釤

釤，是一種化學元素，其化學符號為，原子序數為62，原子量為，屬於鑭系元素，也是稀土元素之一。釤是一種中等硬度的銀色金屬，在空氣中會緩慢氧化。身為典型的鑭系元素，釤最尋常的氧化態為+3，不過也存在釤(II)的化合物，其中最常見的是其和氧族元素的化合物SmO、SmS、SmSe和SmTe，以及二碘化釤，其中二碘化釤是化學合成中常見的還原劑。如同其他稀土元素，釤在人體內沒有明顯的生物作用，但毒性也並不高。釤是由法國化學家保羅·埃米爾·勒科克·德布瓦博德蘭之名所命名的，他因此間接成為第一個名字被用來命名化學元素的人。儘管屬於稀土元素的一員，釤在地殼中並不算十分稀有，它是第五豐富的鑭系元素，也是地殼中含量第40高的元素，比錫等金屬還更常見。釤在自然界中總是與其他稀土元素一同出現，主要存在於幾種稀土礦物中，包括矽鈰石、矽鈹釔礦、鈮釔礦、獨居石和等，濃度最高可達2.8%，其中最後兩種礦石是釤最常見的商業這些礦物主要分佈在中國、美國、巴西、印度、斯里蘭卡和澳大利亞，中國在釤的開採和生產方面處於世界領先地位。釤的主要商業應用是釤鈷磁鐵，其永久磁化強度僅次於釹磁鐵；且釤的化合物可以承受較高的溫度，超過700°C的活性成分，用於治療肺癌、前列腺癌、乳腺癌和骨肉瘤，可殺死癌細胞。另一種同位素釤-149具有良好的中子吸收能力，可作為核反應堆中控制棒的材料。釤的其他應用還包括化學反應的催化劑、放射性年代測定和等。物理性質.釤是一種銀白色的、中等柔軟的鑭系金屬，硬度和密度與鋅相近。釤的沸點為1794℃，在鑭系元素中揮發性僅次於鐿和銪，這一特性有利於將釤從礦石中分離出來。釤在常溫常壓下通常呈現菱方結構。向其施加數百或數千千巴的高壓則會引起一系列的相變，特別是在約900千巴時出現四方晶系結構。在一項研究中，dhcp相的釤可以在不施加壓力的情況下，使用非平衡退火法讓溫度在400-700℃之間快速變化中產生，證實了釤元素晶體結構的瞬變特性。另外，透過氣相沉積法得到的釤的薄膜在常溫常壓條件下可能含有hcp結構或dhcp結構。釤及其倍半氧化物在室溫下具有順磁性，對應的有效磁矩在2μB以下，是鑭系中的第三低，僅次於鑭和鎦。在冷卻到14.8 K時，金屬會轉變為反磁性狀態。單個釤原子可以利用富勒烯分子，將其封裝並分離出來。將釤原子摻雜在富勒烯固體中的C60分子間可使其在8K以下的超低溫度下具有超導性。此外，在鐵基超導體中摻雜釤可以將其臨界溫度提高到56K，是迄今為止鐵基超導體系列中的最高值。化學性質.新制備的釤具有銀色光澤。室溫下，釤在空氣中會緩慢氧化，即使儲存於礦物油中，釤也會逐漸氧化，並在表面形成灰黃色的氧化物-氫氧化物混合物粉末，釤形成的氧化層不像鑭、鈰、鐠等更輕的鑭系元素一樣那麼疏鬆、容易。將釤樣品密封在惰性氣體如氬氣下，可保持其具有光澤的金屬外觀。釤在150℃時容易自燃。如同其他鑭系元素，釤最尋常的氧化態為+3。釤具有相當大的電正性，能與水反應形成氫氧化釤，釤與冷水反應速度較慢，而與熱水反應速度則較快。反應的激烈程度遠弱於鑭、鈰、鐠、釹等較輕的鑭系元素：2 Sm (s) + 6 H2O (l) → 2 Sm(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)釤很容易溶解在稀硫酸中，形成含有黃色至淡綠色的Sm3+離子的溶液，以[Sm(OH2)9]3+錯合物的形式存在：2 Sm (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Sm3+ (aq) + 3 SO42-(aq) + 3 H2 (g)釤是少數能形成較穩定的+2氧化態的鑭系元素之一，Sm2+離子在水溶液中呈血紅色。化合物.氧化物.釤最穩定的氧化物為三氧化二釤產生Sm2O3結晶的單斜晶的對稱晶體，晶體為筒狀的晶柱約數釐米長，直徑大約一釐米。當晶柱是純淨的時候為透明，否則則為橙色。加熱三角形的Sm2O3至1900℃，可將它轉換到更穩定的單斜晶相。釤是少數可以形成一氧化物SmO的鑭系元素之一。在升高的溫度和高於50千巴的壓力下，Sm2O3的減少能得到有光澤的金黃色的化合物，降低的壓力導致一個不完整的反應中得到。SmO有巖鹽立方晶格結構。硫屬化合物.釤形成三價的硫化物，硒化物，碲化物。也被稱為二價硫族化合物，SmS，SMSE和SMTE為立方巖鹽晶體結構。它們處於顯著狀態為在室溫下提高壓力從半導體轉換到金屬態。由於過渡是連續且發生在20-30千巴在SMSE和SMTE，在SmS只需要6.5千巴。這種效應會使SmS的顏色從黑色變成金黃色，其晶體薄膜被劃傷或拋光。過渡不改變晶格的對稱性，但結晶體積會急劇下降，顯示當壓力下降，SmS返回到半導體狀態時的遲滯。鹵化物.金屬釤與所有的鹵素反應，形成三鹵化反應：2 Sm (s) + 3 X2 (g) → 2 SmX3 (s) 它們與釤、鋰或鈉金屬在高溫進行還原反應而產生的二鹵化物。可以透過加熱 SmI3，或在室溫下金屬與無水四氫呋喃中1,2 -二碘乙烷反應製備而成：Sm (s) + ICH2-CH2I → SmI2 + CH2=CH2除了鋁二鹵化物，還原反應也產生大量有明顯晶體結構的非化學計量的釤鹵化物，如 Sm14F33、Sm3F7、Sm27F64、Sm11Br24、Sm5Br11 和 Sm6Br13。釤鹵化物改變其晶體結構，一個型別的鹵原子取代另一個，對大多數元素也有類似反應。硼化物.在真空中，釤和氧化硼的燒結粉末含有幾個釤硼化物相，混合比例可以控制它們的體積比。依賴於不同的熔點/ 結晶溫度SMB 和低溫1140和1240°C之間穩定其增長。溫度上升使SMB6優先形成。六硼化釤.六硼化釤是一個典型的中間價化合物，其中Sm2+和Sm3+的比率為三比七。它屬於一種近藤絕緣體，在高溫下，它的屬性是典型的近藤金屬，強電子散射使其具有金屬導電性，而在低溫下，它表現為具有窄約4-14毫電子伏特帶隙的非磁性的絕緣層。SmB6伴隨著由熱導率急劇增加使冷卻引起的金屬-絕緣體轉變，峰值在約15 K，增加的原因是電子低溫下無助於熱導率，使佔主導地位的電子濃度的減少降低電子-聲子散射率。一項新的研究指出，它可能是一個拓撲絕緣體。其他無機化合物.釤碳化物是在惰性氣氛中透過熔化金屬石墨的混合物製備而來。合成後它們在空氣中不穩定，需在惰性氣體下進行研究。釤monophosphide SMP是為1.10電子伏特帶隙的半導體，和矽相同，且矽為高導電性的n-型半導體。它可以在1100℃下熱處理含有磷和釤的混合粉末的真空石英安瓿製備而來。磷在高溫下具有高揮發性，有可能發生爆炸，所以加熱速率要保持在低於1℃/分鐘。類似的程式被採用在SMAS的monarsenide，但合成溫度高於1800℃。大量的結晶性二元化合物是釤和一個基團-4，5或6的元素X形成，其中X是矽，鍺，錫，鉛，銻，釤和金屬合金形成另一個大型基。它們都從何相應元素的混合粉末熱處理製備而來。所得到的化合物是許多非化學計量的，有標稱組合物的Sm a X b ，其中b / a的比率變化範圍在0.5和3之間。有機金屬化合物.釤形成一個基環戊二烯的Sm2Cl具有二聚體結構更精確地表示為(η5- C5H5)2Sm(µ-Cl)2(η5 -C5H5)2。在那裡氯橋可以被更換，例如，碘，氫或氮的原子或CN基團。釤環戊二烯中中2C5H5的環是不平行的，但傾斜40°。釤的烷基和芳基在在四氫呋喃或乙醚中分解反應得到：Sm(OR)3 + 3 LiCH(SiMe3)2 → Sm{CH(SiMe3)2}3 + 3 LiOR同位素.天然存在的釤由七種同位素組成，分別是穩定的144Sm、149Sm、150Sm、152Sm、154Sm和長壽命的147Sm。其中，152Sm是最常見的，佔了天然釤的26.75%。天然釤的放射性活度約為127Bq/g，主要是由其中147Sm的衰變造成的。除了以上7種天然同位素外，釤還有31種人工合成的放射性同位素，其中壽命最長的是146Sm，半衰期長達6.8×107年，但仍遠短於地球的年齡，因此至今已衰變殆盡，為一。完全由人工合成產生的釤同位素中，最長壽的是151Sm。釤的放射性同位素中，最長壽的146Sm、147Sm和148Sm主要發生α衰變形成釹的同位素，比三者輕的放射性同位素主要發生電子俘獲衰變成鉕的同位素，而較重的放射性同位素主要發生β衰變形成銪的同位素。147Sm α衰變為143Nd的半衰期為1.06×1011年，可用於測定岩石和隕石年齡，稱作。值得一提的是，理論計算顯示五種穩定的釤同位素都有機率衰變成釹或釓的同位素，然而其衰變現象從來都沒有被科學家實際觀測到過。以下列出這五種同位素的預估衰變模式以及測得的半衰期下限：144Sm：雙β衰變為144Nd149Sm：α衰變為145Nd，半衰期&gt;2×1015年150Sm：α衰變為146Nd152Sm：α衰變為148Nd154Sm：負雙β衰變為154Gd，半衰期&gt;2.3×1018年存在和生產.儘管屬於稀土元素的一員，釤在地殼中並不算特別稀有的元素，平均濃度約為8ppm，在地殼中的元素豐度排名為第40位，是第五豐富的鑭系元素和第七豐富的稀土元素。雖然釤在輕鑭系元素中屬於豐度較低者，但其豐度仍高於所有重鑭系元素，也比錫等常見金屬來得高。土壤中釤的濃度介於2到23ppm之間，海洋中的釤含量則約為0.5至0.8ppm。釤在土壤中的分佈非常不均勻，其豐度很大程度​​上取決於土壤中的化學狀態。在沙質土壤中，土壤顆粒表面的釤濃度比顆粒間水分中的釤濃度高了約200倍。在黏土中，該比例甚至可以超過1000倍。釤在自然界中並不以遊離的純元素態存在，而是與其他稀土金屬一同出現在獨居石、、鈰矽石、矽鈹釔礦和等稀土礦物中，其中獨居石和氟碳鈰礦是釤最主要的商業開採獨居石中釤的濃度可高達2.8%之多。釤在稀土礦物中總是做為次要成分存在，以釤佔主導地位的礦物非常罕見，例如和等。全世界釤的儲量估計約為200萬噸。釤的主要礦區位於中國、美國、巴西、印度、斯里蘭卡和澳大利亞，年產量約700噸。中國是迄今為止稀土產量最高的國家，每年開採約12萬噸的稀土，其次是美國。釤通常以氧化物的形式出售，價格約為30美元/公斤，是最便宜的鑭系氧化物之一。雖然。放射性同位素釤-151主要由鈾的核分裂所產生，約佔鈾的所有裂變產物中的0.4%。它也可由釤-149俘獲中子而生成，而釤-149常被用作核反應爐控制棒的材料，用於吸收多餘的中子。因此，釤-151存在於乏核燃料和放射性廢料中。應用.釤最重要的用途是製造釤鈷磁鐵——一種高強度的永久磁鐵的合金材料。釤鈷磁鐵依照其中釤原子和鈷原子的比例分為SmCo5和Sm2Co17兩種，具有很高的永久磁化強度，約為鐵的10000倍，在磁性物質中僅次於釹磁鐵。但釤鈷磁鐵具有較高的居禮溫度，抵抗退磁的能力較佳，在700°C以上的高溫下仍能維持穩定的磁性，而釹磁鐵在溫度超過300–400°C時就會失去磁性，應用於汽車馬達和發電機等中的釹磁鐵必須新增鋱和鏑等重稀土元素來提高其矯頑力，改善耐熱效能，但也造成價格更為昂貴。釤鈷磁鐵應用於入耳式耳機、吉他和低音吉他拾音器、渦輪機及壓縮機等產品中。釤及其化合物的另一個重要用途是作為催化劑和化學試劑。釤化合物催化劑能加速塑膠的分解、多氯聯苯等汙染物的脫氯過程以及乙醇的脫水和脫氫。三氟甲磺酸釤是促進鹵素與烯烴進行傅-克反應的最有效的路易斯酸催化劑之一。碘化釤(II)是有機合成領域中非常常見的還原劑和偶合劑，例如、、、、和等紫杉醇全合成、、巴比耶反應和其他。氧化釤被新增到陶瓷和玻璃中，能增加其對紅外線的吸收量。釤是的次要成分，用作許多打火機和手電筒的發火裝置之材料。人造放射性同位素釤-153是一種β放射源，半衰期為46.3小時。在醫療領域中用於殺死肺癌、前列腺癌、乳腺癌和骨肉瘤的癌細胞。釤-153通常與等。釤-149具有很高的中子俘獲截面，是核反應爐控制棒的理想材料。與硼和鎘等主流材料相比，釤-149的優勢在於其吸收中子的穩定性——大多數釤-149的融合和衰變產物是釤的其他同位素，而它們也是很好的中子吸收劑。例如釤-151的橫截面為15000靶恩，釤-150、釤-152和釤-153的截面為數百靶恩，而由多種同位素混合組成的天然釤的截面約為6800靶恩。由於其大中子吸收截面，在核反應爐的衰變產物中，釤-149被認為是繼之後第二重要的中子毒物，是反應爐的設計和執行中重要的考量因素。近期已證明六硼化釤是一種拓撲絕緣體，在量子電腦中具有潛在用途。生物作用.如同其他稀土元素，釤在人體內沒有已知的生物作用，但其毒性也並不高。釤鹽會刺激新陳代謝，但目前尚不清楚此現象是由釤還是與釤伴生的其他鑭系元素所導致。成人體內約含有50微克的釤，主要存在於肝臟和腎臟中，溶解在血液中的釤濃度約為8μg/L。植物體吸收的釤含量一般微小到無法測得，因此通常不是人類飲食的一部分。然而，一些植物和蔬菜的釤濃度可能高達百萬分之一。不溶性的釤鹽是無毒的，可溶性釤鹽則只有微毒。釤被攝入體內時，只有約0.05%的釤鹽會被吸收到血液中，其餘的則被排出體外。血液中的釤約有45%進入肝臟，而45%沉積在骨骼表面，並存留約10年；剩餘的10%則被排洩出體外。