¿Por qué hay escasez de litio?

En realidad, lo que has leído sobre la producción de núcleos no es del todo correcto. Hay varios procesos diferentes mediante los cuales se producen los núcleos atómicos:

1. La nucleosíntesis del Big Bang es la fusión de núcleos de hidrógeno para formar elementos más pesados ​​en las primeras etapas del universo, a medida que se enfriaba del big bang. Hay requisitos térmicos bastante específicos para que ocurra este proceso, por lo que solo hubo un período de tiempo corto en el que se pudieron formar elementos más pesados, lo que significa que la única fusión que realmente ocurrió en cantidades significativas fue la conversión de hidrógeno (y deuterio) en helio, y una cantidad extremadamente pequeña de litio.

2. La nucleosíntesis estelar es la fusión de hidrógeno y otros núcleos en los núcleos de las estrellas. Esto es algo separado de la cosmología del big bang, ya que las estrellas no se formaron hasta millones de años después de la vida del universo.

   Ahora bien, al contrario de lo que habrás leído, no todos los elementos se forman en la nucleosíntesis estelar. Hay "cadenas" específicas de reacciones nucleares que ocurren, y solo los elementos que son producidos por esas reacciones existirán en una estrella en cantidades apreciables. La mayoría de las estrellas producen su energía utilizando la cadena protón-protón (en estrellas más ligeras) o el ciclo CNO .(en estrellas más pesadas), los cuales consumen hidrógeno y forman helio. Una vez que se haya consumido la mayor parte del hidrógeno, la temperatura de la estrella aumentará y comenzará a fusionar helio en carbono. Cuando se agote el helio, fusionará el carbono en oxígeno, luego el oxígeno en silicio y luego el silicio en hierro. (Por supuesto, el proceso real es más complicado; consulte los artículos de Wikipedia para obtener más detalles). Varios otros elementos se producen o están involucrados en el camino, incluidos el neón, el magnesio, el fósforo y otros, pero el litio no se encuentra entre ellos. De hecho, las estrellas tienden a consumir litio , en lugar de producirlo, por lo que las estrellas en realidad tienden a tener solo pequeñas cantidades de litio.

3. Nucleosíntesis de supernovases la fusión de núcleos atómicos debido a las condiciones de alta presión y alta energía que surgen cuando una gran estrella explota en una supernova de tipo II. Hay ciertas similitudes entre esto y la nucleosíntesis del big bang, a saber, las altas temperaturas y presiones, pero la principal diferencia es que una estrella en explosión tendrá "reservas" de elementos pesados ​​acumulados durante toda una vida de fusión nuclear. Entonces, en lugar de formar una gran cantidad de helio como ocurrió justo después del Big Bang, una supernova formará un espectro completo de elementos pesados. De hecho, las supernovas son la única fuente natural de elementos más pesados ​​que el hierro, ya que en realidad requiere un aporte de energía para producir esos elementos como productos de fusión. Creo que se formaría cierta cantidad de litio en una supernova junto con todos los demás elementos,

La palabra clave en lo que has escuchado es "disponible" porque hay bastante litio en la tierra que no es tan fácil de obtener. La noción de "litio disponible" probablemente significa reservas terrestres conocidas, que según esta página ascienden a 14 millones de toneladas.

La cantidad disuelta en agua de mar se estima en 230 mil millones de toneladas (que es suficiente para muchas baterías). La extracción de agua de mar no parece ser económicamente viable todavía, pero la gente lo está estudiando.

La concentración estimada de litio en la corteza terrestre oscila entre 1 y 31 ppm, por lo que si excavamos toda la corteza obtendremos entre 20 y 600 billones de toneladas. En otras palabras, si nuestra civilización alguna vez llegara a un punto en el que realmente necesitáramos mucho litio, no tendríamos que ir muy lejos para encontrarlo.

Este es un pequeño complemento a las respuestas de David y Scott.

Como de costumbre , la página de Wikipedia sobre litio contiene información útil:

Ambos isótopos naturales tienen una energía de enlace nuclear anormalmente baja por nucleón en comparación con los siguientes elementos más ligeros y más pesados, el helio y el berilio, lo que significa que el litio es el único entre los elementos ligeros estables 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 compuesto 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.

[...]

⁷Li es uno de los elementos primordiales (o, más correctamente, nucleidos primordiales) producidos en la nucleosíntesis del Big Bang. Una pequeña cantidad de ⁶Li y ⁷Li se produce en las estrellas, pero se cree que se quema tan rápido como se produce. Se pueden generar pequeñas cantidades adicionales de litio tanto de ⁶Li como de ⁷Li a partir del viento solar, los rayos cósmicos que golpean átomos más pesados ​​y del sistema solar primitivo ⁷Be y ¹⁰Be decaimiento radiactivo.

Entonces, básicamente, el litio se produce (apenas) como le dijo David Zaslavsky en su respuesta, y la razón por la que la producción es baja es porque el litio es apenas estable.

Pero como dice @Scott Carnahan en su respuesta, la noción de escasez de litio está vinculada con su distribución en la tierra. Y la razón por la que es difícil de obtener es, en última instancia, su alta reactividad química, lo que significa que básicamente se diluye en todas partes y rara vez se concentra en depósitos fáciles de explotar. En la misma página de wikipedia que la anterior , dicen:

Aunque el litio está ampliamente distribuido en la Tierra, no se presenta naturalmente en forma elemental debido a su alta reactividad.

[...]

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 comparativamente, solo unos pocos tienen un valor comercial real o potencial. Muchos son muy pequeños, otros tienen un grado demasiado bajo".

Voy a abordar esto de manera ligeramente diferente. La abundancia de Li en el sistema solar y en la corteza terrestre es baja en comparación con elementos como el carbono, el oxígeno, el silicio y el hierro.

El litio del sistema solar se crea en parte (solo el 10%) por nucleosíntesis primordial, un poco por reacciones de espalación de rayos cósmicos en núcleos en el medio interestelar, pero principalmente en el interior de estrellas de rama gigante asintótica (AGB) de masa relativamente baja y en arrebatos de nova (por ejemplo , Prantzos 2012 ). El principal mecanismo de reacción es la fusión de helio-4 y helio-3 para producir berilio-7. Esto luego se somete a captura de electrones a litio-7.

Si bien hay mucho helio-4 dentro de las estrellas, en realidad no hay mucho helio-3, excepto donde se produce en núcleos/capas que queman hidrógeno, pero estas regiones también son lo suficientemente calientes como para destruir rápidamente el litio-7 a través de la captura de protones. a los núcleos de helio-4 . Por lo tanto, se necesitan condiciones especiales en las que el material rico en Be del núcleo/capa se mezcle hacia arriba y experimente captura de electrones en regiones lo suficientemente frías para que el Li sobreviva ( Cameron & Fowler 1971 ). Esto puede suceder en estrellas AGB con "quema de fondo caliente" con masas de aproximadamente$4<M/M_{\odot}<8$, que experimentan combustión de H y He en caparazón durante algún tiempo (p. ej. , García-Hernández et al. 2013 ). La envoltura convectiva llega hasta el caparazón que quema H, extrae material rico en Be, que luego se convierte en Li-7. El proceso es de eficiencia limitada, ya que la misma convección vuelve a bajar mucho del Li-7 para quemarlo. Entonces, aunque las estrellas AGB pueden lanzar eficientemente material enriquecido al espacio a través de sus vientos masivos, el material no está tan enriquecido con Li.

El mecanismo de Cameron & Fowler también puede tener lugar en las explosiones de novas que ocurren cuando la materia se transfiere de un compañero a la superficie de una enana blanca y detona. El material acumulado debe tener helio-3, por lo que también debe provenir de regiones donde se ha quemado hidrógeno de forma incompleta. La eyección rápida y explosiva de un proyectil rico en Be resulta en el enriquecimiento del ISM con Li-7. Resulta que las condiciones especiales requeridas para acumular material con mucho He-3 no dan como resultado una producción suficiente de Li para aumentar la abundancia de Li en el medio interestelar más allá de lo que vemos.

Pero creo que el objetivo principal de la pregunta es ¿por qué el Li no se produce simplemente a partir de algún tipo de reacción de fusión, como el helio o el carbono?

¡La respuesta es que lo es! Por ejemplo, el Li-7 se produce como parte de la rama PPII de la cadena pp, a temperaturas entre$1.4\times10^7$K y$2.3\times 10^{7}$K. Pero a estas temperaturas, el Li-7 se fusiona rápidamente con un protón para formar dos núcleos de He-4.

Entonces, el problema básico es que en los interiores estelares, el Li-7 se quema a temperaturas superiores a$3\times 10^{6}$K, pero cualquier reacción de fusión que produzca Li (o elementos más pesados ​​que Li) requiere temperaturas mucho más altas que esta.

El error común detrás de esta afirmación es que el litio se considera un combustible que se consume y se desecha. Después de todo, así es como funciona el petróleo. No hay suficiente litio barato para eso. Pero al igual que el acero, el litio se reciclará.

El litio es más abundante en la corteza terrestre que el plomo. Sin embargo, es más reactivo que dichos metales y menos abundante que otros metales reactivos como el sodio. Debido a esto, no tiende a acumularse en depósitos geológicos ricos en una forma que facilite su extracción. Su ligereza puede ser otro factor.

Los metales reactivos como el litio pueden formar sales que se disuelven en agua. Estos luego se dejan en depósitos cuando las áreas cerradas de agua se secan. El litio es 1000 veces menos abundante en la corteza terrestre que otros metales reactivos como el sodio, el calcio y el potasio, por lo que aún se encuentra en cantidades relativamente pequeñas en dichos depósitos.

Sin embargo, algunos compuestos de litio son lo suficientemente solubles como para estar presentes en algunos depósitos marinos secos. Se dice que aproximadamente la mitad del litio disponible en la Tierra se encuentra debajo del desierto boliviano y si extraerlo en el futuro se vuelve tan importante como lo es ahora extraer petróleo, entonces no es probable que haya una escasez tan grande.

Según esta historia de NPR , no hay escasez de litio para baterías:

“No conozco a ninguna persona seria en la industria automotriz o en la industria del litio que creyera que hay un problema serio de suministro a largo plazo”, dice. "De hecho, durante los próximos 10 años probablemente habrá un exceso de oferta de litio porque muchas empresas ahora se han mudado al mercado".

Y a diferencia del impacto de la extracción de otros recursos naturales, la concentración de litio es un proceso "ambientalmente benigno", dice Fletcher. "Es el impacto más bajo que puede tener la minería. En realidad, solo están bombeando agua... y realmente no hay productos químicos tóxicos en una batería de iones de litio".