Ізотопи літію

Природний літій складається з двох стабільних ізотопів: ⁶Li (7,5%) і ⁷Li (92,5%); у деяких зразках літію ізотопне співвідношення може бути значно порушене внаслідок природного або штучного фракціонування ізотопів. Це слід мати на увазі під час точних хімічних дослідів з використанням літію або його сполук. Також відомо ще 7 штучних радіоактивних ізотопів літію і два ядерних ізомери (масові числа від ⁴Li до ¹²Li та ^10m1Li − ^10m2Li відповідно). Найстійкіший з них, ⁸Li, має період напіврозпаду 0,8403 с. Екзотичний ізотоп ³Li (трипротон), мабуть, не існує як зв'язана система.

⁷Li є одним з небагатьох ізотопів, що утворилися під час первинного нуклеосинтезу (тобто невдовзі після Великого Вибуху^[1]), а не лише в зорях, у кількості не більш як 10⁻⁹ від усіх елементів^[2]^[3]. Деяка кількість ізотопу ⁶Li, принаймні в десять тисяч разів менша, ніж ⁷Li, також утворилася в первинному нуклеосинтезі^[1]. Приблизно в десять разів більше ⁷Li утворилося в зоряному нуклеосинтезі.

Літій є проміжним продуктом реакції ppII, але при високих температурах він швидко перетворюється на два ядра гелію-4^[4]^[5] (через ⁸Be).

Розділення ізотопів

Див. також: Розділення ізотопів

Розділення colex

Літій-6 має більшу спорідненість із ртуттю, ніж літій-7. Коли амальгаму літію і ртуть додають до розчину, який містить гідроксид літію, то в амальгамі збільшується концентрації літію-6, а в розчині гідроксиду збільшується концентрація літію-7.

Цю властивість застосовують у методі розділення colex (column exchange, букв. колонний обмін), пропускаючи зустрічні потоки амальгами і гідроксиду через низку каскадів. фракція літію-6 здебільшого захоплюється ртуттю, тоді як літій-7 - розчином гідроксиду. На дні колони літій (збагачений літієм-6) відділяється від амальгами, а ртуть повертається для використання з новою сировиною. Зверху колони розчин гідроксиду літію піддається електролізу, щоб виділити з нього фракцію літію-7. Збагачення, якого вдається досягнути за допомогою цього методу, залежить від висоти колони і швидкості потоків.

Молекулярна перегонка

Метод молекулярної перегонки полягає в тому, що літій нагрівають до температури близько 550 °C у вакуумі. Атоми літію випаровуються з поверхні рідини й осідають на холодній поверхні, яка розташована кількома сантиметрами вище. Оскільки атоми літію-6 мають більшу довжину вільного пробігу, то вони переважно й збираються.

Теоретична ефективність цього методу розділення становить близько 8,0 відсотків. Щоб досягнути більшого ступеню сепарації, потрібні кілька стадій.

Літій-4

Ядро літію-4 містить три протони і один нейтрон. Це найбільш короткоживучий з відомих ізотопів літію, з періодом напіврозпаду близько 9.1×10⁻²³ секунди. Внаслідок протонного розпаду він розпадається до гелію-3.^[6] Крім того, літій-4 може утворитися як проміжний продукт в деяких реакціях ядерного синтезу.

Літій-6

Літій-6 цінний як сировина для виробництва тритію і як поглинач нейтронів у реакціях ядерного синтезу. Природний літій містить близько 7,5 відсотка літію-6, а решта - літій-7. Значні кількості літію-6 виділено для застосування в термоядерних бомбах. Нині країни, які займалися виробництвом термоядерних бомб, припинили відділяти літій-6^{[джерело?]}, але значна його кількість залишилася на їхніх складах. Літій-6 є одним із лише трьох стабільних ізотопів, спін яких дорівнює 1^[7], і його ядро має найменший ненульовий електричний квадрупольний момент зі всіх елементів.

Літій-7

Літій-7 є з великою перевагою найбільш поширеним ізотопом природного літію і становить 92,5 відсотка атомів. Атом літію-7 містить три протони, чотири нейтрони і три електрони. Завдяки властивостям свого ядра літій-7 менш поширений у всесвіті, ніж гелій, берилій, вуглець, азот і оксиген, навіть попри те, що останні чотири елементи мають важчі ядра, ніж літій.

Внаслідок промислового виробництва літію-6 утворюються відходи, які збагачені літієм-7 і збіднені літієм-6. Ці матеріали продавались на ринку, а також їх просто відвалювали в довкілля. Відносний надлишок літію-7, до 35 відсотків вищий, ніж природне співвідношення, зареєстровано в ґрунтових водах у карбонатному водоносному горизонті під струмком Вест Воллі в Пенсільванії, який перебуває нижче за течією від заводу з виробництва літію. У збідненому літії нижня межа відносної частки літію-6 може становити до 20 відсотків від його природного вмісту. Оскільки співвідношення часток ізотопів літію дещо залежить від джерела, то неможливо точно визначити атомну масу проб літію зі всіх джерел.^[8]

Літій-7 використовують. як один із компонентів розплавленого фториду літію^[ru] в реакторах на розплавах солей. Великий ефективний поперечний переріз захоплення нейтронів літію-6 (близько 940 барн^[9]) порівняно з дуже незначною величиною цього показника для літію-7 (близько 45 мілібарн) призводить до необхідності дуже добре очищувати літій-7 з сировини, щоб його можна було застосовувати в реакторах на фториді літію.

Гідроксид літію-7 використовується для олужнення охолоджувача у водно-водяних ядерних реакторах.^[10]

Літій-11

Припускають, що ядро літію-11 має гало^[en]. Ядро складається з трьох протонів і дев'яти нейтронів, два з яких утворюють ядерне гало. Воно має надзвичайно великий поперечний переріз 3.16 фм, порівняний з цим показником у ²⁰⁸Pb. Воно розпадається внаслідок бета-розпаду до ¹¹Be, який у свою чергу розпадається кількома шляхами (див. таблицю нижче).

Літій-12

Літій-12 має набагато коротший період напіврозпаду, близько 10 наносекунд. Внаслідок нейтронного розпаду він розпадається до ¹¹Li, який у свою чергу розпадається. як написано вище.

Таблиця

Символ ізотопу	Z(p)	N(n)	Маса ізотопу (u)	Період напіврозпаду	Типи розпаду^[11]	Дочірні ізотопи^{[n 1]}	Спін і парність ядра	Поширеність ізотопу в природі (мольна частка)	Діапазон розподілу в природі (мольна частка)
Символ ізотопу	Енергія збудження			Період напіврозпаду	Типи розпаду^[11]	Дочірні ізотопи^{[n 1]}	Спін і парність ядра	Поширеність ізотопу в природі (мольна частка)	Діапазон розподілу в природі (мольна частка)
4Li	3	1	4.02719(23)	91(9)×10⁻²⁴ с [6.03 МеВ]	p	3He
5Li	3	2	5.01254(5)	370(30)×10⁻²⁴ с [~1.5 МеВ]	p	4He	3/2−
6Li	3	3	6.015122795(16)	Стабільний			1+	[0.0759(4)]	0.07714–0.07225
7Li^{[n 2]}	3	4	7.01600455(8)	Стабільний			3/2−	[0.9241(4)]	0.92275–0.92786
8Li	3	5	8.02248736(10)	840.3(9) мс	β⁻	8Be^{[n 3]}	2+
9Li	3	6	9.0267895(21)	178.3(4) мс	β⁻, n (50.8%)	8Be^{[n 4]}	3/2−
9Li	3	6	9.0267895(21)	178.3(4) мс	β⁻ (49.2%)	9Be	3/2−
10Li	3	7	10.035481(16)	2.0(5)×10⁻²¹ с [1.2(3) MeV]	n	9Li	(1−,2−)
10Li	200(40) кеВ			3.7(15)×10⁻²¹ с			1+
10Li	480(40) кеВ			1.35(24)×10⁻²¹ с			2+
11Li^{[n 5]}	3	8	11.043798(21)	8.75(14) мс	β⁻, n (84.9%)	10Be	3/2−
					β⁻ (8.07%)	11Be
					β⁻, 2n (4.1%)	9Be
					β⁻, 3n (1.9%)	8Be^{[n 6]}
					β⁻, α (1.0%)	7He, 4He
					β⁻, поділ (.014%)	8Li, 3H
					β⁻, поділ (.013%)	9Li, 2H
12Li	3	9	12.05378(107)#	<10 нs	n	11Li

↑ Жирним для стабільних ізотопів
↑ Утворився під час нуклеосинтезу Великого вибуху
↑ Одразу ж розпадається на два атоми ⁴He в результаті реакції ⁸Li → 2⁴He + e⁻
↑ Одразу ж розпадається на два атоми ⁴He в результаті реакції ⁹Li → 2⁴He + ¹n + e⁻
↑ Має 2 нейтрони гало
↑ Одразу ж розпадається на два атоми ⁴He в результаті реакції ¹¹Li → 2⁴He + 3¹n + e⁻

Нотатки

Поширеність ізотопів наведена для більшості природних земних зразків. Для інших джерел значення можуть значно відрізнятися.
Відомі виняткові проби літію з геологічних зразків, у яких поширеність ізотопів лежить поза межами наведеного діапазону розподілу. Похибка у вимірюваннях атомної маси для таких зразків може перевищувати наведену величину.
Комерційно доступні матеріали могли підлягати прихованому або випадковому розділенню на ізотопи. Можуть траплятись суттєві відхилення від поданої маси і складу.
У збідненому літії нижня межа відносної частки літію-6 може становити до 20 відсотків від його природного вмісту, даючи виміряну атомну масу в діапазоні від 6.94 а.о.м. до 7.00 а.о.м.
Оцінки позначені # отримані не з чисто експериментальних даних, але частково із систематичних трендів у сусідніх нуклідів (з такими самими відношеннями $Z$ і $N$ ). Спіни зі слабким оцінковим обґрунтуванням взяті в дужки.
похибку вимірювання подано в скороченій формі в дужках після відповідних останніх цифр. Похибка позначає одне стандартне відхилення, за винятком ізотопної поширеності та атомної маси від IUPAC, яка використовує складніші визначення похибок. Приклади: 29770,6(5) означає 29770,6 ± 0,5; 21,48(15) означає 21,48 ± 0,15; −2200,2(18) означає −2200,2 ± 1,8.
Незвичайний ізотоп літій-11 має ядерне гало, яке складається з двох слабко-пов'язаних нейтронів, що пояснює значну відмінність у радіусі його ядра.
Маси радіонуклідів подано за даними Комісії з символів, одиниць, номенклатури, атомних мас і фундаментальних констант (SUNAMCO) IUPAP
Поширеність ізотопів подано за даними Комісії з ізотопних поширеностей і атомних мас IUPAC

Ланцюги розпаду

\mathrm {{}_{3}^{4}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {91ys} }}\ \mathrm {{}_{2}^{3}He} +\mathrm {{}_{1}^{1}H}

\mathrm {{}_{3}^{5}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {370ys} }}\ \mathrm {{}_{2}^{4}He} +\mathrm {{}_{1}^{1}H}

\mathrm {{}_{3}^{8}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {840.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{9}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {178.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{9}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {178.3ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{9}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{10}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {2zs} }}\ \mathrm {{}_{3}^{9}Li} +\mathrm {{}_{0}^{1}n}

\mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{10}Be} +\mathrm {{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{11}Be} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{9}Be} +\mathrm {2{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{8}Be} +\mathrm {3{}_{0}^{1}n} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{4}^{7}He} +\mathrm {{}_{2}^{4}He} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{3}^{8}Li} +\mathrm {{}_{1}^{3}H} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{11}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {8.75ms} }}\ \mathrm {{}_{3}^{9}Li} +\mathrm {{}_{1}^{2}H} +\mathrm {e{}_{}^{-}}

\mathrm {{}_{3}^{12}Li} \ {\xrightarrow {\ \mathrm {<10ns} }}\ \mathrm {{}_{3}^{11}Li} +\mathrm {{}_{0}^{1}n}

Примітки

↑ ^а ^б BD Fields The Primordial Lithium Problem [Архівовано 19 жовтня 2016 у Wayback Machine.], ‎Annual Reviews of Nuclear and Particle Science 2011 (рос.)
↑ Постнов К.А. Лекции по общей астрофизике для физиков. Архів оригіналу за 23 серпня 2011. Процитовано 27 грудня 2016. {{cite web}}: Cite має пустий невідомий параметр: |4= (довідка); див мал. 11.1(англ.)
↑ Архівована копія (PDF). Архів оригіналу (PDF) за 13 листопада 2013. Процитовано 27 грудня 2016.{{cite web}}: Обслуговування CS1: Сторінки з текстом «archived copy» як значення параметру title (посилання) [Архівовано 2013-11-13 у Wayback Machine.](англ.)
↑ Lecture 27: Stellar Nucleosynthesis [Архівовано 28 травня 2015 у Wayback Machine.] // Університет Toledo — «The Destruction of Lithium in Young Convective Stars» slide 28(англ.)
↑ Greg Ruchti, Lithium in the Cosmos [Архівовано 4 березня 2016 у Wayback Machine.] — «Lithium is Fragile» slide 10(англ.)
↑ Ізотопи of Lithium. Процитовано 20 October 2013.^{[недоступне посилання з червня 2019]}
↑ Chandrakumar, N. (2012). Spin-1 NMR. Springer Science & Business Media. с. 5. ISBN 9783642610899. Архів оригіналу за 3 червня 2016. Процитовано 27 грудня 2016.
↑ T. B. Coplen, J. A. Hopple, J. K. Böhlke, H. S. Peiser, S. E. Rieder, H. R. Krouse, K. J. R. Rosman, T. Ding, R. D. Vocke, Jr., K. M. Révész, A. Lamberty, P. Taylor, P. De Bièvre. "Compilation of minimum and maximum isotope ratios of selected elements in naturally occurring terrestrial materials and reagents", U.S. Geological Survey Water-Resources Investigations Report 01-4222 (2002). As quoted in T. B. Coplen та ін. (2002). Isotope-Abundance Variations of Selected Elements (IUPAC technical report) (PDF). Pure and Applied Chemistry. 74 (10): 1987—2017. doi:10.1351/pac200274101987. Архів оригіналу (PDF) за 3 березня 2016. Процитовано 27 грудня 2016. [Архівовано 2016-03-03 у Wayback Machine.]
↑ Holden, Norman E. (January–February 2010). The Impact of Depleted ⁶Li on the Standard Atomic Weight of Lithium. International Union of Pure and Applied Chemistry. Архів оригіналу за 31 серпня 2014. Процитовано 6 May 2014.
↑ Managing Critical Isotopes: Stewardship of Lithium-7 Is Needed to Ensure a Stable Supply, GAO-13-716 [Архівовано 20 січня 2017 у Wayback Machine.] // U.S. Government Accountability Office, 19 September 2013; pdf [Архівовано 14 жовтня 2017 у Wayback Machine.]
↑ Universal Nuclide Chart. Nucleonica. Архів оригіналу за 19 лютого 2017. Процитовано 27 вересня 2012.

Джерела

Маси ізотопів взяті з:
- G. Audi; A. H. Wapstra; C. Thibault; J. Blachot; O. Bersillon (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Архів оригіналу (PDF) за 23 вересня 2008. Процитовано 27 грудня 2016.
Кількісні співвідношення ізотопів і стандартні атомні маси взяті з:
- J. R. de Laeter; J. K. Böhlke; P. De Bièvre; H. Hidaka; H. S. Peiser; K. J. R. Rosman; P. D. P. Taylor (2003). Atomic weights of the елементs. Review 2000 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 75 (6): 683—800. doi:10.1351/pac200375060683. Архів оригіналу за 1 липня 2018. Процитовано 27 грудня 2016.
- M. E. Wieser (2006). Atomic weights of the елементs 2005 (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 78 (11): 2051—2066. doi:10.1351/pac200678112051. Архів оригіналу за 4 січня 2019. Процитовано 27 грудня 2016. Загальний огляд.
Період напіврозпаду, спін, і дані ізомерів взяті з:
- G. Audi; A. H. Wapstra; C. Thibault; J. Blachot; O. Bersillon (2003). The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties (PDF). Nuclear Physics A. 729: 3—128. Bibcode:2003NuPhA.729....3A. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Архів оригіналу (PDF) за 23 вересня 2008. Процитовано 27 грудня 2016.
- National Nuclear Data Center. NuDat 2.1 database. Brookhaven National Laboratory. Архів оригіналу за 13 травня 2019. Процитовано September 2005.
- N. E. Holden (2004). Table of the Ізотопи. У D. R. Lide (ред.). CRC Handbook of Chemistry and Physics (вид. 85th). CRC Press. Section 11. ISBN 978-0-8493-0485-9.

Посилання

Lewis, G. N.; MacDonald, R. T. (1936). The Separation of Lithium Ізотопи. Journal of the American Chemical Society. 58 (12): 2519. doi:10.1021/ja01303a045.