元素

62 钐 登陆月球的导航元素

本文作者 漂泊

钐是一种重要的稀土元素,它可用于生产磁性材料、压电陶瓷,是很多重要电子设备的核心材料,不可替代。此外,钐元素也广泛的应用于有机合成工业,核工业,以及医疗领域。

 

钐的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪金属(镧系元素)
原子序号原子量 62(150.36)
电子配置 4f66s2
密度 7.54g/cm 
熔点 1072°C
沸点 1791°C
形状 银白色金属
丰度 3.5ppm(地壳)
发现者 Jean Charles Galissard de Marignac, Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran
主要的同位素 144Sm,147Sm, 148Sm, 149Sm, 150Sm, 152Sm, 154Sm
用途例 磁铁、金属净化剂、陶瓷添加剂、有机合成试剂
前后的元素 钷-钐-铕

 

钐的发现

1751年,瑞典矿物学家Axel Fredrik CronstedtBastnäs的矿山发现了一种矿物,这种矿物后来命名为Cerite。三十年后,15岁的Vilhelm HisingerCerite矿山所有者的儿子,将Cerite的样品寄给了Carl Scheele这位著名的瑞典化学家进行分析,但是Scheele并没有在在这种矿物中找到任何新元素。

1803年,在Hisinger成为铁匠后,他与JönsJacobBerzelius一起重新研究了Cerite矿,在从这种矿物中并分离出了一种新的氧化物,他们用两年前发现的矮行星Ceres的名字将这种氧化物命名为二氧化铈。 二氧化铈同时也被德国 Martin Heinrich Klaproth分离了出来。在1839-1843年,瑞典化学家 Carl Gustaf Mosander证明氧化铈是多种氧化物的混合物,这意味着该混合物中可能还含有未知的新元素。后来他成功的从这个混合物体系中分离出了镧和didymium(镨钕混合物)。

1853年,在瑞士日内瓦,化学家Jean Charles Galissard de Marignac在观察一种矿物的光谱时,发现了新的光谱线,他意识到这是一种未知的元素,这种元素就是钐元素。但是真正意义上的发现钐元素的是Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran。1879年Paul Émile Lecoq de Boisbaudran从铌钇矿中提取了didymium。之后他用硝酸溶解了didymium,并加入了氨水,在这个过程中,他注意到沉淀物是分两个阶段形成的。他非常关注第一种沉淀物并测量了它的光谱,发现这正是钐的化合物。钐的名称来自于发现它的矿物的名字。俄罗斯矿工官员Vasili Samarsky-Bykhovets给矿物学家Heinrich Rose提供了第一个矿物的样品,因此Heinrich Rose1847年将这个矿产命名为Samalskite。Jean Charles Galissard de Marignac就按照矿物的名称将新发现的元素命名为Samarium。中文名为钐元素。[1-5]

金属钐Samalskite矿

 

磁性材料

钐钴磁铁,是一种稀土磁铁。它是由钐、钴和其它金属稀土材料经配比,熔炼成合金,再通过粉碎、压型、烧结后制成的一种磁性材料,具有高磁能积、极低的温度系数和很宽的使用温度区间(其最高工作温度可达350℃,负温不限,在工作温度180℃以上时,其最大磁能积(BHmax)、矫顽性及温度稳定性和化学稳定性均超过钕铁硼磁铁)。除此之外,钐钴磁铁也具有很强的抗腐蚀和抗氧化性。

第一代稀土永磁材料SmCo5磁体于1969年问世。20世纪70年代末又出现第二代稀土永磁材料Sm2Co17,其最大磁能积达到30MGOe。由于钐钴永磁不仅磁性强,而且具有很高的矫顽力和优异的高温使用性能,成为当时电子工业和军工特殊用途的新宠。1969年7月20日,美国载人宇宙飞船“阿波罗11号”首次成功登上月球,实现了人类登月梦想,是人类研究宇宙、探索宇宙的一个里程碑。在阿波罗多次登月计划中使用的导航系统就采用了钐钴永磁体,它也用于了之后后一系列航天计划,保证了它们的顺利实施。钐钴永磁材料在阿波罗飞船上的应用被世人看作稀土用于尖端技术的典范。在美军的雷达探测系统中,钐钴永磁被用于行波管来实现微波聚能;在雷达磁控管中,钐钴永磁则被用作汇聚电子束的载体。除了在军事上的应用外,钐钴磁体陀螺仪在民用工业上能代替铁氧体制造定子磁场的小型和微型马达,其电极效率高、力矩大,重量和体积都小,可用于汽车和自动仪表。钐钴磁体也可制成磁体阀门用于核电站的密封阀门。

钐作为磁性材料的另外一个用途就是用作磁致伸缩材料。超磁致伸缩薄膜(Giant Magnetostrictive Thin Films,简称GMF )是用于制作微机电系统驱动元件的新型功能材料,它具有强的磁致伸缩效应,高机电藕合系数与响应速度,低磁滞与低涡流损耗以及非接触式驱动等优点,在智能结构材料方面具有重要的地位和很好的应用前景。而SmFe2薄膜的磁致伸缩系数高,其磁晶各向异性较小,在低磁场下较易达到饱和值,且SmFe2薄膜具有最大的负磁致伸缩性能。因此SmFe2薄膜的研究近年来也受到了越来越多的关注。[6-9]

钐钴磁铁一种基于超磁致伸缩薄膜的悬臂梁叉指电容磁场传感探头

金属添加剂

钐在炼钢和炼铁过程中可作为净化剂用。可脱氧除硫,生成Sm2O3和SmS进渣,从而提高钢及铁的性能。但由于钐的价格较高因而实际生产中较少用纯钐进行净化处理。目前多用含钐1.2%的混合稀土金属加入钢液中除氧除硫,这也能取得较好的效果。此外,用稀土精矿REO~30%为原料,以碳或硅铁作为还原剂进行熔炼制成稀土硅铁( RESiFe)合金,将它加入铁中可生产球墨铸铁,改善铁的性能。

在铸造铝合金中加入0.08-0.2%钐后可降低氧、硫和氢的含量、提高合金的强度,延伸率;另外也可提升热稳定性,耐蚀性,铸造性能以及可塑性,使合金更方便使用。钐单独加入镁中可以起到细晶强化、固溶强化和时效强化作用,钐与镁反应能生成具有高熔点的强化相,经时效处理后大量析出,可以有效的强化镁基体,阻碍位错滑移,从而提高合金的力学性能。在Mg-Al合金中添加钐后,钐可以夺取Mg-Al合金中的部分Al,减少Mg17Al12相,且能与Al形成高熔点化合物。这些高熔点化合物一方面作为异质形核核心,增加形核数量,细化合金晶粒;另一方面可阻止晶界滑移和位错的产生,从而提高镁合金室温和高温力学性能。[10]

 

压电陶瓷添加剂

压电陶瓷是一种利用压电效应,将机械能与电能相互转化的功能陶瓷材料,压电效应是指在机械应力作用下,引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化,导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷。压电陶瓷是由许多小晶粒的聚集体构成的,一般陶瓷不显示压电性,而只有在加上一个直流电场,使陶瓷中的电畴取向排列(极化处理),才显示压电效应。目前压电陶瓷在军事及民用领域己获得了广泛应用,其最主要是制作电声器件(如送话器,受话器和高保真声合成器件等)、水声器件(如发射型及接受型的水声换能器等)。

而氧化钐(Sm2O3)是一种常用的陶瓷添加剂,将其加入于陶瓷材料中,在很大程度上改善陶瓷的烧结性,致密性;改变陶瓷显微结构以及相组成,从而提高了陶瓷的质量和性能。如在PbTiO3、PET、PbNb2O6等陶瓷中加入Sm2O3后,可改变该陶瓷的原有的介电性、压电性及晶格参数,从而使PbTiO3陶瓷的高频谐振峰变得更加单纯,使之适用于高灵敏度及高分辨率的超声换能器。在Pb ( Zr,Ti )O3陶瓷中掺入Sm2O3后,可改变陶瓷的组分比使得材料中进行离子置换,从而改善了陶瓷的烧结性、介电性和压电性,更能满足实际需求。除此之外,如用Sm2O3作为半导体陶瓷材料的掺杂剂,也可大大的改善材料的性能。[11]

掺杂Sm2O3的钛酸钡压电陶瓷

钐在有机合成领域的应用

自从1980年Kagan把二碘化钐(SmI2)引入到有机合成以来, SmI2作为一种醚溶性的优良单电子转移试剂在有机合成中得到了广泛的应用,同时,SmI2的研究也进一步推动了化学家对其它钐试剂如金属钐,SmI3以及有机钐试剂应用于有机合成的研究。

由于二碘化钐对空气极为敏感。因此,直接用廉价的金属钐作为还原偶联试剂,已在很多的单电子转移反应中成功地替代了极易被氧化而且价格昂贵的二碘化钐。在某些情况下,金属钐可用含水溶液、离子液体或DMF等非质子极性溶剂代替醚类溶剂,而更有利于工业化。三碘化钐在有机合成中则是一个中等强度的路易斯酸。

鉴于钐试剂特有的立体选择性,一些天然产物复杂分子的合成中也会用到钐试剂。利用手性配体合成各种具有光学活性的钐试剂,再用于手性合成更是一个新兴的领域。[12-14]

使用SmI2的Barbier反应Sm-EDTMP的化学结构

 

参考文献

 

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