LITHIUMHYDRIDE: STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, VERKRIJGEN, GEBRUIK - CHEMIE - 2025

Het lithiumhydride is een kristallijne anorganische vaste stof met de chemische formule LiH. Het is het lichtste anorganische zout, het molecuulgewicht is slechts 8 g / mol. Het wordt gevormd door de vereniging van een lithiumion Li ⁺ en een hydride-ion H ^- . Beide zijn verbonden door een ionische binding.

LiH heeft een hoog smeltpunt. Reageert gemakkelijk met water en daarbij ontstaat waterstofgas. Het kan worden verkregen door de reactie tussen gesmolten lithiummetaal en waterstofgas. Het wordt veel gebruikt in chemische reacties om andere hydriden te verkrijgen.

Lithiumhydride, LiH. Geen machineleesbare auteur opgegeven. Veronderstelde JTiago (op basis van auteursrechtclaims). . Bron: Wikimedia Commons.

LiH is gebruikt om te beschermen tegen gevaarlijke straling zoals die wordt aangetroffen in kernreactoren, dat wil zeggen ALPHA, BETA, GAMMA-straling, protonen, röntgenstralen en neutronen.

Er is ook voorgesteld voor de bescherming van materialen in ruimteraketten aangedreven door nucleaire thermische voortstuwing. Er worden zelfs studies uitgevoerd om te worden gebruikt als bescherming van de mens tegen kosmische straling tijdens toekomstige reizen naar de planeet Mars.

Structuur

In lithiumhydride, waterstof een negatieve lading H ^- , omdat een elektron van het metaal, dat in de vorm van Li is afgetrokken ⁺ ion .

De elektronenconfiguratie van het Li ⁺ kation is: 1s ² wat zeer stabiel is. En de elektronische structuur van het hydride-anion H ^- is: 1s ² , dat ook erg stabiel is.

Het kation en anion worden met elkaar verbonden door elektrostatische krachten.

Het lithiumhydride-kristal heeft dezelfde structuur als natriumchloride-NaCl, dat wil zeggen een kubische kristalstructuur.

Kubieke kristalstructuur van lithiumhydride. Auteur: Benjah-bmm27. Bron: Wikimedia Commons.

Nomenclatuur

- Lithiumhydride

LiH

Eigendommen

Fysieke toestand

Witte of kleurloze kristallijne vaste stof. Commerciële LiH kan blauwgrijs zijn vanwege de aanwezigheid van kleine hoeveelheden lithiummetaal.

Molecuulgewicht

8 g / mol

Smeltpunt

688 ºC

Kookpunt

Het ontleedt bij 850 ºC.

Zelfontbranding temperatuur

200 ºC

Dichtheid

0,78 g / cm ³

Oplosbaarheid

Reageert met water. Het is onoplosbaar in ethers en koolwaterstoffen.

Andere eigenschappen

Lithiumhydride is veel stabieler dan hydriden van de andere alkalimetalen en kan zonder ontleding worden gesmolten.

Het wordt niet beïnvloed door zuurstof als het wordt verwarmd tot temperaturen onder rood. Het wordt ook niet beïnvloed door chloor Cl ₂ en zoutzuur HCl.

Het contact van LiH met warmte en vochtigheid veroorzaakt een exotherme reactie (genereert warmte) en de waterstofontwikkeling H ₂ en lithiumhydroxide LiOH.

Het kan een fijn stof vormen dat kan exploderen in contact met vlammen, hitte of oxiderende materialen. Het mag niet in contact komen met lachgas of vloeibare zuurstof, aangezien het kan exploderen of ontbranden.

Het wordt donkerder bij blootstelling aan licht.

Het verkrijgen van

Lithiumhydride is in het laboratorium verkregen door reactie tussen gesmolten lithiummetaal en waterstofgas bij een temperatuur van 973 K (700 ºC).

2 Li + H ₂ → 2 LiH

Goede resultaten worden verkregen wanneer het blootgestelde oppervlak van het gesmolten lithium wordt vergroot en wanneer de sedimentatietijd van het LiH wordt verkort. Het is een exotherme reactie.

Gebruik als beschermend schild tegen gevaarlijke straling

De LiH heeft een aantal eigenschappen die hem aantrekkelijk maken om te gebruiken als bescherming voor mensen in kernreactoren en ruimtesystemen. Hier zijn enkele van deze kenmerken:

- Het heeft een hoog gehalte aan waterstof (12,68% gewichtsprocent H) en een hoog aantal waterstofatomen per volume-eenheid (5,85 x 10 ²² atomen van H / cm ³ ).

- Door het hoge smeltpunt kan het worden gebruikt in omgevingen met hoge temperaturen zonder te smelten.

- Het heeft een lage dissociatiedruk (~ 20 torr op het smeltpunt) waardoor het materiaal kan worden gesmolten en ingevroren zonder te verslechteren onder lage waterstofdruk.

- Het heeft een lage dichtheid waardoor het aantrekkelijk is om in ruimtesystemen te worden gebruikt.

- De nadelen zijn echter de lage thermische geleidbaarheid en slechte mechanische eigenschappen. Maar dit heeft de toepasbaarheid ervan niet verminderd.

- De stukjes LiH die dienen als schilden worden vervaardigd door warm of koud persen en door smelten en gieten in vormen. Hoewel deze laatste vorm de voorkeur heeft.

- Bij kamertemperatuur worden de onderdelen beschermd tegen water en waterdamp en bij hoge temperaturen door een kleine overdruk waterstof in een afgesloten container.

- In kernreactoren

In kernreactoren zijn er twee soorten straling:

Direct ioniserende straling

Het zijn hoogenergetische deeltjes die elektrische lading dragen, zoals alfa- (α) en bèta- (β) -deeltjes en protonen. Dit type straling heeft een zeer sterke wisselwerking met de materialen van de schilden en veroorzaakt ionisatie door interactie met de elektronen van de atomen van de materialen waardoor ze passeren.

Indirect ioniserende straling

Het zijn neutronen, gammastralen (γ) en röntgenstralen, die doordringen en een enorme bescherming vereisen, aangezien ze de emissie van secundair geladen deeltjes met zich meebrengen, die ionisatie veroorzaken.

Symbool om te waarschuwen voor het gevaar van gevaarlijke straling. IAEA en ISO. Bron: Wikimedia Commons.

Volgens sommige bronnen is LiH effectief in het beschermen van materialen en mensen tegen dit soort straling.

- In ruimtesystemen met nucleaire thermische voortstuwing

LiH is onlangs gekozen als een potentiële nucleaire stralingsafscherming en moderator voor nucleaire thermische voortstuwingssystemen van ruimtevaartuigen met zeer lange reizen.

Een artistieke weergave van een nucleair aangedreven ruimtevaartuig in een baan om Mars. NASA / SAIC / Pat Rawlings. Bron: Wikimedia Commons.

De lage dichtheid en het hoge waterstofgehalte maken het mogelijk om de massa en het volume van de kernreactor effectief te verminderen.

- Ter bescherming tegen kosmische straling

Blootstelling aan ruimtestraling is het belangrijkste risico voor de menselijke gezondheid bij toekomstige interplanetaire verkenningsmissies.

In de ruimte zullen astronauten worden blootgesteld aan het volledige spectrum van galactische kosmische straling (hoogenergetische ionen) en uitwerpgebeurtenissen van zonnedeeltjes (protonen).

Het gevaar van blootstelling aan straling wordt nog vergroot door de lengte van de missies. Daarnaast moet ook rekening worden gehouden met de bescherming van de plaatsen die ontdekkingsreizigers zullen bewonen.

Simulatie van toekomstige habitat op de planeet Mars. NASA. Bron: Wikimedia Commons.

In deze volgorde ideeën, een studie in 2018 uitgevoerde aangegeven dat de stoffen getest LiH levert de grootste vermindering van straling per gram per cm ² , waardoor één van de beste kandidaten voor gebruik bij bescherming tegen kosmische straling. Deze onderzoeken moeten echter worden verdiept.

Gebruik als middel voor veilige opslag en transport van waterstof

Het verkrijgen van energie uit H ₂ is iets dat is onderzocht voor enkele tientallen jaren en heeft al toepassing gevonden voor fossiele brandstoffen te vervangen in transportvoertuigen.

H ₂ kan worden gebruikt in brandstofcellen en draagt ​​bij aan de vermindering van de productie van CO ₂ en NO _x , waardoor het broeikaseffect en vervuiling worden vermeden. Een effectief systeem om H ₂ veilig op te slaan en te vervoeren , met een laag gewicht, compact of klein van formaat, dat het snel opslaat en even snel H ₂ vrijgeeft , is nog niet gevonden .

Lithiumhydride LiH is een van de alkalihydriden die de hoogste opslagcapaciteit voor H heeft ₂ (12,7% gewichtsprocent H). Releases H ₂ door hydrolyse volgens de volgende reactie:

LiH + H ₂ O → LiOH + H ₂

LiH levert 0,254 kg waterstof voor elke kg LiH. Bovendien heeft een hoge capaciteit per volume-eenheid, waardoor het licht en is een compact medium voor H ₂ opslag .

Motorfiets waarvan de brandstof waterstof is, opgeslagen in de vorm van een metaalhydride zoals LiH. US DOE energie-efficiëntie en hernieuwbare energie (EERE). Bron: Wikimedia Commons.

Bovendien vormt LiH gemakkelijker dan andere alkalimetaalhydriden en is het chemisch stabiel bij omgevingstemperaturen en -drukken. De LiH kan van de fabrikant of leverancier naar de gebruiker worden vervoerd. Vervolgens, door hydrolyse van LiH, H ₂ wordt gegenereerd en deze veilig gebruikt.

Het gevormde lithiumhydroxide LiOH kan worden teruggestuurd naar de leverancier die het lithium regenereert door middel van elektrolyse en vervolgens weer LiH produceert.

LiH is ook met succes bestudeerd om te worden gebruikt in combinatie met boraathydrazine voor hetzelfde doel.

Gebruik bij chemische reacties

LiH maakt de synthese van complexe hydriden mogelijk.

Het dient bijvoorbeeld om lithiumtriethylboorhydride te bereiden, een krachtig nucleofiel in organische halogenidevervangingsreacties.

Referenties

1. Sato, Y. en Takeda, O. (2013). Waterstofopslag- en transportsysteem door middel van lithiumhydride met behulp van gesmolten zouttechnologie. In Molten Salts Chemistry. Hoofdstuk 22, pagina's 451-470. Opgehaald van sciencedirect.com.
2. Amerikaanse National Library of Medicine. (2019). Lithiumhydride. Hersteld van: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Wang, L. et al. (2019). Onderzoek naar de impact van het thermische kernel-effect van lithiumhydride op de reactiviteit van een nucleaire voortstuwingsdeeltjesbedreactor. Annals of Nuclear Energy 128 (2019) 24-32. Opgehaald van sciencedirect.com.
4. Cotton, F. Albert en Wilkinson, Geoffrey. (1980). Geavanceerde anorganische chemie. Vierde druk. John Wiley & Sons.
5. Giraudo, M. et al. (2018). Accelerator-gebaseerde tests van de afschermingseffectiviteit van verschillende materialen en meerlagen met behulp van hoogenergetische lichte en zware ionen. Radiation Research 190; 526-537 (2018). Opgehaald van ncbi.nlm.nih.gov.
6. Welch, FH (1974). Lithiumhydride: een materiaal dat de ruimte leeftijd afschermt. Nuclear Engineering and Design 26, 3, februari 1974, pagina's 444-460. Opgehaald van sciencedirect.com.
7. Simnad, MT (2001). Kernreactoren: afschermingsmaterialen. In Encyclopedia of Materials: Science and Technology (Second Edition). Pagina's 6377-6384. Opgehaald van sciencedirect.com.
8. Hügle, T. et al. (2009). Hydrazine Borane: een veelbelovend waterstofopslagmateriaal. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7444-7446. Opgehaald van pubs.acs.org.