リチウムの同位体

リチウムの同位体とその特性

リチウム（Li）は、標準原子量6.941(2) uを持つ元素であり、自然界には二つの安定同位体、6Liと7Liが存在します。特に、7Liは92.5%という高い存在比を誇ります。また、リチウムには7つの放射性同位体が知られており、その中で最も安定なものは8Liで、838ミリ秒の半減期を持ちます。一方で9Liの半減期は178.3ミリ秒であり、それ以下の同位体は8.6ミリ秒以下の半減期を示します。最も不安定な同位体は4Liであり、陽子を放出してなんと7.58043×10^-23秒という極めて短い半減期で崩壊します。

リチウムの形成と同位体分別

リチウムはビッグバンの原子核合成によって存在が確認された初期の元素の一つで、6Liもわずかに恒星内で作られることがあります。リチウムの同位体分別は自然条件下でも様々なプロセスを通じて進行します。たとえば、リチウムイオンは粘土中の鉱物と相互作用し、マグネシウムや鉄と置き換わります。この際、6Liが優先して選ばれることが知られています。

リチウムの同位体分別方法

リチウムの同位体、特に6Liと7Liの分離にはいくつかの方法があります。まず、カラム交換分離法として知られる手法があります。この方法では、リチウム6は水銀に対する親和性が高いため、水酸化リチウム溶液に水銀のアマルガムを接触させると、6Liが優先的にアマルガム中に濃縮され、7Liは溶液中に放出されます。結果として、カラムの底部では高濃度のリチウム6が得られ、上部ではリチウム7が解放される仕組みです。

次に、真空蒸留についても触れましょう。このプロセスでは、リチウムは真空中で約550℃に加熱し、リチウム原子が液面から蒸発して冷やされた面に集められます。ここでも6Liが優先的に集まる傾向がありますが、理論的な分離効率は約8%であり、何度も繰り返すことでより高い分離度を実現可能です。

リチウムの生産と供給の現状

現在、リチウムの主要な分別方法には水銀が使用されていますが、環境規制が厳しいため、先進国ではその生産が難しく、特にロシアが市場を主導しています。中国ではリチウムの生産が行われていますが、需要の一部は依然としてロシアからの輸入に依存しています。このような状況からも、リチウムが持つ市場価値の高さが伺えます。

リチウムの市場価格

リチウムの同位体、特に精製された6Liと7Liは非常に高価であり、その価格は高純度のLi-6が2013年に$2500/kg、99.9%純度のLi-7が2010年には$15,000/kgに達しています。このように、リチウムの市場は非常に競争が激しいことが分かります。

リチウムの同位体についての詳細

リチウム4（Li-4）

リチウム4は3つの陽子と1つの中性子から構成され、リチウムの同位体の中で最も寿命が短いです。主に核融合反応の中間体として見られます。

リチウム6（Li-6）

6Liは中性子吸収断面積が非常に大きく、制御棒としての用途がある一方で、液体金属原子炉の冷却液としては制限されることがあります。核兵器への利用のため、この同位体は大量に分離されることが多いです。6Liは中性子を吸収し、トリチウムとヘリウム4を生成する反応を持っています。

リチウム7（Li-7）

7Liは中性子吸収断面積が小さく、液体金属原子炉の冷却液として適しています。この同位体はFLiBeやFLiNaKという溶融塩原子炉で使用される塩にも含まれています。7Liは中性子との反応でトリチウムとヘリウム4が生成され、反応は吸熱的です。

同位体の存在比は地球環境や地域によって変動し、リチウムの原子量はそのため範囲で示されます。リチウムを含む他の元素も同じように存在比が異なることがあります。

以上のように、リチウムの同位体はその特性や用途に応じて分離され、さまざまな分野で重要な役割を果たしています。

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