LITHIUMHYDRID: STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, GEWINNUNG, VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Lithiumhydrid ist ein kristalliner anorganischer Feststoff mit der chemischen Formel LiH. Es ist das leichteste anorganische Salz, sein Molekulargewicht beträgt nur 8 g / mol. Es entsteht durch die Vereinigung eines Lithiumions Li ⁺ und eines Hydridions H ^- . Beide sind durch eine Ionenbindung verbunden.

LiH hat einen hohen Schmelzpunkt. Reagiert leicht mit Wasser und bei der Reaktion entsteht Wasserstoffgas. Es kann durch die Reaktion zwischen geschmolzenem Lithiummetall und Wasserstoffgas erhalten werden. Es wird häufig in chemischen Reaktionen verwendet, um andere Hydride zu erhalten.

Lithiumhydrid, LiH. Kein maschinenlesbarer Autor angegeben. JTiago angenommen (basierend auf Urheberrechtsansprüchen). . Quelle: Wikimedia Commons.

LiH wurde zum Schutz vor gefährlicher Strahlung verwendet, wie sie in Kernreaktoren wie ALPHA-, BETA-, GAMMA-Strahlung, Protonen, Röntgenstrahlen und Neutronen zu finden ist.

Es wurde auch zum Schutz von Materialien in Weltraumraketen vorgeschlagen, die durch nuklearen thermischen Antrieb angetrieben werden. Es werden sogar Studien durchgeführt, um den Menschen bei zukünftigen Reisen zum Planeten Mars vor kosmischer Strahlung zu schützen.

Struktur

In Lithiumhydrid hat Wasserstoff eine negative Ladung H ^- , da er ein Elektron vom Metall subtrahiert hat, das in Form eines Li ⁺ -Ions vorliegt .

Die Elektronenkonfiguration des Li ⁺ -Kations ist: 1s ^2, was sehr stabil ist. Und die elektronische Struktur des Hydridanions H ^- ist: 1s ² , was ebenfalls sehr stabil ist.

Das Kation und das Anion sind durch elektrostatische Kräfte verbunden.

Der Lithiumhydridkristall hat die gleiche Struktur wie Natriumchlorid NaCl, dh eine kubische Kristallstruktur.

Kubische Kristallstruktur von Lithiumhydrid. Verfasser: Benjah-bmm27. Quelle: Wikimedia Commons.

Nomenklatur

- Lithiumhydrid

- LiH

Eigenschaften

Körperlicher Status

Weißer oder farbloser kristalliner Feststoff. Kommerzielles LiH kann aufgrund der Anwesenheit kleiner Mengen Lithiummetall blaugrau sein.

Molekulargewicht

8 g / mol

Schmelzpunkt

688 ºC

Siedepunkt

Es zersetzt sich bei 850 ºC.

Selbstentzündungstemperatur

200 ºC

Dichte

0,78 g / cm ³

Löslichkeit

Reagiert mit Wasser. Es ist in Ethern und Kohlenwasserstoffen unlöslich.

Andere Eigenschaften

Lithiumhydrid ist viel stabiler als Hydride der anderen Alkalimetalle und kann ohne Zersetzung geschmolzen werden.

Es wird nicht durch Sauerstoff beeinflusst, wenn es auf Temperaturen unter Rot erhitzt wird. Es wird auch nicht von Chlor Cl ₂ und Salzsäure HCl beeinflusst.

Der Kontakt von LiH mit Wärme und Feuchtigkeit verursacht eine exotherme Reaktion (erzeugt Wärme) und die Entwicklung von Wasserstoff H ₂ und Lithiumhydroxid LiOH.

Es kann sich ein feiner Staub bilden, der bei Kontakt mit Flammen, Hitze oder oxidierenden Materialien explodieren kann. Es darf nicht mit Lachgas oder flüssigem Sauerstoff in Kontakt kommen, da es explodieren oder sich entzünden kann.

Es wird dunkler, wenn es Licht ausgesetzt wird.

Erhalten

Lithiumhydrid wurde im Labor durch die Reaktion zwischen geschmolzenem Lithiummetall und Wasserstoffgas bei einer Temperatur von 973 K (700 ºC) erhalten.

2 Li + H ₂ → 2 LiH

Gute Ergebnisse werden erhalten, wenn die freiliegende Oberfläche des geschmolzenen Lithiums vergrößert wird und wenn die Sedimentationszeit des LiH verringert wird. Es ist eine exotherme Reaktion.

Verwendung als Schutzschild gegen gefährliche Strahlung

Das LiH weist eine Reihe von Eigenschaften auf, die es für den Einsatz als Schutz für Menschen in Kernreaktoren und Weltraumsystemen attraktiv machen. Hier sind einige dieser Eigenschaften:

- Es hat einen hohen Wasserstoffgehalt (12,68 Gew .-% H) und eine hohe Anzahl von Wasserstoffatomen pro Volumeneinheit (5,85 x 10 ²² H-Atome / cm ³ ).

- Aufgrund seines hohen Schmelzpunkts kann es in Umgebungen mit hohen Temperaturen ohne Schmelzen verwendet werden.

- Es hat einen niedrigen Dissoziationsdruck (~ 20 Torr an seinem Schmelzpunkt), wodurch das Material geschmolzen und gefroren werden kann, ohne sich unter niedrigem Wasserstoffdruck zu verschlechtern.

- Es hat eine geringe Dichte, was es attraktiv macht, in Raumfahrtsystemen verwendet zu werden.

- Die Nachteile sind jedoch die geringe Wärmeleitfähigkeit und die schlechten mechanischen Eigenschaften. Dies hat jedoch seine Anwendbarkeit nicht beeinträchtigt.

- Die LiH-Teile, die als Abschirmungen dienen, werden durch Heiß- oder Kaltpressen sowie durch Schmelzen und Gießen in Formen hergestellt. Obwohl diese letzte Form bevorzugt wird.

- Bei Raumtemperatur werden die Teile durch einen geringen Überdruck von Wasserstoff in einem verschlossenen Behälter vor Wasser und Wasserdampf sowie bei hohen Temperaturen geschützt.

- In Kernreaktoren

In Kernreaktoren gibt es zwei Arten von Strahlung:

Direkt ionisierende Strahlung

Es handelt sich um hochenergetische Teilchen, die elektrische Ladung tragen, wie Alpha (α) - und Beta (β) -Partikel und Protonen. Diese Art von Strahlung interagiert sehr stark mit den Materialien der Abschirmungen und verursacht eine Ionisierung durch Wechselwirkung mit den Elektronen der Atome der Materialien, durch die sie hindurchtreten.

Indirekt ionisierende Strahlung

Es sind Neutronen, Gammastrahlen (γ) und Röntgenstrahlen, die eindringen und einen massiven Schutz erfordern, da sie die Emission von sekundär geladenen Teilchen beinhalten, die die Ionisation verursachen.

Symbol zur Warnung vor gefährlicher Strahlung. IAEO & ISO. Quelle: Wikimedia Commons.

Laut einigen Quellen schützt LiH Materialien und Menschen wirksam vor diesen Arten von Strahlung.

- In Weltraumsystemen des nuklearen thermischen Antriebs

LiH wurde kürzlich als potenzieller Schutz und Moderator für nukleare Strahlung für nukleare thermische Antriebssysteme von Raumfahrzeugen mit sehr langer Reise ausgewählt.

Eine künstlerische Darstellung eines atomgetriebenen Raumfahrzeugs, das den Mars umkreist. NASA / SAIC / Pat Rawlings. Quelle: Wikimedia Commons.

Seine geringe Dichte und sein hoher Wasserstoffgehalt ermöglichen es, die Masse und das Volumen des kernbetriebenen Reaktors effektiv zu reduzieren.

- Zum Schutz vor kosmischer Strahlung

Die Exposition gegenüber Weltraumstrahlung ist das größte Risiko für die menschliche Gesundheit bei zukünftigen interplanetaren Erkundungsmissionen.

Im Weltraum werden Astronauten dem gesamten Spektrum galaktischer kosmischer Strahlen (hochenergetische Ionen) und Ejektionsereignissen von Sonnenpartikeln (Protonen) ausgesetzt.

Die Gefahr der Strahlenexposition wird durch die Länge der Missionen erhöht. Darüber hinaus muss auch der Schutz der Orte berücksichtigt werden, an denen Entdecker leben werden.

Simulation des zukünftigen Lebensraums auf dem Planeten Mars. NASA. Quelle: Wikimedia Commons.

In diesem Sinne ergab eine 2018 durchgeführte Studie, dass LiH unter den getesteten Materialien die größte Reduzierung der Strahlung pro Gramm pro cm ² bietet und damit einer der besten Kandidaten für den Schutz vor kosmischer Strahlung ist. Diese Studien müssen jedoch vertieft werden.

Verwendung als Mittel zur sicheren Speicherung und zum sicheren Transport von Wasserstoff

Die Gewinnung von Energie aus H ₂ wird seit mehreren Dutzend Jahren untersucht und hat bereits Anwendung gefunden, um fossile Brennstoffe in Transportfahrzeugen zu ersetzen.

H ₂ kann in Brennstoffzellen verwendet werden und trägt zur Verringerung der Produktion von CO ₂ und NO _{x bei} , wodurch der Treibhauseffekt und die Verschmutzung vermieden werden. Es wurde jedoch noch kein wirksames System zur sicheren Lagerung und zum sicheren Transport von H ₂ mit geringem Gewicht, Kompaktheit oder geringer Größe gefunden, das es schnell lagert und H ₂ ebenso schnell freisetzt .

Lithiumhydrid LiH ist eines der Alkalihydride mit der höchsten Speicherkapazität für H ₂ (12,7 Gew .-% H). Gibt H ₂ durch Hydrolyse gemäß der folgenden Reaktion frei:

LiH + H ₂ O → LiOH + H ₂

LiH liefert 0,254 kg Wasserstoff pro kg LiH. Darüber hinaus verfügt es über eine hohe Speicherkapazität pro Volumeneinheit, was bedeutet, dass es leicht und ein kompaktes Medium für die H ₂ -Speicherung ist .

Motorrad, dessen Kraftstoff Wasserstoff ist, der in Form eines Metallhydrids wie LiH gespeichert ist. US DOE Energieeffizienz und erneuerbare Energien (EERE). Quelle: Wikimedia Commons.

Zusätzlich bildet sich LiH leichter als andere Alkalimetallhydride und ist bei Umgebungstemperaturen und -drücken chemisch stabil. Das LiH kann vom Hersteller oder Lieferanten zum Benutzer transportiert werden. Dann wird durch Hydrolyse von LiH H ₂ erzeugt und dieses wird sicher verwendet.

Das gebildete Lithiumhydroxid LiOH kann an den Lieferanten zurückgegeben werden, der das Lithium durch Elektrolyse regeneriert und dann wieder LiH erzeugt.

Es wurde auch erfolgreich untersucht, ob LiH in Verbindung mit boriertem Hydrazin für den gleichen Zweck verwendet werden kann.

Verwendung bei chemischen Reaktionen

LiH ermöglicht die Synthese komplexer Hydride.

Es dient zum Beispiel zur Herstellung von Lithiumtriethylborhydrid, das ein starkes Nucleophil bei organischen Halogenidverdrängungsreaktionen ist.

Verweise

1. Sato, Y. und Takeda, O. (2013). Wasserstoffspeicher- und -transportsystem durch Lithiumhydrid unter Verwendung der Salzschmelztechnologie. In der Chemie geschmolzener Salze. Kapitel 22, Seiten 451-470. Von sciencedirect.com wiederhergestellt.
2. US National Library of Medicine. (2019). Lithiumhydrid. Wiederhergestellt von: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Wang, L. et al. (2019). Untersuchung des Einflusses des thermischen Kerneffekts von Lithiumhydrid auf die Reaktivität des Partikelbettreaktors mit Kernantrieb. Annals of Nuclear Energy 128 (2019) 24-32. Von sciencedirect.com wiederhergestellt.
4. Cotton, F. Albert und Wilkinson, Geoffrey. (1980). Fortgeschrittene Anorganische Chemie. Vierte Edition. John Wiley & Sons.
5. M. Giraudo et al. (2018). Beschleunigerbasierte Tests der Abschirmwirksamkeit verschiedener Materialien und Mehrfachschichten unter Verwendung energiereicher leichter und schwerer Ionen. Strahlenforschung 190; 526-537 (2018). Von ncbi.nlm.nih.gov wiederhergestellt.
6. Welch, FH (1974). Lithiumhydrid: Ein Abschirmmaterial für das Weltraumzeitalter. Nuclear Engineering and Design 26, 3. Februar 1974, Seiten 444-460. Von sciencedirect.com wiederhergestellt.
7. Simnad, MT (2001). Kernreaktoren: Abschirmmaterialien. In der Encyclopedia of Materials: Wissenschaft und Technologie (2. Auflage). Seiten 6377-6384. Von sciencedirect.com wiederhergestellt.
8. Hügle, T. et al. (2009). Hydrazin Boran: Ein vielversprechendes Wasserstoffspeichermaterial. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 7444 & ndash; 7446. Von pubs.acs.org wiederhergestellt.