Европий - Europium

Европий,  63 Eu
Europium.jpg
Европий
Произношение / j ʊəˈr p i ə m / ( yoor- OH -pee-m )
Появление серебристо-белый, с бледно-желтым оттенком; но редко без изменения цвета оксида
Стандартный атомный вес A r, std (Eu) 151,964 (1)
Европий в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
-

Eu

Am
самарийевропийгадолиний
Атомный номер ( Z ) 63
Группа группа н / д
Период период 6
Блокировать   f-блок
Электронная конфигурация [ Xe ] 4f 7 6s 2
Электронов на оболочку 2, 8, 18, 25, 8, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 1099  К (826 ° C, 1519 ° F)
Точка кипения 1802 К (1529 ° С, 2784 ° F)
Плотность (около  rt ) 5,264 г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. ) 5,13 г / см 3
Теплота плавления 9,21  кДж / моль
Теплота испарения 176 кДж / моль
Молярная теплоемкость 27,66 Дж / (моль · К)
Давление газа
P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс.
при  T  (K) 863 957 1072 1234 1452 1796 г.
Атомные свойства
Состояния окисления 0, +2 , +3 (умеренно основной оксид)
Электроотрицательность Шкала Полинга: 1,2
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 180  пм
Ковалентный радиус 198 ± 18 часов
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии европия
Прочие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура объемно-центрированный кубический (bcc)
Объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура европия
Тепловое расширение поли: 35,0 мкм / (м⋅К) (при комнатной температуре )
Теплопроводность расчетная 13,9 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление поли: 0,900 мкОм · м (при комнатной температуре )
Магнитный заказ парамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость +34 000 0,0 × 10 -6  см 3 / моль
Модуль для младших 18,2 ГПа
Модуль сдвига 7,9 ГПа
Объемный модуль 8,3 ГПа
коэффициент Пуассона 0,152
Твердость по Виккерсу 165–200 МПа
Количество CAS 7440-53-1
История
Именование после европы
Открытие и первая изоляция Эжен-Анатоль Демарсе (1896, 1901)
Основные изотопы европия
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
150 евро син 36,9 года ε 150 см
151 Eu 47,8% 5 × 10 18  лет α 147 вечера
152 Eu син 13,54 года ε 152 см
β - 152 Gd
153 Eu 52,2% стабильный
154 Eu син 8,59 года β - 154 Gd
155 евро син 4.76 года β - 155 Gd
Категория Категория: Европий
| использованная литература

Европий представляет собой химический элемент с символом Eu и атомным номером 63. Европий является наиболее реактивным лантанидом , и его необходимо хранить в инертной жидкости, чтобы защитить его от атмосферного кислорода или влаги. Европий также является самым мягким лантанидом, так как его можно помять ногтем и легко разрезать ножом. Когда окисление удаляется, становится виден блестящий белый металл. Европий был выделен в 1901 году и назван в честь континента Европа . Являясь типичным членом ряда лантанидов, европий обычно имеет степень окисления +3, но степень окисления +2 также обычна. Все соединения европия со степенью окисления +2 слабо восстанавливаются . Европий не играет значительной биологической роли и относительно нетоксичен по сравнению с другими тяжелыми металлами . В большинстве применений европия используется фосфоресценция соединений европия. Европий - один из самых редких редкоземельных элементов на Земле.

Характеристики

Физические свойства

Около 300 г дендритного сублимированного европия чистотой 99,998% в перчаточном ящике
Окисленный европий, покрытый желтым карбонатом европия (II)

Европий - пластичный металл, твердость которого сравнима с твердостью свинца . Он кристаллизуется в объемно-центрированной кубической решетке. На некоторые свойства европия сильно влияет его наполовину заполненная электронная оболочка . Европий имеет самую низкую температуру плавления и самую низкую плотность среди всех лантаноидов.

Утверждается, что европий становится сверхпроводником, когда его охлаждают ниже 1,8 К и сжимают до более 80 ГПа. Однако экспериментальные доказательства, на которых основано это утверждение, были оспорены. Если он становится сверхпроводником, это происходит потому, что европий является двухвалентным в металлическом состоянии и превращается в трехвалентное состояние под действием приложенного давления. В двухвалентного состоянии, сильный местный магнитный момент (J = 7 / 2 ) подавляет сверхпроводимость, которая индуцируется за счет устранения этого локального момента (J = 0 в Eu 3+ ).

Химические свойства

Европий - самый реактивный редкоземельный элемент. Он быстро окисляется на воздухе, поэтому массовое окисление образца сантиметрового размера происходит в течение нескольких дней. Его реакционная способность с водой сравнима с реакцией кальция , и реакция

2 Eu + 6 H 2 O → 2 Eu (OH) 3 + 3 H 2

Из-за высокой реакционной способности образцы твердого европия редко имеют блестящий вид свежего металла, даже если они покрыты защитным слоем минерального масла. Европий воспламеняется на воздухе при температуре от 150 до 180 ° C с образованием оксида европия (III) :

4 Eu + 3 O 2 → 2 Eu 2 O 3

Европий легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием бледно-розовых растворов гидратированного Eu (III), которые существуют в виде нонагидрата:

2 Eu + 3 H 2 SO 4 + 18 H 2 O → 2 [Eu (H 2 O) 9 ] 3+ + 3 SO2-
4
+ 3 Ч 2

Eu (II) против Eu (III)

Хотя обычно европий трехвалентный, он легко образует двухвалентные соединения. Такое поведение необычно для большинства лантаноидов , которые почти исключительно образуют соединения со степенью окисления +3. Состояние +2 имеет электронную конфигурацию 4 f 7, поскольку наполовину заполненная f -оболочка обеспечивает большую стабильность. Европий (II) и барий (II) похожи по размеру и координационному числу . Сульфаты бария и европия (II) также плохо растворяются в воде. Двухвалентный европий - мягкий восстановитель, окисляющийся на воздухе с образованием соединений Eu (III). В анаэробных и особенно геотермальных условиях двухвалентная форма достаточно стабильна, чтобы иметь тенденцию к включению в минералы кальция и других щелочноземельных металлов. Этот процесс ионного обмена является основой «отрицательной аномалии европия », низкого содержания европия во многих минералах лантаноидов, таких как монацит , по сравнению с содержанием хондритов . Бастнезит, как правило, показывает меньше отрицательных аномалий европия, чем монацит, и, следовательно, сегодня является основным источником европия. Разработка простых методов отделения двухвалентного европия от других (трехвалентных) лантаноидов сделало европий доступным, даже если он присутствует в низких концентрациях, как это обычно бывает.

Изотопы

Встречающийся в природе европий состоит из 2 изотопов , 151 Eu и 153 Eu, которые встречаются почти в равных пропорциях; 153 Eu несколько выше ( естественное содержание 52,2% ). В то время как 153 Eu является стабильным, 151 Eu было установлено, что неустойчивый к альфа - распада с периодом полураспада от5+11
−3
× 10 18  лет
в 2007 году, что дает примерно 1 альфа-распад за две минуты на каждый килограмм природного европия. Это значение разумно согласуется с теоретическими предсказаниями. Помимо природного радиоизотопа 151 Eu, было охарактеризовано 35 искусственных радиоизотопов, наиболее стабильными из которых являются 150 Eu с периодом полураспада 36,9 года, 152 Eu с периодом полураспада 13,516 лет и 154 Eu с периодом полураспада 8,593. годы. Все оставшиеся радиоактивные изотопы имеют период полураспада менее 4,7612 лет, а у большинства из них период полураспада менее 12,2 секунды. Этот элемент также имеет 8 метасостояний , наиболее стабильным из которых является 150m Eu ( t 1/2 = 12,8 часов), 152m1 Eu ( t 1/2 = 9,3116 часов) и 152m2 Eu ( t 1/2 = 96 минут).

Первичная мода распада для изотопов легче 153 Eu - это захват электронов , а первичная мода для более тяжелых изотопов - бета-минус распад . Первичные продукты распада до 153 Eu - это изотопы самария (Sm), а первичные продукты после - изотопы гадолиния (Gd).

Европий как продукт ядерного деления

Сечения захвата тепловых нейтронов
Изотоп 151 Eu 152 Eu 153 Eu 154 Eu 155 евро
Урожай ~ 10 низкий 1580 > 2,5 330
Сараи 5900 12800 312 1340 3950
Среднесрочные жили
продукты деления
Реквизит:
Единица:
t ½
( а )
Доходность
( % )
Q *
( кэВ )
βγ *
155 евро 4,76 0,0803 252 βγ
85 кр 10,76 0,2180 687 βγ
113м кд 14.1 0,0008 316 β
90 Sr 28,9 4,505 2826 β
137 Cs 30,23 6,337 1176 β γ
121 м Sn 43,9 0,00005 390 βγ
151 см 88,8 0,5314 77 β

Европий образуется в результате ядерного деления, но выход продуктов деления изотопов европия низок, около верхней границы диапазона масс продуктов деления .

Как и в случае с другими лантаноидами , многие изотопы европия, особенно те, которые имеют нечетные массовые числа или бедны нейтронами, такие как 152 Eu, имеют высокие сечения для захвата нейтронов , часто достаточно высокие, чтобы быть нейтронными ядами .

151 Eu является продуктом бета-распада самария-151 , но поскольку он имеет длительный период полураспада и короткое среднее время до поглощения нейтронов, большая часть 151 Sm вместо этого превращается в 152 Sm.

152 Eu (период полураспада 13,516 лет) и 154 Eu (период полураспада 8,593 года) не могут быть продуктами бета-распада, потому что 152 Sm и 154 Sm нерадиоактивны, а 154 Eu является единственным долгоживущим «экранированным» нуклидом , другое чем 134 Cs , чтобы иметь выход деления более 2,5 частей на миллион делений. Большее количество 154 Eu образуется нейтронной активацией значительной части нерадиоактивного 153 Eu; однако большая часть этого конвертируется в 155 Eu.

155 Eu (период полураспада 4,7612 лет) имеет выход деления 330 частей на миллион (ppm) для урана-235 и тепловых нейтронов ; большая часть его трансмутируется в нерадиоактивный и неабсорбирующий гадолиний-156 к концу выгорания топлива.

В целом, европий уступает место цезию-137 и стронцию-90 как радиационной опасности, а также самарию и другим как нейтронному яду.

Вхождение

Монацит

Европий не встречается в природе как свободный элемент. Многие минералы содержат европий, наиболее важными источниками которого являются бастнезит , монацит , ксенотим и лопарит (Ce) . Минералы с преобладанием европия пока не известны, несмотря на единственную находку крошечной возможной системной фазы Eu – O или Eu – O – C в реголите Луны.

Истощение или обогащение европия минералами по сравнению с другими редкоземельными элементами известно как аномалия европия . Европий обычно включается в исследования микроэлементов в геохимии и петрологии, чтобы понять процессы, которые образуют магматические породы (породы, которые охлаждаются от магмы или лавы ). Природа обнаруженной аномалии европия помогает восстановить взаимоотношения внутри свиты магматических пород. Среднее коровое обилие европия составляет 2-2.2 м.д..

Двухвалентный европий (Eu 2+ ) в небольших количествах является активатором ярко-синей флуоресценции некоторых образцов минерала флюорита (CaF 2 ). Восстановление от Eu 3+ до Eu 2+ вызывается облучением энергичными частицами. Наиболее выдающиеся примеры этого возникли в районе Уэрдейла и прилегающих частей северной Англии; именно найденный здесь флюорит был назван в честь флуоресценции в 1852 году, хотя европий был определен как причина лишь намного позже.

В астрофизике сигнатура европия в звездных спектрах может использоваться для классификации звезд и информирования теорий о том, как и где родилась конкретная звезда. Например, в 2019 году астрономы определили более высокие, чем ожидалось, уровни европия в звезде J1124 + 4535 , предположив, что эта звезда возникла в карликовой галактике, которая столкнулась с Млечным путем миллиарды лет назад.

Производство

Европий связан с другими редкоземельными элементами и поэтому добывается вместе с ними. Разделение редкоземельных элементов происходит при более поздней обработке. Редкоземельные элементы содержатся в минералах бастнезит , лопарит (Ce) , ксенотим и монацит в полезных для добычи количествах. Бастнезит - это группа родственных фторкарбонатов Ln (CO 3 ) (F, OH). Монацит - это группа родственных ортофосфатных минералов LnPO.
4
(Ln обозначает смесь всех лантаноидов, кроме прометия ), лопарит- (Ce) представляет собой оксид, а ксенотим представляет собой ортофосфат (Y, Yb, Er, ...) PO 4 . Монацит также содержит торий и иттрий , что затрудняет обращение с ним, поскольку торий и продукты его распада радиоактивны. Для извлечения из руды и выделения отдельных лантаноидов было разработано несколько методов. Выбор метода основан на концентрации и составе руды, а также на распределении отдельных лантаноидов в полученном концентрате. Обжиг руды с последующим кислотным и основным выщелачиванием используется в основном для получения концентрата лантаноидов. Если церий является преобладающим лантанидом, то он превращается из церия (III) в церий (IV), а затем осаждается. Дальнейшее разделение экстракцией растворителем или ионообменной хроматографией дает фракцию, обогащенную европием. Эта фракция восстанавливается цинком, цинком / амальгамой, электролизом или другими методами, превращая европий (III) в европий (II). Европий (II) реагирует так же, как и щелочноземельные металлы, и поэтому он может быть осажден в виде карбоната или совместно с сульфатом бария. Металлический европий можно получить путем электролиза смеси расплавленного EuCl 3 и NaCl (или CaCl 2 ) в графитовой ячейке, которая служит катодом, с использованием графита в качестве анода. Другой продукт - газообразный хлор .

Несколько крупных месторождений производят или производят значительный объем мировой продукции. Месторождение железной руды Баян Обо во Внутренней Монголии содержит значительные количества бастнезита и монацита и, по оценкам, является крупнейшим из известных месторождений, в котором содержится около 36 миллионов тонн оксидов редкоземельных элементов. Добыча на месторождении Баян Обо сделала Китай крупнейшим поставщиком редкоземельных элементов в 1990-х годах. Только 0,2% содержания редкоземельных элементов составляет европий. Вторым крупным источником редкоземельных элементов в период с 1965 года до его закрытия в конце 1990-х годов был рудник редкоземельных элементов Mountain Pass в Калифорнии. Добываемый здесь бастнезит особенно богат легкими редкоземельными элементами (La-Gd, Sc и Y) и содержит всего 0,1% европия. Еще один крупный источник редкоземельных элементов - лопарит, обнаруженный на Кольском полуострове. Он содержит помимо ниобия, тантала и титана до 30% редкоземельных элементов и является крупнейшим источником этих элементов в России.

Соединения

Сульфат европия, Eu 2 (SO 4 ) 3
Сульфат европия флуоресцирует красным в ультрафиолетовом свете

Соединения европия, как правило, имеют трехвалентную степень окисления в большинстве условий. Обычно эти соединения содержат Eu (III), связанный 6–9 кислородными лигандами, обычно водой. Эти соединения, хлориды, сульфаты, нитраты, растворимы в воде или полярном органическом растворителе. Липофильные комплексы европия часто содержат ацетилацетонатоподобные лиганды, например Eufod .

Галогениды

Металлический европий реагирует со всеми галогенами:

2 Eu + 3 X 2 → 2 EuX 3 (X = F, Cl, Br, I)

Этот путь дает белый фторид европия (III) (EuF 3 ), желтый хлорид европия (III) (EuCl 3 ), серый бромид европия (III) (EuBr 3 ) и бесцветный иодид европия (III) (EuI 3 ). Европий также образует соответствующие дигалогениды: желто-зеленый фторид европия (II) (EuF 2 ), бесцветный хлорид европия (II) (EuCl 2 ), бесцветный бромид европия (II) (EuBr 2 ) и зеленый иодид европия (II) ( EuI 2 ).

Халькогениды и пниктиды

Европий образует стабильные соединения со всеми халькогенами, но более тяжелые халькогены (S, Se и Te) стабилизируют более низкую степень окисления. Известны три оксида : оксид европия (II) (EuO), оксид европия (III) (Eu 2 O 3 ) и оксид смешанной валентности Eu 3 O 4 , состоящий как из Eu (II), так и из Eu (III). В остальном, основными халькогенидами являются сульфид европия (II) (EuS), селенид европия (II) (EuSe) и теллурид европия (II) (EuTe): все три из них являются черными твердыми веществами. EuS получают сульфидированием оксида при температурах, достаточно высоких для разложения Eu 2 O 3 :

Eu 2 O 3 + 3 H 2 S → 2 EuS + 3 H 2 O + S

Основной нитрид - нитрид европия (III) (EuN).

История

Хотя европий присутствует в большинстве минералов, содержащих другие редкие элементы, из-за трудностей разделения элементов этот элемент был выделен только в конце 1800-х годов. Уильям Крукс наблюдал фосфоресцирующие спектры редких элементов, в том числе тех, которые в конечном итоге были отнесены к европию.

Европий был впервые обнаружен в 1892 году Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном , который получил основные фракции из самариево-гадолиниевых концентратов, спектральные линии которых не учитывались самарием или гадолинием . Однако открытие европия обычно приписывают французскому химику Эжену-Анатолю Демарсе , который подозревал, что образцы недавно открытого элемента самария были загрязнены неизвестным элементом в 1896 году и который смог выделить его в 1901 году; Затем он назвал его европием .

Когда в начале 1960-х годов был открыт красный люминофор ортованадата иттрия, легированный европием , и стало ясно, что он вот-вот вызовет революцию в индустрии цветного телевидения, среди переработчиков монацита возникла борьба за ограниченные поставки европия. типичное содержание европия в монаците составляет около 0,05%. Однако месторождение бастнезита Molycorp на руднике редкоземельных металлов Mountain Pass , Калифорния , лантаноиды которого имеют необычно высокое содержание европия 0,1%, собирались ввести в эксплуатацию и обеспечить производство достаточного количества европия для поддержания промышленности. До появления европия красный люминофор цветного телевидения был очень слабым, а другие цвета люминофора приходилось приглушать для поддержания цветового баланса. С блестящим красным люминофором европия больше не было необходимости приглушать другие цвета, и в результате получилось гораздо более яркое цветное телевизионное изображение. Европий с тех пор продолжает использоваться в телевизионной индустрии, а также в компьютерных мониторах. Калифорнийский бастнезит сейчас сталкивается с жесткой конкуренцией со стороны Баян Обо , Китай, с еще более «богатым» содержанием европия - 0,2%.

Фрэнк Спеддинг , прославившийся разработкой технологии ионного обмена, которая произвела революцию в индустрии редкоземельных элементов в середине 1950-х, однажды рассказал историю о том, как он читал лекции по редкоземельным элементам в 1930-х годах, когда к нему подошел пожилой джентльмен. предложение подарка нескольких фунтов оксида европия. В то время это было неслыханное количество, и Спеддинг не воспринимал этого человека всерьез. Однако по почте прибыла посылка, содержащая несколько фунтов настоящего оксида европия. Пожилым джентльменом оказался Герберт Ньюби Маккой , который разработал знаменитый метод очистки европия с использованием окислительно-восстановительной химии.

Приложения

Европий - один из элементов, излучающих красный свет в телевизорах с электронно-лучевой трубкой.

По сравнению с большинством других элементов, коммерческие применения европия немногочисленны и довольно специализированы. Почти всегда его фосфоресценция используется в степени окисления +2 или +3.

Это легирующей примеси в некоторых типах стекла в лазерах и других оптико - электронных приборов. Оксид европия (Eu 2 O 3 ) широко используется в качестве красного люминофора в телевизорах и люминесцентных лампах , а также в качестве активатора люминофоров на основе иттрия . Цветные экраны телевизоров содержат от 0,5 до 1 г оксида европия. В то время как трехвалентный европий дает красный люминофор, люминесценция двухвалентного европия сильно зависит от состава основной структуры. Может быть достигнуто свечение от УФ до темно-красного цвета. Два класса люминофора на основе европия (красный и синий) в сочетании с желто-зеленым тербиевым люминофором дают «белый» свет, цветовую температуру которого можно изменять, изменяя пропорцию или конкретный состав отдельных люминофоров. Эта люминофорная система обычно встречается в спиральных люминесцентных лампах. Объединение тех же трех классов - это один из способов создания трехцветных систем в экранах телевизоров и компьютеров, но в качестве добавки он может быть особенно эффективным для повышения интенсивности красного люминофора. Европий также используется в производстве люминесцентного стекла, повышая общую эффективность люминесцентных ламп. Помимо сульфида цинка, легированного медью, одним из наиболее распространенных стойких люминофоров после свечения является алюминат стронция, легированный европием . Флуоресценция европия используется для исследования биомолекулярных взаимодействий на экранах открытия лекарств. Он также используется в люминофорах для защиты от подделки банкнот евро .

Применение, которое почти вышло из употребления с появлением доступных сверхпроводящих магнитов, - это использование комплексов европия, таких как Eu (fod) 3 , в качестве реагентов сдвига в ЯМР- спектроскопии. Хиральные сдвига реагенты, такие как Eu (HFC) 3 , по - прежнему используется для определения энантиомерной чистоты.

Недавнее (2015 г.) применение европия - в микросхемах квантовой памяти, которые могут надежно хранить информацию в течение нескольких дней; они могут позволить хранить конфиденциальные квантовые данные на устройстве, подобном жесткому диску, и доставлять его.

Предполагаемое применение европия - его использование для предотвращения термоядерных угроз. Благодаря высокому поперечному сечению захвата нейтронов и нейтронной ядовитой цепи он предпочтителен для противотермоядерных ракет на основе нейтронного яда.

Меры предосторожности

Европий
Опасности
Пиктограммы GHS GHS02: Легковоспламеняющийся
Сигнальное слово GHS Опасность
H250
P222 , P231 , P422
NFPA 704 (огненный алмаз)
0
3
1

Нет четких указаний на то, что европий особенно токсичен по сравнению с другими тяжелыми металлами . Хлорид, нитрат и оксид европия были испытаны на токсичность: хлорид европия показывает острую внутрибрюшинную токсичность LD 50, равную 550 мг / кг, а острую пероральную токсичность LD 50 составляет 5000 мг / кг. Нитрат европия показывает немного более высокую интраперитонеальную токсичность LD 50, равную 320 мг / кг, в то время как пероральная токсичность превышает 5000 мг / кг. Металлическая пыль представляет собой опасность пожара и взрыва.

использованная литература

внешние ссылки