Введение

Самарий – химический элемент с символом Sm и атомным номером 62. Это умеренно твердый серебристый металл, медленно окисляющийся на воздухе. Являясь типичным представителем ряда лантаноидов, самарий обычно проявляет степень окисления +3. Также известны соединения самария(II), в частности монооксид SmO, монохалькогениды SmS, SmSe и SmTe, а также йодид самария(II). Открытый в 1879 году французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном, самарий был назван в честь минерала самарскита, из которого он был выделен. Минерал, в свою очередь, получил название в честь русского горного чиновника, полковника Василия Самарского-Быховца, который таким образом стал первым человеком, в честь которого (хотя и косвенно) был назван химический элемент. Самарий содержится в концентрациях до 2,8% в различных минералах, включая церит, гадолинит, самарскит, моназит и бастназит, причем последние два являются наиболее распространенными коммерческими источниками этого элемента. Основные месторождения этих минералов находятся в Китае, США, Бразилии, Индии, Шри-Ланке и Австралии; Китай является безусловным лидером в добыче и производстве самария. Основное коммерческое применение самария – в самарий-кобальтовых магнитах, обладающих остаточной намагниченностью, уступающей только неодимовым магнитам; однако соединения самария способны выдерживать значительно более высокие температуры, свыше 700 °C (1292 °F), без потери своих постоянных магнитных свойств. Радиоизотоп самарий-153 является активным компонентом препарата самарий(153Sm) лексидронам (Quadramet), используемого для уничтожения раковых клеток при раке легких, раке предстательной железы, раке молочной железы и остеосаркоме. Другой изотоп, самарий-149, является эффективным поглотителем нейтронов и добавляется в управляющие стержни ядерных реакторов. Он также образуется как продукт распада в процессе работы реактора и является одним из важных факторов, учитываемых при проектировании и эксплуатации реактора. Другие области применения самария включают катализ химических реакций, радиоактивное датирование и создание рентгеновских лазеров. Йодид самария(II), в частности, широко используется в качестве восстановителя в химическом синтезе. Самарий не играет биологической роли; некоторые соли самария обладают слабой токсичностью. В обычных условиях самарий имеет ромбоэдрическую структуру (α-форма). При нагревании до 731 °C (1348 °F) его кристаллическая симметрия изменяется на гексагональную плотноупакованную (hcp), при этом температура перехода зависит от чистоты металла. Дальнейший нагрев до 922 °C (1692 °F) приводит к превращению металла в кубическую гранецентрированную (bcc) фазу. Нагрев до 300 °C (572 °F) в сочетании со сжатием до 40 кбар приводит к образованию двойной гексагональной плотноупакованной структуры (dhcp). Более высокое давление, порядка сотен или тысяч килобар, вызывает серию фазовых превращений, в частности, появление тетрагональной фазы при давлении около 900 кбар. Самарий и его сесквиоксид парамагнитны при комнатной температуре. Их эффективные магнитные моменты, менее 2 боровских магнитонов, являются третьими по величине среди лантаноидов (и их оксидов) после лантана и лютеция. При охлаждении до 14,8 К металл переходит в антиферромагнитное состояние. Отдельные атомы самария могут быть изолированы путем заключения их в молекулы фуллерена. Они также могут внедряться в междоузлия объемного C60, образуя твердый раствор с номинальным составом Sm3C60, который проявляет сверхпроводимость при температуре 8 К. Легирование самарием сверхпроводников на основе железа – класса высокотемпературных сверхпроводников – повышает их температуру перехода в нормальное состояние до 56 К, что является наивысшим значением, достигнутым на данный момент в этом ряду.

Соединения

Формула цвет симметрия пространственная группа № символ Пирсона a (pm) b (pm) c (pm) Z плотность, г/см3 Sm серебристый тригональный I4/mmm 139 tI2 240.2 240.2 423.1 2 20.46 SmO золотистый кубический Fmm 225 cF8 494.3 494.3 494.3 4 9.15 Sm2O3 тригональный Pm1 164 hP5 377.8 377.8 594 1 7.89 Sm2O3 моноклинный Ia 206 cI80 1093 1093 1093 16 7.1 SmH2 кубический Fmm 225 cF12 537.73 537.73 537.73 4 6.51 SmH3 гексагональный Pc1 165 hP24 377.1 377.1 667.2 6 Sm2B5 серый моноклинный P21/c 14 mP28 717.9 718 720.5 4 6.49 SmB2 гексагональный P6/mmm 191 hP3 331 331 401.9 1 7.49 SmB4 тетрагональный P4/mbm 127 tP20 717.9 717.9 406.7 4 6.14 SmB6 кубический Pmm 221 cP7 413.4 413.4 413.4 1 5.06 SmB66 кубический Fmc 226 cF1936 2348.7 2348.7 2348.7 24 2.66 Sm2C3 кубический I4/mmm 139 tI6 377 377 633.1 2 6.44 SmF2 фиолетовый Fmm 225 cF12 587.1 587.1 587.1 4 6.18 SmF3 белый Pnma 62 oP12 756.28 450.77 901.09 4 4.79 SmCl3 желтый Pnma 62 oP12 797.7 475.4 950.6 4 5.72 SmBr3 желтый Cmcm 63 oS16 404 1265 908 2 5.58 SmI2 зеленый моноклинный P21/c 14 mP12 SmI3 оранжевый R 63 hR24 749 749 2080 6 5.24 SmN кубический Fmm 225 cF8 357 357 357 4 8.48 SmP кубический Fmm 225 cF8 576 576 576 4 6.3 SmAs кубический Fmm 225 cF8 591.5 591.5 591.5 4 7.23

Оксиды

Наиболее стабильным оксидом самария является сесквиоксид Sm2O3. Как и многие соединения самария, он существует в нескольких кристаллических фазах. Тригональная форма получается при медленном охлаждении расплава. Температура плавления Sm2O3 высока (2345 °C), поэтому обычно его плавят не прямым нагревом, а индукционным нагревом через радиочастотную катушку. Кристаллы Sm2O3 моноклинной симметрии можно выращивать методом пламенного синтеза (процесс Вернеля) из порошка Sm2O3, что позволяет получать цилиндрические слитки длиной до нескольких сантиметров и диаметром около одного сантиметра. Слитки прозрачны, если они чистые и не содержат дефектов, и оранжевые в противном случае. Нагрев метастабильной тригональной Sm2O3 до 1900 °C (3452 °F) приводит к его превращению в более стабильную моноклинную фазу.

Калькогены

Самарий образует тривалентный сульфид, селенид и теллурид. Известны дивалентные халькогениды SmS, SmSe и SmTe с кристаллической структурой типа каменной соли. Эти халькогениды переходят из полупроводникового в металлическое состояние при комнатной температуре под воздействием давления. В то время как переход в SmSe и SmTe является непрерывным и происходит при давлении около 20–30 кбар, в SmS он происходит скачкообразно и требует всего 6,5 кбар. Этот эффект приводит к заметному изменению цвета SmS от черного до золотисто-желтого при царапании или полировке его кристаллов или пленок. Переход не изменяет симметрию кристаллической решетки, но сопровождается резким уменьшением (~15%) объема кристалла. Наблюдается гистерезис, то есть при снятии давления SmS возвращается в полупроводниковое состояние при гораздо более низком давлении, около 0,4 кбар.

Бориды

Спекание порошков оксида самария и бора в вакууме приводит к образованию порошка, содержащего несколько фаз борида самария; соотношение между этими фазами можно регулировать, изменяя пропорцию смешивания. Это соединение относится к классу изоляторов Кондо; при температурах выше 50 К его свойства соответствуют металлу Кондо, с металлической электропроводностью, характеризующейся сильным рассеянием электронов, в то время как при более низких температурах оно проявляет себя как немагнитный изолятор с узкой запрещенной зоной в диапазоне примерно 4–14 мэВ. Охлаждение, индуцирующее переход металл-изолятор в SmB6, сопровождается резким увеличением теплопроводности, достигающим максимума около 15 К. Причина этого увеличения заключается в том, что сами электроны не вносят вклад в теплопроводность при низких температурах, где доминируют фононы, но уменьшение концентрации электронов снижает интенсивность рассеяния электронов на фононах.

Другие неорганические соединения

Карбиды самария получают путем плавления смеси графита и металла в инертной атмосфере. После синтеза они нестабильны на воздухе и требуют изучения в инертной атмосфере.

Органометаллические соединения

Самарий образует циклопентадиенид Sm(C₅H₅)₃ и его хлоропроизводные Sm(C₅H₅)₂Cl и Sm(C₅H₅)Cl₂. Они получаются путем реакции трихлорида самария с NaC₅H₅ в тетрагидрофуране. В отличие от циклопентадиенидов большинства других лантаноидов, в Sm(C₅H₅)₃ некоторые кольца C₅H₅ образуют мостики друг с другом, формируя вершины кольца η¹ или края η² к соседнему атому самария, создавая таким образом полимерные цепи. Ион (C₅H₅)⁻ в циклопентадиенидах самария может быть замещен инденидом (C₉H₇)⁻ или циклооктатетраенидом (C₈H₈)²⁻, что приводит к образованию Sm(C₉H₇)₃ или KSm(C₈H₈)₂. Последнее соединение имеет структуру, аналогичную ураноцену. Существует также циклопентадиенид двувалентного самария, Sm(C₅H₅)₂, твердое вещество, которое сублимирует при температуре около 85 °C (185 °F). В отличие от ферроцена, кольца C₅H₅ в Sm(C₅H₅)₂ не параллельны, а наклонены на 40°. Реакция метатезиса в тетрагидрофуране или эфире дает алкилы и арилы самария, однако некоторые источники указывают на его радиоактивность, при этом нижняя граница периода полураспада составляет 2 года. Предполагается, что некоторые наблюдательно стабильные изотопы самария распадаются до изотопов неодима. Долгоживущие изотопы ¹⁴⁶Sm, ¹⁴⁷Sm и ¹⁴⁸Sm подвергаются альфа-распаду до изотопов неодима. Более легкие нестабильные изотопы самария распадаются в основном путем захвата электронов с образованием прометия, а более тяжелые – бета-распадом с образованием европия. Известные изотопы варьируются от ¹²⁹Sm до ¹⁶⁸Sm. Периоды полураспада ¹⁵¹Sm и ¹⁴⁵Sm составляют 90 лет и 340 дней соответственно. Все остальные радиоизотопы имеют период полураспада менее 2 дней, а большинство из них – менее 48 секунд. Самарий также имеет двенадцать известных ядерных изомеров, наиболее стабильными из которых являются ¹⁴¹mSm (период полураспада 22,6 минуты), ¹⁴³m₁Sm (t₁/₂ = 66 секунд) и ¹³⁹mSm (t₁/₂ = 10,7 секунд). Природный самарий обладает радиоактивностью 127 Бк/г, в основном из-за ¹⁴⁷Sm, который альфа-распадается до ¹⁴³Nd с периодом полураспада 1,06 года и используется в самарий-неодимовом датировании. ¹⁴⁶Sm – вымерший радионуклид с периодом полураспада 1,03×10⁸ лет. Проводились поиски ¹⁴⁶Sm как первичного нуклида, поскольку его период полураспада достаточно велик, чтобы небольшое количество элемента могло сохраниться и сегодня. Его можно использовать в радиометрическом датировании. Самарий ¹⁴⁹ – наблюдательно стабильный изотоп самария (распад предсказан, но никогда не наблюдался, что дает ему период полураспада, по крайней мере, на несколько порядков превышающий возраст Вселенной), и продукт цепи распада от продукта деления ¹⁴⁹Nd (выход 1,0888%). ¹⁴⁹Sm является продуктом распада и поглотителем нейтронов в ядерных реакторах, обладая вторым по значимости после ¹³⁵Xe эффектом нейтронного отравления для проектирования и эксплуатации реактора. Его сечение поглощения тепловых нейтронов составляет 41000 барн. Поскольку самарий ¹⁴⁹ не является радиоактивным и не удаляется в результате распада, он представляет проблемы, несколько отличающиеся от тех, которые возникают с ксеноном ¹³⁵. Равновесная концентрация (и, следовательно, эффект отравления) достигает равновесного значения во время работы реактора примерно через 500 часов (около трех недель), и поскольку самарий ¹⁴⁹ стабилен, его концентрация остается практически постоянной во время работы реактора. Самарий ¹⁵³ – бета-излучатель с периодом полураспада 46,3 часа. Он используется для уничтожения раковых клеток при раке легких, простаты, молочной железы и остеосаркоме. Для этой цели самарий ¹⁵³ хелатируют с этилендиаминтетраметиленфосфонатом (EDTMP) и вводят внутривенно. Хелатирование предотвращает накопление радиоактивного самария в организме, что привело бы к чрезмерному облучению и образованию новых раковых клеток.

История

Об обнаружении самария и связанных с ним элементов было объявлено несколькими учеными во второй половине XIX века; однако большинство источников отдают приоритет французскому химику Полю Эмилю Лекоку де Буабодрану. Буабодран выделил оксид и/или гидроксид самария в Париже в 1879 году из минерала самарискита ((Y,Ce,U,Fe)3(Nb,Ta,Ti)5O16) и идентифицировал в нем новый элемент по острым линиям оптического поглощения. Швейцарский химик Марк Делафонтен объявил об элементе деципии (от латинского *decipiens* – «обманчивый, вводящий в заблуждение») в 1878 году, но позднее, в 1880–1881 годах, показал, что это смесь нескольких элементов, один из которых идентичен самарию Буабодрана. Хотя самарскит был впервые найден в Уральских горах в России, к концу 1870-х годов его обнаружили и в других местах, что сделало его доступным для многих исследователей. В частности, было установлено, что самарий, выделенный Буабодраном, также был нечистым и содержал сопоставимое количество европия. Чистый элемент был получен только в 1901 году Эженом Анатолем Демарсе. Буабодран назвал свой элемент самарием в честь минерала самарискита, который, в свою очередь, был назван в честь Василия Самарского Быховца (1803–1870). Быховец, будучи начальником штаба Русского корпуса горных инженеров, предоставил доступ двум немецким минералогам, братьям Густаву и Генриху Розе, к образцам минералов с Урала. Таким образом, самарий стал первым химическим элементом, названным в честь человека. До появления технологии ионного обмена в 1950-х годах чистый самарий не имел коммерческого применения. Однако побочным продуктом фракционной кристаллизации неодима была смесь самария и гадолиния, получившая название «Lindsay Mix» по имени компании-производителя, которая использовалась для изготовления управляющих стержней в некоторых ранних ядерных реакторах. В настоящее время аналогичный товарный продукт известен как концентрат «самарий-европий-гадолиний» (SEG). Он производится экстракцией растворителем из смешанных лантаноидов, выделенных из бастназита (или моназита). Поскольку более тяжелые лантаноиды имеют большее сродство к используемому растворителю, их можно легко извлечь из основной массы, используя относительно небольшие пропорции растворителя. Не все производители редкоземельных металлов, перерабатывающие бастназит, работают в масштабах, достаточных для дальнейшего разделения компонентов SEG, который обычно составляет лишь 12% исходной руды. Поэтому такие производители производят SEG с целью продажи его специализированным переработчикам. Таким образом, ценный европий из руды сохраняется для использования в производстве люминофоров. Очистка самария следует после удаления европия. Поскольку предложение оксида самария превышает спрос, он дешевле в коммерческих масштабах, чем можно было бы предположить, исходя из его относительной распространенности в руде. Распределение самария в почвах сильно зависит от его химического состояния и очень неоднородно: в песчаных почвах концентрация самария примерно в 200 раз выше на поверхности частиц почвы, чем в воде, заключенной между ними, и это соотношение может превышать 1000 в глинах. Самарий обычно продается в виде оксида, который по цене около 30 долларов США за килограмм является одним из самых дешевых оксидов лантаноидов. Хотя мишметалл – смесь редкоземельных металлов, содержащая около 1% самария – использовался давно, относительно чистый самарий был выделен лишь недавно, с помощью процессов ионного обмена, методов экстракции растворителем и электрохимического осаждения. Металл часто получают электролизом расплавленной смеси хлорида самария(III) с хлоридом натрия или хлоридом кальция. Самарий также можно получить, восстанавливая его оксид лантаном. Затем продукт перегоняют для разделения самария (температура кипения 1794 °C) и лантана (температура кипения 3464 °C). Самарий-151 образуется при ядерном делении урана с выходом около 0,4% от всех делений. Его также получают путем захвата нейтронов самарием-149, который добавляют в управляющие стержни ядерных реакторов. Следовательно, Sm присутствует в отработавшем ядерном топливе и радиоактивных отходах. Йодид самария(II) является широко используемым восстановителем и связывающим агентом в органическом синтезе, например, в реакциях десульфонилирования, аннулирования, в полном синтезе таксола по методам Данишевского, Кувадзимы, Мукаямы и Холтона, в полном синтезе стрихнина, в реакции Барбье и других реакциях восстановления с использованием йодида самария(II). В своей обычной окисленной форме самарий добавляют в керамику и стекло, где он увеличивает поглощение инфракрасного света. Как (незначительная) часть мишметалла самарий содержится в кремниевых зажигалках многих зажигалок и горелок.

Лазеры

Кристаллы фторида кальция, легированные самарием, использовались в качестве активной среды в одном из первых твердотельных лазеров, разработанном и созданном Питером Сорокиным (соизобретателем лазера на красителях) и Миреком Стивенсоном в исследовательских лабораториях IBM в начале 1961 года. Этот самариевый лазер генерировал импульсы красного света с длиной волны 708,5 нм. Он требовал охлаждения жидким гелием и поэтому не нашёл практического применения. Другой лазер на основе самария стал первым насыщенным рентгеновским лазером, работающим на длинах волн менее 10 нанометров. Он выдавал 50-пикосекундные импульсы на длинах волн 7,3 и 6,8 нм, пригодные для применения в голографии, высокоразрешающей микроскопии биологических образцов, дефлектометрии, интерферометрии и рентгенографии плотных плазм, связанных с управляемым термоядерным синтезом и астрофизикой. Насыщенный режим работы означал, что из активной среды извлекалась максимально возможная мощность, что приводило к высокой пиковой энергии в 0,3 мДж. Активной средой являлась плазма самария, созданная путём облучения стекла с нанесенным покрытием из самария импульсным инфракрасным Nd:стеклянным лазером (длина волны ~1,05 мкм).

Хранение фосфора

В 2007 году было показано, что нанокристаллический BaFCl:Sm, полученный методом совместного осаждения, может служить высокоэффективным люминофором для хранения рентгеновского излучения. Совместное осаждение приводит к образованию нанокристаллитов размером около 100–200 нм, а их чувствительность как люминофора для хранения рентгеновского излучения возрастает примерно в 500 000 раз благодаря специфической структуре и плотности дефектных центров по сравнению с микрокристаллическими образцами, полученными методом спекания при высокой температуре. Механизм основан на восстановлении Sm до Sm за счет захвата электронов, образующихся при воздействии ионизирующего излучения на матрицу BaFCl. Линии люминесценции D–F f–f могут быть эффективно возбуждены посредством паритетно-разрешенного перехода 4f→4f5d при ~417 нм. Эта длина волны идеально подходит для эффективного возбуждения сине-фиолетовыми лазерными диодами, поскольку переход допускается электрическим диполем и, следовательно, обладает относительно высокой интенсивностью (400 л/(моль⋅см)). Люминофор имеет потенциальные применения в персональной дозиметрии, дозиметрии и визуализации в лучевой терапии, а также в медицинской визуализации.

Некоммерческое и потенциальное использование

Изменение электрического сопротивления в монохалькогенидах самария может быть использовано в датчике давления или в запоминающем устройстве, переключающемся между состояниями низкого и высокого сопротивления под воздействием внешнего давления, и такие устройства разрабатываются для коммерческого применения. Моносульфид самария также генерирует электрическое напряжение при умеренном нагревании примерно до 150 °C (302 °F), что может быть применено в термоэлектрических преобразователях энергии. Анализ относительных концентраций изотопов самария и неодима (Sm, Nd и Nd) позволяет определять возраст и происхождение горных пород и метеоритов методом самарий-неодимового датирования. Оба элемента являются лантаноидами и очень похожи по физическим и химическим свойствам. Таким образом, самарий-неодимовое датирование либо нечувствительно к разделению элементов-маркеров в ходе различных геологических процессов, либо такое разделение может быть хорошо понято и смоделировано на основе ионных радиусов этих элементов. Ион самария является перспективным активатором для использования в светодиодах теплого белого света. Он обеспечивает высокую световую эффективность благодаря узким полосам излучения, однако, как правило, низкая квантовая эффективность и недостаточное поглощение в УФ-A и синей областях спектра препятствуют его коммерческому применению. Самарий используется для исследования ионосферы. Ракета распыляет монооксид самария в виде красного пара на большой высоте, и исследователи изучают, как атмосфера рассеивает его и как это влияет на радиосвязь. Недавно было показано, что гексаборид самария (SmB6) является топологическим изолятором с потенциальными применениями в квантовых вычислениях.

Биологическая роль и меры предосторожности

Соли самария стимулируют метаболизм, но неясно, связано ли это с самим самарием или с другими лантаноидами, присутствующими вместе с ним. Общее количество самария в организме взрослого человека составляет около 50 мкг, преимущественно в печени и почках, при этом примерно 8 мкг/л находится в растворенном состоянии в крови. Растения не поглощают самарий в измеримых концентрациях, поэтому он обычно отсутствует в пищевом рационе человека. Однако некоторые растения и овощи могут содержать до 1 частицы на миллион самария. Нерастворимые соли самария не токсичны, а растворимые обладают лишь слабой токсичностью. При попадании в организм только 0,05% солей самария всасывается в кровоток, а остальное выводится. Из крови 45% направляется в печень, 45% откладывается на поверхности костей, где остается на протяжении 10 лет, а оставшиеся 10% выводятся из организма.