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El litio - La Industria del Litio en Chile



Instituto de Química
Química Industrial
Taller de Química Industrial


La Industria del Litio en Chile

Introducción
El litio (del griego piedrecita), fue descubierto por Johann Arfvedson en 1817. Arfvedson encontró el nuevo elemento en la espodumena y lepidolita de una mina de petalita, LiAl (Si2O5)2, de la isla Utö (Suecia) que estaba analizando. En 1818 C.G. Gmelin fue el primero en observar que las sales de litio tornan la llama de un color rojo brillante. Ambos intentaron, sin éxito, aislar el elemento de sus sales, lo que finalmente consiguieron W.T. Brande y Sir Humphrey Davy mediante electrólisis del óxido de litio.

Litio
Propiedades físicas y químicas del litio
Es un elemento químico de símbolo Li, número atómico 3, su número de oxidación y valencia +1, peso atómico 6,941 g/mol, el segundo mas liviano de los elementos metalicos. Fue descubierto por el químico sueco Arvfvedson. En la tabla periódica en cabeza el grupo 1 de la familia de los metales alcalinos, los cuales se caracterizan por se univalentes (tener un solo electrón en su orbital ‘’s’’ mas alla de la capa central electrónica). Es fuertemente electropositivo confiriéndole la característica de ser muy reactivo, por lo que no se encuentra libre en la naturaleza. El poder polarizante del Li+ es mayor que todos los iones alcalinos, manifestandose en la gran tendenciaa solvatarse y formar uniones covalentes.


Como metal se presenta en alrededor de 145 especies mineralogias, en salmueras de distintos orígenes y en el agua del mar, existe en minerales pegmatíticos, en arcillas sedimentarias y en salmueras.
Es el elemento sólido y metal mas ligero que se conoce, densidad es la mitad de la del agua 0,531 g/cm3 a 20 ºC. Posee el mayor punto de fusión (186 ºC), ebullición (1336 ºC) y calor específico (0,784 cal/g ºC a 0 ºC) del grupo de los metales alcalinos.
En estado natural existen dos isotopos estables: Li 7 en proporción de 92 % de abundancia y Li6 con 7,6% de abundancia.
El que tenga la propiedad de ser liviano y ademas de tener un potencial de electrodo de +3,045 volts, que es el mas alto de todos los elementos, hace que las baterías con anodos de litio tengan la mayor densidad de energía (watt-h/Kg) teóricamente posible.
En sistemas acuosos, el Li es equivalente al Cesio como el mas fuerte agente reductor de los metales alcalinos.
En su forma pura es blando y de color blanco plata, que se oxida rapidamente con el aire o con el agua, por lo que a veces es necesario mantenerlo guardado en hidrocarburos o aceites para que no reaccione y siga puro.






El litio en reacciones con El litio reacciona rapidamente con el agua:
2Li(s) + 2H2O (l)             2LiOH (ac) + H2 (g)

El litio reacciona espontaneamente con N2 y la reacción ocurre a 298K para dar nitruro de litio:6Li(s) + N2 (g) 2Li3N (l)

Por combustión, el litio forma el óxido:

4Li(s) + O2 (g)             2Li2O(s)

Fuentes de litio y abundancia
Los compuestos de litio se hallan muy difundidos en la naturaleza, aunque en proporción muy escasa. Podemos encontrar litio en las cenizas de las plantas, principalmente en el tabaco, remolacha y caña de azúcar. También en las aguas de ciertos manantiales, llamados por eso liníticas y en el mar en casi 0 ppm en masa.
El litio es un elemento moderadamente abundante y se estima que se encuentra presente en la corteza terrestre en 65 partes por millón (ppm) en donde aproximadamente 145 minerales existentes en ella contienen litio, pero solo algunos lo poseen en cantidades comerciales. En la naturaleza, así como los otros metales alcalinos no se encuentra en estado elemental, ya que reacciona rapida y completamente con casi todos los no metales.
Pero es, sin duda, en las salmueras que se encuentran en los salares, donde estan las mas altas concentraciones de litio. Estos son algunos ejemplos de principales depósitos de salmueras en el mundo:
Salmueras del Salar de Atacama, Chile.
Salmueras de Silver Peak, Nevada EE.UU.
Salmueras del salar de Uyuni, Bolivia.

Espodumeno
principal mineral de litio.

Extracción

La extracción del Li se realiza en forma de carbonato de litio a partir de salmueras ricas en litio o de minerales de litio en yacimientos enveta (espodumeno LiAlSi2O6). Pero el proceso que utiliza espodumeno como materia prima es mas caro por incluir un mayor gasto de energía.

* salmueras

Las salmueras son los depósitos de litio de mayor envergadura mundial, siendo en el salar de atacama, en Chile, donde se encuentran las mayores y mejores reservas mundiales de litio a partir de salmueras. Estas se encuentran en el núcleo del salar de atacama, un cuerpo salino en el cual existen estas salmueras generadas por filtraciones de agua que provienen del subsuelo de la cordillera de los andes. Las salmueras del salar de atacama poseen ventajas competitivas sustentables importantes a escala mundial, al presentar las mas altas concentraciones de potasio, litio y boro, respecto de otros depósitos de salmueras naturales.
El salar de atacama tiene una superficie de alrededor de 3000km2 y formado en una gran cuenca cerrada de origen tectónico.

Salar de Atacama, Chile

Ademas de las altas concentraciones de sus salmueras, el Salar de Atacama tiene otra serie de ventajas: permite bajos costos de procesamiento debido a su reducido contenido de magnesio; tiene mayores índices de evaporación que otras planicies de sal del mundo y da la posibilidad de operar todo el año, gracias a las privilegiadas condiciones climaticas que lo favorecen.

* Litio de yacimientos en veta

El litio se encuentra en una gran cantidad de otros compuestos como: espodumeno (8 %), ambligonita(10,1%),lepidolita(6-3%), zinnwaldita (4-2%), siendo el espodumeno el mas importante.
En america del norte, el espodumeno es el único mineral de litio encontrado en grandes cantidades, siendo la fuente de materia prima mas importante para la obtencion de sales de litio.


El Espodumeno se convierte de la forma α a la β calentando a mas de 1000°C en horno rotatorio, donde la forma α no es atacada por el H2SO4 caliente y la forma β se trata como sigue:

Principales compuestos de litio:

Carbonato de litio (Li3CO3)
* Cloruro de litio (LiCl)
Litio metalico (Li0)
* Bromuro de litio (LiBr)
* Hidróxido de litio (LiOH x H2O)

Carbonato de litio (Li3CO3)

Normalmente en estado solido se presenta como un polvo blanco fino, fórmula molecular Li2CO3, masa molecular 73.9, es higroscópico y es generalmente estable cuando es expuesto a la atmósfera. El carbonato de litio reacciona facilmente con acidos fuertes y es usado frecuentemente para la manufactura de otras sales de litio.

Usos
Industria de Vidrios; óptica, pantallas, envases industriales.
Enamel; bañado de acero.
Ceramicas de Vidrio; espejos de telescopios, vidrio de cocinas.
Producción de Aluminio. Construcción; hormigones especiales.
Celdas de Energía; cogeneración de electricidad.
Aplicaciones médicas, en el tratamiento de desordenes mentales.

SQM produce carbonato de litio en su planta Salar del Carmen, cerca de Antofagasta, Chile, a partir de soluciones con altas concentraciones de litioprovenientes del Salar de Atacama.
Proceso de obtención del carbonato de litio desde salmueras naturales

Consiste en bombear salmueras desde el salar con bombas de pozo profundo instaladas en pozos de aproximadamente 30 m de profundidad y enviarlas por cañerías a un sistema de pozas de evaporación solar, donde se concentra el litio en etapas sucesivas hasta alcanzar un contenido cercano al 6% peso. Las pozas fueron construidas sobre la superficie del salar por lo que fue necesario acondicionar el lugar, se colocaron capas de arena, grava fina y arcilla compactada y sobre esta, una membrana impermeable de PVC. Para la protección del plastico en el proceso de extracción de sales con maquinaria pesada se hizo cristalizar sobre el una capa de cloruro de sodio.
Este proceso de evaporación solar esta diseñado para operar dentro del campo de los cloruros a fin de evitar la precipitación de litio en las pozas, ya sea como Li2SO4. H2O o LiKSO4. Esto se logra mezclando en la primera poza una salmuera rica en sulfato con otra salmuera rica en calcio, precipitando así el sulfato como yeso (CaSO4 x 2H2O). En el proceso de evaporación, las siguientes sales que precipitan en forma secuencial, son cosechadas y descartadas como impurezas: halira (NaCl), silvinita (NaCl + KCl), carnalita (KCl x MgCl2 x 6H2O) y bischofita (MgCl2 x 6H2O). En las pozas de mayor concentración precipita una carnalita de litio (LiCl x MgCl2 x H2O). Para recuperar el litio que contiene,después de depositar esta sal en una plataforma de drenaje, es repulpeada y lavada con una salmuera saturada en cloruro de magnesio, pero no saturada en cloruro de litio. La bischofita (MgCl2 x 6H2O) no disuelta es separada por centrifugación y se desecha.
Luego la salmuera concentrada final es transportada a la planta química ubicada en Antofagasta (La Negra), donde es purificada, se elimina el magnesio contenido. La purificación consiste en dos etapas, como carbonato e hidróxido de magnesio respectivamente. Primero se diluye la salmuera concentrada en el agua madre proveniente de la etapa fina de precipitación del carbonato de litio. Este producto se obtiene por reacción en caliente (85 ºC aprox.) entre la salmuera purificada libre de magnesio (1ppm) y una solución de Na2CO3. El carbonato de litio una vez secado se puede comercializar como cristales (70%) o se compacta par ser vendido en forma de granulos (30%).

Hidróxido de litio
Su fórmula molecular es LiOH, es un sólido blanco cristalino bastante higroscópico, soluble en agua. El hidróxido de litio es un hidróxido formado a partir de agua y litio. La reacción es la siguiente
2Li(s) + 2H2O (l)             2LiOH (ac) + H2 (g)

El hidróxido de litio, se obtiene mezclando una porción de carbonato de litio mas hidróxido de calcio, o mas conocida comúnmente como cal apagada:
Li2CO3(S) + Ca (OH)2(S) 2LiOH(S) + CaCO3(S)
Usos:
Se utiliza principalmente en la producción de grasaslubricantes que pueden trabajar en condiciones extremas de temperatura y carga. Aproximadamente el 70% de las grasas lubricantes producidas en el mundo contienen litio. El hidróxido de litio se utiliza también en baterías y colorantes. Es usado en la purificación de gases (como absorbente del dióxido de carbono en naves espaciales y submarinos), como medio para la transferencia de calor, y como almacenamiento de electrolito de baterías.
También es usado en ceramicas, manufacturación de otros compuestos de litio.
SQM produce hidróxido de litio en su planta Salar del Carmen, cerca de Antofagasta, Chile, a partir del carbonato de litio que es producido en la misma planta.
Litio metalico
Mediante la obtención del LiCl, y su electrolisis, se obtiene el litio metalico.
Obtención de LiCl
Li2CO3(s) + 2HCl (l) H2O (l) + CO2(g) + 2LiCl(ac)

El electrolito se compone de una mezcla LiCl y KCl, que se mantiene 460-500 ºC de temperatura en el interior de una celda electrolítica de acero de bajo contenido de C. esta caja que contiene el electrolito fundido, esta colocada en el interior de una estructura de ladrillo refractario. La caja de acero se calienta externamente con mecheros ubicados entre la caja de acero y la estructura de ladrillo refractario.
Los catodos son de acero y los anodos barras de grafito. La eficiencia eléctrica es del 80% y la recuperación de litio es de 98% en peso.

Reacciones química

En el anodo: 2Cl- Cl2 + 2e-En el catodo: Li- + e- Li0

Usos:
Junto con el hidrogeno, se emplea en la fabricación de bombas de tritio (isotopo radiactivo del hidrogeno), de potencia diez veces mayor que la bomba de uranio.
También se utiliza como catalizador de polímeros y en la metalurgia del aluminio, en aleaciones de Li-aluminio de gran resistencia en altas temperaturas, como limpiador y desengrasador de los aceros dúctiles inoxidables como desoxidante y purificador en la fundición de cobre.
Debido a su elevado potencial electroquímico y a que es el elemento sólido mas liviano, su principal uso es como material de catodos en las baterías de ion litio. Estas baterías se usan en computadores portatiles, teléfonos móviles, camaras digitales, y en un futuro cercano, probablemente se usaran en vehículos a propulsión eléctrica. Las principales ventajas de estas baterías son su alta potencia, extenso ciclo de vida y carecer de efecto memoria.
SQM produce litio metalico con una pureza de 99 %. Este producto es usado como catalizador en la industria farmacéutica y también en baterías y otras industrias. También se utiliza para la producción de diversos derivados de litio.

Cuadro resumen

Pegmatitas (espodumeno) salmueras naturales


Concentración
Concentración por
Evaporación solar (LiCl

Extracción de litio
(Lixiviación, H2SO4)

Purificación PurificaciónNaCo3 NaCo3

Precipitación de Li2CO3

LiCl LiBr LiOH . H2O
Industria
Aluminio vidrio y
Ceramica
Aire grasas
Acondicionado lubricantes
Litio Metalico


Compuestos de Baterías Fusión Nuclear Aleaciones Li – Al
Órgano –Li

Usos importantes del litio

Litio en las baterías

Existen dos tipos de baterías, primarias y segundarias, las primarias, son convencionales o alcalinas, no se pueden recargar por lo que al ser usadas se tiran o en el mejor de los casos se reciclan, y también existen pilas segundarias que son recargables.

Varias propiedades del litio, entre ellas su potencial de reducción muy negativo, le hacen adecuado para su uso en baterías. Por ejemplo, la batería de litio/ sulfuro de hierro contiene un anodo de litio y un catodo de FeS2 (E cel = 1 V) y se usa en camaras.

La batería de iones litio, introducida en el mercado por primera vez en 1991, tiene un potencial de 3,6 V y consiste en electrodo positivo de LiCoO2 separado de un electrodo de grafito por un electrolito solido a través del cual pueden migrar los iones Li+ cuando se carga la célula. Los iones Li+ estan intercalados en el grafito y vuelven al electrodo de LiCoO2 cuando la célula se descarga. La reacción de la célula puede representarse de la siguiente manera

Carga
LiCoO2 + 6C (grafito)descarga LiC6 + CoO2
El factor decisivo en esta batería es que ambos electrodos pueden actuar como hospedadores durante la carga y descarga. Las baterías de iones litio tienen aplicaciones por ejemplo en ordenadores portatiles, teléfonos móviles y reproductores portatiles de CD y tienen uso potencial en choques eléctricos.
Durante la carga: se bombean electrones en el electrodo negativo que son extraídos del positivo. El electrodo negativo se hace por tanto mas negativo y el positivo mas positivo, aumentando así la diferencia de potencial entre ellos o lo que es lo mismo, el voltaje de la celda. Este proceso fuerza también a los iones litio a salir del electrodo positivo y a intercalarse en el negativo.
Durante la descarga: Los iones litio cambian espontaneamente del electrodo negativo al electrolito y de éste al electrodo positivo. El electrolito permite el paso de iones pero no de electrones. Al mismo tiempo, los electrones fluyen espontaneamente del electrodo negativo al positivo a través del único camino que les queda libre: a través de un circuito eléctrico. A medida que avanza la descarga, el potencial (E) de cada electrodo cambia de forma que su diferencia disminuye y cae por tanto el voltaje de la celda a medida que se va sacando carga eléctrica de la batería.

Reactores de fusión nuclear
Una aplicación potencial del litio es en la producción de energía eléctrica mediante la fusión nuclear controlada de deuterio y tritio.
Laempresa General Fusión ha desarrollado un modelo de reactor que permitira producir energía de fusión de forma barata y segura.
La fusión nuclear es el santo grial de la energía. A día de hoy se ha logrado construir reactores capaces de producir reacciones de fusión, pero la energía que se necesita para activar la reacción es mucho mas alta que la energía que producira el proceso, con lo que la tecnología actual no resulta viable para construir un reactor utilizable. Esta compañía ha desarrollado un reactor en el que el plasma se comprime mediante ondas de choque generada mediante sonido (es lo que se llama sonofusión, o fusión nuclear por sonido).
Este sistema utiliza como combustible una mezcla de deuterio y litio como que se vaporiza para formar plasma; luego, el plasma se comprime mediante campos magnéticos y por último se somete a una onda de choque acústica, momento en el que se produce la reacción nuclear.
La reacción consiste en que el atomo litio es irradiado con neutrones liberando tritio, que se combina con el deuterio en una reacción nuclear de fusión en la que se produce helio.
Esta reacción produce una temperatura igual a la del sol, es decir, unos 110 millones ºC.
El consumo de litio como combustible para generar tritio no es significativo, pero podría haber un gran requerimiento de este elemento al ser usado también como escudo contra radiaciones y, ademas, como medio de transferencia de calor (litio líquido).
Como dato curioso, elfuncionamiento de un reactor MTF es muy similar al de una bomba H convencional. Estas bombas también utilizan una mezcla de litio y deuterio; la diferencia es que aquí la reacción se activa mediante una pequeña bomba atómica de uranio.

La industria del litio

El mercado del litio esta formado por un reducido número de grandes empresas que suministran las materias primas iniciales, concentrados de minerales de Li y Li2CO3 obtenido de salares con una concentración de 99 % mínimo.
Ademas, existe alta integración vertical en este mercado, porque estas mismas empresas que controlan la oferta de materias primas participan en la fabricación de materiales elaborados de litio.
Implica en cierto sentido, el hecho histórico que el litio ha sido considerado un material de importancia estratégico debido a sus potenciales aplicaciones militares, lo que ha impulsado a varios países, incluyendo Chile, a incorporar el litio en legislaciones que les permite a los gobiernos tener algún tipo de control sobre este material. De hecho EE.UU., mantiene un stock de litio como reserva militar.

Industria del litio en chile
El interés del litio en chile comenzó con el descubrimiento de grandes concentraciones de este elemento en el salar de atacama, por la empresa Anaconda en la década del 1960. Estos resultados fueron corroborados por la CORFO y el Ministerio de Minería con la ayuda de empresas chilenas y extranjeras. En 1980 la empresa estadounidense Foote Mineral Co. seasoció a la CORFO formando la Sociedad Chilena del litio Ltda., comenzando con la explotación y producción de litio en nuestro país.
En 1996, SQM decidió participar en el mercado del litio. Su entrada a este rubro fue bastante compleja, ya que la compañía era neófita en esta materia y debía enfrentar a dos gigantes mundiales acostumbrados a tener un control duopólico de los mercados. 'Se diseñó una estrategia de penetración al mercado con precios por debajo de sus competidores, debido a que parte de los costos fueron absorbidos por la producción de Cloruro de Potasio. Esto obligó a que ambas empresas dominantes tuvieran que dejar de elaborar el producto. Esta tactica convirtió a Chile en el principal productor mundial de litio'.
Chile se ha transformado a través de la acción combinada de la sociedad Chilena de litio Ltda. (SCL) y la sociedad de química y minería (SQM) en el productor mundial Nº 1 del litio.
En 1991 las exportaciones de carbonato de litio eran 8.500 toneladas al año, cifra ampliamente superada en el año 2000 donde la producción alcanzó a 35.800 toneladas métricas, lo que se tradujo en US$ 53 millones versus los US$ 25 millones recaudados por las exportaciones en 1991. No obstante estas cifras, el litio tiene un mercado definido y estrecho donde lejos su mejor cliente es Estados Unidos, seguido en Asia por Japón. En Europa destacan Bélgica y Alemania.

Arabia saudita del litio
Es interesante notar que Chile, mediante el Salar deAtacama; Bolivia, con el Salar de Uyuni; y Argentina, a través del Salar del Hombre Muerto, Rincón y Olaroz, concentran cerca del 85% de las reservas de litio en salmueras, y 50% de las reservas totales de litio.
Este “triangulo del litio” que se concentra en las zonas fronterizas de los tres países, ha dado paso a que Forbes Magazine se refiera a la región como la “Arabia Saudita del Litio”.

Triangulo del litio
en las fronteras de Chile,
Argentina y Bolivia.


Conclusión

Al finalizar con este informe sobre la investigación del litio, puedo darme cuenta de la gran importancia que ha tenido, tiene y tendra este elemento en la industria para chile y el mundo.
Debido a sus propiedades particulares como el ser un elemento muy liviano, el mas liviano de los metales y ademas de ser un elemento que cede muy facilmente electrones, lo hace conveniente para ser utilizado en baterías, aparatos que deben ser pequeños y livianos. Con el tiempo, el tamaño de los objetos tecnológicos se va reduciendo y se van transformando en artefactos portatiles, por lo que es no podrían utilizarse baterías de gran peso y tamaño.
Realmente son bastantes los usos que se le dan al litio, es impresionante descubrir como puede incluso combatir enfermedad tan común por estos días, como lo es la depresión y, como es incorporado en otras industrias como en la del aluminio, vidrio y ceramicas.
Pero creo que uno de las aplicaciones mas importantes del litio en el futuroes en la obtención de energía eléctrica en los reactores de fuerza nuclear, sin duda que la energía nuclear se observa como el método que en unos años mas debera proporcionarnos a todos energía, es por eso que el mercado del litio crece cada ves mas, a medida que las tecnologías avanzan y otros recursos se agotan.
Para chile, su explotación le proporciona grandes cantidades de dinero, aunque no tan grandes como los que el cobre, que es la base de la economía de nuestro país. El litio entra en el grupo de los comoditis, así como el cobre, por sus múltiples usos en diferentes industrias.
Como futuros químicos tenemos grandes responsabilidades en la explotación de este y otros elementos presentes en nuestro país, así como también en otros lugares del mundo, innovando en las tecnologías y buscando nuevas opciones por ejemplo la producción de energía eléctrica a partir de otros medios. Todo esto para satisfacer las necesidades de la sociedad.

Referencias

Revista química & industria de la sociedad chilena de química 1990
Química Inorganica, 2º edición; Catherine E. Housecroft, Alan G. Sharpe.
Editorial Person, pag.259-262.
Guías de química, preuniversitario Pedro de Valdivia.
Libro Química, preuniversitario CEPECH.
Principios de química, 3º edición; Jones Atkins
Editorial Panamericana, Pag.
542

www.wikipedia.com
www.sqm.com/aspx/AcercaDe/ProcesoProduccion.aspx
www.es.wikipedia.org/Litio
es.wikipedia.org/wiki/Cloruro_de_litio





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