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钐
原子序数为62的化学元素 来自维基百科，自由的百科全书
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钐是由法国化学家保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰于1879年发现的，并以其发现来源铌钇矿（Samarskite）命名。该矿物本身的名字是早先以一位俄罗斯矿务官员瓦西里-萨马尔斯基-别克霍夫茨上校（Vasili Samarsky-Bykhovets）之名所命名的，他因此间接成为第一个名字被用来命名化学元素的人。
尽管属于稀土元素的一员，钐在地壳中并不算十分稀有，它是第五丰富的镧系元素（次于铈、钕、镧和镨），也是地壳中含量第40高的元素，比锡等金属还更常见。钐在自然界中总是与其他稀土元素一同出现，主要存在于几种稀土矿物中，包括硅铈石、硅铍钇矿、铌钇矿、独居石和氟碳铈矿等，浓度最高可达2.8%，其中最后两种矿石是钐最常见的商业来源。这些矿物主要分布在中国、美国、巴西、印度、斯里兰卡和澳大利亚，中国在钐的开采和生产方面处于世界领先地位。
钐的主要商业应用是钐钴磁铁，其永久磁化强度仅次于钕磁铁；且钐的化合物可以承受较高的温度，超过700°C（1,292°F），因此钐钴磁铁的居里点较高，在高温环境下较不易失去磁性。放射性同位素钐-153是药物来昔决南钐（153Sm）（商品名：Quadramet）的活性成分，用于治疗肺癌、前列腺癌、乳腺癌和骨肉瘤，可杀死癌细胞。另一种同位素钐-149具有良好的中子吸收能力，可作为核反应堆中控制棒的材料。钐的其他应用还包括化学反应的催化剂、放射性年代测定和X射线激光器等。
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物理性质
钐是一种银白色的、中等柔软的镧系金属，硬度和密度与锌相近。钐的沸点为1794℃，在镧系元素中挥发性仅次于镱和铕，这一特性有利于将钐从矿石中分离出来。
钐在常温常压下通常呈现菱方结构（α相）。当加热到731°C时，其晶体结构变为六方最密堆积（hcp），转变温度取决于钐金属的纯度。进一步加热到922°C时，钐金属会转变为体心立方结构（bcc）。在300°C以及40kbar的压力下，钐会形成双六方最密堆积结构（dhcp）。向其施加数百或数千千巴的高压则会引起一系列的相变，特别是在约900千巴时出现四方晶系结构。[6]在一项研究中，dhcp相的钐可以在不施加压力的情况下，使用非平衡退火法让温度在400-700℃之间快速变化中产生，证实了钐元素晶体结构的瞬变特性。另外，通过气相沉积法得到的钐的薄膜在常温常压条件下可能含有hcp结构或dhcp结构。[6]
钐及其倍半氧化物在室温下具有顺磁性，对应的有效磁矩在2μB以下，是镧系（及其氧化物）中的第三低，仅次于镧和镥。在冷却到14.8 K时，金属会转变为反磁性状态。[7][8]单个钐原子可以利用富勒烯分子，将其封装并分离出来。[9]将钐原子掺杂在富勒烯固体中的C60分子间可使其在8K以下的超低温度下具有超导性。[10]此外，在铁基超导体中掺杂钐可以将其临界温度提高到56K，是迄今为止铁基超导体系列中的最高值。[11]
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化学性质
新制备的钐具有银色光泽。室温下，钐在空气中会缓慢氧化，即使保存于矿物油中，钐也会逐渐氧化，并在表面形成灰黄色的氧化物-氢氧化物混合物粉末，钐形成的氧化层不像镧、铈、镨等更轻的镧系元素一样那么疏松、容易剥落。将钐样品密封在稀有气体如氩气下，可保持其具有光泽的金属外观。钐在150℃时容易自燃。[12][13]
如同其他镧系元素，钐最寻常的氧化态为+3。钐具有相当大的电正性，能与水反应形成氢氧化钐，钐与冷水反应速度较慢，而与热水反应速度则较快。[14]反应的激烈程度远弱于镧、铈、镨、钕等较轻的镧系元素：
2 Sm (s) + 6 H2O (l) → 2 Sm(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)
钐很容易溶解在稀硫酸中，形成含有黄色[15]至淡绿色的Sm3+离子的溶液，以[Sm(OH2)9]3+配合物的形式存在：[14]
2 Sm (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Sm3+ (aq) + 3 SO42-(aq) + 3 H2 (g)
钐是少数能形成较稳定的+2氧化态的镧系元素之一，Sm2+离子在水溶液中呈血红色。[16]
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化合物
 | 此章节翻译品质不佳，原文在en:Samarium#Compounds。 |
钐最稳定的氧化物为三氧化二钐（Sm2O3）。如同许多其他的钐化合物，它存在多种结晶相。其中三方相是从熔融态缓慢冷却得到的。Sm2O3的熔点相当高（2345℃），因此通常不以直接加热来达到其熔点，而是通过一个射频线圈感应加热。Sm2O3的粉末可以经由火焰熔融法（Verneuil的过程）产生Sm2O3结晶的单斜晶的对称晶体，晶体为筒状的晶柱约数厘米长，直径大约一厘米。当晶柱是纯净的时候为透明，否则则为橙色。加热三角形的Sm2O3至1900℃，可将它转换到更稳定的单斜晶相。
钐是少数可以形成一氧化物SmO的镧系元素之一。在升高的温度（1000℃）和高于50千巴的压力下，Sm2O3的减少能得到有光泽的金黄色的化合物，降低的压力导致一个不完整的反应中得到。SmO有岩盐立方晶格结构。
钐形成三价的硫化物，硒化物，碲化物。也被称为二价硫族化合物，SmS，SMSE和SMTE为立方岩盐晶体结构。它们处于显著状态为在室温下提高压力从半导体转换到金属态。由于过渡是连续且发生在20-30千巴在SMSE和SMTE，在SmS只需要6.5千巴。这种效应会使SmS的颜色从黑色变成金黄色，其晶体薄膜被划伤或抛光。过渡不改变晶格的对称性，但结晶体积会急剧下降（〜15％），显示当压力下降，SmS返回到半导体状态时的迟滞。
金属钐与所有的卤素反应，形成三卤化反应：
2 Sm (s) + 3 X2 (g) → 2 SmX3 (s) （ X = 氯、溴或碘 ）
它们与钐、锂或钠金属在高温（约700-900℃）进行还原反应而产生的二卤化物。可以通过加热 SmI3，或在室温下金属与无水四氢呋喃中1,2 -二碘乙烷反应制备而成：
Sm (s) + ICH2-CH2I → SmI2 + CH2=CH2
除了铝二卤化物，还原反应也产生大量有明显晶体结构的非化学计量的钐卤化物，如 Sm14F33、Sm3F7、Sm27F64、Sm11Br24、Sm5Br11 和 Sm6Br13。
钐卤化物改变其晶体结构，一个类型的卤原子取代另一个，对大多数元素（例如，锕系元素）而言这是一种罕见的行为。许多卤化物的结构有两个主要的结晶相，其中之一是更稳定，另一个是亚稳态。后者的形成为先压缩或加热，然后进行骤冷至室温。例如压缩单斜晶系二碘化钐再释放压力会造成PBCL2型的斜方晶系结构（密度5.90克/厘米3）的压力的结果，在一个新的阶段三碘化钐（密度5.97克/厘米3）也有类似反应。
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在真空中，钐和氧化硼的烧结粉末含有几个钐硼化物相，混合比例可以控制它们的体积比。依赖于不同的熔点/ 结晶温度SMB （2580°C），SMB （约2300°C）和SMB 66（2150°C），特定的钐硼化物粉末可以被使用电弧或区熔技术熔化转换成较大的晶体。所有这些材料是硬，脆，暗灰色的固体与硬度随着硼含量上升而增加。钐硼化钛的挥发性过高无法使用这些方法产生，需要高压力（约65千巴）和低温1140和1240°C之间稳定其增长。温度上升使SMB6优先形成。
六硼化钐是一个典型的中间价化合物，其中Sm2+和Sm3+的比率为三比七。它属于一种近藤绝缘体，在高温下（高于50 K），它的属性是典型的近藤金属，强电子散射使其具有金属导电性，而在低温下，它表现为具有窄约4-14毫电子伏特带隙的非磁性的绝缘层。SmB6伴随着由热导率急剧增加使冷却引起的金属-绝缘体转变，峰值在约15 K，增加的原因是电子低温下无助于热导率，使占主导地位的电子浓度的减少降低电子-声子散射率。
一项新的研究指出，它可能是一个拓扑绝缘体。
钐碳化物是在惰性气氛中通过熔化金属石墨的混合物制备而来。合成后它们在空气中不稳定，需在稀有气体下进行研究。钐monophosphide SMP是为1.10电子伏特带隙的半导体，和硅相同，且硅为高导电性的n-型半导体。它可以在1100℃下热处理含有磷和钐的混合粉末的真空石英安瓿制备而来。磷在高温下具有高挥发性，有可能发生爆炸，所以加热速率要保持在低于1℃/分钟。类似的程序被采用在SMAS的monarsenide，但合成温度高于1800℃。
大量的结晶性二元化合物是钐和一个基团-4，5或6的元素X形成，其中X是硅，锗，锡，铅，锑，钐和金属合金形成另一个大型基。它们都从何相应元素的混合粉末热处理制备而来。所得到的化合物是许多非化学计量的，有标称组合物的Sm a X b ，其中b / a的比率变化范围在0.5和3之间。
钐形成一个基环戊二烯的Sm（C5H5）3和chloroderivatives的Sm（C5H5）2Cl和2Sm（C5H5）Cl。氯。它们是三氯化钛与四氢呋喃中的NAC5H5反应制备来。和大多数其它镧系元素的环戊二烯相反，在Sm（C5H5）3中，一些C5H5彼此环桥形成环的顶点η1或边缘η2朝向另一个相邻钐原子，产生聚合链。chloroderivative的Sm（C5H5）2Cl具有二聚体结构更精确地表示为(η5- C5H5)2Sm(µ-Cl)2(η5 -C5H5)2。在那里氯桥可以被更换，例如，碘，氢或氮的原子或CN基团。
钐环戊二烯中（C5H5）-离子可以被indenide（C9H7）-或环戊二烯（C8H8）2-环替代，产生Sm（C9H7）3或KSM（η8-C8H8）2。后者的化合物uranocene具有相似的结构。也有一个二价钐的环戊二烯，Sm（C5H5）2-固体，在约85℃下升华，和二茂铁相反，在Sm（C5H5）中2C5H5的环是不平行的，但倾斜40°。
钐的烷基和芳基在在四氢呋喃或乙醚中分解反应得到：
Sm(OR)3 + 3 LiCH(SiMe3)2 → Sm{CH(SiMe3)2}3 + 3 LiOR
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同位素
天然存在的钐由七种同位素组成，分别是稳定的144Sm、149Sm、150Sm、152Sm、154Sm和长寿命的原始放射性核素147Sm（半衰期1.06×1011年）、148Sm（半衰期6.3×1015年）。其中，152Sm是最常见的，占了天然钐的26.75%。[38]天然钐的放射性活度约为127Bq/g，主要是由其中147Sm的衰变造成的。[39]
除了以上7种天然同位素外，钐还有31种人工合成的放射性同位素，其中寿命最长的是146Sm，半衰期长达9.20×107年[5]，但仍远短于地球的年龄，因此至今已衰变殆尽，为一绝迹放射性核素。完全由人工合成产生的钐同位素中，最长寿的是151Sm（半衰期88.8年）和145Sm（半衰期340天）。其余放射性同位素的半衰期都短于2天，大部分低于48秒。钐还有12个已知的核同质异能素，其中较稳定的有141mSm（半衰期22.6分钟）、143m1Sm（半衰期66秒）和149mSm（半衰期约10.7秒）。[38]
钐的放射性同位素中，最长寿的146Sm、147Sm和148Sm主要发生α衰变形成钕的同位素，比三者轻的放射性同位素主要发生电子俘获衰变成钷的同位素，而较重的放射性同位素主要发生β衰变形成铕的同位素。[38]
147Sm α衰变为143Nd的半衰期为1.06×1011年，可用于测定岩石和陨石年龄，称作钐–钕定年法。
值得一提的是，理论计算显示五种稳定的钐同位素都可以衰变成钕或钆的同位素，然而其衰变现象从来都没有被科学家实际观测到过。以下列出这五种同位素的预估衰变模式以及测得的半衰期下限：
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存在和生产
尽管属于稀土元素的一员，钐在地壳中并不算特别稀有的元素，平均浓度约为8ppm，在地壳中的元素丰度排名为第40位，是第五丰富的镧系元素和第七丰富的稀土元素。虽然钐在轻镧系元素中属于丰度较低者，但其丰度仍高于所有重镧系元素，也比锡（2.1ppm）等常见金属来得高。[12]
土壤中钐的浓度介于2到23ppm之间，海洋中的钐含量则约为0.5至0.8ppm。[12]钐在土壤中的分布非常不均匀，其丰度很大程度上取决于土壤中的化学状态。在沙质土壤中，土壤颗粒表面的钐浓度比颗粒间水分中的钐浓度高了约200倍。在黏土中，该比例甚至可以超过1000倍。[42]
钐在自然界中并不以电离的纯元素态存在，而是与其他稀土金属一同出现在独居石、氟碳铈矿、铈硅石、硅铍钇矿和铌钇矿等稀土矿物中，其中独居石和氟碳铈矿是钐最主要的商业开采来源，独居石中钐的浓度可高达2.8%之多。[13]钐在稀土矿物中总是做为次要成分存在，以钐占主导地位的矿物非常罕见，例如钐独居石和磷铝钐石等。[43][44][45][46]
全世界钐的储量估计约为200万吨。钐的主要矿区位于中国、美国、巴西、印度、斯里兰卡和澳大利亚，年产量约700吨。[12]中国是迄今为止稀土产量最高的国家，每年开采约12万吨的稀土，其次是美国（约5000吨）[42]和印度（2700吨）。[47]钐通常以氧化物的形式出售，价格约为30美元/公斤，是最便宜的镧系氧化物之一。[48]
虽然混合稀土金属（含有约1%的钐）在工业上的应用已久，但直到最近人们才通过离子交换工艺、溶剂萃取技术和电化学沉积法分离出纯度相对较高的钐。钐金属通常是透过电解氯化钐(III)与氯化钠或氯化钙的熔融混合物来制备。也可以透过以镧还原氧化钐来获得钐，然后将产物蒸馏以分离钐（沸点1794°C）和镧（沸点3464°C）。[49]
放射性同位素钐-151主要由铀的核分裂所产生，约占铀的所有裂变产物中的0.4%。它也可由钐-149俘获中子而生成，而钐-149常被用作核反应堆控制棒的材料，用于吸收多余的中子。因此，钐-151存在于乏核燃料和放射性废料中。[42]
应用
钐最重要的用途是制造钐钴磁铁——一种高强度的永久磁铁的合金材料。钐钴磁铁依照其中钐原子和钴原子的比例分为SmCo5和Sm2Co17两种，具有很高的永久磁化强度，约为铁的10000倍，在磁性物质中仅次于钕磁铁。但钐钴磁铁具有较高的居里温度，抵抗退磁的能力较佳，在700°C以上的高温下仍能维持稳定的磁性，而钕磁铁在温度超过300–400°C时就会失去磁性，应用于汽车马达和发电机等中的钕磁铁必须添加铽和镝等重稀土元素来提高其矫顽力，改善耐热性能，但也造成价格更为昂贵。[50]钐钴磁铁应用于入耳式耳机、吉他和低音吉他拾音器、涡轮机及压缩机等产品中。[12]
钐及其化合物的另一个重要用途是作为催化剂和化学试剂。钐化合物催化剂能加速塑料的分解、多氯联苯等污染物的脱氯过程以及乙醇的脱水和脱氢。[13]三氟甲磺酸钐（Sm(OTf)3，即Sm(CF3SO3)3）是促进卤素与烯烃进行傅-克反应的最有效的路易斯酸催化剂之一。[51]碘化钐(II)是有机合成领域中非常常见的还原剂和偶合剂，例如去磺酰化反应、增环反应、丹尼谢夫斯基、向山光昭、桑嶋功和霍尔顿等紫杉醇全合成、士的宁全合成、巴比耶反应和其他碘化钐(II)的还原反应。[52]
氧化钐被添加到陶瓷和玻璃中，能增加其对红外线的吸收量。[12][13]
钐是混合稀土金属的次要成分，用作许多打火机和手电筒的发火装置之材料。[12][13]
人造放射性同位素钐-153是一种β放射源，半衰期为46.3小时。在医疗领域中用于杀死肺癌、前列腺癌、乳腺癌和骨肉瘤的癌细胞。钐-153通常与乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMP）盐螯合后进行静脉注射。螯合能防止放射性的钐-153在人体内积累，以免其过度辐射、促成新癌细胞的生成。相对应的药物有多个名称，例如来昔决南钐（153Sm）（商品名：Quadramet）等。[53][54][55]
钐-149具有很高的中子俘获截面（41000靶恩），是核反应堆控制棒的理想材料。与硼和镉等主流材料相比，钐-149的优势在于其吸收中子的稳定性——大多数钐-149的融合和衰变产物是钐的其他同位素，而它们也是很好的中子吸收剂。例如钐-151的横截面为15000靶恩，钐-150、钐-152和钐-153的截面为数百靶恩，而由多种同位素混合组成的天然钐的截面约为6800靶恩。[13][42][56]由于其大中子吸收截面，在核反应堆的衰变产物中，钐-149被认为是继氙-135之后第二重要的中子毒物，是反应堆的设计和运行中重要的考量因素。[57]
生物作用
如同其他稀土元素，钐在人体内没有已知的生物作用，但其毒性也并不高。钐盐会刺激新陈代谢，但目前尚不清楚此现象是由钐还是与钐伴生的其他镧系元素所导致。成人体内约含有50微克的钐，主要存在于肝脏和肾脏中，溶解在血液中的钐浓度约为8μg/L。植物体吸收的钐含量一般微小到无法测得，因此通常不是人类饮食的一部分。然而，一些植物和蔬菜的钐浓度可能高达百万分之一。不溶性的钐盐是无毒的，可溶性钐盐则只有微毒。[12]
钐被摄入体内时，只有约0.05%的钐盐会被吸收到血液中，其余的则被排出体外。血液中的钐约有45%进入肝脏，而45%沉积在骨骼表面，并存留约10年；剩余的10%则被排泄出体外。[42]
参考资料
外部链接
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