Samarium

Vorlage:Infobox Chemisches Element

Samarium (nach dem Mineral Samarskit, das vom deutschen Mineralogen Heinrich Rose nach dem russischen Bergbauingenieur Wassili Samarski-Bychowez benannt wurde)<ref name="royalSoc">Chemistry in Its Element – Samarium, Royal Society of Chemistry.</ref> ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Sm und der Ordnungszahl 62. Im Periodensystem steht das silbrig glänzende Element in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden. Samarium ist das erste natürlich vorkommende Element, das nach einer Person benannt wurde.<ref name="royalSoc" />

Geschichte

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Paul Émile Lecoq de Boisbaudran

Gustav Rose beschrieb 1939 ein Mineral aus dem Ilmengebirge in Russland, das er nach der angenommenen Zusammensetzung mit hohen Uran- und Tantalgehalten Uranotantal nannte. 1847 konnte sein Bruder Heinrich Rose größere Mengen des Minerals untersuchen. Dieser fand eine andere chemische Zusammensetzung des Minerals, so enthielt das Mineral Niob anstatt von Tantal. Zudem erkannte er, dass das Mineral identisch mit einem von Hans Rudolph Hermann beschriebenen und Ytteroilmenit benannten Mineral ist.<ref>Heinrich Rose: Ueber die Zusammensetzung des Uranotantals und des Columbits vom Ilmengebirge in Sibirien. In: Annalen der Physik. 1847, Band 147, Nummer 5, S. 157–169 Vorlage:DOI.</ref> Daraufhin benannte Heinrich Rose das Mineral zu Ehren von Wassili Jewgrafowitsch Samarski-Bychowez, einem Mitarbeiter der russischen Bergbauhörde, der ihm Proben des Minerals verschafft hatte, in Samarskit um.<ref>Ferdinand Damaschun, Ralf Thomas Schmitt (Hrsg.): Alexander von Humboldt Minerale und Gesteine im Museum für Naturkunde Berlin. 1. Auflage, Wallstein Verlag, 2019, ISBN 978-3-8353-3582-0, S. 293.</ref>

Ab 1878 wurde die chemische Zusammensetzung des Samarskits intensiv erforscht. So behauptete 1878 John Lawrence Smith, in Samarskit ein neues Element gefunden zu haben, das er zu Ehren von Carl Gustav Mosander Mosandrium nannte. Dieses stellte sich jedoch bald darauf als eine überwiegend terbiumhaltige Mischung verschiedener Seltener Erden heraus.<ref>Marco Fontani, Mariagrazia Costa, Mary Virginia Orna: The Lost Elements. Oxford University Press, 2015, ISBN 978-0-19-938334-4, S. 121–122.</ref> Ebenfalls 1878 beschrieb Marc Delafontaine ein bislang unbekanntes Element im Samarskit, das er nach dem lateinischen decipiens ‚trügerisch‘ Decipium nannte. Er beschrieb ein gelbes, beim Erhitzen im Wasserstoffstrom weiß werdendes Oxid und charakteristische Absorptionsbanden bei 416 und 478 nm.<ref>Marc Delafontaine: Sur le décipium, métal nouveau de la samarskite. In: Comptes Rendus. Band 87, 1878, S. 632–634 (Vorlage:Gallica).</ref> 1879 untersuchte Paul Émile Lecoq de Boisbaudran Samarskit mittels fraktionierter Kristallisation mit Ammoniakwasser und bemerkte dabei, dass vor dem Didym eine weitere, unbekannte Erde ausfiel. Als er diese spektroskopisch untersuchte, fand er unter anderem zwei bislang unbekannte Absorptionsbanden im blauen Spektralbereich. Er ging daher davon aus, ein neues Element gefunden zu haben und nannte dieses nach dem Mineral Samarskit Samarium.<ref>Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: Recherches sur le samarium, radical d’une terre nouvelle extraite de la samarskite. In: Comptes Rendus. Band 89, 1879, S. 212–214 (Vorlage:Gallica).</ref><ref name="LostElements122">Marco Fontani, Mariagrazia Costa, Mary Virginia Orna: The Lost Elements. Oxford University Press, 2015, ISBN 978-0-19-938334-4, S. 122–124.</ref> Auch Jean Charles Galissard de Marignac untersuchte 1880 Samarskit und fand bei der Zerlegung in verschiedenen Fraktionen unbekannte Spektrallinien, die er provisorisch Y_α und Y_β nannte.<ref>Jean Charles Galissard de Marignac: Sur les terres de la samarskite. In: Comptes Rendus. 1880, 90, S. 899–903 (Vorlage:Gallica).</ref> Y_α sollte später Gadolinium genannt werden.<ref> Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: Le Yα de Marignac est définitevement nomme Gadolinium. In: Comptes Rendus. 1886, 102, S. 902 (Vorlage:Gallica).</ref>

1880 stellte Jacques-Louis Soret fest, dass es sich bei Decipium, Samarium und Y_β um das gleiche Element handelte<ref>Jacques-Louis Soret: Sur les spectres d'absorption des métaux fraisant partie des groupes de l'yttria et de la cérite. In: Comptes Rendus. Band 91, 1880, S. 378–382 (Vorlage:Gallica).</ref> und 1881 plädierte Delafontaine dafür, dass das neue Element den Namen Samarium bekommen sollte, da Lecoq de Boisbaudran eine bessere Beschreibung des Absorptionsspektrums des Elements geliefert habe als er.<ref>Marc Delafontaine: Sur le décipium et de la samarium. In: Comptes Rendus. Band 93, 1881, S. 63–64 (Vorlage:Gallica).</ref> Es wird davon ausgegangen, dass Delafontaine kein reines Samarium untersucht hatte.<ref name="LostElements122"/>

Lecoq de Boisbaudran untersuchte ebenso wie William Crookes das Samarium genauer und fand Spektrallinien, die auf ein weiteres, unbekanntes Element hindeuteten. Dies konnte 1901 Eugène-Anatole Demarçay bestätigen, der das neue Element Europium nannte.<ref>Eugène-Anatole Demarçay: Sur un nouvel élément, europium. In: Comptes rendus. Band 132, 1901, S. 1484–1486 (Vorlage:Gallica).</ref><ref>Marco Fontani, Mariagrazia Costa, Mary Virginia Orna: The Lost Elements. Oxford University Press, 2015, ISBN 978-0-19-938334-4, S. 210–213.</ref>

Wilhelm Muthmann stellte 1903 erstmals metallisches Samarium her. Dazu musste er zunächst durch fraktionierte Kristallisation Samarium von den anderen Seltenen Erden trennen. Nachdem Muthmann reines Samariumsalz erhalten hatte, konnte er ein Atomgewicht des Elementes von 151,39 (real 150,36) bestimmen. Anschließend versuchte er, metallisches Samarium zu gewinnen, was durch den hohen Schmelzpunkt des Metalls erschwert wurde. Dies gelang schließlich durch Schmelzflusselektrolyse einer Mischung von Samarium- und Bariumchlorid mit Kohleelektroden bei 100 A Stromstärke. Das Metall, für das Muthmann eine Dichte von 7,7 bis 7,8 bestimmte, war allerdings nicht rein, sondern enthielt noch Kohlenstoff und 0,6 % Magnesium, das wahrscheinlich aus dem verwendeten Tiegel stammte.<ref>W. Muthmann, L. Weiss: I. Untersuchungen über die Metalle der Cergruppe. In: Justus Liebig s Annalen der Chemie. 1904, Band 331, Nummer 1, S. 1–46 Vorlage:DOI.</ref>

Vorkommen

Datei:Samarium 1.jpg

Samarium in Ampulle unter Argongas

Gediegen kommt elementares Samarium nicht vor. Einige Mineralien wie Monazit, Bastnäsit und Samarskit enthalten jedoch das Element. Monazit enthält bis zu 1 % Samarium.

Gewinnung

Samarium wird derzeit fast ausschließlich in China gewonnen.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref><ref>Vorlage:Internetquelle</ref> In den USA ist der größte Nutzer von Samarium das Rüstungsunternehmen Lockheed Martin.<ref name=":1">Vorlage:Literatur</ref> Ab den 1970er Jahren bezog der Westen Samarium vor allem von einer Fabrik in La Rochelle, Frankreich.<ref name=":1" /> Diese Fabrik schloss 1994, auch weil sie mit der günstigeren Konkurrenz aus China nicht mithalten konnte. In China wird es vor allem in Baotou in der Inneren Mongolei gewonnen.<ref name=":1" />

Darstellung

Ausgehend vom Monazit oder Bastnäsit werden Seltenerdmetalle über Ionentausch, Solvent-Extraktion oder elektrochemische Deposition aufgetrennt. In einem letzten Verfahrensschritt wird das hochreine Samariumoxid mit metallischem Lanthan zum Metall reduziert und absublimiert.

Eigenschaften

In Luft ist Samarium halbwegs beständig, es bildet eine passivierende, gelbliche Oxidschicht aus. Metallisch glänzendes Samarium entzündet sich oberhalb von 150 °C. Mit Sauerstoff reagiert es zum Sesquioxid Sm₂O₃. Mit Wasser reagiert es heftig unter Bildung von Wasserstoff und Samariumhydroxid. Die beständigste Oxidationsstufe ist wie bei allen Lanthanoiden +3.

Samarium kommt in drei Modifikationen vor. Die Umwandlungspunkte liegen bei 734 °C und 922 °C. Sm³⁺-Kationen färben wässrige Lösungen gelb.

Die Halbwertszeit von Samarium-146 wurde auf 92 ± 2,9 Millionen Jahre bestimmt.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref><ref>Vorlage:Literatur</ref> Gem. Medienmitteilung vom Paul Scherrer Institut im August 2024 wurde die Halbwertszeit noch präziser bestimmt. Sie beträgt 92 ± 2,6 Millionen Jahre.<ref name=":0">Vorlage:Internetquelle</ref> Die Halbwertszeit von Samarium-146 wurde in einem präzisen Experiment ermittelt, das sich in drei Hauptschritte gliedert.<ref name=":0" /> Zuerst wurde eine hochreine Samarium-146-Probe hergestellt, indem Tantal-Proben an der Schweizer Spallations-Neutronenquelle bestrahlt und anschließend chemisch gereinigt wurden.<ref name=":0" /> Dann wurde die Aktivität der Probe gemessen, indem sie in einem exakt kalibrierten Detektor platziert wurde, um die Alpha-Zerfälle zu zählen.<ref name=":0" /> Schließlich wurde die Anzahl der Samarium-146-Atome durch Massenspektrometrie bestimmt.<ref name=":0" /> Diese Kombination erlaubte es, die Halbwertszeit einigermaßen exakt festzulegen.

Isotope

Es existieren vier stabile und 19 instabile, radioaktive Isotope. Die häufigsten natürlichen Isotope sind ¹⁵²Sm (26,7 %), ¹⁵⁴Sm (22,7 %) und ¹⁴⁷Sm (15 %).

Verwendung

Zusammen mit anderen Seltenerdmetallen für Kohle-Lichtbogenlampen für Filmvorführanlagen.
Dotieren von Calciumfluorid-Einkristallen für Maser und Laser.
Wegen seines großen Wirkungsquerschnitts für thermische und epithermische Neutronen wird Samarium als Neutronen-Absorber in nuklearen Anwendungen verwendet. Da Sm‑149 auch als Spaltprodukt entsteht, ist es ein unvermeidbares Neutronengift in Kernreaktoren.
Samarium-Cobalt-Magnete:
Permanentmagnete aus SmCo₅ weisen einen hohen Widerstand gegen Entmagnetisierung auf sowie eine Koerzitivfeldstärke von bis zu 2200 kA/m. Die verbesserte Legierung Sm₂Co₁₇ ist in der Herstellung aufwendiger, weist aber höhere magnetische Eigenschaften und eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit auf.
Verwendung finden sie in Schrittmotoren für Quarzuhren, Antriebsmotoren in Kleinsttonbandgeräten (Walkman, Diktiergeräten), Kopfhörern, Sensoren, Kupplungen in Rührwerken und Festplattenlaufwerken. Als gewichtssparende Magnetwerkstoffe werden sie auch in der Luft- und Raumfahrt verwendet.
Samariumoxid wird optischem Glas zur Absorption von infrarotem Licht zugesetzt.
Samariumverbindungen werden zur Sensibilisierung von (Leucht‑)Phosphor für Bestrahlung mit infrarotem Licht genutzt.
Als Katalysator; Samariumoxid katalysiert die Hydrierung und Dehydrierung von Ethanol (Alkohol).
Verbindungen mit Samarium in der weniger günstigen Oxidationsstufe +2 (insbesondere Samarium(II)-iodid und Samarium(II)-bromid) finden Anwendung in der organischen Synthese (Reduktionsmittel und Ein-Elektronen-Transferreagenz, z. B. samariumvermittelte Pinakol-Kupplungen).
In Verbindung mit dem Radiopharmakon Ethylendiamintetra(methylenphosphonsäure) in der Nuklearmedizin zur palliativen Therapie von Knochen- und Skelettmetastasen.
In der Medizin wird das Isotop Sm‑153 in Verbindung mit einem Bisphosphonat (Lexidronam) zur Behandlung von Knochenschmerzen bei Krebserkrankungen eingesetzt (Radionuklidtherapie bei Knochenmetastasen).