. Posee el mayor punto de fusión (186°C) y ebullición (1336°C) del grupo de metales alcalinos; posee además, el calor específico más alto de este grupo (0,784 cal/g°C a 0°C). En estado natural existen dos isótopos estables: Li7 en proporción de 92,4 % en peso y Li6 con 7,6 %.

Es interesante la comparación de los tres metales más importantes del grupo I, como son: Li, Na y K en sus propiedades más características porque pueden deducirse posibles usos industriales, métodos de obtención del metal o de sus compuestos, etc..., por sus semejanzas en sus propiedades físicas y químicas.

Número atómico

Peso atómico

Punto de fusión, °C

Punto de ebullición, °C

Peso específico a 0°C

Peso específico en el punto de fusión

Calor específico a 0°C

Resistividad a 0°C en ohmios/cm³

Coeficiente de temp. De resistividad por °C

Calor de fusión, cal/g

Dureza de Mohs

Calor de formación en Kcal/mol.g. hidróxido

Carbonato

Cloruro

1 culombio deposita:

milígramos de

1 amperio hora deposita gramos de

3

6,94

186

1336

0,534

----

0,784

8,55

4,5x10 ³

103,2

0,6

116

54,23

98,7

0,072823

0,262162

  • Propiedades Químicas

El litio, así como el resto de los metales del grupo I es fuertemente electropositivo lo que le confiere gran poder de reactividad frente a los agentes químicos. El poder polarizante del Li+ es mayor que todos los iones alcalinos, lo que se manifiesta en una gran tendencia a solvatarse y a formar uniones covalentes.

El Li reacciona lentamente con el H2O a 25 °C, el sodio lo hace en forma violenta, el potasio se inflama, mientras que el rubidio y el cesio lo hacen en forma explosiva. El Li es particularmente reactivo con el N2, fromando Li3N, ésta reacción es lenta a 25 °C y se hace más rápida con el aumento de temperatura (el Mg tiene el mismo comportamiento con el N2 formando el Mg3N2). Ambos metales, Li y Mg, se pueden usar para separar N de otros gases.

Con él O o el aire seco, reacciona en caliente, formando solamente el Li2O (a veces trazas de Li2O2); en cambio con los otros metales alcalinos la oxidación puede continuar formando los peróxidos (M2O2) y en el caso del K, Rb y Cs se obtienen los superóxidos correspondientes (MO2)

Con el H a la temperatura ambiente, el Li, igual que el resto de los metales alcalinos, no reacciona.

El Li reacciona con el H2 a 600 - 700 °C formando el hidruro de litio (LiH); mientras que los otros metales alcalinos lo hacen a 350 - 400 °C. El LiH, es el más estable de los hidruros alcalinos; se funde antes de descomponerse y no es atacado por el oxígeno a temperaturas por debajo del rojo.

Por acción del NH3 gaseoso a temperaturas inferiores a 70 °C, se forma una disolución azul intensa. Calentando el Li en corriente de NH3 a 400 °C se produce la amida: LiNH2. Por calentamiento de la amida se forma:

2LiNH2 -------------------------Li2NH + NH3

El Li, es el único metal alcalino que forma la imida Li2NH.

Fuentes de litio

Los compuestos de litio se hallan muy difundidos en la naturaleza, aunque en proporción muy escasa.

El litio contenido en el agua de mar es muy escaso, su contenido es de 0,1 partes por millón, debido a que este metal tiende a fijarse en las arcillas que se depositan en los fondos marinos

El litio se encuentra en las cenizas de las plantas, principalmente del tabaco, remolacha y caña de azúcar. También se halla en las aguas de ciertos manantiales, llamados por eso liníticas y consideradas hace algún tiempo eficaces contra el reumatismo y la gota.

El contenido de litio de la corteza terrestre ha sido estimado en 65 partes por millón. Aproximadamente 145 minerales existentes en ella contienen litio, pero sólo algunos lo poseen en cantidades comerciales:

El litio se obtiene de dos fuentes principales:

  • Yacimientos en vetas.

  • Salmueras naturales.

Litio proveniente de yacimientos en vetas

Los minerales comerciales de litio más importantes que provienen de vetas: espodumeno, lepidolita, ambligonita, trifilita, petalita, zinnwaldita y eucripta.

En América del norte, el espodumeno es el único mineral de litio que se ha encontrado en grandes cantidades, constituyendo la fuente más importante de materia prima para la obtención de sales de litio, situación que se ha mantenido durante casi 50 años de explotación de estos materiales. La lepidolita ha sido explotada en cantidades dobles de las correspondientes al espodumeno, y se ha empleado de preferencia en la fabricación de vidrio pyrex, vidrio apolino, otros vidrios espaciales.

Este mineral nunca ha sido destinado a la obtención de productos químicos de litio, debido al contenido de potasio en el mineral.

En América del norte no se conocen depósitos importantes de este mineral.

La Ambligonita tiene un mayor contenido de li2o que el espodumeno y la lepidolita y serían más salinos para el beneficio si se dispusiera de cantidades suficientes de este material

Salmueras

En general se estima que las salmueras son los depósitos de litio de mayor envergadura mundial por ejemplo las dimensiones del deposito de Silver Peak (u.s.a.) son 12,2km de largo por 6,5km de ancho con un promedio de cloruro de litio de 0,244% y se conocen reservas de 3.800.000 toneladas de litio.

En estados unidos existen además otros depósitos de salmuera tales como Searles Lake en California que en su parte central tiene 31km² de superficie. Por media en su mayor parte por cloruro de sodio y un espesor medio de 21m constituidos por mantos salinos casi horizontales.

El contenido de litio oscila entre 0,006 y 0,0011% de litio y las reservas se han calculado en 42.000 toneladas de litio.

En Chile, el salar de atacama es el más grande de este tipo de depósitos, su situación geográfica es la siguiente:

- Provincia de Antofagasta.

- Departamento de Loa.

- Comuna de Calama.

- Latitud 23° 30´ sur.

- Longitud 68° 15´ oeste.

- Altura 2.300 M.S.N.M.

Litio recuperado de salmueras matinales

El término salmuera empleado aquí es equivalente a: aguas fuertemente impregnadas de sales.

Las aguas que contienen una alta concentración de sólidos disueltos constituyen actualmente una fuente importante de sales minerales.

Las salmueras son una fuente importante de sal común, potasa, bromo, boro, litio, yodo, magnesio y carbonato de sodio.

Para recuperar las ales el primer paso en todos los procesos empleados es la evaporación ya sea de tipo solar o térmico, seguido de técnicas de cristalización, precipitación y flotación.

Actualmente se está explotando litio y otras sales de las siguientes depósitos de salmueras de EE.UU.

a) Salmueras de Silver Peak (Nevada)

b) Salmueras de Searles Lake (California)

c) Salmueras de Guat Salt Lake (utah)

En Chile, el salar de Atacama contiene salmueras de tipo cloruros con altas concentraciones de potasa, litio, manganeso, sodio, rubidio y cesio.

Este salar se encuentra aún en etapa de prospección y reconocimiento.

Yacimientos y reservas tipo vetiformes.

En este tipo de yacimientos, los minerales de litio se encuentran en zonas enriquecidas, relleno de fracturas y en zonas de remplazo, ya sea en diques o en pegmatitas no zonadas.

Los yacimientos en vetas se explotan tanto por minería de tajo abierto, aquellas de gran tamaño como en labor subterránea.

Yacimientos pecmáticos

- América del Norte

- Canadá

- USA

-América Latina

- Brasil

- Argentina

-África

- Malí

- Namibia

- Zimbabwe

- Rhodesia

- Australia

- Rusia

Yacimientos salmueras

- Chile

- USA

Extracción de Litio del Salar de Atacama

Síntesis del Proceso

Una mezcla de salmueras proveniente del Salar alimentará una serie de nueve pozas de evaporación solar que tendrán un área total de alrededor de 1 km², concentrándose desde 0,17% hasta 4,3% en peso de litio.

La salmuera concentrada libre de la mayor parte de impurezas (sodio, potasio, magnesio, sulfatos, etc.) se enviará mediante un sistema de transporte combinado de camión-ferrocarril a la planta química localizada en las inmediaciones de Antofagasta, donde previa purificación para eliminar el resto de magnesio así como el boro, se precipitará carbonato de litio (99,1% de pureza mínimo), agregando carbonato de sodio. Las pozas de evaporación solar estarán recubiertas con una membrana de PVC de 0,5 mm, colocada sobre una capa de arcilla de 14 cms. y grava de Chépica de 7 cms. La permeabilidad de las arcillas está en el rango de 10-7 - 10-8 cm/seg. (Ver figura )

La Planta Química estará ubicada en La Negra (Antofagasta) y la salmuera concentrada será transportada vía camión-ferrocarril.

Usos del litio

El litio empezó su carrera hace 70 años como una curiosidad de laboratorio, recibiendo su primer impulso al ser utilizado en la batería de acumulación inventada por Thomas Edison. Posteriormente tuvo gran empleo como ingrediente para dar sabor a bebidas gaseosas.

La década del 60 vio crecer al litio desde los usos militares, principalmente en grasas lubricantes, de la cual a la fecha es su piedra angular, hasta una vasta variedad de aplicaciones industriales, destacándose como catalizador usado en la fabricación del caucho sintético.

Los minerales de litio se usan en la fabricación del vidrio y cerámica. En las cerámicas su uso esta generalizado en mayor escala. Se usan en la fabricación de esmaltes y enzados, loza y porcelana, sanitarios y fabricación de vidrios y envases.

El espodumeno tiene extraordinaria características para soportar cambios bruscos de temperatura. Su empleo mas indicado esta en las cajas refractarias, donde se colocan los platos de loza y/o porcelana para su cocción en los hornos tipo túnel.

Minerales de litio

Se utilizan directamente en la fabricación de vidrios y cerámicas,. En las cerámicas su uso esta generalizado en mayor escala.

Compuestos de litio

Tal vez su mayor uso comercial para los compuestos de litio sea la fabricación de grasas(estrato de litio adicionado a aceites lubricantes), las que son capaces de retener sus propiedades lubricantes en un amplio intervalo de temperaturas extremas, son resistentes al agua y a la oxidación, Si la grasa se licúa por el calor, vuelve a formar una grasa consistente cuando se enfría.

Compuestos específicos:

-Carbonato de litio

-Manofactura de vidrios

-Producción de esmaltes para cerámicas

-Producción de aluminio metálico

-Ingrediente critico en la fabricación de tubos de televisión

-Tratamiento de desordenes mentales.

Hidróxido de litio

-Fabricación de grasas lubricantes de usos múltiples

-Obtención de litio metálico

-Absorbente de co2 en vehículos espaciales y submarinos.

-Componente del electrolito del acumulador de Edison que se emplea en los submarinos, instalaciones telefónicas y fuentes de energía eléctrica para ferrocarriles y teléfonos.

-Obtención del isótopo -6 de litio

Bromuro de litio

-Catalizador en la fabricación de polímeros orientados utilizados en la industria del caucho

-Control de humedad de gases.

-Preparación de sedantes nerviosos

Bromuros y yoduros de litio

-Aplicación en la fotografía.

Bromuros y cloruro de litio

-Acondicionamiento de aire

Fluoruro de litio

-Aleaciones y soldaduras especiales

-metalurgia del aluminio.

Cloruro de litio

-Aleaciones, soldaduras especiales y otros fundentes.

-Obtención de litio metálico

Litio alcalino

-Sanitarios y blanqueadores.

Hipoclorito de litio

-Esterilización del agua de piscinas

-Aleaciones

Peróxido de litio, borohidruro de litio

-Fabricación de oxigeno e hidrogeno

Hidruro de litio

-Producción de hidrogeno

Hidruro de aluminio-litio

-Reducción de compuestos orgánicos a la temperatura ambiente en soluciones de éter

Estrato de litio

-Grasas automotrices e industriales

Litio metálico

-Junto con él hidrogeno se emplea en la fabricación de bombas de tritio (isótopo radioactivo del hidrogeno), de potencia diez veces mayor que la bomba de Uranio( u 238)

-Catalizador de polímeros

-Metalurgia del aluminio. Su utilización en las celdas electroliticas permite disminuir en un 10% el alto consumo de energía eléctrica en el proceso, lo que significa elevar en el mismo porcentaje la producción

-Aleaciones de litio-aluminio de gran resistencia bajo condiciones de alta temperatura.

-Limpiador y desagrasador de los aceros dúctiles inoxidables y como desoxidante y purificador en la fundición de cobre y aleaciones de hierro níquel y cobre.

-Aleaciones extralivianas de litio-magnesio utilizadas principalmente en la industria espacial.

-Refrigeración de los reactores como fluido intercambiado de calor en las aplicaciones de altas temperaturas, y como ingrediente de los combustibles de cohetes espaciales.

Obtención de Litio Metálico

El litio metálico se obtiene por un proceso similar a la obtención de sodio por electrólisis de NaCl fundido.

El electrolito se compone de una mezcla de 55% en peso de LiCl y 45% en peso de KCl. La mezcla se mantiene a 460 - 500 °C de temperatura en el interior de una celda electrolítica de acero de bajo contenido de C. La caja de acero que contiene el electrolito fundido, está colocada a su vez en el interior de una estructura de ladrillo refractario. La caja de acero se calienta externamente con mecheros ubicados entre la caja de acero y la estructura de ladrillo refractario.

Los cátodos son de acero y los ánodos barras de grafito. La eficiencia eléctrica es del 80% y la recuperación de litio es de 98% en peso, calculados en base al litio contenido en el LiCl.

Reacciones:

En el ánodo: 2Cl- ----------- Cl2 + 2e-

En el cátodo: Li- + e- ------------ Li0

Por cada kilo de Li metálico se generan 5k de Cl2 gas.

Empleando LiCl y KCl en alto grado de pureza se obtiene Li metálico mayor de 99,8%.

Procesos para obtener compuestos de litio a partir de minerales de pegmatitas.

Minerales

Conminación

Molienda

Limpieza e colas Flotación Relaves

Concentrado

(Proceso Ácido) (Proceso Alcalino)

Lixiviación con H SO Calentamiento con caliza

Limpieza de soluciones Lixiviación Carbonato de litio

Precipitación con Na CO Cristalización

Carbonato de litio Hidróxido de litio

Bibliografía

  • “Reseña sobre el Litio” -Comisión chilena del cobre.

  • “El litio” -Instituto de investigaciones geológicas.

  • “Boletín minero” -N° 72 Feb. 1993

  • “Minería Chilena” -Año 17 Ñ°193, Julio de 1997

  • “El Litio” -Sección técnica del departamento de producción.