Европий

Европий — химический элемент с атомным номером 63 и атомной массой 151,964(1) а. е. м., относящийся к группе лантаноидов, а также относящийся к группе редкоземельных элементов. Простое вещество европий, как и другие Лантаноиды — мягкий серебристо-белый металл, легко окисляющийся на воздухе.

История

Первыми спектральные линии, отнесённые впоследствии к европию, наблюдали Крукс (1886) и Лекок де Буабодран (1892). Демарсе обнаружил полосу спектра элемента в самариевой земле в 1896 году, а в 1901 году смог выделить элемент, описал его и дал ему название в честь Европы.

Нахождение в природе

Месторождения

Европий входит в состав лантаноидов, которые часто встречаются в США, Казахстанe, России, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии. Крупнейшее в мире месторождение европия находится в Кении. Значительны запасы в глубоководном месторождении редкоземельных минералов у тихоокеанского острова Минамитори в исключительной экономической зоне Японии.

Получение

Металлический европий получают восстановлением Eu₂O₃ в вакууме лантаном или углеродом, а также электролизом расплава EuCl₃.

Цены

Европий является одним из самых дорогих лантаноидов. В 2014 году цена металлического европия ЕВМ-1 составляла от 800 до 2000 долларов США за кг, а оксида европия чистотой 99,9 % — около 500 долларов за кг.

Кристаллическая структура европия при нормальных условиях. а=4,581 Å

Физические свойства

Кристаллическая структура европия при давлении свыше 12,5 ГПа.

Европий в чистом виде представляет собой, как и другие Лантаноиды, мягкий серебристо-белый металл. Он имеет необычно низкие плотность (5,243 г/см3), температуру плавления (826 °C) и температуру кипения (1440 °C) по сравнению со своими соседями по периодической системе элементов гадолинием и самарием. Эти величины противоречат явлению лантаноидного сжатия из-за влияния электронной конфигурации атома европия [Xe] 4f⁷ 6s² на его свойства. Так как электронная оболочка f атома европия заполнена наполовину, для образования металлической связи предоставлены только два электрона, притяжение которых к ядру ослаблено и приводит к существенному увеличению радиуса атома. Аналогичное явление наблюдается также у атома иттербия. При нормальных условиях европий имеет кубическую объёмно-центрированную кристаллическую решетку с постоянной решетки 4,581 Å. При кристаллизации под высоким давлением европий образует ещё две модификации кристаллической решетки. При этом последовательность модификаций при возрастании давления отличается от такой последовательности у других лантаноидов, что наблюдается также и у иттербия. Первый фазовый переход происходит при давлении свыше 12,5 ГПа, при этом европий образует гексагональную кристаллическую решетку с параметрами a = 2,41 Å и c = 5,45 Å. При давлении свыше 18 ГПа европий образует аналогичную гексагональную кристаллическую решетку с более плотной упаковкой. Ионы европия, встроенные в кристаллическую решетку некоторых соединений, способны вызывать интенсивную флуоресценцию, причем длина волны излучаемого света зависит от степени окисления ионов европия. Eu³⁺ практически независимо от того вещества, в кристаллическую решетку которого он встроен, испускает свет с длиной волны 613 и 618 нм, что соответствует интенсивному красному цвету. Напротив, максимальная эмиссия Eu²⁺ сильно зависит от строения кристаллической решетки вещества-хозяина и, например, в случае алюмината бария-магния длина волны испускаемого света составляет 447 нм и находится в синей части спектра, а в случае алюмината стронция (SrAl₂O₄:Eu²⁺) длина волны составляет 520 нм и находится в зелёной части спектра видимого света. При давлении 80 ГПа и температуре 1,8 К европий приобретает сверхпроводящие свойства.

Изотопы

Природный европий состоит из двух изотопов, ¹⁵¹Eu и ¹⁵³Eu, в соотношении примерно 1:1. Европий-153 имеет природную распространённость 52,2 %, он стабилен. Изотоп европий-151 составляет 47,8 % природного европия. Недавно была обнаружена его слабая альфа-радиоактивность с периодом полураспада около 5×10¹⁸ лет, что соответствует примерно 1 распаду за 2 минуты в килограмме природного европия. Кроме этого природного радиоизотопа, созданы и исследованы 35 искусственных радиоизотопов европия, среди которых наиболее устойчивы ¹⁵⁰Eu (период полураспада 36,9 года), ¹⁵²Eu (13,516 года) и ¹⁵⁴Eu (8,593 года). Обнаружены также 8 метастабильных возбуждённых состояний, среди которых наиболее стабилен ^150mEu (12,8 часа), ^152m1Eu (9,3116 часа) и ^152m2Eu (96 минут).

Химические свойства

Европий является типичным активным металлом и вступает в реакции с большинством неметаллов. Европий в группе лантаноидов имеет максимальную реакционную способность. На воздухе быстро окисляется, на поверхности металла всегда есть оксидная плёнка. Хранят в банках или ампулах под слоем жидкого парафина или в керосине. При нагревании на воздухе до температуры 180 °C воспламеняется и горит с образованием оксида европия (III).

 4Eu + 3O₂ ⟶ 2Eu₂O₃

Очень активен, может вытеснять из растворов солей почти все металлы. В соединениях, как и большинство РЗЭ, проявляет преимущественно степень окисления +3, при определённых условиях (например, электрохимическим восстановлением, восстановлением амальгамой цинка и др.) можно получить степень окисления +2. Также при изменении окислительно-восстановительных условий возможно получение степени окисления +2 и +3, что соответствует оксиду с химической формулой Eu₃O₄. С водородом европий образует нестехиометрические фазы, в которых атомы водорода находятся в промежутках кристаллической решетки между атомами европия. Европий растворяется в аммиаке с образованием раствора синего цвета, что обусловлено, как и в подобных растворах щелочных металлов, образованием сольватированных электронов.

Применение

Ядерная энергетика

Европий используется в ядерной энергетике в качестве поглотителя нейтронов (в основном окись европия, гексаборид и борат европия) в атомных реакторах, но окись постепенно «выгорает», и по срокам эксплуатации уступает карбиду бора в 1,5 раза (хотя имеет преимущество в почти полном отсутствии газовыделения и распухания в мощном потоке нейтронов, например, реактор БН-600). Сечение захвата тепловых нейтронов европием (природной смесью изотопов) составляет около 4500 барн, самым активным в отношении захвата нейтронов является европий-151 (9200 барн).

Атомно-водородная энергетика

Оксид европия применяется при термохимическом разложении воды в атомно-водородной энергетике (европий-стронций-йодидный цикл).

Лазерные материалы

Ионы европия служат для генерации лазерного излучения в видимой области спектра с длиной волны 0,61 мкм (оранжевые лучи), поэтому оксид европия используется для создания твердотельных, и менее распространённых жидкостных лазеров.

Электроника

Европий является легирующей примесью в моносульфиде самария (термоэлектрогенераторы), а также как легирующий компонент для синтеза алмазоподобного (сверхтвердого) нитрида углерода.

Силицид европия в виде тонких плёнок находит применение в интегральной микроэлектронике.

Моноокись европия, а также сплав моноокиси европия и моноокиси самария применяются в виде тонких плёнок в качестве магнитных полупроводниковых материалов для функциональной электроники и, в частности, МДП-электроники.

Люминофоры

• Европий — непременная составляющая люминофоров, используемых в электронно-лучевых и плазменных цветных экранах.
• Купюры евро защищены от подделок люминофорами на основе европия.
• Вольфрамат европия — люминофор, используемый в микроэлектронике.
• Легированный европием борат стронция используется как люминофор в лампах чёрного света.

Медицина

Катионы европия используются в медицинской диагностике в качестве флуоресцентных зондов. Радиоактивные изотопы европия применяются при лечении некоторых форм рака.

Другие сферы применения

• Интенсивно изучаются светочувствительные соединения европия с бромом, хлором и йодом.
• Европий-154 обладает большой мощностью тепловыделения при радиоактивном распаде и предложен в качестве источника в радиоизотопных источниках энергии.

Влияние на качество воды

В реакциях с водой европий химически ведёт себя как кальций. При уровнях pH ниже 6 европий способен мигрировать в воде в ионном виде. При более высоких уровнях pH европий образует плохо растворимые и, соответственно, менее подвижные гидроксиды. При контакте с кислородом воздуха происходит дальнейшее окисление до Eu₂O₃. Максимально наблюдаемые концентрации европия в природных маломинерализованных водах составляют менее 1 мкг/л (в морской воде — 1,1⋅10⁻⁶ мг/л). Влияние на качество воды при таких концентрациях представляется незначительным. Предельно допустимая концентрация (ПДК) в воде нормируется только российскими нормами и равна (для питьевой воды) 0,3 мг/л.

Пути поступления в организм

Вероятность попадания европия в организм человека представляется незначительной. Возможно поступление европия в организм с водой в микроскопических количествах. Нельзя исключать вероятности и других путей попадания в организм у людей, сталкивающихся с соединениями европия на производстве.

Потенциальная опасность для здоровья

Европий относится к малотоксичным элементам. Нет какой-либо информации о последствиях воздействия европия на организм человека.

Физиологическое значение

На данный момент нет данных о какой-либо биологической роли европия в организме человека.