Samarium (Sm, Z = 62): Ein irdischer Magnet mit stellarem Ursprung

Modell des Samarium-Atoms — Vereinfachtes Atommodell des Samarium-Atoms. Das häufigste Isotop ist \(\,^{152}\mathrm{Sm}\,\) mit seinen 62 Protonen, 62 Elektronen und 90 Neutronen.
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Rolle in der Astrophysik und Kosmologie von Samarium

Samarium ist ein Element, das hauptsächlich durch den langsamen Neutroneneinfangprozess (s-Prozess) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) erzeugt wird. Ein Teil wird auch durch den schnellen Neutroneneinfangprozess (r-Prozess) bei kataklysmischen Ereignissen wie Neutronensternverschmelzungen oder Supernovae synthetisiert.

Die Häufigkeit von Samarium in Sternen ist ein wertvoller Indikator für Astronomen. Das Häufigkeitsverhältnis zwischen Samarium und anderen Elementen, die durch ähnliche Prozesse entstehen (wie Neodym oder Europium), ermöglicht die Rückverfolgung der Geschichte der Nukleosynthese in unserer Galaxie. Die Messung der Samariumhäufigkeiten in alten, metallarmen Sternen hilft, die relative Effizienz der s- und r-Prozesse im frühen Universum zu verstehen. Darüber hinaus existierte das radioaktive Isotop ¹⁴⁶Sm (Halbwertszeit 68 Millionen Jahre) zu Beginn des Sonnensystems. Seine frühere Anwesenheit, die durch seine Zerfallsprodukte in Meteoriten nachgewiesen wurde, wird als Chronometer zur Datierung der planetaren Differenzierung und der Bildung der Kerne der erdähnlichen Planeten wie Erde und Mars verwendet.

Geschichte der Entdeckung von Samarium

Die Geschichte von Samarium beginnt mit der Analyse eines seltenen Minerals, des Samarskits, das 1847 im Ural identifiziert und nach dem russischen Oberst Vassili Samarski (1803-1870) benannt wurde. Der Schweizer Chemiker Jean Charles Galissard de Marignac (1817-1894) war der Erste, der 1853 unbekannte Spektrallinien in diesem Mineral beobachtete, was auf die Anwesenheit eines neuen Elements hindeutete. Doch es war der französische Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (1838-1912), der 1879 ein Oxid eines neuen Elements aus Samarskit isolieren konnte. Er bestätigte seine Entdeckung durch Spektroskopie und nannte dieses Element Samarium nach dem ursprünglichen Mineral. Dies war die erste Identifizierung eines Elements der Seltenen Erden aus diesem Mineral und ebnete den Weg für die Entdeckung anderer Lanthanide.

N.B.:
Samarium kommt nicht in gediegener Form vor. Es wird hauptsächlich aus Erzen wie Monazit und Bastnäsit gewonnen, die eine Mischung aus Seltenen Erden enthalten. Seine Häufigkeit in der Erdkruste beträgt etwa 7 ppm, was höher ist als die von Elementen wie Zinn. Die Trennung von Samarium von anderen Lanthaniden, ein komplexer Prozess aufgrund ihrer sehr ähnlichen chemischen Eigenschaften, erfolgt durch moderne Techniken wie Ionenaustausch oder Lösungsmittelextraktion.

Struktur und grundlegende Eigenschaften

Samarium (Symbol Sm, Ordnungszahl 62) ist ein Element der Lanthanid-Reihe und gehört zur Gruppe der Seltenen Erden. Sein Atom besitzt 62 Protonen, in der Regel 90 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{152}\mathrm{Sm}\)) und 62 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f⁶ 6s².
Bei Raumtemperatur ist Samarium ein silbernes, relativ hartes und sprödes Metall. Es ist ein mäßig dichtes Element (Dichte ≈ 7,52 g/cm³) und zeigt bei Raumtemperatur leichten Magnetismus.
Schmelzpunkt (flüssiger Zustand) von Samarium: 1.345 K (1.072 °C).
Siedepunkt (gasförmiger Zustand) von Samarium: 2.067 K (1.794 °C).

Tabelle der bemerkenswerten Samarium-Isotope

Samarium-Isotope (wichtige physikalische Eigenschaften)
Isotop / Notation	Protonen (Z)	Neutronen (N)	Atommasse (u)	Natürliche Häufigkeit	Halbwertszeit / Stabilität	Zerfall / Anmerkungen
Samarium-152 — \(\,^{152}\mathrm{Sm}\,\)	62	90	151.919732 u	≈ 26,75 %	Stabil	Häufigstes stabiles Isotop.
Samarium-154 — \(\,^{154}\mathrm{Sm}\,\)	62	92	153.922209 u	≈ 22,75 %	Stabil	Zweites stabiles Isotop.
Samarium-147 — \(\,^{147}\mathrm{Sm}\,\)	62	85	146.914898 u	≈ 14,99 %	1,06 × 10¹¹ Jahre	Radioaktiv, α-Strahler. Grundlegend für die geologische Datierung (Sm-Nd).
Samarium-149 — \(\,^{149}\mathrm{Sm}\,\)	62	87	148.917185 u	≈ 13,82 %	Stabil	Stabiles Isotop. Es ist ein starkes Neutronengift.
Samarium-150 — \(\,^{150}\mathrm{Sm}\,\)	62	88	149.917276 u	≈ 7,38 %	Stabil	Stabiles Isotop.
Samarium-144 — \(\,^{144}\mathrm{Sm}\,\)	62	82	143.912006 u	≈ 3,07 %	Stabil	Leichtestes stabiles Isotop.
Samarium-153 — \(\,^{153}\mathrm{Sm}\,\)	62	91	152.922097 u	Synthetisch	46,3 Stunden	β⁻-Strahler. Wird in der Nuklearmedizin zur Behandlung von Knochenschmerzen verwendet.

Elektronenkonfiguration und Elektronenschalen von Samarium

N.B.:
Die Elektronenschalen: Wie sich Elektronen um den Kern anordnen (neues Fenster).

Samarium hat 62 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration lautet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f⁶ 6s², oder vereinfacht: [Xe] 4f⁶ 6s². Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(24) O(8) P(2).

Detaillierte Struktur der Schalen

K-Schale (n=1): 2 Elektronen (1s²).
L-Schale (n=2): 8 Elektronen (2s² 2p⁶).
M-Schale (n=3): 18 Elektronen (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N-Schale (n=4): 24 Elektronen (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁶). Die 4f-Unterschale, die mit 6 Elektronen teilweise gefüllt ist, ist für die einzigartigen magnetischen und optischen Eigenschaften von Samarium verantwortlich.
O-Schale (n=5): 8 Elektronen (5s² 5p⁶).
P-Schale (n=6): 2 Elektronen (6s²).

Valenzelektronen und Oxidationszustände

Die Valenzelektronen von Samarium sind hauptsächlich die 2 Elektronen 6s², aber die 6 Elektronen 4f sind ebenfalls aktiv an der chemischen Bindung beteiligt. Diese Konfiguration führt zu mehreren möglichen Oxidationszuständen.
Der häufigste und stabilste Oxidationszustand ist +3 (Sm³⁺), bei dem das Atom seine beiden 6s²-Elektronen und ein 4f-Elektron verliert und eine besonders stabile [Xe] 4f⁵-Konfiguration (halbgefüllte f-Unterschale) erreicht.
Der Oxidationszustand +2 (Sm²⁺) ist ebenfalls bekannt und für ein Lanthanid relativ stabil, wobei das Atom nur seine beiden 6s²-Elektronen verliert, um [Xe] 4f⁶ zu bilden. Sm²⁺ ist ein starkes Reduktionsmittel.
Diese Dualität (+2/+3) verleiht Samarium eine reiche Chemie, die in Reduktionsanwendungen in der organischen Synthese genutzt wird.

Chemische Reaktivität

Samarium ist ein relativ reaktives Metall. Es läuft an der Luft langsam an und bildet an der Oberfläche ein Oxid (Sm₂O₃). In pulverisierter Form kann es sich spontan entzünden. Es reagiert mit Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff, wenn auch langsamer als Erdalkalimetalle. Es löst sich leicht in verdünnten Säuren. Samarium reagiert mit den meisten Nichtmetallen (Halogene, Wasserstoff, Stickstoff, Schwefel) bei mäßigen Temperaturen. Seine Chemie in wässriger Lösung wird vom Sm³⁺-Ion dominiert, das stabile Komplexe bildet und eine charakteristische blassgelbe Farbe aufweist.

Industrielle und technologische Anwendungen von Samarium

in Permanentmagneten Samarium-Kobalt (SmCo₅, Sm₂Co₁₇) für Flugzeugmotoren, Generatoren, Sensoren und kritische Systeme (Hochtemperatur, Stabilität);
als Neutronenabsorber (¹⁴⁹Sm) in den Steuerstäben einiger Kernreaktoren;
in der Katalyse, insbesondere Samarium(II)-iodid (SmI₂), ein starkes und selektives Reduktionsmittel in der organischen Synthese;
in mit Samarium dotierten Kristallen für Halbleiterlaser und optische Verstärker;
als Dotierungsmittel in Gläsern und Keramiken zur Veränderung ihrer optischen Eigenschaften;
in der Nuklearmedizin wird das Isotop ¹⁵³Sm in Form von Lexidronam zur Linderung von Schmerzen im Zusammenhang mit Knochenmetastasen verwendet;
in Sensoren und Aktuatoren mikroelektromechanischer Systeme (MEMS);
zur Dotierung von Phosphoren in Bildschirmen und bestimmten Anzeigegeräten;
als isotopischer Tracer (¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd) in der Geochemie und Petrologie zur Datierung von Gesteinen;
in Anwendungen zur Kalibrierung von Gammastrahlungsdetektoren.