釤(Samarium)

釤(Samarium)
臺北市立永春高級中學一年級陳忠霖/臺北市立永春高級中學化學科蔡曉信老師

簡介：

釤是元素週期表中鑭系元素，原子序為 $$62$$，元素符號為 $$\mathrm{Sm}$$。中等硬度的銀白色金屬，在空氣中容易氧化。釤最常見的氧化數為 $$+3$$，但釤的二價化合物如氧化釤 $$\mathrm{(SmO)}$$、硫化釤 $$\mathrm{(SmS)}$$、硒化釤 $$\mathrm{(SmSe)}$$、碲化釤 $$\mathrm{(SmTe)}$$ 與二碘化釤 $$\mathrm{(SmI_2)}$$ 等亦很常見 ，其中二碘化釤在化學合成上是一種常見的還原劑。釤雖然歸類為稀土元素，但在地殼中是含量排名 $$40$$ 的元素比錫等金屬更常見。釤沒有顯著的生物學反應性，但具有些微毒性。

發現：

釤是 1879 年由法國化學家博亞波德蘭(Boisbaudran)發現的。早在 1803 年鈰元素發現時，科學家就推測裡面可能還含有好幾種元素，直到 1879 年才從此類含鈰的混合物中分離出鑭與 didymium(鐠 $$\{\mathrm{Pr},59\}$$ 與釹 $$\{\mathrm{Nd},60\}$$ 之通稱)。因此博亞波德蘭才在同年證明 didymium 是一種混合物。他從鈮釔礦(Samarskite)中將這種新元素分離出來，而將此新元素命名為釤。

用途：

釤的工業用途一般都被用來作成釤鈷磁鐵，它的磁力與普通的磁鐵將較強度超過一萬倍，在釹磁石被研發出來之前，它是最強的永久性磁鐵。它大部份應用在馬達及頭戴式耳機上。由於它可以耐超過 $$700$$ 度的高溫且不會失去磁性，所以至今仍大量用在微波設備上。此外，氧化釤可以吸收紅外線，因此也被運用在陶瓷和玻璃的製造。氟化鈣添加釤，可當作雷射及微波激射器的材料，連鋼鐵都能切斷。

同位素：

釤-153放射性的同位素可用來製造抗癌藥物，其重要組成成分為釤-153 lexidronam（Quadramet）；另一種同位素釤-149，是強的中子吸收劑，可應用於核子反應爐的控制棒。釤的其他應用包括化學反應的催化作用，利用其放射性進行年代測定與製造X射線雷射等。

物理性質:

釤為稀土類金屬但其硬度和密度與鋅類似。沸點為 $$1794^\circ C$$，釤在鑭系元素中之揮發性僅次於鐿和銪元素，因此從礦石中分離出釤元素便是利用其較高的揮發性。在常溫常壓下，釤通常是三方晶系結構(trigonal  structure) ，當加熱至 $$731^\circ C$$，其結構轉變成六方緊密堆積（hexagonal close-packed）(圖一)

圖一:六方緊密堆積（ hexagonal close-packed）

，進一步加熱到 $$922^\circ C$$ 下金屬結構變成的體心立方（ body-centered cubic）。若加熱到 $$300^\circ C$$ 並將壓力提升至 $$40$$ 千帕會形成一個雙六方緊密堆積結構（double-hexagonal close-packed structure ）(圖二)。

圖二: 雙六方緊密堆積結構（double-hexagonal close-packed structure ）

化學性質：

剛製備而得的釤有銀白色的光澤，但在空氣中，它會慢慢地氧化，在 $$150^\circ C$$ 時即具有自燃性，即使儲存於礦物油中，釤也會漸漸氧化，並在表面形成灰黃色粉末狀的氫氧化物混合物。因此必需保存在密封的惰性氣體容器中。

釤是正電性金屬，可與冷水緩慢反應或熱水迅速的反應形成氫氧化釤：

$$\mathrm{2Sm_{(s)}+6H_2O_{(l)}\rightarrow 2Sm(OH)_{3(aq)}+3H_{2(g)}}$$

釤易溶於稀硫酸形成黃色至淺綠​​色的 $$\mathrm{Sm(III)}$$ 離子，它以 $$\mathrm{[Sm(OH_2)_9]^{3+}}$$ 錯合物的形式存在：

$$\mathrm{2Sm_{(s)}+3H_2SO_{4(aq)}\rightarrow 2Sm_{(aq)}^{3+}+SO_{4(aq)}^{2-}+3H_{2(g)}}$$

製備：

其製備方法如下:

1. 雖然許多稀土礦中均含有釤元素，但釤幾乎全是由獨居石中提取而得的。
2. 放射性物質衰變的產物中也有釤，工業上也利用離子交換法分離和純化釤。
3. 用金屬鑭熱還原釤的氧化物 $$\mathrm{Sm_2O_3}$$ 然後將金屬釤蒸出也可得到金屬釤。
4. 將熔融態之氯化釤 $$\mathrm{SmCl_3}$$ 電解也可獲得。

化合物：

釤的氧化物中最穩定者為三氧化二釤 $$(\mathrm{Sm_2O_3})$$。它亦與其他許多的釤化物相同，存有幾種結晶相。而三方晶系結構是從熔體​​緩慢冷卻而得。$$\mathrm{Sm_2O_3}$$ 的熔點相當高 $$(2345^\circ C)$$，因此通常不以直接加熱達到此高溫，而是使用通過一個射頻線圈的感應加熱法(Induction heating)。

$$\mathrm{Sm_2O_3}$$ 的粉末可經由火焰熔融法(flame fusion method)產生 $$\mathrm{Sm_2O_3}$$ 結晶的單斜晶系(monoclinic)之對稱晶體，晶體為筒狀的晶柱長約數厘米，直徑大約一厘米。純淨的晶柱呈透明狀，若含雜質則為橙色。加熱三方晶系結構的 $$\mathrm{Sm_2O_3}$$ 至 $$1900^\circ C$$，可將它轉換到更穩定的單斜晶相。

釤是少數可以形成一氧化釤 $$(\mathrm{SmO})$$ 的鑭系元素。在 $$1000^\circ C$$ 溫度和高於 $$50$$ 千帕的壓力下，$$\mathrm{Sm_2O_3}$$ 的減少能得到有光澤的金黃色的化合物。$$\mathrm{SmO}$$ 為立方岩鹽晶格結構。

參考資料:

1. Samarium。檢索日期 2014.8.2, http://en.wikipedia.org/wiki/Samarium
2. STUDIO HARD Deluxe。超萌!化學元素週期表。如何出版社，P.132~133。
3. 西奧多、葛雷，譯者吳瑤玲(2010) 。看得到的化學，你一輩都會用到的化學知識。台北市:大是文化有限公司。