Кіріспе

Еуропий – химиялық элемент, символы Eu, атомдық нөмірі 63. Еуропий – лантаноидтар қатарына жататын күміс түсті ақ металл, ол ауамен жылдам әрекеттесіп, қара түсті тотық қабатын түзетін болады. Бұл лантаноид элементтерінің арасында ең жоғары химиялық белсенділігі бар, ең аз тығыздығы бар және ең жұмсақ элемент. Ол пышақпен кесілуге дейін жұмсақ. Еуропий 1901 жылы бөлініп алынған және Еуропа құрлығының құрметіне аталған. Еуропий көбінесе лантаноидтар қатарының басқа элементтері сияқты +3 тотығу күйінде болады, бірақ +2 тотығу күйі бар қосылыстар да кең таралған. +2 тотығу дәрежесіндегі барлық еуропий қосылыстары аздап тотығуға бейім. Еуропийдің организмде маңызды рөлі жоқ және басқа ауыр металдармен салыстырғанда салыстырмалы түрде аз улы. Еуропийдің көптеген қолданылуы еуропий қосылыстарының люминесценция қасиетіне негізделген. Еуропий – Жер бетіндегі сирек кездесетін жер сіңіргіш элементтердің ең сирегінің бірі.

Этимология

Еуропа құрлығының құрметіне осы элементті ашқан Эвген Анатоль Демаршай оған Еуропа деп ат қойды.

Физикалық қасиеттері

Еуропий – қорғасынға ұқсас қаттылығы бар, соққыға төзімді металл. Ол денеорталық кубикалық торда кристалданады. Дегенмен, осы мәлімдемені негіздеген тәжірибелік деректер күмәндану тудырды, ал суперөткізгіштік туралы хабарлаған мақала кейіннен қайтарылып алынды. Егер ол суперөткізгішке айналса, онда еуропий металл күйінде еківалентті болып, сыртқы қысымның әсерінен үшвалентті күйге өтеді деп саналады. Еківалентті күйдегі күшті жергілікті магниттік момент (жалпы электрондық бұрыштық импульстан туындаған J = 7/2) суперөткізгіштікке кедерілді етеді, ал осы жергілікті моментті жою арқылы (Eu3+ үшін J = 0) суперөткізгіштік пайда болады.

ЕО (II) мен ЕО (III)

Әдетте үш валентті болса да, европий екі валентті қосылыстарды оңай түзеді. Бұл мінез-құлық көптеген лантаноидтар үшін ерекше, олар дерлік толығымен +3 тотығу күйіндегі қосылыстарды құрайды. +2 күйінде электрондық конфигурациясы 4f7 болады, себебі жартылай толтырылған f қабығы көбірек тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Мөлшері және координациялық саны тұрғысынан европий(II) және барий(II) ұқсас. Барийдің де, европий(II) сульфаттары да суда өте нашар ериді. Екі валентті европий – жұмсақ тотықтырғыш, ауада тотығып Eu(III) қосылыстарын түзетін зат. Анаэробтық, әсіресе геотермиялық жағдайларда екі валентті форма жеткілікті тұрақты болғандықтан, кальций және басқа сілтілік жерлердің минералдарына енгізіледі. Бұл ион алмасу процесі "теріс европий аномалиясының" негізі болып табылады, яғни монозит сияқты көптеген лантаноид минералдарында хондриттік мөлшерге қарағанда европийдің төменгі құрамы. Бастназит, монозиттен қарағанда, теріс европий аномалиясын аз көрсетеді, сондықтан қазіргі күні европийдің негізгі көзі болып табылады. Екі валентті европийді басқа (үш валентті) лантаноидтардан бөлудің оңай әдістерін жасау, европийдің әдеттегідей төмен концентрацияда болған жағдайда да қолжетімді болуын қамтамасыз етті.

Изотоптар

Табиғи түрде кездесетін европий екі изотоптан тұрады: 151Eu және 153Eu, олар шамамен бірдей пропорцияда кездеседі; 153Eu сәл көп (табиғи молдығы 52,2%). 153Eu тұрақты болса, 2007 жылы 151Eu альфа-ыдырау арқылы тұрақсыз екені анықталды, оның жартылай ыдырау мерзімі 5 жылды құрайды, бұл табиғи европийдің әр килограмында екі минут сайын бір альфа-ыдырауға алып келеді. Бұл мән теориялық болжамдармен үлкен дәрежеде сәйкес келеді. Табиғи радиоизотоп 151Eu-дан басқа 35 жасанды радиоизотоп сипатталған, олардың ең тұрақтылары: 150Eu (жартылай ыдырау мерзімі 36,9 жыл), 152Eu (жартылай ыдырау мерзімі 13,516 жыл) және 154Eu (жартылай ыдырау мерзімі 8,593 жыл). Қалған радиоактивті изотоптардың жартылай ыдырау мерзімі 4,7612 жылдан қысқа, ал көпшілігі 12,2 секундтан да қысқа; европийдің белгілі изотоптары 130Eu-ден 170Eu-ға дейін ауытқиды. Бұл элементтің сондай-ақ 17 мета-күйі бар, ең тұрақтылары: 150mEu (t1/2=12,8 сағат), 152m1Eu (t1/2=9,3116 сағат) және 152m2Eu (t1/2=96 минут). 153Eu-дан жеңіл изотоптардың негізгі ыдырау түрі – электронды ұстап алу, ал ауыр изотоптар үшін – бета-минус ыдырау. 153Eu-ға дейінгі негізгі ыдырау өнімдері – самарий (Sm) изотоптары, ал одан кейінгі негізгі өнімдері – гадолиний (Gd) изотоптары. 154Eu-дың көп бөлігі радиоактивті емес 153Eu-дың маңызды бөлігін нейтрондық активациялау арқылы түзіледі; алайда, оның көп бөлігі 155Eu-ға айналады. 155Eu (жартылай ыдырау мерзімі 4,7612 жыл) уран-235 және термиялық нейтрондар үшін 330 миллионнан бір бөлік (ppm) бөліну өнімділігіне ие; оның көп бөлігі отынның толық жануының соңында радиоактивті емес және сіңірмейтін гадолиний-156-ға айналады. Жалпы алғанда, европий радиациялық қауіп тұрғысынан цезий-137 және стронций-90-нан, ал нейтрондық у ретінде самарий және басқалардан қалып қояды.

Пайда болуы

Еуропий табиғатта еркін элемент түрінде кездеспейді. Көптеген минералдардың құрамында европий болады, оның ең маңызды көздері – бастназит, моназит, ксенотим және лопарит (Ce). Айдың реголитіндегі бір ғана шағын Eu–O немесе Eu–O–C жүйелік фазасының табылуына қарамастан, қазірге дейін европийге толыққанды басымдық беретін минералдар белгілі емес. Минералдардағы европийдің басқа сирек кездесетін элементтерге қатысты азаюы немесе артуы – европий аномалиясы деп аталады. Геохимия және петрологиядағы іздік элементтерді зерттеуде европий жиі қолданылады, бұл магмалық тау жыныстарын (магмадан немесе лавадан салқындаған тау жыныстары) қалыптастыратын процестерді түсінуге көмектеседі. Табылған европий аномалиясының сипаты магмалық тау жыныстарының жиынтығындағы байланыстарды анықтауға мүмкіндік береді. Еуропийдің қыртыстағы орташа мөлшері 2 ppm құрайды; сирек кездесетін элементтердің көрсеткіштері орналасқан жерге байланысты бірнеше есе өзгеруі мүмкін. Аз мөлшердегі дивалентті европий (Eu2+) минерал флюориттің (CaF2) кейбір үлгілерінің жарқын көк түсті флуоресценциясын тудырады. Eu3+ ионынан Eu2+ ионына дейінгі тотығу, жоғас энергиялы бөлшектермен сәулелендіру нәтижесінде жүзеге асады. Мұндай құбылыстың ең айқын мысалдары Уэрдейл және Солтүстік Англияның іргелес аймақтарында кездеседі. Дәл осы жерде табылған флюорит 1852 жылы флуоресценция деп аталуына себеп болды, бірақ европий оның себебі екені көп уақыттан кейін ғана анықталды. Астрофизикада европийдің жұлдыз спектрлеріндегі белгісі жұлдыздарды жіктеуге және нақты жұлдыздың қалай және қайда пайда болғаны туралы теорияларды дамытуға пайдаланылады. Мысалы, 2019 жылы астрономдар J1124+4535 жұлдызында күтілгеннен жоғары европий деңгейін анықтады, бұл жұлдыздың миллиардтаған жылдар бұрын Галактикамен соқтығысқан эллипс галактикасында пайда болғанын болжады.

Өндіріс

Еуропий басқа сирек кездесетін элементтермен байланысты, сондықтан олармен бірге қазылады. Сирек кездесетін элементтер кейінгі өңдеу кезінде бөлінеді. Сирек кездесетін элементтер бастназит, лопарит (Ce), ксенотим және моназит минералдарында кендік мөлшерде кездеседі. Бастназит – туысқан фторкарбонаттар тобы, Ln(CO3)(F,OH). Моназит – ортофосфат минералдарының туысқан тобы (Ln – прометийден басқа барлық лантаноидтардың қоспасын білдіреді), лопарит (Ce) – оксид, ал ксенотим – ортофосфат (Y,Yb,Er,)PO4. Моназит сонымен қатар торий мен иттрийді де қамтиды, бұл торий мен оның ыдырау өнімдерінің радиоактивті болуына байланысты өңдеуді қиындатады. Кеннен алу және жеке лантаноидтарды бөліп алу үшін бірнеше әдіс әзірленген. Әдіс таңдау кеннің концентрациясы мен құрамына, сондай-ақ алынған концентраттағы жеке лантаноидтардың таралуына негізделген. Кенді қыздыру, содан кейін қышқылдық және сілтілік лизинг әдетте лантаноидтар концентратын өндіру үшін қолданылады. Егер церий басым лантаноид болса, онда ол Ce(III) күйінен Ce(IV) күйіне түрлендіріліп, содан кейін тұншықтырылады. Еріткіш экстракциясы немесе ион алмасу хроматографиясы еуропийге байытылған фракцияны береді. Бұл фракция цинк, цинк/амальгама, электролиз немесе басқа әдістермен еуропий(III) күйін еуропий(II) күйіне дейін тотықсыздандырылады. Еуропий(II) сілтілік жер металдарына ұқсас реакцияға түседі, сондықтан ол карбонат түрінде немесе барий сульфатымен бірге тұншықтырылуы мүмкін. Еуропий металлы балқыған EuCl3 және NaCl (немесе CaCl2) қоспасының электролизі арқылы, графит катодты және графит анодты пайдалана отырып алынады. Екінші өнім – хлор газы. Бірнеше ірі кен орындары әлемдік өндірістің маңызды бөлігін құрайды немесе құрады. Ішкі Монголиядағы Баян-Обо темір кен орны бастназит пен моназиттің маңызды мөлшерін қамтиды және шамамен 36 миллион тонна сирек кездесетін элементтер оксидтерімен ең үлкен белгілі кен орны болып табылады. Баян-Обо кен орнындағы тау-кен жұмыстары 1990-шы жылдары Қытайды сирек кездесетін элементтерді жеткізушілердің ішіндегі ең ірісіне айналдырды. Сирек кездесетін элементтердің жалпы мазмұнының тек 0,2% -ы еуропий құрайды. 1965 жылдан 1990-шы жылдардың соңында жабылғанға дейін сирек кездесетін элементтердің екінші ірі көзі Калифорниядағы Маунтин-Пасс сирек кездесетін элементтер кені болды. Онда өндірілетін бастназит жеңіл сирек элементтерге (La, Gd, Sc және Y) өте бай және тек 0,1% еуропий қамтиды. Сирек кездесетін элементтердің тағы бір ірі көзі – Кола түбегіндегі лопарит. Онда ниобий, тантал және титаннан басқа, 30% дейін сирек кездесетін элементтер бар және бұл Ресейдегі осы элементтердің ең ірі көзі болып табылады.

Құралымдар

Еуропий қосылыстары көп жағдайда үш валентті тотығу күйінде кездеседі. Көбінесе бұл қосылыстарда 6–9 оттегілік лигандтармен байланысқан Eu(III) болады. Eu(III) сульфаттары, нитраттары және хлоридтері суда немесе полярлы органикалық еріткіштерде ериді. Липофильді еуропий кешендерінде көбінесе ацетил ацетонаты сияқты лигандтар, мысалы, EuFOD кездеседі.

Тарих

Еуропий басқа сирек кездесетін элементтерді қамтитын минералдардың көпшілігінде кездеседі, бірақ элементтерді бөлудегі қиындықтарға байланысты, бұл элемент 1800 жылдардың соңына дейін оқшауланбады. Уильям Крукс еуропийге жатқызылғандардың ішінде, сирек кездесетін элементтердің фосфоресцентті спектрлерін байқады. Еуропийді алғаш рет 1892 жылы Поль Эмиль Лекок де Буабодран тапты, ол самарий немесе гадолинийге жатпайтын спектральдық сызықтары бар самарий-гадолиний концентраттарынан негізгі фракцияларды алды. Дегенмен, еуропийдің ашылуы көбінесе француз химигі Эжен Анатоль Демарсейге жатқызылады, ол 1896 жылы жақында ашылған самарий элементінің үлгілерінде белгісіз элементпен ластану күдігі болған және 1901 жылы оны оқшаулай алды; содан кейін ол оны еуропий деп атады. 1960 жылдардың басында еуропиймен қоспаланған иттрий ортованадатының қызыл люминофоры ашылғанда және түсті теледидар индустриясында революция жасауға дайын екені түсінілгенде, монозиттегі еуропийдің әдеттегі мөлшері шамамен 0,05% болғандықтан, монозит өңдеушілер арасында қолда бар еуропийдің шектеулі көлемі үшін бәсеке пайда болды. Алайда, Калифорниядағы Маунтин-Пасс сирек кездесетін металдар кенішіндегі Molycorp бастнезит кен орындамасы, оның лантаноидтарында еуропийдің ерекше жоғары құрамы – 0,1% болды, өндірістің қажеттілігін қамтамасыз етуге дайын тұрды. Еуропийден бұрын түсті теледидардың қызыл люминофоры өте әлсіз болды, ал түс тепе-теңдігін сақтау үшін басқа люминофорлардың түстерін сөндіру қажет болды. Керемет қызыл еуропий люминофорының арқасында басқа түстерді сөндірудің қажеті болмады, нәтижесінде түсті теледидар суреті әлдеқайда жарқын болды. 1930 жылдары ол сирек кездесетін элементтер туралы лекция оқып жатқанда, бір қарт кісі оған бірнеше фунт еуропий оксидін сыйлық ретінде ұсынды. Бұл сол кезде естімеген нәрсе болды, сондықтан Спеддинг бұл кісіге сенбеді. Бірақ пошта арқылы бірнеше фунт нағыз еуропий оксиді бар пакет келді. Сол қарт кісі Герберт Ньюби Маккой екені белгілі болды, ол еуропийді тазартудың белгілі әдісін, оның ішінде тотықсыздану-тотықтандыру химиясын қолданып әзірлеген.

Қолданбалар

Басқа элементтермен салыстырғанда, европийдің коммерциялық қолданылулары аз және арнайы. Оның фосфоресценциясы +2 немесе +3 тотығу күйінде қолданылады. Ол лазерлер мен басқа оптоэлектрондық құрылғылардағы кейбір шыны түрлерінде допант ретінде қолданылады. Еуропий оксиді (Eu2O3) теледидарлар мен люминесцентті шамдарда қызыл фосфор ретінде, ал иттрий негізіндегі фосфорлар үшін активатор ретінде кеңінен пайдаланылады. Түсті теледидар экрандарында 0,5–1 грамм еуропий оксиді болады. Трёхвалентті европий қызыл фосфор береді, ал еківалентті европийдің люминесценциясы негізгі құрылымның құрамына күшті байланысты. Көкжиектен қызылға дейін люминесценцияға қол жеткізуге болады. Еуропийге негізделген фосфордың екі класы (қызыл және көк), сары/жасыл тербий фосфорларымен біріктіріліп, «ақ» жарық береді, оның түс температурасы жеке фосфорлардың пропорциясын немесе нақты құрамын өзгерту арқылы өзгертілуі мүмкін. Бұл фосфор жүйесі әдетте спиральді люминесцентті шамдарда кездеседі. Осы үш класты біріктіру – теледидар және компьютер экрандарында трихроматикалық жүйелер жасаудың бір жолы. Еуропийдің флуоресценциясы дәрі-дәрмектерді іздеуде биомолекулалық өзара әрекеттесуді зерттеу үшін қолданылады. Ол сондай-ақ евро банкноталарындағы фальшификацияға қарсы фосфорларда қолданылады. Қолжетімді суперөткізгіш магниттердің пайда болуымен қолданысы азайған қолданыстардың бірі – еуропий кешендерін, мысалы Eu(fod)3, ЯМР спектроскопиясында ығысу реагенттері ретінде пайдалану. Энантиомерлік тазалықты анықтау үшін Eu(hfc)3 сияқты хиральды ығысу реагенттері әлі де қолданылады.

Сақтық шаралары

Еуропийдің басқа ауыр металдармен салыстырғанда ерекше улы екендігін көрсететін нақты белгілер жоқ. Еуропий хлориді, нитраты және оксиді уыттылығы бойынша тексерілген: еуропий хлоридінің 550 мг/кг дозадағы жіті ішқуыстық (интраперитонеалды) LD50 көрсеткіші бар, ал ауыз арқылы қабылдағандағы (оральды) жіті LD50 көрсеткіші 5000 мг/кг құрайды. Еуропий нитратының ішқуыстық (интраперитонеалды) LD50 көрсеткіші 320 мг/кг-ға сәл жоғары, ал ауыз арқылы қабылдағандағы көрсеткіші 5000 мг/кг-дан жоғары. Металл шаңы өрт және жарылыс қаупін тудырады.