Il nitruro di litio è un composto ionico con formula Li3N ed è l’unico tra i metalli alcalini dei nitruri a essere stabilizzato. Si tratta di un conduttore cristallino di ioni Li+ con alta conducibilità in condizioni ambientali, sebbene presenti un limite di decomposizione.
Conduttività elettronica
Il drogaggio con metalli di transizione può aumentare la conduttività elettronica, permettendo l’utilizzo in anodi con capacità di carica superiore rispetto alla grafite. Il nitruro di litio rientra nei conduttori ionici, in cui la conduzione di corrente è dovuta al movimento libero degli ioni e delle vacanze che generano reazioni chimiche.
Proprietà del nitruro di litio
Dopo la sua sintesi nel 1910, la struttura esagonale dei cristalli di nitruro di litio è stata determinata nel 1935 da Zintl e Brauer. La struttura è stata ulteriormente studiata nel 1976 con la diffrazione a raggi X a cristallo singolo condotta da Rabenau e Schultz.
La struttura del nitruro di litio consiste nella ripetizione di due piani adiacenti di atomi: uno contenente sei atomi di Li attorno a un atomo di azoto e l’altro con solo atomi di Li. Il composto si presenta come un solido cristallino che varia dal viola al rosso, con lucentezza verde chiaro alla luce riflessa e colore rubino alla luce trasmessa. È insolubile nella maggior parte dei solventi organici ed è un agente riducente fortemente basico. La conduttività ambiantale del nitruro di litio è di 6·10−3 S/cm, con un modulo di Young di 48 GPa.
Sintesi del nitruro di litio
La sintesi del nitruro di litio avviene partendo dal litio metallico esposto all’azoto a bassa temperatura. A 25°C, l’entalpia di formazione è di 164.6 kJ/mol, e la variazione di energia libera di Gibbs è di -128.5 kJ/mol, indicando una reazione esotermica e spontanea. La reazione di sintesi è la seguente: 6 Li(s) + N2(g) → 2 Li3N(s).
La presenza di umidità è fondamentale per attivare la superficie del litio e favorire la formazione di idrossido di litio e idruro di litio o idrogeno. Questo processo induce la nitrurazione del nitruro di litio.
Processo di Reazione e Produzione di Energia
Durante il processo di reazione tra il nitruro di litio e l’acqua, si verifica una reazione altamente esotermica che porta alla formazione di idrossido di litio e ammoniaca. Questa reazione è caratterizzata da un rilascio di energia che viene utilizzata come energia di attivazione per la stessa reazione.
Reazioni Chiave del Nitruro di Litio
– La reazione del nitruro di litio con l’acqua produce idrossido di litio e ammoniaca: Li3N(s) + 3 H2O(g) → 3 LiOH(s) + NH3(g).
– Un’altra reazione porta alla formazione di idruro di litio e ammoniaca: Li3N(s) + 3 H2(g) → 3 LiH(s) + NH3(g).
– L’idruro di litio può reagire con l’azoto per produrre nitruro di litio: 3 LiH(s) + N2(g) → Li3N(s) + NH3(g).
– La reazione di idrogenazione del nitruro di litio dà origine alla formazione di litio ammide e litio immide.
Importanza dello Stoccaggio dell’Idrogeno
L’interesse per la reazione dell’idrogeno con il nitruro di litio come meccanismo di stoccaggio dell’idrogeno risiede nell’importanza dell’idrogeno come carburante alternativo per i trasporti. Data la difficoltà di stoccaggio dell’idrogeno, le reazioni di idrogenazione offrono un metodo promettente per affrontare questa sfida.
Meccanismo di Stoccaggio dell’Idrogeno
Una delle reazioni chiave considerate per lo stoccaggio dell’idrogeno è la seguente: LiNH2 + LiH → Li2NH + H2. Questa reazione coinvolge la litio ammide e l’idruro di litio, producendo litio immide e rilasciando idrogeno attraverso il riscaldamento. Si ritiene che molte ammidi metalliche reagiscano in modo simile con gli idruri metallici, offrendo un potenziale metodo efficace per lo stoccaggio dell’idrogeno.