Samaryum elementinin tarihi ve kökeni
Samaryum Elementi ((Y,Ce,U,Fe)3(Nb,Ta,Ti)5O16) mineralinden izole edilmiştir. 1847’deki bu mineral, Rosé’nin gösterdiği gibi Rus maden mühendisi Albay V.E.’nin adını almıştır. Bu isimler bileşimini doğru bir şekilde yansıtmamıştır. 1878’de Fransız kimyagerler Delafontaine ve 1879’da Lecoq de Boisbaudran tarafından samarskite’de daha önce bilinmeyen yeni bir element spektroskopik olarak keşfedilmiştir. 1880’de keşif, İsviçreli kimyager J. de Marignac tarafından doğrulanmıştır. Element, mineral samaryumun adını almıştır. Tarihte bir kimyasal element adının mitolojik bir karakter ile eşleştirmiştir. Saf metalik samaryum ilk olarak sadece XX yüzyılın başında kimyasal olarak izole edilmiştir.
Doğada elde edilmesi
Samaryum içeriği yerkabuğunda 8 g/t, okyanusların suyunda ise 1.7⋅10−6 mg/l’dir.
Yatakları Çin, ABD, Kazakistan, Rusya, Ukrayna, Avustralya, Brezilya, Hindistan ve İskandinavya’da bulunan lantanitlerin bir üyesidir.
Samaryum izotopları
Doğal samaryum, dört kararlı izotop 144Sm (izotopik bolluk %3,07), 150Sm (%7,38), 152Sm (%26,75) ve 154Sm (%22,75) tarafından oluşmaktadır. Bunlardan üç zayıf radyoaktif izotop 147Sm’den (%14,99 , yarı ömür – 106 milyar yıl) oluşmaktadır. Ayrıca, 148Sm (%11,24; 7–1015 yıl) ve 149Sm (%13,82; >2–1015 yıl, bazı kaynaklarda sabit olarak belirtilmektedir. En uzun ömürlü 146Sm (yarı ömür – 103 milyon yıl) ve 151Sm (90 yıl) olan yapay olarak sentezlenmiş samaryum izotopları da vardır.
150Sm oluşumu ile 149Sm çekirdeği tarafından bir termal nötronun rezonant olarak yakalanması üzerine ortaya çıkmıştır. İnce yapı sabiti α’daki küçük bir değişiklikle bile mümkün olmaktan farklı olarak ortaya çıkmaktadır. Oklo’daki doğal nükleer reaktörün minerallerindeki 149Sm/150Sm’nin nispi içeriğinin ölçümü, deneysel hata içinde ve ince yapı sabitinin değerinin son 2 milyar yılda bir olduğunu saptamıştır. Ayrıca bunun gibi aynı olduğunu belirlemeyi mümkün kılmıştır.
Metal samaryum, üretim yapısına ve ekonomik göstergelere bağlı olarak metal-termal ve elektrolitik yöntemlerle elde edilmektedir. Dünyada üretiminin birkaç yüz ton olduğu tahmin edilmektedir. Ayrıca çoğu monazit kumundan iyon değiştirme yöntemleriyle izole edilmektedir.
Samaryum elementinin fiziksel özellikleri
Metalik samaryum, görünüşte kurşuna ve mekanik özelliklerle çinkoya benzeyen bir metaldir.
Samaryum elementinin kimyasal özellikleri
Tipik bir lantanit olan Samaryum, elektronik konfigürasyon 4f65d06s2 ile karakterize edilmektedir. Buna göre bileşikler oluştururken bu element, genel olarak lantanitlerin karakteristik oksidasyon durumlarını içermektedir. Yani +2 ve +3’ü sergileyen bir indirgeyici ajan görevi görmektedir.
Samaryum oldukça aktif bir metaldir. Havada yavaşça oksitlenmektedir. Ayrıca koyu bir üç değerlikli oksit Sm2O3 filmi ile kaplanmaktadır. Ardından ise, tamamen sarı bir toz halinde parçalanmaktadır.
Samaryum, nitrojen (nitrür oluşturur), karbon (karbürler oluşturur), kalkojenler (mono ve üç değerlikli sülfitler, selenitler, tellürler oluşturur), hidrojen (hidritler oluşturur), silikon (silisitler oluşturur), bor (borürler oluşturur) ile reaksiyona girebilmektedir. Bununla birlikte fosfor, arsenik, antimon, bizmut ve tüm halojenlerle reaksiyona girebilmektedir. Üç değerlikli bileşikler (florürler, klorürler, bromürler, iyodürler) tarafından da oluşturmaktadır.
Samaryum asitlerde çözünmektedir. Örneğin, sülfürik asit ile reaksiyona girdiğinde, sülfatın açık sarı kristallerini oluşturmaktadır. Hidroklorik asit ile reaksiyonu açık sarı samaryum(III) klorür kristalleri ve belirli koşullar altında samaryum(II) klorür oluşturabilmektedir.
Samaryum elementinin kullanım alanları
Manyetik malzemeler
Kobalt ve bir dizi başka element içeren bir samaryum alaşımında da kullanılmaktadır. Bu sayede ağır hizmet tipi kalıcı mıknatısların üretimi için yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca bu alanda son yıllarda samaryum-kobalt mıknatısların neodimiyum bazlı mıknatıslar tarafından yer değiştirmesine rağmen, yine de alaşımlarının olanakları tüketmekten uzaktır.
Alaşımlarını kobalt ile zirkonyum, hafniyum, bakır, demir ve rutenyum gibi elementlerle alaşımlarken, çok yüksek bir zorlayıcı kuvvet ve artık indüksiyon elde edilmektedir. Ayrıca yüksek performanslı alaşımlarının elektrik deşarjında helyum atmosferinde püskürtülmesi ile de kullanılabilmektedir. Ardından presleme ve sinterleme ile elde edilen ultra ince tozları, diğerlerine göre 3 kat daha iyi manyetik enerji ve alan özelliklerine sahiptir. Bununla birlikte kalıcı mıknatıslar elde etmeyi mümkün kılmaktadır. Nadir toprak metallerine dayalı manyetik alaşımlar da içermektedir.
Termoelektrik malzemeler
2000 yılında keşfedilen samaryum, monosülfür SmS’de termoelektrik üretiminin etkisi, yaklaşık %50 gibi çok yüksek bir verime sahiptir. Zaten SmS tek kristali 130 °C’ye ısıtıldığında, düşük dereceli ısının kullanılması olasılığını açmaktadır. Böyle bir etki termiyonik emisyon veya klasik termo elementler ile birleştirildiğinde ortaya çıkmaktadır. Bu durum bir güç verimliliği elde etmek için kolay olmaktadır.
Gezegendeki fosil yakıt rezervlerinin azalması nedeniyle çok önemli olan %67-85 düzeyinde üretim için de kullanılmaktadır. Zaten bugün deneysel jeneratörler, herhangi bir termik motorla (Dizel ve Stirling motorları dahil) karşılaştırıldığında, bu etkinin bir arabadaki ana enerji santrali olarak tanıtılmasını düşünmeyi mümkün kılan rekabetçi bir gerçekliktir.
Ultra yüksek radyasyon direnci göz önüne alındığında, ısıyı ve kısmen iyonlaştırıcı radyasyonu doğrudan elektriğe dönüştüren nükleer reaktörler tasarlamak için kullanılabilmektedir. Bununla birlikte uzay reaktörleri ve derin uzay reaktörleri üretmek içinde kullanılmaktadır. Bu nedenle samaryum monosülfür, küçük ve büyük enerji üretiminde, uzay tabanlı nükleer santrallerin üretiminde ve havacılık taşımacılığında da kullanılmaktadır. Ayrıca geleceğin otomobilleri için enerji santrallerinin üretiminde, kompakt ve güçlü lider bir rol alabilecektir.
iç ihtiyaçlar ve askeri meseleler için mevcut kaynaklar da oluşturmaktadır. Samaryum monosülfit kullanımına dayanarak, karayolu taşımacılığı için bir nükleer santral oluşturma sorununun oldukça kolay bir şekilde çözülmektedir. Ayrıca oldukça güvenli olduğunu (nükleer araba) not etmek de ilginçtir.
Samaryum tellürid (thermoEMF 320 μV/K) de termoelektrik malzeme olarak sınırlı bir ölçüde kullanılmaktadır.
Gerinim duyarlı malzemeler
Monosülfid en iyi gerilime duyarlı malzemelerden bir tanesidir. Gerinim duyarlı sensörlerin üretimi için kullanılmaktadır. Örneğin yapılardaki mekanik stresleri ölçmek için de kullanılmaktadır.
Nükleer enerji
Nükleer enerjide, doğal samaryum için termal nötron yakalama kesiti 6800 ahırı aşmaktadır. Ayrıca nükleer reaktörleri kontrol etmek için de kullanılmaktadır. Yüksek yakalama kesitli bor ve kadmiyum elementlerin aksine, reaktörde yanmamaktadır. Çünkü yoğun nötron ışınlaması ile kullanılabilmektedir. Aynı zamanda çok yüksek bir nötron yakalama kesitine sahip olan samaryumun kızı izotopları oluşmaktadır.
Samaryum-149 (41.000 ahır), izotopları arasında (doğal karışımda) en yüksek termal nötron yakalama kesitine sahiptir. Nükleer endüstri oksit (özel emayeler ve camlar), heksaborid ve karbür kontrol çubukları için borat kullanılmaktadır.
Dev manyetokalorik etki
Samaryum ve stronsiyum manganatlar devasa bir manyetokalorik etkiye sahiptir. Bu sayede manyetik buzdolapları tasarlamak için de kullanılabilmektedir.
