Om materialet lithium

Som omtalt i forrige blogindlæg blev jeg interesseret i at læse om lithium. Jeg gik på nettet og fandt en lang wikipedia-artikel fyldt med masser af fysik og kemiske formler, som jeg ikke forstod alverden af.

Men jeg vover et øje og refererer noget af det, jeg synes, jeg forstod.

Lithium er et grundstof med symbolet Li og atomnummeret 3. Det tilhører gruppen alkalimetaller. Det er det letteste metal og dét faste grundstof, der har den mindste massefylde.  På grund af dets relative nukleare ustabilitet er lithium mindre almindeligt i solsystemet end 25 ud af de første 32 grundstoffer, selvom dets atomkerner har en meget lav atomvægt. Selvom det har et af de laveste smeltepunkter af alle metaller (180 °C), er det dog stadig det alkalimetal med højest smelte- og kogepunkt. Lithium er en god leder af både varme og elektricitet.

Det er et meget blødt metal. Det er så blødt at det kan skæres med en kniv. Når det skæres ud, får det en sølvhvid farve, der hurtigt ændres til grå, efterhånden som det oxideres af luftens ilt til lithiumoxid, og med vand reagerer det ved dannelse af lithiumhydroxid og brint. 

Friskskåret prøve af lithium, med minimale oxider

Ved kontakt med fugtig luft korroderer overfladen hurtigt til en mat, sølvgrå farve og senere falmet sort.  På grund af dets høje reaktivitet forekommer lithium aldrig frit i naturen, men i stedet kun i forbindelser, som normalt er ioniske.

Lithium er, som alle alkalimetaller, stærkt reaktivt og brændbart, og skal derfor opbevares beskyttet mod både atmosfæren og vand - i lukkede beholdere, ofte nedsænket i petroleum, mineralolie eller vaseline.

Lithium der flyder i olie

På DTU i Lyngby opbevarer de deres beholdning af grundstoffet litium i særlige handskebokse fyldt med gasarten argon, for ellers går det i forbindelse med luftens ilt. 

En journalist på dagbladet Information har besøgt DTU.

»Der er knastørt derinde,« konstaterer en kittelklædt, langhåret herre, som er ved at iføre sig et par hvide bomuldshandsker. Så stikker han hænderne ind i kassens gummihandsker og strækker sine arme, så handskerne krænger sig ind i kassens argonfyldte luft, hvor han griber om en plasticboks og finder en rulle frem med kinesiske skrifttegn på siden.

»Her er det så,« siger  Poul Norby og løfter en flap tynd, sølvblegt metalfolie op fra rullen. Poul Norby er professor i kemi ved DTU, og i hænderne holder han et materiale, der er ved at forandre verden, som vi kender den. Ja, jeg kan desværre ikke give dig noget af det med hjem,« siger Poul Norby, mens han fingererer med metallet. For kommer det ud, begynder det straks at gå i forbindelse med luftens ilt, og skulle man være så uheldig, at der går ild i det, er det ganske svært at slukke igen. Det brænder også fint i CO2 fra en pulverslukker, og hælder du vand på, er der risiko for, at det eksploderer. Derfor har laboratoriet en særlig pulverslukker med sand og ler i, fortæller han.

Plat sagt er det nemlig sådan med litium, at det er et ekstremt liderligt metal: parat til at gå i forbindelse med nærmest hvad som helst, og det er netop den egenskab, der gør det velegnet til at lave batterier med, men også årsagen til, at det i sin rene form bliver opbevaret i en handskeboks på et laboratorium. 

I 1800 opdagede den brasilianske kemiker og statsmand José Bonifácio de Andrada e Silva noget Petalit i en mine på øen Utö i Sverige. Det var dog først, da Johan August Arfwedson i 1817 arbejdede i laboratoriet hos en kemiker Jöns Jakob Berzelius og analyserede petalitmalm, at han opdagede  tilstedeværelsen af et nyt grundstof. Dette grundstof dannede forbindelser meget lig natriums og kaliums, selvom dets carbonat og hydroxid var mindre vandopløselige og mere alkaliske. Berzelius gav det alkaliske materiale navnet "lithion/lithina", fra det græske ord λιθoς (translittereret som lithos, betydende "sten"), for at reflektere dets opdagelse i et fast mineral, i modsætning til kalium, som var blevet opdaget i planteaske, og natrium, som delvist var kendt for sin rigelige forekomst i dyreblod. Han navngav metallet i materialet "lithium".

Arfwedson påviste senere, at dette samme grundstof var til stede i mineralerne spodumen og lepidolit. I 1818 var Christian Gmelin den første til at bemærke, at lithiumsalte giver en flamme en tydelig rød farve. Både Arfwedson og Gmelin forsøgte (og fejlede i) at isolere det rene grundstof fra dets salte. Det blev ikke isoleret før 1821, da William Thomas Brande udvandt det ved elektrolyse af lithiumoxid i en proces, der tidligere var blevet anvendt af kemikeren Sir Humphry Davy til at isolere alkalimetallerne kalium og natrium. Brande beskrev også nogle rene lithiumsalte, såsom dets klorid, og vurderede lithiums atomvægt til at være på omkring 9,8 g/mol. Han vurderede, at lithia (lithiumoxid) indeholdt omkring 55 % metal. I 1855 blev større mængder lithium produceret gennem elektrolyse af lithiumklorid af Robert Bunsen og Augustus Matthiessen.

Opdagelsen af denne procedure førte til, at det tyske selskab Metallgesellschaft AG i 1923 påbegyndte en kommerciel lithiumproduktion ved at foretage elektrolyse af en flydende blanding af lithiumklorid og kaliumklorid.

Så man kan sige, at lithium til industrielt brug har mange fædre

Lithium er et oldgammelt stof, der faktisk allerede blev dannet et par minutter efter Big Bang, da universet var kølet tilpas meget ned til, at de første atomkerner opstod. 90 procent af alt universets stof blev til brint, hvor der er en enkelt proton i kernen; knap ti procent blev til helium, som har to protoner i kernen; og endelig var der også en lille smule litium, som altså har tre protoner i kernen og derfor har fået tildelt atomnummer tre.

Alle universets andre stoffer er siden blevet dannet ved fusionsprocesser inde i stjernerne, men litium hører altså til blandt universets oprindelige og allerførste.

Lithium findes koncentreret i jordskorpen - 20g/t og i havvand med bare 0,17g /t.

Og lithium findes i stjernerne.

 Det viser sig, at ældre stjerner lader til at indeholde mindre lithium, end de burde, og nogle yngre stjerner har meget mere.  Manglen på lithium i ældre stjerner skyldes tilsyneladende "blandingen" af lithium ind i stjernernes indre, hvor det bliver ødelagt, mens lithium derimod produceres i yngre stjerner. 

Lithium forekommer derfor oftere i stjerner af yngre dato end de fleste moderne beregninger ellers forudsiger. Man taler om en "kosmologisk lithiumdiskrepans".

Lithium findes i brune dværge og bestemte anormale orange stjerner. Dets tilstedeværelse i stjernernes spektre kan bruges i "lithiumtesten" til at differentiere mellem brune og røde dværge, idet lithium er til stede i de kølige brune dværge, men ødelægges i de varmere røde dværge. Visse orange stjerner kan også indeholde en høj koncentration af lithium. De orange stjerner, der har en usædvanligt høj lithiumkoncentration (såsom Centaurus X-4), er i kredsløb omkring massive objekter — neutronstjerner eller sorte huller — hvis tyngdekraft tilsyneladende trækker tungere lithium til overfladen på en hydrogen-helium-stjerne, hvilket gør at mere lithium kan observeres. 

Nova Centauri 2013 er den første nova, hvor der er fundet tegn på lithium.

I juli 2015 blev det annonceret, at lithium var blevet detekteret i materiale udstødt fra Nova Centauri 2013. Det er første gang, lithium er blevet detekteret i et nova-system.  Mængden påvist var mindre end en milliardtedel af Solens masse . Dette fund er signifikant, fordi det understøtter en teori om, at det ekstra lithium, der findes i Population I-stjerner sammenlignet med Population II-stjerner kommer fra novaer. Jeg lod linksene stå, ifald der var andre end mig, der ikke vidste, hvad populationsstjerner er :-)

V1369 Centauri , også kendt som Nova Centauri 2013 , var en lysende nova i stjernebilledet Centaurus , der opstod i 2013. Den blev opdaget den 2. december 2013 af amatørastronomen John Seach i Australien 

Nova Centauri 2013 set med det blotte øje nær La Silla Observatory 

La Silla Observatory , Chile

Lithium findes ikke frit i naturen, men som silikater.

Silikater er en fællesbetegnelse for kemiske forbindelser, hvori der indgår silicium og en anion (en negativ ladet ion). Langt de fleste silikater er silikatmineraler, altså oxider bygget op omkring bindinger mellem silicium og ilt .

Silikatmineraler udgør størsteparten af Jordens skorpe og kappe, hvor feldspat er langt det mest forekommende bjergartsdannende mineral i skorpen. 

Lithium udvindes fra malme af petalit, lepidolite og spodumen og så selvfølgeligaf den underjordiske saltlage, som jeg skrev så meget om i forrige blogartikel. Her vil jeg derfor kun koncentrere mig om malmene.

 Petalit omdannes til spodumen og kvarts ved opvarmning til ~500 °C og under 3 kbar tryk i nærværelse af en tæt vandholdig alkaliborosilikatvæske

Petalit var den bjergart, der blev fundet i Sverige i år 1800, hvor det senere blev påvist, at den indeholder lithium. Navnet er afledt af det græske ord petalon, som betyder blad , hvilket hentyder til dets perfekte spaltning. 

Petalit forekommer som farveløs, pink, grå, gul, gulgrå, til hvide tavleformet krystaller og søjleformede masser.

Petalite fra Minas Gerais State, Brasilien (størrelse: 3x4 cm)

Lepidolite er det mest udbredte lithium -holdige mineral og er en sekundær kilde til lithium. Lepidolite findes naturligt i en række forskellige farver, hovedsagelig pink, lilla og rød, men også grå og sjældent gul og farveløs. Fordi lepidolite er en lithium-bærende glimmer, antages det ofte forkert, at lithium er det, der forårsager de lyserøde nuancer, der er så karakteristiske for dette mineral. I stedet er det spormængder af mangan, der forårsager de lyserøde, lilla og røde farver.

Udstrålende lepidolit ved White Elephant pegmatite, Black Hills, South Dakota

Både petalite og lepidolite anvendes som smykkesten

Petalite beskrives så som en meget blid og feminin sten, der stimulerer din kreativitet. Den har en meget højfrekvent opløftende energi og er meget spirituelt aktiverende. Sådan præsenteres nedenstående lille petalitehjerte.

500 kr - hvis du skulle være interesseret i at erhverve det
og gøre brug af dets magi.

Også lepidolite tilskrives en masse positive energier.
Poleret op får det den smukkeste lilla farve.

 Spodumen forekommer som farveløs til gullig, lilla eller lilla kunzit  gullig-grøn eller smaragdgrøn hiddenit , prismatiske krystaller, ofte af stor størrelse. 

Spodumenkrystal

En af de største enkeltkrystaller af et mineral, der nogensinde er fundet, var et spodumen-eksemplar fra South Dakota, USA , 47 ft (14,3 m) lang og 90 tons i vægt.

Gigantiske krystaller af Spodumene (1904) — forme af to enorme krystaller, for størrelsessammenligning se minearbejder i midten af ​​højre side af billedet.

Etta Mines — Black Hills , Pennington County, South Dakota. Kan du få øje på ham?

Navnet er afledt af det græske spodumenos (σποδούμενος), der betyder "brændt til aske", på grund af det uigennemsigtige askegrå udseende af materiale raffineret til brug i industrien. 

Siden 2018 har Den Demokratiske Republik Congo ( DRC ) været kendt for at have den største lithium-spodumen-hårdstensforekomst i verden. Jeg har nu ikke læst om udvinding her.

Fra 2019 udvindes omkring halvdelen af ​​lithium fra mineralmalme, som hovedsageligt består af spodumen. Lithium udvindes fra spodumen ved opløsning i syre eller ekstraktion med andre reagenser efter ristning for at omdanne det til det mere reaktive β-spodumen. Fordelen ved spodumen som lithiumkilde sammenlignet med saltlagekilder er den højere lithiumkoncentration, men til en højere ekstraktionsomkostning. 

Jeg fandt en svensk hjemmeside for firmaet  John Brommeland & Co. ANS.  John Brommeland & Co. ANS blev startet 1.1.1977 af Inger og John Brommeland. I første omgang lavede de geologiske skolesamlinger sammen med firmaet Gunnar Raade & Co. som samarbejdede med skoletjenesten på de naturhistoriske museer på Tøyen i Oslo. Senere købte de Gunnar Raade & Co. I 1985 flyttede forretningen fra Oslo til Treungen i Telemark og startede også med at save og slibe stenskiver, samt forarbejde stenskiverne til gaver og souvenirartikler.- Og så sælger de også GARN! En usædvanlig kombinatiion.

  Gå ind og kig på siden. Den viser f.eks. 77 forskellige silikater. Smukke, smukke sten. Linket ligger på skærmdumpet herunder.

Nok om lithium i bjergarter. Men jeg trængte lige til noget smukt. Senere i artiklen bliver det knap så smukt. 

Lithium findes også i havsalt, havalger, tang, vand, tobak og timian. Det sidste er ret mærkværdigt -  at netop tobak og timian indeholder lithium. Hvorfor mon netop de to planter? Også vores drikkevand indeholder en smule lithium.

Men lithium byder på flere overraskelser. 

Spormængder af lithium findes i alle organismer. Grundstoffet tjener tilsyneladende ingen livsvigtig biologisk funktion, da dyr og planter fint kan overleve uden det, men det er dog ikke blevet endeligt udelukket, at lithium kunne tjene mindre, uvæsentlige funktioner. Nogle japanske undersøgelser har endda peget i retning af, at lithium kan være et essentielt sporstof, og at det kan medvirke til at forlænge menneskers liv.

I øjeblikket forskes der i, om lithium kan udsætte demens og alzheimer.

Men allerede nu anvendes lithiumsalte i behandling af depressioner, og  det har vist sig at være en effektiv humørstabilisator ved behandling af bipolar affektiv sindslidelse hos mennesker med behandling af mani og som forebyggelse af maniodepressiv psykose.

Omvendt - i den negative ende - mener danske forskere at kunne konstatere, at gravide, der lever i områder med et højt lithiumindhold i drikkevandet har flere tilfælde af børn med autisme end andre. Urovækkende? - Og hvor det så er, nævnes ikke.

Den for mig hidtil bedst kendte anvendelse har været til microchips i pc'er og i mobiltelefoner - og så det, vi alle taler om nu - i lithiumbatterier i elbiler. Men det har haft en meget større - og for nogles vedkommende overraskende - anvendelse.

Vi begynder med noget forholdsvis fredeligt.

Lithiumoxid er ofte anvendt ved fremstilling af keramik og glas, da det kan sænke materialets smeltepunkt og viskositet og føre til glasur med forbedrede fysiske egenskaber. Glasur indeholdende lithiumoxider anvendes til ovnfaste fade.  

Lithium anvendes i mange forskellige funktioner i forbindelse med støbning og svejsning.

Når de placeres over en flamme, vil lithiumforbindelser afgive en bemærkelsesværdig blodrød farve, men når det brænder stærkt, vil flammen blive klart sølvfarvet.  Pga. lithiums røde flamme, bruges  lithiumforbindelser som pyroteknisk farvestof og iltningsmidler i nødblus og rødt fyrværkeri.

Lithiumfluorid dyrket kunstigt som krystal, er klart og gennemsigtigt og bruges ofte inden for specialiseret optik og anvendes f.eks. i teleskopers fokallinser.

Og så kommer vi til det, der var overraskende nyt for mig, nemlig den militære anvendelse. Det må være det, der ligger i de 16 % andet - vel.

Lithiumhydroxid og lithiumperoxid er de salte, der oftest bruges i aflukkede miljøer, såsom ombord på rumskibe eller u-både, til fjernelse af kuldioxid og rensning af luften. Lithiumhydroxid absorberer kuldioxid fra luften ved at danne lithiumcarbonat og foretrækkes frem for andre alkaliske hydroxider på grund af dets lave vægt. (Denne luftrensning er muligvis del af de 4 % luftrensning, der er angivet i illustrationen. Jeg ved ikke, hvor man ellers benytter sig af luftrensning.))

Mark 50 torpedo bliver affyret

En torpedos oplagrede kemiske energifremdriftssystem bruger en lille tank med svovlhexafluoridgas , som sprøjtes over en blok af fast lithium , som genererer enorme mængder varme , som genererer damp . Dampen driver torpedoen frem og leverer strøm til en pumpe-jet . Dette fremdrivningssystem tilbyder den meget vigtige dybvandsydelsesfordel, at forbrændingsprodukterne - svovl og lithiumfluorid - optager meget lidt volumen.

Metallisk lithium anvendes som højenergi-tilsætningsstoffer til raketbrændstof. 

Og så det vildeste: Lithiumhydrid indeholdende lithium-6 anvendes i brintbomber, hvor det indkapsles i kernen af bomben.

Lithiumdeuterid var det foretrukne fusionsbrændstof i tidlige versioner af brintbomben og var årsag til den fuldstændigt overvældende effekt af prøvesprængningen Castle Bravo. 

Castle Bravo-sprængningen

Castle Bravo var den første i en række af højtydende termonukleare våbendesigntest udført af USA på Bikini Atoll , Marshalløerne , som en del af Operation Castle . Detoneret den 1. marts 1954, er enheden fortsat den mest kraftfulde nukleare enhed, der nogensinde er detoneret af USA.  Castle Bravos styrke var 15 megaton TNT, 2,5 gange de forudsagte 6 Mt  på grund af uforudsete yderligere reaktioner, der involverede lithium-7 ,  som førte til radioaktiv forurening i det omkringliggende område. 

Og så lidt historie

Produktionen og anvendelsen af lithium har gennemgået flere drastiske forandringer igennem historien. Den første store anvendelse af lithium var som høj-temperaturs lithiumfedt til flymotorer og lignende anvendelse under og efter anden verdenskrig. Denne brug blev blandt andet udbredt pga. det faktum, at lithium-baseret sæbe har et højere smeltepunkt end andre alkaliske sæber og er mindre korrosiv end calcium-baserede sæber. 

Det er lithiums relative nukleare ustabilitet, der gør, at lithium har fundet flere vigtige anvendelser indenfor atomfysik og bruges som en kilde til alfapartikler.  Lithiumatomers transmutation til helium i 1932 var den første fuldt menneskeskabte kernereaktion, og lithium-6-deuterid er således  fusionsbrændsel i visse typer termonukleare våben.

Efterspørgslen efter lithium voksede betragteligt under den kolde krig i takt med produktionen af kernefusionsvåben. Både lithium-6 og lithium-7 producerer tritium, når de bestråles med neutroner, og er derfor nyttige til produktion af tritium, såvel som som fast fusionsbrændstof til brug inde i hydrogenbomber (brintbomber) i form af lithiumdeuterid. 

Tritium er den supertunge form af brint (hydrogen, H). Den består af to neutroner, en proton og en elektron, hvor brint normalt kun har en proton som atomkerne og en elektron. Tritium-atomet er ustabilt og er radioaktivt med en halveringstid på 12,32 år.

USA blev verdens ledende lithiumproducent i perioden mellem slutningen af 1950'erne og midten af 1980'erne. Til sidst nåede lithiumlageret omkring 42.000 ton lithiumhydroxid. Det lagrede lithium blev udtømt i lithium-6 med 75 %, hvilket var nok til at påvirke lithiums målte atomvægt i mange standardiserede kemikalier og selv lithiums atomvægt i nogle "naturlige kilder" til lithiumion, som var blevet "forurenet" af lithiumsalte,  der var havnet i grundvandet.

I midten af 1990'erne,  efter slutningen på atomkapløbet, sank efterspørgslen efter lithium, og det amerikanske energiministerium begyndte at sælge ud af deres lithiumlager på det åbne marked, hvilket drev prisen ned. 

 Lithium-6-deuterid spiller fortsat en rolle som fusionsmateriale i moderne atomvåben, og det bruges i kernefusions-kraftværker. 

Det udstyr, der kræves for at separere lithium-6 fra lithium-7, er hovedsageligt efterladenskaber fra den kolde krig. USA lukkede det meste af dette maskineri ned i 1963, da man havde et enormt overskud af separeret lithium, men dette er efterfølgende blevet forbrugt igennem størstedelen af det 20. århundrede. En rapport har meldt om at det vil tage fem år og 10-12 millioner dollars at genetablere evnen til at separere lithium-6 fra lithium-7.

I 2013 bekendtgjorde det amerikanske Government Accountability Office, at en mangel på lithium-7, der var kritisk for driften af 65 ud af 100 amerikanske kernereaktorer, “placerer deres evne til at fortsætte med at levere elektricitet i en vis risiko”. 

Lithium tjener (og har således tjent) voldsomme formål.

Så er lithiumbatteriet i min hybridbil da en mere fredelig anvendelse.

Og så må det være nok med de forklaringer. Jeg synes selv, det blev lidt kedeligt til sidst. Men nu havde jeg jo sat mig for at komme til at vide mere om stoffet lithium.  Og det lykkedes da.