هيدريد الليثيوم

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة

هيدريد الليثيوم ( LiH ) مركب غير عضوي يتكون من الليثيوم والهيدروجين . هذا الهيدريد الفلز القلوي مادة صلبة عديمة اللون، على الرغم من أن العينات التجارية رمادية اللون. يتميز هيدريد الليثيوم ، كهيدريد أيوني ، بنقطة انصهار عالية، وهو غير قابل للذوبان ولكنه يتفاعل مع جميع المذيبات العضوية البروتونية . يذوب هيدريد الليثيوم ولا يتفاعل مع بعض الأملاح المنصهرة مثل فلوريد الليثيوم ، وبوروهيدريد الليثيوم ، وهيدريد الصوديوم . بكتلة مولية تبلغ 7.95 غ/مول، يُعد هيدريد الليثيوم أخف مركب أيوني .

الخصائص الفيزيائية

يُعدّ هيدريد الليثيوم (LiH) مادةً مغناطيسيةً معاكسةً وموصلًا أيونيًا ، وتزداد موصليته الكهربائية تدريجيًا منمن 2 × 10⁻⁵ أوم⁻¹ سم⁻¹  عند 443  درجة مئوية إلى 0.18  أوم⁻¹ سم⁻¹ عند 754 درجة مئوية ؛ ولا يوجد انقطاع في هذا الارتفاع خلال نقطة الانصهار. [ 3 ] : 36 ينخفض ​​ثابت العزل الكهربائي لهيدريد الليثيوم من 13.0 ( ثابت ، ترددات منخفضة ) إلى 3.6 (ترددات الضوء المرئي). [ 3 ] : 35 يُعد هيدريد الليثيوم مادة لينة ذات صلابة موس تبلغ 3.5. [ 3 ] : 42 يزداد زحفه الانضغاطي (لكل 100 ساعة) بسرعة من أقل من 1% عند 350 درجة مئوية إلى أكثر من 100% عند 475 درجة مئوية، مما يعني أن هيدريد الليثيوم لا يمكنه توفير دعم ميكانيكي عند تسخينه. [ 3 ] : 39     

تنخفض الموصلية الحرارية لهيدريد الليثيوم مع ارتفاع درجة الحرارة وتعتمد على شكله: تبلغ القيم المقابلة 0.125  واط/(سم·كلفن) للبلورات و0.0695  واط/(سم·كلفن) للمواد المضغوطة عند 50  درجة مئوية، و0.036  واط/(سم·كلفن) للبلورات و0.0432  واط/(سم·كلفن) للمواد المضغوطة عند 500  درجة مئوية. [ 3 ] : 60 معامل التمدد الحراري الخطي هو 4.2 × 10-5 درجة مئوية عند درجة حرارة الغرفة. [ 3 ] : 49

التخليق والمعالجة

يتم إنتاج هيدريد الليثيوم (LiH) عن طريق معالجة معدن الليثيوم بغاز الهيدروجين :

2 Li + H 2 → 2 LiH

يكون هذا التفاعل سريعًا للغاية عند درجات حرارة أعلى من 600  درجة مئوية. وتؤدي إضافة 0.001-0.003% من الكربون، و/أو زيادة درجة الحرارة/الضغط، إلى زيادة المردود إلى 98% عند زمن تفاعل ساعتين. [ 3 ] : 147 ومع ذلك، يستمر التفاعل عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 29  درجة مئوية. ويبلغ المردود 60% عند 99  درجة مئوية و85% عند 125  درجة مئوية، ويعتمد معدل التفاعل بشكل كبير على حالة سطح هيدريد الليثيوم. [ 3 ] : 5

تشمل الطرق الأقل شيوعًا لتخليق هيدريد الليثيوم التحلل الحراري لهيدريد ألومنيوم الليثيوم (200  درجة مئوية)، أو بوروهيدريد الليثيوم (300  درجة مئوية)، أو ن -بيوتيل الليثيوم (150  درجة مئوية)، أو إيثيل الليثيوم (120  درجة مئوية)، بالإضافة إلى العديد من التفاعلات التي تتضمن مركبات الليثيوم ذات الاستقرار المنخفض ومحتوى الهيدروجين المتاح المحدود. [ 3 ] : 144-145

تُنتج التفاعلات الكيميائية هيدريد الليثيوم (LiH) على شكل مسحوق متكتل ، يمكن ضغطه إلى حبيبات دون الحاجة إلى مادة رابطة . ويمكن إنتاج أشكال أكثر تعقيدًا عن طريق الصب من المصهور . [ 3 ] : 160 وما بعدها. بعد ذلك، يمكن تنمية بلورات مفردة كبيرة (طولها حوالي 80  مم وقطرها 16 مم) من مسحوق LiH المنصهر في جو من الهيدروجين باستخدام تقنية بريدجمان-ستوكبارجر . غالبًا ما يكون لونها أزرقًا بسبب وجود الليثيوم الغرواني . ويمكن إزالة هذا اللون عن طريق التلدين بعد النمو عند درجات حرارة منخفضة (حوالي 550 درجة مئوية) وتدرجات حرارية أقل. [ 3 ] : 154. الشوائب الرئيسية في هذه البلورات هي الصوديوم (20-200 جزء في المليون )، والأكسجين (10-100 جزء في المليون) ، والمغنيسيوم (0.5-6 جزء في المليون)، والحديد (0.5-2 جزء في المليون) ، والنحاس (0.5-2 جزء في المليون). [ 3 ] : 155  

تشقق في فولاذ الليثيوم هيدريد المصبوب بعد تشكيله باستخدام قاطع طائر . المقياس بالبوصة.

يمكن تشكيل أجزاء هيدريد الليثيوم المضغوطة على البارد بكميات كبيرة بسهولة باستخدام التقنيات والأدوات القياسية بدقة تصل إلى الميكرومتر . مع ذلك، فإن هيدريد الليثيوم المصبوب هش ويتشقق بسهولة أثناء التصنيع. [ 3 ] : 171

تُعدّ عملية طحن الليثيوم المعدني تحت ضغط هيدروجين عالٍ طريقةً أكثر كفاءةً في استهلاك الطاقة لتكوين مسحوق هيدريد الليثيوم . ولمنع اللحام البارد لليثيوم المعدني (نظراً لمرونته العالية )، تُضاف كميات صغيرة من مسحوق هيدريد الليثيوم أثناء هذه العملية. [ 7 ]

ردود الفعل

يتفاعل مسحوق هيدريد الليثيوم (LiH) بسرعة مع الهواء ذي الرطوبة المنخفضة ، مُكَوِّنًا هيدروكسيد الليثيوم (LiOH ) وأكسيد الليثيوم ( Li₂O ) وكربونات الليثيوم ( Li₂CO₃ ) . في الهواء الرطب، يشتعل المسحوق تلقائيًا، مُكَوِّنًا خليطًا من النواتج، بما في ذلك بعض المركبات النيتروجينية . يتفاعل المسحوق المُتكتل مع الهواء الرطب، مُكَوِّنًا طبقة سطحية لزجة. تُثَبِّط هذه الطبقة التفاعل اللاحق، على الرغم من وضوح ظهور طبقة من "الصدأ". لا يتكوَّن نتريد يُذكر عند تعريضه للهواء الرطب. يمكن تسخين المسحوق المُتكتل، الموجود في طبق معدني، في الهواء إلى ما دون 200 درجة مئوية بقليل دون أن يشتعل، على الرغم من أنه يشتعل بسهولة عند ملامسته للهب مكشوف. تؤثر حالة سطح هيدريد الليثيوم، ووجود الأكاسيد على الطبق المعدني، وما إلى ذلك، تأثيرًا كبيرًا على درجة حرارة الاشتعال. لا يتفاعل الأكسجين الجاف مع هيدريد الليثيوم البلوري إلا عند تسخينه بشدة، حيث يحدث احتراق شبه انفجاري. [ 3 ] : 6 

يُعدّ LiH شديد التفاعل مع الماء والكواشف البروتونية الأخرى : [ 3 ] : 7

LiH + H 2 O → Li + + H 2 + OH −

يُعدّ هيدريد الليثيوم (LiH) أقل تفاعلاً مع الماء من الليثيوم (Li)، وبالتالي فهو عامل اختزال أقل فعالية بكثير للماء والكحولات وغيرها من الأوساط التي تحتوي على مواد مذابة قابلة للاختزال . وينطبق هذا على جميع هيدريدات الأملاح الثنائية . [ 3 ] : 22

تتمدد حبيبات هيدريد الليثيوم ببطء في الهواء الرطب، مكونةً هيدروكسيد الليثيوم ؛ ومع ذلك، فإن معدل التمدد أقل من 10% خلال 24 ساعة عند ضغط 2 تور من بخار الماء. [ 3 ] : 7 إذا احتوى الهواء الرطب على ثاني أكسيد الكربون ، فإن الناتج يكون كربونات الليثيوم . [ 3 ] : 8 يتفاعل هيدريد الليثيوم مع الأمونيا ببطء في درجة حرارة الغرفة، لكن التفاعل يتسارع بشكل ملحوظ فوق 300 درجة مئوية. [ 3 ] : 10 يتفاعل هيدريد الليثيوم ببطء مع الكحولات العليا والفينولات ، ولكنه يتفاعل بقوة مع الكحولات الدنيا. [ 3 ] : 14  

يتفاعل هيدريد الليثيوم مع ثاني أكسيد الكبريت لإنتاج ثنائي الكبريتيت :

2 LiH + 2 SO 2 → Li 2 S 2 O 4 + H 2

مع ذلك، عند درجة حرارة أعلى من 50  درجة مئوية، يكون الناتج كبريتيد الليثيوم . [ 3 ] : 9

يتفاعل هيدريد الليثيوم (LiH ) مع الأسيتيلين لتكوين كربيد الليثيوم والهيدروجين . ويتفاعل LiH ببطء مع الأحماض العضوية اللامائية والفينولات وأنهيدريدات الأحماض ، منتجًا غاز الهيدروجين وملح الليثيوم للحمض. أما مع الأحماض المحتوية على الماء، فيتفاعل LiH أسرع من تفاعله مع الماء. [ 3 ] : 8 ينتج عن العديد من تفاعلات LiH مع المركبات المحتوية على الأكسجين هيدروكسيد الليثيوم (LiOH)، الذي يتفاعل بدوره بشكل غير عكسي مع LiH عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية: [ 3 ] : 10 

LiH + LiOH → Li 2 O + H 2

يُعدّ هيدريد الليثيوم غير نشط نسبيًا عند درجات الحرارة المعتدلة مع الأكسجين أو الكلور . ولذلك، يُستخدم في تركيب هيدريدات أخرى مفيدة، [ 8 ] على سبيل المثال،

8 LiH + Al 2 Cl 6 → 2 Li [ AlH 4 ] + 6 LiCl
2 LiH + B 2 H 6 → 2 Li [ BH 4 ]

التطبيقات

تخزين الهيدروجين والوقود

يحتوي هيدريد الليثيوم (LiH) على أعلى نسبة هيدروجين بين جميع الهيدريدات، حيث تبلغ نسبة الهيدروجين فيه ثلاثة أضعاف نسبة الهيدروجين في هيدريد الصوديوم (NaH) مقارنةً بكتلته. ويُعدّ LiH مجالًا ذا أهمية دورية لتخزين الهيدروجين، إلا أن تطبيقاته العملية تواجه تحدياتٍ بسبب عدم استقراره تجاه التحلل. لذا، يتطلب استخراج الهيدروجين (H₂ ) درجات حرارة أعلى من 700 درجة مئوية المستخدمة في تصنيعه، وهي درجات حرارة مكلفة من حيث التكلفة والجهد المبذول. وقد تم اختبار هذا المركب سابقًا كمكون وقود في صاروخ نموذجي. [ 9 ] [ 10 ] 

مادة أولية لهيدريدات المعادن المعقدة

لا يُعدّ هيدريد الليثيوم عادةً عاملًا مُختزلًا للهيدريد، إلا في تخليق هيدريدات بعض أشباه الفلزات. على سبيل المثال، يُنتَج السيلان في تفاعل هيدريد الليثيوم مع رباعي كلوريد السيليكون باستخدام عملية سوندرماير.

4 LiH + SiCl 4 → 4 LiCl + SiH 4

يُستخدم هيدريد الليثيوم في إنتاج مجموعة متنوعة من الكواشف للتخليق العضوي ، مثل هيدريد الليثيوم والألومنيوم ( Li [ AlH4 ] ) وبوروهيدريد الليثيوم ( Li [ BH4 ] ) . يتفاعل ثلاثي إيثيل البوران لإنتاج سوبرهيدريد ( Li [ BH( CH2CH3 ) 3 ] ) . [ 11 ]

في الكيمياء والفيزياء النووية

يُعد هيدريد الليثيوم (LiH) مادة مرغوبة أحيانًا لتدريع المفاعلات النووية ، مع نظير الليثيوم-6 (Li-6)، ويمكن تصنيعه عن طريق الصب. [ 12 ] [ 13 ]

المشرف

يُعدّ ديوتيريد الليثيوم ، على شكل ديوتيريد الليثيوم -7 ( 7Li2H أو 7LiD )، مهدئًا جيدًا للمفاعلات النووية ، لأن الديوتيريوم ( 2H أو D) يتميز بمقطع عرضي أقل لامتصاص النيوترونات مقارنةً بالهيدروجين العادي أو البروتون ( 1H )، كما أن المقطع العرضي لـ 7Li منخفض أيضًا، مما يقلل من امتصاص النيوترونات في المفاعل. يُفضّل استخدام 7Li كمهدئ لانخفاض مقطعه العرضي لالتقاط النيوترونات ، بالإضافة إلى أنه يُنتج كمية أقل من التريتيوم ( 3H أو T) عند قصفه بالنيوترونات. [ 14 ]

الأسلحة النووية الحرارية

يُعدّ ديوتيريد الليثيوم (LiD)، وتحديدًا بنظيره النادر 63Li ، وكذلك بنظيره الأكثر شيوعًا 73Li ، الوقود النووي الأساسي في كلٍّ من الأسلحة النووية الحرارية وأسلحة الانشطار المعزز من نوع "سلوكا". في كلا التصميمين، ينفجر مُشغّل الانشطار النووي لتسخين ديوتيريد الليثيوم وضغطه، بينما يقذفه بالنيوترونات لإنتاج التريتيوم في تفاعل طارد للحرارة .

6 3 لي+ 1 0 ن→ 4 2 هو+ 3 1 ح

يمكن لنظير الليثيوم 73 الشائع أيضًا أن يخضع لتفاعل ينتج عنه التريتيوم والنيوترونات تحت تأثير النيوترونات عالية الطاقة:

7 3 لي+ 1 0 ن→ 4 2 هو+ 3 1 ح+ 1 0 ن

كلا التفاعلين يتركان الديوتيريوم ( 2 1 H ) من LiD قادراً على الاندماج مع التريتيوم الذي تم إنتاجه للتو:

2 1 H+ 3 1 H→ 4 2 He+n(14.1MeV)

يمكن للنيوترون عالي الطاقة الناتج عن تفاعل الديوتيريوم-التريتيوم أن يتفاعل مع المزيد من ديوتريد الليثيوم، أو أن يحفز الانشطار النووي في المواد القابلة للانشطار (والتي قد تشمل اليورانيوم-238 في هذا السياق، لأن نيوترون الاندماج يتمتع بطاقة عالية كافية)، مما ينتج عنه المزيد من النيوترونات لمواصلة العملية. [ 15 ] يبلغ الحد الأقصى للناتج الانفجاري لاندماج ديوتريد الليثيوم حوالي 50 كيلوطن لكل كيلوغرام من المادة المتفاعلة، مما يجعله أكثر كثافة طاقة بثلاث مرات تقريبًا من الانشطار النووي. [ 16 ]

يُبسط استخدام ديوتيريد الليثيوم كمصدر للوقود النووي الحراري تصميم الأسلحة النووية الحرارية مقارنةً بمحاولات استخدام الديوتيريوم النقي (الذي يجب تبريده إلى درجات حرارة منخفضة للغاية ليبقى في الحالة السائلة، كما حدث في تجربة آيفي مايك عام 1952)، أو إنتاج كميات كبيرة من التريتيوم الغازي، وهو أمر باهظ التكلفة. يسمح ديوتيريد الليثيوم بتكوين التريتيوم في الموقع كجزء من التفاعل. معدل اشتعال واحتراق ديوتيريد الليثيوم أعلى بكثير من الديوتيريوم النقي، ووقت احتراقه أقصر من تفاعل الديوتيريوم النقي مع التريتيوم، ويتطلب مصدرًا قويًا للنيوترونات للحفاظ على دورة إنتاج التريتيوم. كما أنه أثقل بالضرورة من الديوتيريوم النقي. لكن المزايا العملية تفوق هذه العيوب. [ 16 ]

قبل تجربة الأسلحة النووية في كاسل برافو عام 1954، كان يُعتقد أن نظير الليثيوم-63 الأقل شيوعًا هو الوحيد القادر على إنتاج التريتيوم عند اصطدامه بالنيوترونات السريعة. لكن تجربة كاسل برافو أظهرت (عن طريق الصدفة) أن نظير الليثيوم -73 الأكثر وفرة ينتج التريتيوم بكميات كبيرة أيضًا في ظل الظروف القاسية لانفجار سلاح نووي حراري، وكان ناتج التجربة أكبر بـ 2.5 مرة من المتوقع نتيجةً لهذا الإنتاج الإضافي للتريتيوم.

أمان

يتفاعل هيدريد الليثيوم (LiH) بشدة مع الماء مُنتجًا غاز الهيدروجين وهيدروكسيد الليثيوم (LiOH)، وهو مادة كاوية. ونتيجةً لذلك، قد ينفجر غبار هيدريد الليثيوم في الهواء الرطب، أو حتى في الهواء الجاف بسبب الكهرباء الساكنة. عند تركيزات تتراوح بين 5 و55 ملغم/ م³ في الهواء، يُسبب هذا الغبار تهيجًا شديدًا للأغشية المخاطية والجلد، وقد يُؤدي إلى رد فعل تحسسي. وبسبب هذا التهيج، يتخلص الجسم عادةً من هيدريد الليثيوم بدلًا من تراكمه. [ 3 ] : 157، 182

بعض أملاح الليثيوم، التي يمكن إنتاجها في تفاعلات هيدريد الليثيوم (LiH)، سامة. لا ينبغي إطفاء حريق هيدريد الليثيوم باستخدام ثاني أكسيد الكربون أو رابع كلوريد الكربون أو مطفآت الحريق المائية؛ بل يجب خنقه بتغطيته بجسم معدني أو مسحوق الجرافيت أو الدولوميت . يُعد الرمل أقل ملاءمة، لأنه قد ينفجر عند مزجه مع هيدريد الليثيوم المشتعل، خاصةً إذا لم يكن جافًا. يُنقل هيدريد الليثيوم عادةً في الزيت، باستخدام حاويات مصنوعة من السيراميك أو أنواع معينة من البلاستيك أو الفولاذ، ويتم التعامل معه في جو من الأرجون الجاف أو الهيليوم. [ 3 ] : 156 بينما يمكن استخدام النيتروجين، إلا أنه يتفاعل مع الليثيوم عند درجات حرارة مرتفعة. [ 3 ] : 157 يحتوي هيدريد الليثيوم عادةً على بعض الليثيوم المعدني، الذي يُسبب تآكل حاويات الفولاذ أو السيليكا عند درجات حرارة مرتفعة. [ 3 ] : 173-174، 179

مراجع

  1. ليد ، د . ر.، محرر. (2005). دليل سي آر سي للكيمياء والفيزياء (الطبعة 86  ). بوكا راتون، فلوريدا: مطبعة سي آر سي. ص  4.70. ISBN 0-8493-0486-5.
  2. ↑ ديفيد آرثر جونسون؛ الجامعة المفتوحة (12 أغسطس 2002). المعادن والتغير الكيميائي . الجمعية الملكية للكيمياء. ص 167 وما بعدها. ISBN  978-0-85404-665-2تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 نوفمبر 2011 .
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 سميث، آر إل ؛ ميزر، جيه دبليو (1963). تجميع خصائص هيدريد الليثيوم . ناسا.
  4. ↑ تشامبرز، مايكل. "ChemIDplus - 7580-67-8 - SIAPCJWMELPYOE-UHFFFAOYSA-N - هيدريد الليثيوم - البحث عن تراكيب مشابهة، مرادفات، صيغ، روابط موارد، ومعلومات كيميائية أخرى" . chem.sis.nlm.nih.gov . تاريخ الاسترجاع: 10 أبريل 2018 .
  5. ↑ "هيدريد الليثيوم" . تركيزات تشكل خطراً فورياً على الحياة أو الصحة . المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية .
  6. 1 2 3 دليل الجيب الخاص بالمعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH) حول المخاطر الكيميائية. "#0371" . المعهد الوطني للسلامة والصحة المهنية (NIOSH).
  7. ↑ التخليق الميكانيكي الكيميائي لأحادي هيدريد الفلزات القلوية بدون مذيبات أو محفزات، IZ Hlova، A Castle، JF Goldston، S Gupta، T Prost… - مجلة كيمياء المواد أ، 2016
  8. ↑ "كتاب الكيمياء NCERT" (PDF) .
  9. ↑ أرشيف ليكس بتاريخ 23 يوليو 2008 على موقع Wayback Machine . Astronautix.com (25 أبريل 1964). تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 نوفمبر 2011.
  10. ↑ القوانين التجريبية للاحتراق الهجين لهيدريد الليثيوم مع الفلور في محركات الصواريخ الصغيرة . Ntrs.nasa.gov. تاريخ الوصول: 1 نوفمبر 2011. (محمي بكلمة مرور)رمز الوصول المغلق
  11. ↑ بيتر ريتماير، أولريش فيتلمان "الهيدريدات" في موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية 2002، وايلي-VCH، واينهايم. دوى : 10.1002/14356007.a13_199
  12. ↑ بيتر ج. تورتشي (1998). تقنيات الدفع: الفعل ورد الفعل . AIAA. ص 339–. ISBN  978-1-56347-115-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 نوفمبر 2011 .
  13. ↑ ويلش، فرانك هـ. (فبراير 1974). "هيدريد الليثيوم: مادة واقية لعصر الفضاء". الهندسة النووية والتصميم . 26 (3): 440-460 . doi : 10.1016/0029-5493(74)90082-X .
  14. ↑ ماسي، مارك؛ ديوان، ليزلي سي. "US 20130083878 A1، 4 أبريل 2013، المفاعلات النووية والأساليب والأجهزة ذات الصلة" . مكتب براءات الاختراع الأمريكي . حكومة الولايات المتحدة . تم الاطلاع عليه في 2 يونيو 2016 .
  15. ↑ يورك، هربرت ف. (1976). المستشارون: أوبنهايمر، تيلر، والقنبلة الخارقة . مطبعة جامعة ستانفورد. ص 28. في ستينيات وسبعينيات القرن العشرين، رفعت وزارة الطاقة الأمريكية السرية عن البيانات التالية المتعلقة بهيدريدات الليثيوم كوقود نووي حراري: "استخدام الليثيوم والديوتيريوم (Li6D، LiD) في أسلحة نووية حرارية غير محددة." "استخدام ديوتيريد الليثيوم العادي (LinD) في أسلحة نووية حرارية غير محددة." "استخدام مركبات Li6 المحتوية على التريتيوم في تصميم الأسلحة كوقود نووي حراري." وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب رفع السرية (1 يناير 2001). "قرارات رفع السرية عن البيانات المقيدة من عام 1946 حتى الوقت الحاضر (RDD-7)" . اتحاد العلماء الأمريكيين.
  16. 1 2 غسبونر، أندريه؛ هورني، جان بيير (20 يناير 2009). "المبادئ الفيزيائية للمتفجرات النووية الحرارية، والاندماج بالقصور الذاتي، والسعي وراء أسلحة نووية من الجيل الرابع" (ملف PDF) . الصفحات 34-36 .