Warum ist Lithium knapp?

Eigentlich ist das, was Sie über die Produktion von Kernen gelesen haben, nicht ganz richtig. Es gibt verschiedene Prozesse, durch die Atomkerne hergestellt werden:

1. Die Urknall-Nukleosynthese ist die Fusion von Wasserstoffkernen zu schwereren Elementen in den frühen Stadien des Universums, als es durch den Urknall abkühlte. Es gibt ziemlich spezifische thermische Anforderungen für diesen Prozess, daher gab es nur ein kurzes Zeitfenster, in dem sich schwerere Elemente bilden konnten, was bedeutet, dass die einzige Fusion, die tatsächlich in signifikanten Mengen stattfand, die Umwandlung von Wasserstoff (und Deuterium) in Helium war. und eine extrem kleine Menge Lithium.

2. Stellare Nukleosynthese ist die Verschmelzung von Wasserstoff und anderen Kernen in den Kernen von Sternen. Dies ist etwas anderes als die Urknall-Kosmologie, da sich Sterne erst vor Millionen von Jahren in der Lebenszeit des Universums gebildet haben.

   Nun, im Gegensatz zu dem, was Sie vielleicht gelesen haben, werden nicht alle Elemente bei der stellaren Nukleosynthese gebildet. Es gibt bestimmte "Ketten" von Kernreaktionen, die auftreten, und nur die Elemente, die durch diese Reaktionen erzeugt werden, existieren in einem Stern in nennenswerten Mengen. Die meisten Sterne erzeugen ihre Energie entweder über die Proton-Proton-Kette (in leichteren Sternen) oder den CNO-Zyklus(in schwereren Sternen), die beide Wasserstoff verbrauchen und Helium bilden. Sobald der größte Teil des Wasserstoffs verbraucht ist, steigt die Temperatur des Sterns und er beginnt, Helium zu Kohlenstoff zu verschmelzen. Wenn das Helium aufgebraucht ist, verschmilzt es Kohlenstoff zu Sauerstoff, dann Sauerstoff zu Silizium und dann Silizium zu Eisen. (Natürlich ist der eigentliche Prozess komplizierter – siehe Wikipedia-Artikel für Details.) Mehrere andere Elemente werden auf dem Weg produziert oder beteiligt, darunter Neon, Magnesium, Phosphor und andere, aber Lithium gehört nicht dazu. Tatsächlich neigen Sterne dazu, Lithium zu verbrauchen , anstatt es zu produzieren, sodass Sterne tatsächlich dazu neigen, nur geringe Mengen an Lithium zu enthalten.

3. Supernova-Nukleosyntheseist die Verschmelzung von Atomkernen aufgrund der Hochdruck- und Hochenergiebedingungen, die entstehen, wenn ein großer Stern in einer Typ-II-Supernova explodiert. Es gibt gewisse Ähnlichkeiten zwischen dieser und der Urknall-Nukleosynthese, nämlich die hohen Temperaturen und Drücke, aber der Hauptunterschied besteht darin, dass ein explodierender Stern „Reserven“ an schweren Elementen haben wird, die sich aus einer lebenslangen Kernfusion angesammelt haben. Anstatt also nur viel Helium zu bilden, wie es kurz nach dem Urknall geschah, wird eine Supernova ein ganzes Spektrum schwerer Elemente bilden. Tatsächlich sind Supernovae die einzige natürliche Quelle für Elemente, die schwerer als Eisen sind, da tatsächlich eine Energiezufuhr erforderlich ist, um diese Elemente als Fusionsprodukte herzustellen. Ich glaube, eine gewisse Menge Lithium würde in einer Supernova zusammen mit all den anderen Elementen gebildet werden,

Das Schlüsselwort in dem, was Sie gehört haben, ist „verfügbar“, weil es ziemlich viel Lithium in der Erde gibt, das nicht so einfach zu bekommen ist. Der Begriff "verfügbares Lithium" meint wahrscheinlich bekannte Landreserven, die sich laut dieser Seite auf 14 Millionen Tonnen belaufen.

Die im Meerwasser gelöste Menge wird auf 230 Milliarden Tonnen geschätzt (was für viele Batterien ausreicht). Die Gewinnung von Meerwasser scheint noch nicht wirtschaftlich zu sein, aber es wird daran geforscht.

Die geschätzte Lithiumkonzentration in der Erdkruste reicht von 1 bis 31 ppm. Wenn wir also die gesamte Kruste ausgraben, erhalten wir zwischen 20 und 600 Billionen Tonnen. Mit anderen Worten, wenn unsere Zivilisation jemals an einen Punkt käme, an dem wir wirklich viel Lithium brauchen würden, müssten wir nicht zu weit gehen, um es zu finden.

Dies ist eine kleine Ergänzung zu den Antworten von David und Scott

Wie üblich enthält die Wikipedia-Seite zu Lithium nützliche Informationen:

Beide natürlichen Isotope haben im Vergleich zu den nächst leichteren und schwereren Elementen, Helium und Beryllium, eine anomal niedrige Kernbindungsenergie pro Nukleon, was bedeutet, dass Lithium unter den stabilen leichten Elementen allein Nettoenergie durch Kernspaltung erzeugen kann. Die beiden Lithiumkerne haben niedrigere Bindungsenergien pro Nukleon als alle anderen stabilen zusammengesetzten Nuklide außer Deuterium und Helium-3. Infolgedessen ist Lithium, obwohl es ein sehr geringes Atomgewicht hat, im Sonnensystem weniger verbreitet als 25 der ersten 32 chemischen Elemente.

[...]

⁷Li ist eines der Urelemente (oder besser gesagt Urnuklide), die bei der Urknall-Nukleosynthese produziert werden. Eine kleine Menge von sowohl ⁶Li als auch ⁷Li wird in Sternen produziert, aber es wird angenommen, dass sie genauso schnell verbrannt werden, wie sie produziert werden. Zusätzliche kleine Mengen an Lithium von sowohl ⁶Li als auch ⁷Li können durch Sonnenwind, kosmische Strahlen, die auf schwerere Atome treffen, und durch radioaktiven Zerfall von ⁷Be und ¹⁰Be im frühen Sonnensystem erzeugt werden.

Also, im Grunde wird Lithium (kaum) produziert, wie David Zaslavsky Ihnen in seiner Antwort sagte, und der Grund dafür, dass die Produktion niedrig ist, weil Lithium kaum stabil ist.

Aber wie @Scott Carnahan in seiner Antwort sagt, ist der Begriff der Lithiumknappheit mit seiner Verteilung auf der Erde verbunden. Und der Grund für seine schwierige Gewinnung ist letztlich seine hohe chemische Reaktivität, was bedeutet, dass es im Grunde überall verdünnt und selten in leicht zu fördernden Lagerstätten konzentriert wird. Auf derselben Wikipedia-Seite wie oben heißt es:

Obwohl Lithium auf der Erde weit verbreitet ist, kommt es aufgrund seiner hohen Reaktivität natürlich nicht in elementarer Form vor.

[...]

Laut dem Handbook of Lithium and Natural Calcium ist „Lithium ein vergleichsweise seltenes Element, obwohl es in vielen Gesteinen und einigen Solen vorkommt, aber immer in sehr geringen Konzentrationen. Es gibt jedoch eine ziemlich große Anzahl sowohl von Lithiummineral- als auch von Solevorkommen nur vergleichsweise wenige von ihnen haben einen tatsächlichen oder potenziellen kommerziellen Wert. Viele sind sehr klein, andere haben eine zu niedrige Qualität.“

Ich werde das etwas anders angehen. Die Häufigkeit von Li im Sonnensystem und in der Erdkruste ist im Vergleich zu Elementen wie Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und Eisen gering.

Das Lithium des Sonnensystems entsteht teilweise (nur zu 10%) durch primordiale Nukleosynthese, ein wenig durch Spallationsreaktionen kosmischer Strahlung auf Kerne im interstellaren Medium, aber hauptsächlich im Inneren von relativ massearmen asymptotischen Riesenaststernen (AGB) und in Nova-Ausbrüche (z . B. Prantzos 2012 ). Der Hauptreaktionsmechanismus ist die Fusion von Helium-4 und Helium-3 zu Beryllium-7. Dieses wird dann einem Elektroneneinfang zu Lithium-7 unterzogen.

Während es in Sternen viel Helium-4 gibt, gibt es wirklich nicht viel Helium-3, außer dort, wo es in wasserstoffverbrennenden Kernen / Schalen produziert wird, aber diese Regionen sind auch heiß genug, um Lithium-7 durch Protoneneinfang schnell zu zerstören zurück zu Helium-4-Kernen . Daher benötigt man spezielle Bedingungen, bei denen Be-reiches Material aus Kern/Schale nach oben gemischt wird und in Regionen, die kühl genug sind, damit das Li überleben kann, einem Elektroneneinfang unterzogen wird ( Cameron & Fowler 1971 ). Dies kann bei „heiß unten brennenden“ AGB-Sternen mit Massen von etwa passieren$4<M/M_{\odot}<8$, die zeitweise H- und He-Hüllen-Verbrennung erfahren (z. B. Garcia-Hernandez et al. 2013 ). Die konvektive Hülle reicht bis hinunter zur H-brennenden Hülle, baggert Be-reiches Material nach oben, das dann zu Li-7 wird. Der Prozess ist von begrenzter Effizienz, da die gleiche Konvektion viel Li-7 wieder nach unten bringt, um verbrannt zu werden. Obwohl AGB-Sterne durch ihre massiven Winde angereichertes Material effizient in den Weltraum blasen können, ist das Material nicht so sehr mit Li angereichert.

Der Cameron & Fowler-Mechanismus kann auch bei Novae-Explosionen stattfinden, wenn Materie von einem Begleiter auf die Oberfläche eines Weißen Zwergs übertragen wird und dort detoniert. Das angesammelte Material muss Helium-3 enthalten, muss also auch aus Regionen stammen, in denen eine unvollständige Wasserstoffverbrennung stattgefunden hat. Der schnelle, explosive Ausstoß einer Be-reichen Hülle führt dann zu einer Anreicherung des ISM mit Li-7. Es stellt sich heraus, dass die speziellen Bedingungen, die erforderlich sind, um Material mit viel He-3 zu akkretieren, nicht zu einer ausreichenden Li-Produktion führen, um die Li-Häufigkeiten im interstellaren Medium über das hinaus zu steigern, was wir sehen.

Aber ich denke, die Hauptstoßrichtung der Frage ist, warum Li nicht einfach durch eine Art Fusionsreaktion wie Helium oder Kohlenstoff entsteht.

Die Antwort ist, dass es so ist! Beispielsweise wird Li-7 als Teil des PPII- Zweigs der pp-Kette bei Temperaturen zwischen produziert$1.4\times10^7$K und$2.3\times 10^{7}$K. Aber bei diesen Temperaturen wird das Li-7 schnell mit einem Proton verschmolzen, um zwei He-4-Kerne zu bilden.

Das grundlegende Problem besteht also darin, dass Li-7 im Inneren von Sternen bei Temperaturen darüber verbrannt wird$3\times 10^{6}$K, aber alle Fusionsreaktionen, die Li (oder Elemente schwerer als Li) erzeugen, erfordern viel höhere Temperaturen als diese.

Der häufige Fehler hinter dieser Aussage ist, dass Lithium als Brennstoff angesehen wird, der verbraucht und entsorgt wird. So funktioniert Öl schließlich. Dafür gibt es nicht genug billiges Lithium. Aber wie Stahl wird auch Lithium recycelt.

Lithium kommt in der Erdkruste häufiger vor als Blei. Es ist jedoch reaktiver als solche Metalle und weniger häufig als andere reaktive Metalle wie Natrium. Aus diesem Grund neigt es nicht dazu, sich in reichen geologischen Ablagerungen in einer Form anzusammeln, die es leicht zu extrahieren macht. Seine Leichtigkeit kann ein weiterer Faktor sein.

Reaktive Metalle wie Lithium können Salze bilden, die sich in Wasser lösen. Diese werden dann in Ablagerungen zurückgelassen, wenn geschlossene Wasserflächen austrocknen. Lithium ist in der Erdkruste 1000-mal seltener vorhanden als andere reaktive Metalle wie Natrium, Kalzium und Kalium, sodass es in solchen Lagerstätten immer noch nur in relativ geringen Mengen vorkommt.

Einige Lithiumverbindungen sind jedoch so gut löslich, dass sie in einigen ausgetrockneten Meeresablagerungen vorhanden sind. Etwa die Hälfte des auf der Erde zugänglichen Lithiums soll sich unter der bolivianischen Wüste befinden, und wenn seine Förderung in Zukunft so wichtig wird wie die Förderung von Öl jetzt, dann wird es wahrscheinlich keinen so großen Mangel geben.

Laut dieser NPR-Geschichte gibt es keinen Mangel an Lithium für Batterien:

„Ich kenne keine ernsthafte Person in der Automobilindustrie oder in der Lithiumindustrie, die glaubte, dass es ein ernsthaftes, langfristiges Versorgungsproblem gibt“, sagt er. „Tatsächlich wird es in den nächsten 10 Jahren wahrscheinlich ein Überangebot an Lithium geben, weil inzwischen so viele Unternehmen auf den Markt getreten sind.“

Und im Gegensatz zu den Auswirkungen des Abbaus anderer natürlicher Ressourcen ist die Konzentration von Lithium ein „umweltfreundlicher“ Prozess, sagt Fletcher. "Es ist so ungefährlich, wie der Bergbau nur sein kann. Sie pumpen wirklich nur Wasser nach oben ... und es gibt wirklich keine giftigen Chemikalien in einer Lithium-Ionen-Batterie."