3.4: El litio, el primer metal

El elemento con número atómico 3 es litio (Li), masa atómica 6.941. El isótopo de litio más abundante es tener 4 neutrones en su núcleo. Un poco por ciento de los átomos de helio son el isótopo, que solo tiene 3 neutrones. El tercer electrón del litio no puede caber en el caparazón de menor energía, que, como se señaló anteriormente, está lleno de solo 2 electrones. Por lo tanto, el tercer electrón del litio entra en una segunda capa, es decir, una capa externa.

Como consecuencia de su estructura electrónica, el litio es el elemento de menor número atómico que es un metal. En un sentido general, los metales son elementos que normalmente tienen solo 1—3 electrones en sus capas externas. Estos electrones se pueden perder de los metales para producir cationes cargados positivamente con cargas de +1, +2 o +3. En el estado elemental puro los metales suelen tener un brillo característico (brillo), son maleables (pueden aplanarse o empujarse en diversas formas sin romperse) y conducen la electricidad. Aunque algunos metales, notablemente el plomo y el mercurio, son muy densos, el litio es el metal menos denso con solo 0.531 g/cm3.

Dos de los 3 electrones del litio son electrones internos contenidos en una capa interna como en el helio de gas noble inmediatamente anterior. Los electrones de la capa interna como estos permanecen en promedio relativamente cerca del núcleo, están muy apretados y no se intercambian ni comparten en enlaces químicos. Como se mencionó anteriormente, el tercer electrón en el litio es un electrón externo más alejado del núcleo y menos fuertemente atraído por él. Se dice que el electrón externo está en la capa externa del átomo. Estos conceptos se ilustran en la Figura 3.4.

Figura 3.4. Un átomo de litio, Li, tiene 2 electrones internos y 1 electrón externo. Este último puede perderse en otro átomo para producir el\(\ce{Li^{+}}\) ion, el cual está presente en los compuestos iónicos (ver Sección 2.12).

El símbolo de Lewis para átomos como el litio que tienen electrones tanto de capa interna como de capa externa normalmente muestra solo estos últimos. (Los electrones de la capa interna se pueden mostrar en símbolos para ilustrar un punto, pero normalmente esto ocupa demasiado espacio y puede ser confuso). Dado que el litio tiene solo un electrón de capa externa, su símbolo de Lewis es

Considera que el átomo de litio tiene una capa interna de 2 electrones, al igual que el helio. Al estar a solo 1 electrón de la estructura del gas noble de helio, el litio tiende a perder su electrón extra por lo que puede ser como helio como se muestra en lo siguiente:

(3.4.1)

Obsérvese que el producto de esta reacción ya no es un átomo neutro, sino que es un\(\ce{Li^{+}}\) catión cargado positivamente. Al perder un electrón para convertirse en catión, se dice que el átomo de litio está oxidado. Cuando el litio forma compuestos químicos con otros elementos, lo hace perdiendo un electrón de cada átomo de litio para convertirse en\(\ce{Li^{+}}\) cationes. Estos, entonces, son atraídos por aniones cargados negativamente en compuestos iónicos.

Los compuestos de litio tienen una variedad de usos. El carbonato de litio, Li2CO3, se prescribe ampliamente como farmacéutico para aliviar los síntomas de la manía en los trastornos mentales maníaco-depresivos y esquizoafectivos. El carbonato de litio es el material de partida más común para la preparación de otros compuestos de litio y es un ingrediente de vidrios y esmaltes especiales y de cerámica que se expande solo mínimamente cuando se calienta. El hidróxido de litio\(\ce{LiOH}\),, se utiliza para formular algunos tipos de grasas lubricantes. En combinación con el yodo, el litio se ha utilizado para fabricar células que son fuentes de electricidad para los marcapasos cardíacos. Implantados en el pecho del paciente, algunos de estos marcapasos y sus baterías han durado 10 años antes de tener que ser reemplazados.

Durante mucho tiempo, un elemento con usos limitados, el litio se ha convertido en un metal bastante “emocionante” en la economía de sustentabilidad recién emergente porque las baterías de almacenamiento a base de litio en las que el\(\ce{Li^{+}}\) ion es un portador de carga se han convertido en las baterías de almacenamiento de elección para computadoras, dispositivos eléctricos portátiles y, especialmente, automóviles eléctricos e híbridos. Las baterías de almacenamiento de litio exhiben cualidades superiores con respecto a la carga retenida por unidad de masa, estabilidad y longevidad. Además, las celdas secas de litio en las que el metal Li se convierte irreversiblemente en\(\ce{Li^{+}}\) iones durante la descarga se han convertido en opciones atractivas (aunque costosas) en el mercado de celdas secas descartables porque tienen una vida muy larga y llevan mucha más carga por unidad de masa que las celdas secas alcalinas estándar.

La fuente más común de litio son las salmueras de litio donde el litio se ha concentrado mediante la lixiviación de roca y la evaporación del agua de las salinas de las tierras altas en América del Sur y el oeste de China. Las sales de litio se recolectan para su procesamiento a partir de la evaporación del agua de las salmueras en estanques de evaporación. Bolivia es el mayor productor de litio y existe un importante potencial de producción de Chile, Argentina, Australia, China, y tal vez incluso del estado de Nevada. A medida que aumenta el uso del litio en las baterías, el litio reciclado de las baterías gastadas se convertirá en una fuente importante del elemento.