Введение
Европий — химический элемент с символом Eu и атомным номером 63. Европий — серебристо-белый металл из серии лантаноидов, который легко реагирует с воздухом, образуя тёмный оксидный налёт. Он является наиболее химически активным, наименее плотным и самым мягким из лантаноидов. Он достаточно мягок, чтобы его можно было резать ножом. Европий был выделен в 1901 году и назван в честь континента Европа. Обычно европий проявляет степень окисления +3, как и другие элементы лантаноидной серии, но также распространены соединения со степенью окисления +2. Все соединения европия со степенью окисления +2 обладают слабыми восстановительными свойствами. Европий не играет значительной биологической роли и относительно нетоксичен по сравнению с другими тяжелыми металлами. Большинство применений европия основаны на использовании фосфоресценции соединений европия. Европий — один из самых редких редкоземельных элементов на Земле.
Этимология
Его открыватель, Эжен Анатоль Демарчай, назвал элемент в честь континента Европа.
Физические свойства
Европий — это ковкий металл с твердостью, сходной с твердостью свинца. Он кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке. Однако экспериментальные данные, на которых основано это утверждение, были поставлены под сомнение, а статья, сообщающая о сверхпроводимости, впоследствии была отозвана. Если европий становится сверхпроводником, то, как считается, это происходит потому, что в металлическом состоянии он двухвалентен и под воздействием давления переходит в трехвалентное состояние. В двухвалентном состоянии сильный локальный магнитный момент (возникающий из-за полного электронного углового момента J = 7/2) подавляет сверхпроводимость, которая индуцируется путем устранения этого локального момента (J = 0 в Eu3+).
ЕС (II) против ЕС (III)
Хотя европий обычно проявляет трехвалентность, он легко образует двувалентные соединения. Это поведение нетипично для большинства лантаноидов, которые почти исключительно образуют соединения с окислительным состоянием +3. Двувалентное состояние имеет электронную конфигурацию 4f7, поскольку полузаполненная f-оболочка обеспечивает большую стабильность. По размеру и координационному числу европий(II) и барий(II) схожи. Сульфаты как бария, так и европия(II) также малорастворимы в воде. Двувалентный европий является мягким восстановителем, окисляясь на воздухе до соединений Eu(III). В анаэробных, и особенно в геотермальных условиях, двувалентная форма достаточно стабильна, чтобы включаться в минералы кальция и других щелочноземельных элементов. Этот процесс ионного обмена лежит в основе "отрицательной европиевой аномалии" – низкого содержания европия во многих лантаноидных минералах, таких как моназит, по сравнению с хондритовым содержанием. Бастнезит обычно демонстрирует меньшую отрицательную европиевую аномалию, чем моназит, и поэтому является основным источником европия в настоящее время. Разработка простых методов разделения двувалентного европия от других (трехвалентных) лантаноидов сделала европий доступным даже при его низкой концентрации, что обычно и наблюдается.
Изотопы
Естественно встречающийся европий состоит из двух изотопов, 151Eu и 153Eu, которые встречаются почти в равных пропорциях; 153Eu немного более распространен (52,2% естественной распространенности). В то время как 153Eu стабилен, в 2007 году было обнаружено, что 151Eu нестабилен и подвергается альфа-распаду с периодом полураспада 5 лет, что соответствует примерно одному альфа-распаду в две минуты на каждый килограмм природного европия. Это значение находится в разумном согласии с теоретическими предсказаниями. Помимо природного радиоизотопа 151Eu, было охарактеризовано 35 искусственных радиоизотопов, наиболее стабильными из которых являются 150Eu с периодом полураспада 36,9 года, 152Eu с периодом полураспада 13,516 года и 154Eu с периодом полураспада 8,593 года. Все остальные радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4,7612 лет, а большинство из них – менее 12,2 секунд; известные изотопы европия варьируются от 130Eu до 170Eu. Этот элемент также имеет 17 метастабильных состояний, наиболее стабильными из которых являются 150mEu (t1/2=12,8 часов), 152m1Eu (t1/2=9,3116 часов) и 152m2Eu (t1/2=96 минут). Основным способом распада для изотопов с массовым числом меньше 153 является захват электронов, а для более тяжелых изотопов – бета-минус распад. Основными продуктами распада до 153Eu являются изотопы самария (Sm), а после – изотопы гадолиния (Gd). Большее количество 154Eu образуется в результате нейтронной активации значительной части нерадиоактивного 153Eu; однако, большая его часть впоследствии превращается в 155Eu. 155Eu (период полураспада 4,7612 года) имеет долю деления 330 частей на миллион (ppm) при делении урана-235 тепловыми нейтронами; большая его часть трансмутируется в нерадиоактивный и не поглощающий гадолиний-156 к концу выгорания топлива. В целом, европий уступает цезию-137 и стронцию-90 по степени радиационной опасности, а самарию и другим элементам – по способности поглощать нейтроны.
Возникновение
Европий не встречается в природе в свободном состоянии. Многие минералы содержат европий, основными источниками которого являются бастназит, моназит, ксенотим и лопарит (Ce). Минералов с преобладанием европия пока не известно, хотя была обнаружена единственная крошечная возможная фаза системы Eu–O или Eu–O–C в реголите Луны. Обеднение или обогащение минералов европием относительно других редкоземельных элементов известно как европиевая аномалия. Европий обычно включают в исследования микроэлементов в геохимии и петрологии для понимания процессов формирования магматических пород (пород, образовавшихся в результате охлаждения магмы или лавы). Характер обнаруженной европиевой аномалии помогает реконструировать взаимосвязи в серии магматических пород. Средняя концентрация европия в земной коре составляет 2 ppm; значения для менее распространенных элементов могут варьироваться в зависимости от местоположения на несколько порядков. Дивалентный европий (Eu2+) в небольших количествах является активатором яркой синей флуоресценции некоторых образцов минерала фторита (CaF2). Переход из Eu3+ в Eu2+ индуцируется облучением энергичными частицами. Наиболее известные примеры этого наблюдались в окрестностях Уэрдейла и прилегающих районах северной Англии; именно флюорит, найденный здесь, дал название явлению флуоресценции в 1852 году, хотя было установлено, что европий является причиной лишь значительно позже. В астрофизике, наличие европия в звездных спектрах может использоваться для классификации звезд и уточнения теорий о том, как и где сформировалась конкретная звезда. Например, в 2019 году астрономы обнаружили повышенный уровень европия в звезде J1124+4535, предположив, что эта звезда образовалась в карликовой галактике, столкнувшейся с Млечным Путем миллиарды лет назад.
Производство
Европий ассоциируется с другими редкоземельными элементами и, следовательно, добывается вместе с ними. Разделение редкоземельных элементов происходит на последующих стадиях переработки. Редкоземельные элементы встречаются в минералах бастназите, лопарите (Ce), ксенотиме и моназите в разрабатываемых объемах. Бастназит представляет собой группу родственных фторкарбонатов, Ln(CO3)(F,OH). Моназит – это группа родственных ортофосфатных минералов (Ln обозначает смесь всех лантаноидов, кроме прометия), лопарит (Ce) – оксид, а ксенотим – ортофосфат (Y,Yb,Er,)PO4. Моназит также содержит торий и иттрий, что усложняет обращение с ним, поскольку торий и продукты его распада радиоактивны. Для извлечения из руды и выделения отдельных лантаноидов разработано несколько методов. Выбор метода зависит от концентрации и состава руды, а также от распределения отдельных лантаноидов в полученном концентрате. Обжиг руды с последующим кислотным и щелочным выщелачиванием в основном используется для получения концентрата лантаноидов. Если церий является преобладающим лантаноидом, то он превращается из церия(III) в церий(IV) и затем осаждается. Дальнейшее разделение с помощью экстракции растворителями или ионно-обменной хроматографии дает фракцию, обогащенную европием. Эта фракция восстанавливается цинком, цинковой амальгамой, электролизом или другими методами, превращающими европий(III) в европий(II). Европий(II) реагирует аналогично щелочноземельным металлам и поэтому может осаждаться в виде карбоната или соосаждаться с сульфатом бария. Металлический европий получают электролизом смеси расплавленных EuCl3 и NaCl (или CaCl2) в графитовой ячейке, служащей катодом, с использованием графита в качестве анода. В качестве побочного продукта образуется газообразный хлор. Несколько крупных месторождений производят или производили значительную часть мирового объема производства. Залежь железной руды Баян-Обо во Внутренней Монголии содержит значительное количество бастназита и моназита и, по оценкам, 36 миллионов тонн оксидов редкоземельных элементов, что делает ее крупнейшим известным месторождением. Горнодобывающие работы на месторождении Баян-Обо сделали Китай крупнейшим поставщиком редкоземельных элементов в 1990-х годах. Содержание европия составляет всего 0,2% от общего содержания редкоземельных элементов. Вторым крупным источником редкоземельных элементов в период с 1965 по закрытие в конце 1990-х годов была шахта редкоземельных элементов Маунтин-Пасс в Калифорнии. Бастназит, добываемый там, особенно богат легкими редкоземельными элементами (La, Gd, Sc и Y) и содержит всего 0,1% европия. Еще одним крупным источником редкоземельных элементов является лопарит, найденный на Кольском полуострове. Он содержит, помимо ниобия, тантала и титана, до 30% редкоземельных элементов и является крупнейшим источником этих элементов в России.
Соединения
Соединения европия, как правило, существуют в трехвалентном состоянии окисления в большинстве условий. Обычно в этих соединениях Eu(III) координирован 6–9 кислородсодержащими лигандами. Сульфаты, нитраты и хлориды Eu(III) растворимы в воде или полярных органических растворителях. Липофильные комплексы европия часто содержат лиганды, подобные ацетилацетонату, такие как EuFOD.
История
Хотя европий присутствует в большинстве минералов, содержащих другие редкие элементы, из-за сложностей в разделении элементов, элемент был выделен лишь в конце 1800-х годов. Уильям Крукc наблюдал фосфоресцирующие спектры редких элементов, включая те, которые впоследствии были отнесены к европию. Европий был впервые обнаружен в 1892 году Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном, который получил основные фракции из концентратов самария и гадолиния, содержащие спектральные линии, не объяснимые спектрами самария или гадолиния. Однако открытие европия обычно приписывают французскому химику Эжену Анатолю Демарсе, который в 1896 году заподозрил, что образцы недавно открытого элемента самария загрязнены неизвестным элементом, и которому удалось выделить его в 1901 году; он и назвал его европием. Когда в начале 1960-х годов был открыт красный фосфор на основе иттрий-ортованадата, легированный европием, и стало понятно, что он совершит революцию в индустрии цветного телевидения, среди переработчиков монацита началась борьба за ограниченные запасы европия, поскольку типичное содержание европия в монаците составляет около 0,05%. Однако месторождение бастнацита компании Molycorp на руднике Mountain Pass (Калифорния), лантаноиды которого содержали необычно высокое количество европия – 0,1%, – должно было вскоре начать работу и обеспечить достаточное количество европия для поддержания отрасли. До появления европия красный фосфор для цветного телевидения был очень слабым, и другие цвета фосфора приходилось приглушать для поддержания цветового баланса. Благодаря ярко-красному фосфору на основе европия больше не требовалось приглушать другие цвета, что позволило получить гораздо более яркое изображение на цветном телевизоре. Он читал лекции о редкоземельных элементах в 1930-х годах, когда к нему подошел пожилой господин с предложением подарить несколько фунтов оксида европия. Это было неслыханное количество для того времени, и Спеддинг не воспринял предложение всерьез. Однако по почте прибыла посылка, содержащая несколько фунтов настоящего оксида европия. Пожилым господином оказался Герберт Ньюби Маккой, разработавший известный метод очистки европия с использованием окислительно-восстановительной химии.
Приложения
По сравнению с большинством других элементов, коммерческие применения европия немногочисленны и довольно специализированы. Почти всегда используется его фосфоресценция, в окислительном состоянии +2 или +3. Он служит допантом в некоторых типах стекла для лазеров и других оптоэлектронных устройств. Оксид европия (Eu2O3) широко применяется как красный люминофор в телевизорах и люминесцентных лампах, а также как активатор для люминофоров на основе иттрия. Цветные телевизоры содержат от 0,5 до 1 г оксида европия. В то время как трехвалентный европий обеспечивает получение красных люминофоров, люминесценция двувалентного европия сильно зависит от состава матрицы. Можно добиться излучения от ультрафиолетового до глубокого красного. Два класса люминофоров на основе европия (красный и синий), в сочетании с желто-зелеными люминофорами тербия, дают «белый» свет, цветовая температура которого может изменяться путем регулирования пропорций или конкретного состава отдельных люминофоров. Эта люминофорная система обычно встречается в спиральных энергосберегающих лампах. Комбинирование этих же трех классов является одним из способов создания трихроматических систем в экранах телевизоров и компьютеров. Флуоресценция европия используется для изучения биомолекулярных взаимодействий при скрининге лекарственных препаратов. Она также применяется в антиконтрафактных люминофорах на евробанкнотах. Применение, которое практически устарело с появлением доступных сверхпроводящих магнитов, – это использование комплексов европия, таких как Eu(fod)3, в качестве сдвигающих реагентов в ЯМР-спектроскопии. Хиральные сдвигающие реагенты, такие как Eu(hfc)3, по-прежнему используются для определения энантиомерной чистоты.
Меры предосторожности
Нет четких указаний на то, что европий особенно токсичен по сравнению с другими тяжелыми металлами. Токсичность хлорида европия, нитрата и оксида была изучена: для хлорида европия острая интраперитонеальная LD50 составляет 550 мг/кг, а острая пероральная LD50 – 5000 мг/кг. Для нитрата европия острая интраперитонеальная LD50 несколько выше – 320 мг/кг, в то время как пероральная токсичность превышает 5000 мг/кг. Металлическая пыль представляет опасность возникновения пожара и взрыва.