62, Samarium (Sm)

Mineral Samarskit

Das Element Samarium:

         
   
  Pm Sm Eu  
  Np Pu Am  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Samarium (Nukleosynthese): Samarium entsteht primordial mit fünf stabilen, zwei sehr langlebigen Isotopen, sowie einem weiteren, dessen Halbwertszeit bereits so kurz ist, dass es in den nächsten 1 bis 2 Milliarden Jahren in unserem Sonnensystem faktisch ausgestorben sein wird. Die Entstehung der Isotope mit den Massenzahlen 146, 147, 148, 149, 150 und 152 lässt sich mit s-Prozessen erklären, die der Isotope 147, 149, 150 und 152 auch durch r-Prozesse. Samarium-144 dagegen ist zu häufig, als dass es nur durch γ-Prozesse entstehen könnte. In der natürlichen Isotopenzusammensetzung ist Sm-152 mit 26,75% das häufigste, gefolgt von Sm-154 (22,75%), Sm-147 (14,99%), Sm-149 (13,82%), Sm-148 (11,24%), Sm-150 (7,38%), Sm-144 (3,07%) und Sm-146 mit <2•10-7 %. Sm-146 ist das kurzlebigste, noch primordial gebildete, aufzufindende Nuklid in der Natur. Seit Entstehung unseres Sonnensystems sind 65 Halbwertszeiten vergangen.

Die Samarium-Synthese:
144Sm-Synthese:
(γ-Prozess, radiogen)

144Nd + 1,78 MeV → 144Sm

148Gd → 144Sm + α + 3,27 MeV

146Sm-Synthese:
(s-Prozess, radiogen)

144Sm + 2n → 146Sm + 15,17 MeV

150Gd → 146Sm + α + 2,81 MeV

147Sm-Synthese:
(nur s-Prozess)

146Sm + n → 147Sm + 6,34 MeV

148Sm-Synthese:
(s-Prozess, radiogen)

147Sm + n → 148Sm + 8,14 MeV

152Gd → 148Sm + α + 2,20 MeV

149Sm-Synthese:
(s- oder r-Prozess)

148Sm + n → 149Sm + 5,87 MeV

56Fe + 93n → 149Sm + 36 β- + 767 MeV

150Sm-Synthese:
(nur s-Prozess)

149Sm + n → 150Sm + 7,99 MeV

152Sm-Synthese:
(s- oder r-Prozess)

150Sm + 2n → 152Sm + 13,85 MeV

56Fe + 96n → 152Sm + 36 β- + 789 MeV

154Sm-Synthese:
(s- oder r-Prozess)

152Sm + 2n → 154Sm + 13,84 MeV

56Fe + 98n → 154Sm + 36 β- + 803 MeV



Radioaktivität: Die Isotope Sm-146, Sm-147 und Sm-148 sind langlebige Alpha-Strahler, wodurch eine geringe Radioaktivität des Elements resultiert. 1 kg natürlich zusammengesetztes Samarium hat eine Aktivität von 127 kBq, was etwa dem Vierfachen des Kaliums, jedoch schon dem 32. Teil der Radioaktivität von Thorium entspricht.
Vorkommen von Samarium: Im Universum kommt Samarium durchschnittlich mit 5 μg/kg Anteil am Aufbau der Materie vor (Rang 48). Am Aufbau unseres Planeten ist es durchschnittlich mit 0,21 mg/kg beteiligt (Rang 56). In der Erdkruste findet es sich mit einer Konzentration vo9n durchschnittlich 7,5 mg/kg (Rang 40), womit es nach Praseodym das fünfthäufigste (elftseltenste) Lanthanoid ist. Es ist etwa halb so häufig wie Blei in der Erdkruste zu finden.

Mineralisches Vorkommen. Gleich allen leichten Lanthanoiden (Ordnungszahlen 57 bis 64 (außer 61), respektive Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium und Gadolinium) kommt es im Bastnäsit, Cer-Gadolinit, (La, Ce, Nd, Sm)-Monazit und Cerit vor. Das Element wurde erstmals aus Samarskit isoliert, nach welchem es auch benannt ist (Samarskit wiederum ist nach dem russischen Mineralogen Wassili Ewgrafowitsch Samarskij-Bychowez (1803-1870) benannt worden).

Wichtige samariumhaltige Mineralien

Bastnäsit, (Ln)CO3F[1]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[2]

Cer-Gadolinit, Ln2FeBe2(SiO5)2[3]

Cerit (Ce)[4]

Samarskit (Y)[1]
(Ln|UIV|FeIII)(Nb|Ta)O4


Samarium-Gewinnung:
Gleich den anderen leichten Lanthanoiden (Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Europium, Gadolinium) wird Samarium aus Monazitsand, Samarskit, Cerit bzw. Cer-Bastnäsit gewonnen. Hierzu werden diese Erze zerkleinert, durch Flotation angereichert und in Schwefelsäure gelöst. Die filtrierte und eisgekühlte Lösung wird anschließend mit Oxalsäure versetzt, wodurch alle Lanthanoide als Ln(III)oxalate ausfallen. Durch Komplexieren (z.B. mit Citronensäure oder anderen organischen Säuren bei definierten Bedingungen) und separates Absorbieren an Ionentauscher mit anschließender Rücklösung unter spezifischen Parametern können die einzelnen Lanthanoide dann fraktioniert werden. Die auf diese Weise erhältlichen organischen Lanthanoid-Salze können durch Glühen in die Oxide überführt werden. Diese wiederum werden mit Flusssäure oder Salzsäure umgesetzt, so dass entsprechend Fluoride bzw. Chloride erhalten werden.

Das so erhaltene Samarium(III)fluorid bzw. Samarium(III)chlorid unterzieht man dann nach Zusatz von Kaliumchlorid einer Schmelzelektrolyse. Von dem sich ebenfalls abscheidenen Kalium kann das Samarium dann mittels Vakuum-Destillation gereinigt werden.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[6]
Chemie von Samarium: Samarium hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f6. Samarium liegt in den meisten Verbindungen in der Oxidationsstufe +3 vor, es werden jedoch - leichter als bei Promethium, schwerer als bei Europium - Verbindungen mit der Oxidationsstufe +2 gebildet, die in wässriger Lösung jedoch nicht stabil sind. So oxidieren sich blutrote Sm(II)-Lösungen mit einer Halbwertszeit von etwa 4,5 Stunden zu Samarium(III)-Lösungen unter Wasserstoff-Entwicklung. Samarium ist ein reaktives Metall.

Verhalten an der Luft. Blankes Samarium überzieht sich an der Luft mit einer blassgelben, etwas passivierend wirkenden Schicht aus Samarium(III)oxid, zu der das Metall auch beim Erhitzen unter Feuererscheinungen verbrennt. Es ist luftbeständiger als Europium, Cer oder Lanthan. Samarium bildet unter hohem Druck auch ein Monoxid, das goldgelbe Samarium(II)oxid. Beide Oxide haben bsische Eigenschaften, wobei beiden begierig Kohlendioxid aus der Luft anziehen. Erwartungsgemäß ist dabei das Samarium(II)oxid dem Calciumoxid, das Samarium(III)oxid dem Lanthanoxid ähnlich.

4 Sm + 3 O2 → 2 Sm2O3 + 3459,8 kJ


Reaktion mit Wasser und Säuren: Wie alle Lanthanoide reagiert auch Samarium unter Wasserstoffentwicklung quantitiv zum Triydroxid. Das blassgelbe Hydroxid reagiert in Wasser sehr schwach basisch, rein rechnerisch hat die gesättigte Lösung einen pH-Wert von 7,8 - wobei allerdings auch nur 125 μg löslich sind. Mit Säuren bildet Samarium, bzw. Samarium(III)(hydr)oxid in stark exothermer Reaktion unter Bildung von Wasser(stoff) entsprechende Salze. Diese reagieren in wässriger Lösung dank Protolyse deutlich sauer. Samarium(II)oxid löst sich gleichermaßen in Säure; die entstehenden Samarium(II)salze oxidieren sich dabei zu Samarium(III)salzen (wobei aus dem Wasser Wasserstoff entsteht).

Hydrolyse von Samarium(III)hydroxid und Samarium(III)-Ionen:

a) Alkalische Reaktion von Samarium(III)hydroxid:
{Sm(OH)3} [Sm(OH)2]+ + OH-; pKb = 4,60

b) Saure Reaktion von Samarium(III)-Ionen:
[Sm(H2O)9]3+ + H2O [Sm(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 7,90



Reaktionen mit Nichtmetallen, Salze: Mit Fluor, Chlor und Brom reagiert Samarium bereits bei Raumtemperatur unter Feuererscheinungen, mit Iod und Schwefel nach dem Erhitzen zu Samarium(III)salzen. Durch Reduktion mit elementarem Samarium sind aus ihnen auch Samarium(II)salze erhältlich, die als starke Reduktionsmittel Wasser unter saurer Reaktion reduzieren. Samarium(II)salze haben meist rote bis braune Farben, Samarium(III)salze sind blassgelb bis orange gefärbt.

Reaktion von Samarium(II)chlorid in Wasser:

2 SmCl2 + 4 H2O → 2 SmO+ + 2 H3O+ + 4 Cl- + H2



Samarium-Verbindungen:

Samarium(III)chlorid[4]
SmCl3•6H2O

Fotomontage: Samarium(III)sulfat[5]
Sm2(SO4)3•8H2O

Samarium(III)oxid[6]
Sm2O3

Samarium(III)sulfat-Lösung[6]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Samarium bzw. von seinen Verbindungen: Samariumsalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine Flammenfärbung. Dabei ist die Flamme im heißeren Temperaturbereich rosa-violett, im kälteren eher gelblich gefärbt. Dies kommt dadurch zustande, dass der Teil der angeregten Elektronen, der in der heißen Zone auf das Grundniveau zurückfällt, höhere Energien (und damit kleinere Wellenlängen) hat, als der Anteil, welcher erst weiter oben in der kälteren Zone emittiert.

Sind die Salze durch größere Mengen an schweren Lanthanoiden verunreinigt, so kann die Flamme einen gelblich-grünen Farbton annehmen. Dieses Bild wurde mit einer Salz-Probe der Reinheit 99,99 % gemacht: Die Salzlösung wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert (AAS).


Flammenfärbung eines[6]
Samarium-Salzes

Verwendung von Samarium und seinen Verbindungen :
  • Permanentmagnete. Legierungen mit Kobalt, Eisen, Nickel und/oder Bor haben einen außerordentlich starken Ferromagnetismus. So haben die Legierungen SmCo5 und Sm2Co17 Energieprodukte von bis zu 200 kJ/m3 bzw. 260 kJ/m3. Im Vergleich dazu hat ein Ferrit-Permanentmagnet maximal ein Energieprodukt von 35 kJ/m3, je nach Legierung. Da diese Samarium-Legierungen bei erhöhten Temperaturen stark oxidationsanfällig werden, ist ihr Einsatz auf einen Temperaturbereich bis etwa 250°C beschränkt. Samariummagnete haben die Miniaturisierung von vielen elektrischen Schaltungen - und damit vielen technischen Geräten ermöglicht.

  • Samariumgläser sind für Infrarot-Licht nahezu undurchlässig, weswegen sie technische Verwendung überall dort finden, wo IR gefiltert werden muss.
Verwendung von Samarium und seinen Verbindungen

Schreibleseköpfe von Festplatten[7]

Permanent-Magnete[6]


Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Western Devil. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Walkerma. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[5] Quelle des Originalbildes: Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[7] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Tschaensky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.