Samarium

Samarium (nach dem Mineral Samarskit, das vom deutschen Mineralogen Heinrich Rose nach dem russischen Bergbauingenieur Wassili Samarski-Bychowez benannt wurde)^[13] ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Sm und der Ordnungszahl 62. Im Periodensystem steht das silbrig glänzende Element in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden. Samarium ist das erste natürlich vorkommende Element, das nach einer Person benannt wurde.^[13]

Eigenschaften
[Xe] 4f6 6s2 62Sm Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Samarium, Sm, 62
Elementkategorie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-19-9
EG-Nummer	231-128-7
ECHA-InfoCard	100.028.298
Massenanteil an der Erdhülle	6 ppm (44. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse	150,36(2)[3] u
Atomradius (berechnet)	185 (238) pm
Kovalenter Radius	198 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f6 6s2
1. Ionisierungsenergie	5.64371(17) eV[4] ≈ 544.54 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie	11.078(20) eV[4] ≈ 1068.9 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie	23.55(8) eV[4] ≈ 2270 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie	41.64(11) eV[4] ≈ 4020 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie	62.7(4) eV[4] ≈ 6050 kJ/mol[5]
Physikalisch[6]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	trigonal
Dichte	7,536 g/cm3 (25 °C)[7]
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 1,2 · 10−3)[8]
Schmelzpunkt	1345 K (1072 °C)
Siedepunkt	2173 K[9] (1900 °C)
Molares Volumen	19,98 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	192 kJ·mol−1[9]
Schmelzenthalpie	8,6 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	2130 m·s−1 bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	1,06 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	13 W·m−1·K−1
Chemisch[10]
Oxidationszustände	+2, +3
Elektronegativität	1,17 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 144Sm 3,07 % Stabil 145Sm {syn.} 340 d ε 0,617 145Pm 146Sm {syn.} 92 ± 2,6 · 106 a[11] α 2,455 142Nd 147Sm 14,99 % 1,06 · 1011 a α 2,310 143Nd 148Sm 11,24 % 7 · 1015 a α 1,986 144Nd 149Sm 13,82 % 2 · 1015 a α 145Nd 150Sm 7,38 % Stabil 151Sm {syn.} 90 a β− 0,077 151Eu 152Sm 26,75 % Stabil 153Sm {syn.} 46,27 h β− 0,808 153Eu 154Sm 22,75 % Stabil
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin γ in rad·T−1·s−1 Er (1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 147Sm 7/2 −1,115 · 107 4,17 149Sm 7/2 −0,919 · 107 3,44
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[12] Pulver Gefahr H- und P-Sätze H: 260 P: 402+404[12]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

Paul Émile Lecoq de Boisbaudran

Gustav Rose beschrieb 1839 ein Mineral aus dem Ilmengebirge in Russland, das er nach der angenommenen Zusammensetzung mit hohen Uran- und Tantalgehalten Uranotantal nannte. 1847 konnte sein Bruder Heinrich Rose größere Mengen des Minerals untersuchen. Dieser fand eine andere chemische Zusammensetzung des Minerals, so enthielt das Mineral Niob anstatt von Tantal. Zudem erkannte er, dass das Mineral identisch mit einem von Hans Rudolph Hermann beschriebenen und Ytteroilmenit benannten Mineral ist.^[14] Daraufhin benannte Heinrich Rose das Mineral zu Ehren von Wassili Jewgrafowitsch Samarski-Bychowez, einem Mitarbeiter der russischen Bergbauhörde, der ihm Proben des Minerals verschafft hatte, in Samarskit um.^[15]

Ab 1878 wurde die chemische Zusammensetzung des Samarskits intensiv erforscht. So behauptete 1878 John Lawrence Smith, in Samarskit ein neues Element gefunden zu haben, das er zu Ehren von Carl Gustav Mosander Mosandrium nannte. Dieses stellte sich jedoch bald darauf als eine überwiegend terbiumhaltige Mischung verschiedener Seltener Erden heraus.^[16] Ebenfalls 1878 beschrieb Marc Delafontaine ein bislang unbekanntes Element im Samarskit, das er nach dem lateinischen decipiens ‚trügerisch‘ Decipium nannte. Er beschrieb ein gelbes, beim Erhitzen im Wasserstoffstrom weiß werdendes Oxid und charakteristische Absorptionsbanden bei 416 und 478 nm.^[17] 1879 untersuchte Paul Émile Lecoq de Boisbaudran Samarskit mittels fraktionierter Kristallisation mit Ammoniakwasser und bemerkte dabei, dass vor dem Didym eine weitere, unbekannte Erde ausfiel. Als er diese spektroskopisch untersuchte, fand er unter anderem zwei bislang unbekannte Absorptionsbanden im blauen Spektralbereich. Er ging daher davon aus, ein neues Element gefunden zu haben und nannte dieses nach dem Mineral Samarskit Samarium.^[18][19] Auch Jean Charles Galissard de Marignac untersuchte 1880 Samarskit und fand bei der Zerlegung in verschiedenen Fraktionen unbekannte Spektrallinien, die er provisorisch Y_α und Y_β nannte.^[20] Y_α sollte später Gadolinium genannt werden.^[21]

1880 stellte Jacques-Louis Soret fest, dass es sich bei Decipium, Samarium und Y_β um das gleiche Element handelte^[22] und 1881 plädierte Delafontaine dafür, dass das neue Element den Namen Samarium bekommen sollte, da Lecoq de Boisbaudran eine bessere Beschreibung des Absorptionsspektrums des Elements geliefert habe als er.^[23] Es wird davon ausgegangen, dass Delafontaine kein reines Samarium untersucht hatte.^[19]

Lecoq de Boisbaudran untersuchte ebenso wie William Crookes das Samarium genauer und fand Spektrallinien, die auf ein weiteres, unbekanntes Element hindeuteten. Dies konnte 1901 Eugène-Anatole Demarçay bestätigen, der das neue Element Europium nannte.^[24][25]

Wilhelm Muthmann stellte 1903 erstmals metallisches Samarium her. Dazu musste er zunächst durch fraktionierte Kristallisation Samarium von den anderen Seltenen Erden trennen. Nachdem Muthmann reines Samariumsalz erhalten hatte, konnte er ein Atomgewicht des Elementes von 151,39 (heutiger Wert: 150,36) bestimmen. Anschließend versuchte er, metallisches Samarium zu gewinnen, was durch den hohen Schmelzpunkt des Metalls erschwert wurde. Dies gelang schließlich durch Schmelzflusselektrolyse einer Mischung von Samarium- und Bariumchlorid mit Kohleelektroden bei 100 A Stromstärke. Das Metall, für das Muthmann eine Dichte von 7,7 bis 7,8 bestimmte, war allerdings nicht rein, sondern enthielt noch Kohlenstoff und 0,6 % Magnesium, das wahrscheinlich aus dem verwendeten Tiegel stammte.^[26]

Vorkommen

Samarium in Ampulle unter Argongas

Samarium kommt nicht gediegen vor. Es ist in Mineralien wie Monazit, Bastnäsit und Samarskit enthalten. Monazit enthält bis zu 1 % Samarium.

Gewinnung

Samarium wird derzeit fast ausschließlich in China gewonnen.^[27][28] In den USA ist der größte Nutzer von Samarium das Rüstungsunternehmen Lockheed Martin.^[29] Ab den 1970er Jahren bezog der Westen Samarium vor allem von einer Fabrik in La Rochelle, Frankreich.^[29] Diese Fabrik schloss 1994, auch weil sie mit der günstigeren Konkurrenz aus China nicht mithalten konnte. In China wird es vor allem in Baotou in der Inneren Mongolei gewonnen.^[29]

Darstellung

Ausgehend vom Monazit oder Bastnäsit werden Seltenerdmetalle über Ionentausch, Solvent-Extraktion oder elektrochemische Deposition aufgetrennt. In einem letzten Verfahrensschritt wird das hochreine Samariumoxid mit metallischem Lanthan zum Metall reduziert und absublimiert.

Eigenschaften

In Luft ist Samarium halbwegs beständig, es bildet eine passivierende, gelbliche Oxidschicht aus. Metallisch glänzendes Samarium entzündet sich oberhalb von 150 °C. Mit Sauerstoff reagiert es zum Sesquioxid Sm₂O₃. Mit Wasser reagiert es heftig unter Bildung von Wasserstoff und Samariumhydroxid. Die beständigste Oxidationsstufe ist wie bei allen Lanthanoiden +3.

Samarium kommt in drei Modifikationen vor. Die Umwandlungspunkte liegen bei 734 °C und 922 °C. Sm³⁺-Kationen färben wässrige Lösungen gelb.

Isotope

Es existieren vier stabile und 19 instabile, radioaktive Isotope. Die häufigsten natürlichen Isotope sind ¹⁵²Sm (26,7 %), ¹⁵⁴Sm (22,7 %) und ¹⁴⁷Sm (15 %).

Die Halbwertszeit von Samarium-146 wurde auf 92 ± 2,9 Millionen Jahre bestimmt.^[30][31] Gem. Medienmitteilung vom Paul Scherrer Institut im August 2024 wurde die Halbwertszeit noch präziser bestimmt. Sie beträgt 92 ± 2,6 Millionen Jahre.^[32] Die Halbwertszeit von Samarium-146 wurde in einem präzisen Experiment ermittelt, das sich in drei Hauptschritte gliedert.^[32] Zuerst wurde eine hochreine Samarium-146-Probe hergestellt, indem Tantal-Proben an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle bestrahlt und anschließend chemisch gereinigt wurden.^[32] Dann wurde die Aktivität der Probe gemessen, indem sie in einem exakt kalibrierten Detektor platziert wurde, um die Alpha-Zerfälle zu zählen.^[32] Schließlich wurde die Anzahl der Samarium-146-Atome durch Massenspektrometrie bestimmt.^[32] Diese Kombination erlaubte es, die Halbwertszeit einigermaßen exakt festzulegen.

Verwendung

• Zusammen mit anderen Seltenerdmetallen für Kohle-Lichtbogenlampen für Filmvorführanlagen.
• Dotieren von Calciumfluorid-Einkristallen für Maser und Laser.
• Wegen seines großen Wirkungsquerschnitts für thermische und epithermische Neutronen wird Samarium als Neutronen-Absorber in nuklearen Anwendungen verwendet. Da Sm‑149 auch als Spaltprodukt entsteht, ist es ein unvermeidbares Neutronengift in Kernreaktoren.
• Samarium-Cobalt-Magnete:
  Permanentmagnete aus SmCo₅ weisen einen hohen Widerstand gegen Entmagnetisierung auf sowie eine Koerzitivfeldstärke von bis zu 2200 kA/m. Die verbesserte Legierung Sm₂Co₁₇ ist in der Herstellung aufwendiger, weist aber höhere magnetische Eigenschaften und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf.
  Verwendung finden sie in Schrittmotoren für Quarzuhren, Antriebsmotoren in Kleinsttonbandgeräten (Walkman, Diktiergeräten), Kopfhörern, Sensoren, Kupplungen in Rührwerken und Festplattenlaufwerken. Als gewichtssparende Magnetwerkstoffe werden sie auch in der Luft- und Raumfahrt verwendet.
• Samariumoxid wird optischem Glas zur Absorption von infrarotem Licht zugesetzt.
• Samariumverbindungen werden zur Sensibilisierung von (Leucht‑)Phosphor für Bestrahlung mit infrarotem Licht genutzt.
• Als Katalysator; Samariumoxid katalysiert die Hydrierung und Dehydrierung von Ethanol (Alkohol).
• Verbindungen mit Samarium in der weniger günstigen Oxidationsstufe +2 (insbesondere Samarium(II)-iodid und Samarium(II)-bromid) finden Anwendung in der organischen Synthese (Reduktionsmittel und Ein-Elektronen-Transferreagenz, z. B. samariumvermittelte Pinakol-Kupplungen).
• In Verbindung mit dem Radiopharmakon Ethylendiamintetra(methylenphosphonsäure) in der Nuklearmedizin zur palliativen Therapie von Knochen- und Skelettmetastasen.
• In der Medizin wird das Isotop Sm‑153 in Verbindung mit einem Bisphosphonat (Lexidronam) zur Behandlung von Knochenschmerzen bei Krebserkrankungen eingesetzt (Radionuklidtherapie bei Knochenmetastasen).

Verbindungen

• Samarium(III)-oxid Sm₂O₃

• Samarium(III)-fluorid SmF₃
• Samarium(III)-chlorid SmCl₃
• Samarium(II)-bromid SmBr₂
• Samarium(III)-bromid SmBr₃
• Samarium(II)-iodid SmI₂
• Samarium(III)-iodid SmI₃

• Samarium(III)-sulfat Sm₂(SO₄)₃

• Samarium-Cobalt Legierung, zum Beispiel SmCo₅ und Sm₂Co₁₇
• Samarium-153-EDTMP Samarium-Ethylendiamintetramethylen-Phosphonat

Weblinks

Commons: Samarium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Samarium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eintrag zu Samarium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.