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Samario

El samario es un elemento químico ; su símbolo es Sm y su número atómico es 62. Es un metal plateado de dureza moderada que se oxida lentamente en el aire. Como miembro típico d...

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El samario es un elemento químico ; su símbolo es Sm y su número atómico es 62. Es un metal plateado de dureza moderada que se oxida lentamente en el aire. Como miembro típico de la serie de los lantánidos , el samario suele tener el estado de oxidación +3. También se conocen compuestos de samario(II), entre los que destacan el monóxido SmO, los monocalcogenuros SmS, SmSe y SmTe, así como el yoduro de samario(II) .

Descubierto en 1879 por el químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran , el samario recibió su nombre del mineral samarskita, del cual fue aislado. El mineral, a su vez, fue bautizado en honor a Vassili Samarsky-Bykhovets , un funcionario minero ruso, quien se convirtió así en la primera persona en tener un elemento químico nombrado en su honor, aunque el nombre fue indirecto.

El samario se encuentra en concentraciones de hasta el 2,8 % en diversos minerales, como la cerita , la gadolinita , la samarskita , la monacita y la bastnäsita , siendo estos dos últimos las fuentes comerciales más comunes de este elemento. Estos minerales se encuentran principalmente en China, Estados Unidos, Brasil, India, Sri Lanka y Australia; China es, con diferencia, el principal productor y productor mundial de samario.

El principal uso comercial del samario se encuentra en los imanes de samario-cobalto , cuya magnetización permanente solo es superada por la de los imanes de neodimio ; sin embargo, los compuestos de samario pueden soportar temperaturas significativamente más altas, superiores a 700 °C (1292 °F) , sin perder sus propiedades magnéticas permanentes. El radioisótopo samario-153 es el componente activo del fármaco samario ( 153Sm ) lexidronam (Quadramet), que elimina las células cancerosas en el cáncer de pulmón , próstata , mama y osteosarcoma . Otro isótopo, el samario-149 , es un potente absorbente de neutrones , por lo que se añade a las barras de control de los reactores nucleares . También se forma como producto de desintegración durante el funcionamiento del reactor y es uno de los factores importantes que se consideran en su diseño y operación. Otros usos del samario incluyen la catálisis de reacciones químicas , la datación radioactiva y los láseres de rayos X. El yoduro de samario(II), en particular, es un agente reductor común en la síntesis química .  

El samario no tiene ninguna función biológica; algunas sales de samario son ligeramente tóxicas. [ 11 ]

Propiedades físicas

El samario es un elemento de tierras raras con una dureza y densidad similares a las del zinc . Con un punto de ebullición de 1794 °C (3261 °F) , el samario es el tercer lantánido más volátil después del iterbio y el europio , y comparable en este aspecto al plomo y al bario ; esto facilita la separación del samario de sus minerales. [ 12 ] [ 13 ] Cuando se prepara recientemente, el samario tiene un brillo plateado y adquiere un aspecto más opaco cuando se oxida en el aire. Se calcula que el samario tiene uno de los radios atómicos más grandes de los elementos; con un radio de 238 pm, solo el potasio , el praseodimio , el bario , el rubidio y el cesio son mayores. [ 14 ]   

En condiciones ambientales, el samario tiene una estructura romboédrica (forma α). Al calentarse a 731 °C (1348 °F) , su simetría cristalina cambia a hexagonal compacta ( hcp ), aunque su temperatura de transición real depende de la pureza del metal. Un calentamiento adicional a 922 °C (1692 °F) transforma el metal en una fase cúbica centrada en el cuerpo ( bcc ). El calentamiento a 300 °C (572 °F) más la compresión a 40 kbar da como resultado una estructura doblemente hexagonal compacta ( dhcp ). Una presión más alta, del orden de cientos o miles de kilobares, induce una serie de transformaciones de fase, en particular con una fase tetragonal que aparece alrededor de los 900 kbar. [ 15 ] En un estudio, la fase dhcp pudo producirse sin compresión, utilizando un régimen de recocido de no equilibrio con un cambio rápido de temperatura entre aproximadamente 400 °C (752 °F) y 700 °C (1292 °F) , lo que confirma el carácter transitorio de esta fase de samario. Las películas delgadas de samario obtenidas por deposición de vapor pueden contener las fases hcp o dhcp en condiciones ambientales. [ 15 ]            

El samario y su sesquióxido son paramagnéticos a temperatura ambiente. Sus momentos magnéticos efectivos correspondientes, inferiores a 2 magnetones de bohr , son los terceros más bajos entre los lantánidos (y sus óxidos) después del lantano y el lutecio. El metal se transforma a un estado antiferromagnético al enfriarse a 14,8  K. [ 16 ] [ 17 ] Los átomos individuales de samario pueden aislarse encapsulándolos en moléculas de fullereno . [ 18 ] También pueden intercalarse en los intersticios del C 60 a granel para formar una solución sólida de composición nominal Sm 3 C 60 , que es superconductora a una temperatura de 8  K. [ 19 ] El dopaje con samario de los superconductores a base de hierro —una clase de superconductores de alta temperatura— aumenta su temperatura de transición a la conductividad normal hasta 56  K, el valor más alto alcanzado hasta ahora en esta serie. [ 20 ]

Propiedades químicas

En el aire, el samario se oxida lentamente a temperatura ambiente y se inflama espontáneamente a 150 °C (302 °F) . [ 11 ] [ 13 ] Incluso cuando se almacena bajo aceite mineral , el samario se oxida gradualmente y desarrolla un polvo gris amarillento de la mezcla de óxido e hidróxido en la superficie. El aspecto metálico de una muestra se puede conservar sellándola bajo un gas inerte como el argón .  

El samario es bastante electropositivo y reacciona lentamente con agua fría y rápidamente con agua caliente para formar hidróxido de samario: [ 21 ]

2Sm (s) + 6H 2 O (l) → 2Sm(OH) 3 (acuoso) + 3H 2 (g)

El samario se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones Sm(III) de color amarillo [ 22 ] a verde pálido, que existen como complejos [ Sm(OH 2 ) 9 ] 3+ : [ 21 ]

2Sm (s) + 3H 2 SO 4 (ac) → 2Sm 3+ (ac) + 3SO 2− 4 (ac) + 3H 2 (g)

El samario es uno de los pocos lantánidos con un estado de oxidación +2 relativamente accesible, junto con el Eu y el Yb. [ 23 ] Los iones Sm 2+ son de color rojo sangre en solución acuosa. [ 24 ]

compuestos

Óxidos

El óxido de samario más estable es el sesquióxido Sm₂O₃ . Al igual que muchos compuestos de samario, existe en varias fases cristalinas. La forma trigonal se obtiene mediante enfriamiento lento desde el estado fundido. El punto de fusión del Sm₂O₃ es alto (2345 ° C ), por lo que generalmente se funde no por calentamiento directo, sino por calentamiento por inducción , a través de una bobina de radiofrecuencia . Los cristales de Sm₂O₃ de simetría monoclínica se pueden cultivar mediante el método de fusión a la llama ( proceso Verneuil ) a partir de polvo de Sm₂O₃ , que produce lingotes cilíndricos de hasta varios centímetros de largo y aproximadamente un centímetro de diámetro. Los lingotes son transparentes cuando son puros y no presentan defectos, y de color naranja en caso contrario. Calentar el Sm₂O₃ trigonal metaestable a 1900 ° C ( 3450 °F) lo convierte en la fase monoclínica, más estable . [ 27 ] También se ha descrito el Sm 2 O 3 cúbico . [ 28 ]   

El samario es uno de los pocos lantánidos que forman un monóxido, SmO. Este compuesto brillante de color amarillo dorado se obtuvo reduciendo Sm₂O₃ con samario metálico a alta temperatura (1000 °  C) y una presión superior a 50 kbar; la disminución de la presión resultó en una reacción incompleta. El  SmO tiene una estructura reticular cúbica tipo sal de roca. [ 26 ] [ 46 ]

Calcogenuros

El samario forma un sulfuro , seleniuro y telururo trivalente . Se conocen calcogenuros divalentes SmS, SmSe y SmTe con una estructura cristalina cúbica tipo sal de roca. Estos calcogenuros se convierten de un estado semiconductor a un estado metálico a temperatura ambiente al aplicar presión. [ 47 ] Mientras que la transición es continua y ocurre a unos 20–30  kbar en SmSe y SmTe, es abrupta en SmS y requiere solo 6,5  kbar. Este efecto produce un cambio de color espectacular en SmS de negro a amarillo dorado cuando sus cristales o películas se rayan o pulen. La transición no cambia la simetría de la red, pero hay una fuerte disminución (~15%) en el volumen del cristal. [ 48 ] Exhibe histéresis , es decir, cuando se libera la presión, SmS vuelve al estado semiconductor a una presión mucho menor de aproximadamente 0,4 kbar. [ 11 ] [ 49 ]

Halogenuros

tricloruro de samario

El samario metálico reacciona con todos los halógenos , formando trihaluros: [ 50 ]

2 Sm (s) + 3 X 2 (g) → 2 SmX 3 (s) (X = F, Cl, Br o I)

Su posterior reducción con metales de samario, litio o sodio a temperaturas elevadas (aproximadamente 700–900  °C) produce los dihaluros. [ 39 ] El diyoduro también puede prepararse calentando SmI 3 , o haciendo reaccionar el metal con 1,2-diyodoetano en tetrahidrofurano anhidro a temperatura ambiente: [ 51 ]

Sm(s) + ICH2 - CH2I → SmI2 + CH2 = CH2 .

Además de los dihaluros, la reducción también produce muchos haluros de samario no estequiométricos con una estructura cristalina bien definida, como Sm 3 F 7 , Sm 14 F 33 , Sm 27 F 64 , [ 38 ] Sm 11 Br 24 , Sm 5 Br 11 y Sm 6 Br 13 . [ 52 ]

Los haluros de samario cambian sus estructuras cristalinas cuando un tipo de anión haluro se sustituye por otro, lo cual es un comportamiento poco común para la mayoría de los elementos (por ejemplo, los actínidos). Muchos haluros tienen dos fases cristalinas principales para una composición, una significativamente más estable y otra metaestable. Esta última se forma al comprimirla o calentarla, seguido de un enfriamiento rápido a temperatura ambiente. Por ejemplo, al comprimir el diyoduro de samario monoclínico habitual y liberar la presión se obtiene una estructura ortorrómbica tipo PbCl₂ ( densidad 5,90  g/cm³ ) [53], y un tratamiento similar da como resultado una nueva fase de triyoduro de samario (densidad 5,97  g/cm³ ) [ 54 ] .

Boros

La sinterización de polvos de óxido de samario y boro, en vacío, produce un polvo que contiene varias fases de boruro de samario; la proporción entre estas fases se puede controlar mediante la proporción de mezcla. [ 55 ] El polvo se puede convertir en cristales más grandes de boruros de samario utilizando técnicas de fusión por arco o fusión por zona , basándose en la diferente temperatura de fusión/cristalización de SmB 6 (2580  °C), SmB 4 (aproximadamente 2300  °C) y SmB 66 (2150  °C). Todos estos materiales son sólidos duros, quebradizos y de color gris oscuro, cuya dureza aumenta con el contenido de boro. [ 34 ] El diboruro de samario es demasiado volátil para producirse con estos métodos y requiere alta presión (aproximadamente 65  kbar) y bajas temperaturas entre 1140 y 1240  °C para estabilizar su crecimiento. El aumento de la temperatura da como resultado la formación preferencial de SmB 6 . [ 32 ]

hexaboruro de samario

El hexaboruro de samario es un compuesto típico de valencia intermedia donde el samario está presente como iones Sm²⁺ y Sm³⁺ en una proporción de 3:7. [ 55 ] Pertenece a una clase de aislantes de Kondo ; a temperaturas superiores a 50  K, sus propiedades son típicas de un metal de Kondo, con una conductividad eléctrica metálica caracterizada por una fuerte dispersión de electrones, mientras que a temperaturas más bajas, se comporta como un aislante no magnético con una banda prohibida estrecha de aproximadamente 4–14 meV . [ 56 ] La transición metal-aislante inducida por enfriamiento en SmB₆ está acompañada por un fuerte aumento en la conductividad térmica , que alcanza su máximo alrededor de 15 K. La razón de este aumento es que los electrones en sí mismos no contribuyen a la conductividad térmica a bajas temperaturas, que está dominada por los fonones , pero la disminución en la concentración de electrones reduce la tasa de dispersión electrón-fonón. [ 57 ]  

Otros compuestos inorgánicos

Un tubo de sulfato de samario
Sulfato de samario , Sm₂ ( SO₄ ) ₃

Los carburos de samario se preparan fundiendo una mezcla de grafito y metal en atmósfera inerte. Tras la síntesis, son inestables en el aire y deben estudiarse en atmósfera inerte. [ 36 ] El monofosfuro de samario SmP es un semiconductor con una banda prohibida de 1,10  eV, igual que en el silicio , y conductividad eléctrica de tipo n . Se puede preparar recociendo a 1100 °C (2010 °F) una ampolla de cuarzo al vacío que contiene polvos mezclados de fósforo y samario. El fósforo es altamente volátil a altas temperaturas y puede explotar, por lo que la velocidad de calentamiento debe mantenerse muy por debajo de 1 °C/min. [ 44 ] Se adopta un procedimiento similar para el monarsenuro SmAs, pero la temperatura de síntesis es más alta, de 1800 °C (3270 °F) . [ 45 ]     

Se conocen numerosos compuestos binarios cristalinos de samario y uno de los elementos X de los grupos 14, 15 o 16, donde X es Si, Ge, Sn, Pb, Sb o Te, y las aleaciones metálicas de samario forman otro grupo importante. Todos se preparan mediante el recocido de polvos mezclados de los elementos correspondientes. Muchos de los compuestos resultantes no son estequiométricos y tienen composiciones nominales Sm a X b , donde la relación b/a varía entre 0,5 y 3. [ 58 ] [ 59 ]

Compuestos organometálicos

El samario forma un ciclopentadienuro Sm( C₅H₅ ) ₃ y sus derivados clorados Sm( C₅H₅)₂Cl y Sm ( C₅H₅ ) Cl₂ . Se preparan mediante la reacción de tricloruro de samario con NaC₅H₅ en tetrahidrofurano . A diferencia de los ciclopentadienuros de la mayoría de los demás lantánidos, en Sm(C₅H₅ ) ₃ algunos anillos C₅H₅ se unen entre sí formando vértices de anillo η₁ o aristas η₂ hacia otro samario vecino , creando así cadenas poliméricas. [ 24 ] El derivado clorado Sm(C 5 H 5 ) 2 Cl tiene una estructura dimérica, que se expresa con mayor precisión como (η( 5 )−C 5 H 5 ) 2 Sm(−Cl) 2 (η( 5 )−C 5 H 5 ) 2 . Allí, los puentes de cloro pueden ser reemplazados, por ejemplo, por átomos de yodo, hidrógeno o nitrógeno o por grupos CN . [ 60 ]

El ion ( C₅H₅)⁻ en los ciclopentadienuros de samario puede ser reemplazado por el anillo indenuro (C₉H₇)⁻ o ciclooctatetraenuro ( C₈H₈ ) ²⁻ , dando como resultado Sm ( C₉H₇ ) ₃ o KSm ( η ( 8 ) −C₈H₈ ) ₂ . Este último compuesto tiene una estructura similar al uranoceno . También existe un ciclopentadienuro de samario divalente, Sm( C₅H₅ ) ₂, un sólido que se sublima a unos 85 ° C (185 °F) . A diferencia del ferroceno , los anillos C₅H₅ en Sm(C₅H₅ ) ₂ no son paralelos , sino que están inclinados 40° . [ 60 ] [ 61 ]  

Una reacción de metátesis en tetrahidrofurano o éter produce alquilos y arilos de samario: [ 60 ]

SmCl 3 + 3LiR → SmR 3 + 3LiCl
Sm(OR) 3 + 3LiCH(SiMe 3 ) 2 → Sm{CH(SiMe 3 ) 2 } 3 + 3LiOR

Aquí R es un grupo hidrocarbonado y Me = metilo .

isótopos

El samario natural está compuesto por cinco isótopos estables : 144 Sm, 149 Sm, 150 Sm, 152 Sm y 154 Sm, y dos radioisótopos de vida extremadamente larga , 147 Sm (vida media t 1/2  = 1,066 × 1011 años) y 148 Sm (6,3 × 1015 años), siendo el 152 Sm el más abundante ( 26,75 % ). [ 9 ] Varias fuentes indican que el 149 Sm es estable, [ 9 ] [ 62 ] pero algunas fuentes afirman que es radiactivo; [ 63 ] el límite inferior de su vida media es2 × 10 15 años. [ 9 ] Se predice que algunos isótopos de samario observacionalmente estables se desintegran en isótopos de neodimio . [ 64 ] Los isótopos de larga vida 146 Sm, 147 Sm y 148 Sm (y 149 Sm si se desintegra) experimentan desintegración alfa en isótopos de neodimio . Los isótopos inestables más ligeros del samario se desintegran principalmente por captura electrónica en prometio , mientras que los más pesados ​​se desintegran beta en europio . [ 9 ] Los isótopos conocidos van desde 129 Sm hasta 168 Sm. [ 65 ] Las vidas medias de 151 Sm y 145 Sm son 94,6 años y 340 días, respectivamente. Todos los radioisótopos restantes tienen vidas medias inferiores a 2 días, y la mayoría de ellos tienen una vida media inferior a 48 segundos. [ 9 ] El samario natural tiene una radiactividad de 127 Bq /g, debido principalmente al 147Sm , [ 66 ] cuya desintegración alfa a 143Nd se utiliza en la datación samario-neodimio . [ 67 ] [ 68 ] El 146Sm es un radionúclido extinto , con una vida media de 9,20 × 10 7 años. [ 10 ] Se han realizado búsquedas de samario-146 como nucleido primordial , porque su vida media es lo suficientemente larga como para que cantidades minúsculas del elemento persistan hoy en día. [ 69 ] Puede utilizarse en la datación radiométrica. [ 70 ]

El samario-149 es un isótopo de samario observablemente estable y un producto de la cadena de desintegración del producto de fisión 149Nd (rendimiento 1,0888%). El 149Sm es un importante absorbente de neutrones en reactores nucleares , con un efecto de envenenamiento neutrónico que es el segundo en importancia para el diseño y la operación de reactores, solo superado por el 135Xe . [ 71 ] [ 72 ] Su sección transversal de neutrones es de 41000 barns para neutrones térmicos . [ 73 ] Debido a que el samario-149 no es radiactivo y no se elimina por desintegración, presenta problemas algo diferentes a los encontrados con el xenón-135. La concentración de equilibrio (y por lo tanto el efecto de envenenamiento) alcanza un valor de equilibrio durante las operaciones del reactor en aproximadamente 500 horas (aproximadamente tres semanas), ya que el isótopo no desaparece de forma medible excepto por captura de neutrones. [ 74 ]

Estructura química del samario (153Sm) lexidronam
Estructura química del Sm-EDTMP

El samario-153 es un emisor beta con una vida media de 46,285 horas. Se utiliza para destruir células cancerosas en cáncer de pulmón , cáncer de próstata , cáncer de mama y osteosarcoma . Para ello, el samario-153 se quelata con etilendiaminotetrametilenfosfonato ( EDTMP ) y se inyecta por vía intravenosa. La quelación evita la acumulación de samario radiactivo en el cuerpo, lo que provocaría una irradiación excesiva y la generación de nuevas células cancerosas. [ 11 ] El fármaco correspondiente tiene varios nombres, entre ellos samario ( 153 Sm) lexidronam ; su nombre comercial es Quadramet. [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]

Historia

Lecoq de Boisbaudran
Paul Émile Lecoq de Boisbaudran , el descubridor del samario

La detección de samario y elementos relacionados fue anunciada por varios científicos en la segunda mitad del siglo XIX; sin embargo, la mayoría de las fuentes dan prioridad al químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran . [ 78 ] [ 79 ] Boisbaudran aisló óxido y/o hidróxido de samario en París en 1879 del mineral samarskita ((Y,Ce,U,Fe) 3 (Nb,Ta,Ti) 5 O 16 ) e identificó un nuevo elemento en él a través de líneas de absorción óptica nítidas. [ 13 ] El químico suizo Marc Delafontaine anunció un nuevo elemento decipium (del latín : decipiens que significa "engañoso, confuso") en 1878, [ 80 ] [ 81 ] pero más tarde en 1880-1881 demostró que era una mezcla de varios elementos, uno de los cuales era idéntico al samario de Boisbaudran. [ 82 ] [ 83 ] Aunque la samarskita se encontró por primera vez en los montes Urales en Rusia , a finales de la década de 1870 se había encontrado en otros lugares, lo que la puso a disposición de muchos investigadores. En particular, se descubrió que el samario aislado por Boisbaudran también era impuro y tenía una cantidad comparable de europio . El óxido de samario(III) puro fue producido recién en 1901 por Eugène-Anatole Demarçay , [ 84 ] [ 85 ] [ 86 ] y en 1903 Wilhelm Muthmann aisló el elemento.

Boisbaudran nombró a su elemento samario en honor al mineral samarskita, que a su vez honraba a Vassili Samarsky-Bykhovets (1803-1870). Samarsky-Bykhovets, como jefe de Estado Mayor del Cuerpo de Ingenieros de Minas de Rusia , había concedido acceso a dos mineralogistas alemanes, los hermanos Gustav y Heinrich Rose , para estudiar las muestras minerales de los Urales. [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] El samario fue, por lo tanto, el primer elemento químico en ser nombrado en honor a una persona. [ 84 ] [ 90 ] La palabra samaria se usa a veces para referirse al óxido de samario(III), por analogía con la itria , la zirconia , la alúmina , la ceria , la holmia , etc. Se sugirió el símbolo Sm para el samario, pero se usó a menudo una alternativa, Sa, hasta la década de 1920. [ 84 ] [ 91 ]

Antes de la llegada de la tecnología de separación por intercambio iónico en la década de 1950, el samario puro no tenía usos comerciales. Sin embargo, un subproducto de la purificación por cristalización fraccionada del neodimio era una mezcla de samario y gadolinio que recibió el nombre de "Lindsay Mix" por la empresa que la fabricaba, y se utilizaba para barras de control nuclear en algunos de los primeros reactores nucleares. [ 92 ] Hoy en día, un producto similar se denomina concentrado de "samario-europio- gadolinio " (SEG). [ 90 ] Se prepara mediante extracción con disolventes a partir de la mezcla de lantánidos aislada de la bastnäsita (o monacita). Dado que los lantánidos más pesados ​​tienen mayor afinidad por el disolvente utilizado, se extraen fácilmente de la masa utilizando proporciones relativamente pequeñas de disolvente. No todos los productores de tierras raras que procesan bastnäsita lo hacen a una escala lo suficientemente grande como para continuar separando los componentes del SEG, que normalmente constituye solo el 1-2 % del mineral original. Por lo tanto, estos productores fabrican SEG con el fin de comercializarlo a procesadores especializados. De esta manera, el valioso europio del mineral se recupera para su uso en la fabricación de fósforo . La purificación del samario sigue a la eliminación del europio. A partir de 2012Debido a su sobreoferta, el óxido de samario es más barato a escala comercial de lo que podría sugerir su abundancia relativa en el mineral. [ 93 ]

Ocurrencia y producción

Samarskita
Samarskita

La concentración de samario en los suelos varía entre 2 y 23  ppm, y los océanos contienen alrededor de 0,5–0,8  partes por billón. [ 11 ] El valor medio de su abundancia en la corteza terrestre utilizado por el Manual CRC es de 7  partes por millón (ppm) [ 94 ] y es el 40.º elemento más abundante. [ 95 ] La distribución del samario en los suelos depende en gran medida de su estado químico y es muy heterogénea: en suelos arenosos, la concentración de samario es aproximadamente 200 veces mayor en la superficie de las partículas del suelo que en el agua atrapada entre ellas, y esta proporción puede superar las 1000 en arcillas. [ 96 ]

El samario no se encuentra libre en la naturaleza, sino que, al igual que otros elementos de tierras raras, está contenido en muchos minerales, incluyendo monacita , bastnäsita , cerita , gadolinita y samarskita ; la monacita (en la que el samario se presenta en concentraciones de hasta el 2,8%) [ 13 ] y la bastnäsita se utilizan principalmente como fuentes comerciales. Los recursos mundiales de samario se estiman en dos millones de toneladas ; se encuentran principalmente en China, EE. UU., Brasil, India, Sri Lanka y Australia, y la producción anual es de aproximadamente 700 toneladas. [ 11 ] Los informes de producción de los países suelen presentarse para todos los metales de tierras raras combinados. China tiene, con diferencia, la mayor producción con 120 000 toneladas extraídas por año; le siguen EE. UU. (aproximadamente 5000  toneladas) [ 96 ] e India (2700  toneladas). [ 97 ] El samario se suele vender como óxido, que a un precio de unos 30 USD/kg es uno de los óxidos de lantánidos más baratos. [ 93 ] Mientras que el mischmetal —una mezcla de metales de tierras raras que contiene aproximadamente un 1 % de samario— se ha utilizado durante mucho tiempo, el samario relativamente puro se ha aislado solo recientemente, mediante procesos de intercambio iónico , técnicas de extracción con disolventes y deposición electroquímica . El metal se prepara a menudo por electrólisis de una mezcla fundida de cloruro de samario(III) con cloruro de sodio o cloruro de calcio . El samario también se puede obtener reduciendo su óxido con lantano . El producto se destila para separar el samario (punto de ebullición 1794  °C) y el lantano (p.e.  3464  °C). [ 79 ]

Muy pocos minerales tienen el samario como elemento dominante. Los minerales con samario esencial (dominante) incluyen la monacita-(Sm) y la florencita-(Sm) . Estos minerales son muy raros y generalmente se encuentran conteniendo otros elementos, generalmente cerio o neodimio . [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] También se produce por captura de neutrones por el samario-149, que se agrega a las barras de control de los reactores nucleares. Por lo tanto, el 151Sm está presente en el combustible nuclear gastado y los desechos radiactivos. [ 96 ]

La separación del samario de los minerales implica casi 100 procesos individuales y ácidos extremadamente fuertes. [ 102 ]

Geopolítica

Los ejércitos occidentales de todo el mundo dependieron de una única planta de producción de samario en La Rochelle , Francia, desde la década de 1970 hasta su cierre en 1994. [ 102 ] La instalación obtenía su samario de Australia . [ 102 ] Un  esfuerzo del gobierno de Estados Unidos por valor de mil millones de dólares para reabrir una mina de tierras raras cerrada en Mountain Pass, California , resultó en la quiebra de la instalación. [ 102 ]

A partir de 2025China produce todo el samario utilizable del mundo; el refinado se concentra en Baotou . [ 102 ] La administración Biden firmó dos contratos para plantas de producción de samario en Estados Unidos, pero ninguno se materializó. [ 102 ] Durante la guerra arancelaria del segundo mandato del presidente estadounidense Donald Trump , China impuso límites estrictos a la exportación de samario, entre otros metales de tierras raras, como parte de la prolongada disputa comercial sobre tierras raras (y la guerra comercial más amplia ) entre las dos naciones. [ 102 ]

Aplicaciones

imanes

Un uso importante del samario son los imanes de samario-cobalto , que son nominalmente SmCo 5 o Sm 2 Co 17 . [ 103 ] Tienen una alta magnetización permanente, aproximadamente 10 000 veces mayor que la del hierro y solo superada por los imanes de neodimio . Sin embargo, los imanes de samario resisten mejor la desmagnetización; son estables a temperaturas superiores a 700 °C (1292 °F) (cf. 300–400 °C para los imanes de neodimio). Estos imanes se encuentran en motores pequeños, auriculares y pastillas magnéticas de alta gama para guitarras e instrumentos musicales relacionados. [ 11 ] Por ejemplo, se utilizan en los motores de un avión eléctrico de energía solar , el Solar Challenger , y en las pastillas de guitarra y bajo eléctricos Samarium Cobalt Noiseless .   

Debido a su resistencia al calor, los imanes de samario también se utilizan en aplicaciones militares y son necesarios para la fabricación de aeronaves y misiles modernos . [ 102 ] Un solo avión de combate F-35 contiene aproximadamente 23 kg (50 libras) de imanes de samario. [ 102 ] 

Reactivo químico

Reacción de Barbier utilizando diyoduro de samario
Reacción de Barbier utilizando SmI 2

El samario y sus compuestos son importantes como catalizadores y reactivos químicos . Los catalizadores de samario ayudan a la descomposición de plásticos, la decloración de contaminantes como los bifenilos policlorados (PCB), así como la deshidratación y deshidrogenación del etanol. [ 13 ] El triflato de samario(III) Sm(OTf) 3 , es decir, Sm(CF 3 SO 3 ) 3 , es uno de los catalizadores ácidos de Lewis más eficientes para una reacción de Friedel-Crafts promovida por halógenos con alquenos. [ 104 ] El yoduro de samario(II) es un agente reductor y de acoplamiento muy común en síntesis orgánica , por ejemplo en reacciones de desulfonilación ; anulación ; síntesis totales de Taxol de Danishefsky , Kuwajima , Mukaiyama y Holton ; síntesis total de estricnina ; reacción de Barbier y otras reducciones con yoduro de samario(II) . [ 105 ]

En su forma oxidada habitual, el samario se añade a cerámicas y vidrios, donde aumenta la absorción de luz infrarroja. Como componente (menor) del mischmetal , el samario se encuentra en los dispositivos de encendido de pedernal de muchos encendedores y antorchas. [ 11 ] [ 13 ]

Absorbedor de neutrones

El samario-149 tiene una alta sección transversal de captura de neutrones (41 000 barns ) y, por lo tanto, se utiliza en las barras de control de los reactores nucleares . Su ventaja en comparación con materiales competidores, como el boro y el cadmio, es la estabilidad de la absorción: la mayoría de los productos de fusión del 149Sm son otros isótopos de samario que también son buenos absorbentes de neutrones . Por ejemplo, la sección transversal del samario-151 es de 15 000 barns, del orden de cientos de barns para el 150Sm , 152Sm y 153Sm , y de 6800 barns para el samario natural (de isótopos mixtos). [ 13 ] [ 96 ] [ 106 ]   

Láseres

Los cristales de fluoruro de calcio dopados con samario se utilizaron como medio activo en uno de los primeros láseres de estado sólido diseñados y construidos por Peter Sorokin (coinventor del láser de colorante ) y Mirek Stevenson en los laboratorios de investigación de IBM a principios de 1961. Este láser de samario producía pulsos de luz roja a 708,5  nm. Tenía que enfriarse con helio líquido y por eso no encontró aplicaciones prácticas. [ 107 ] [ 108 ] Otro láser basado en samario se convirtió en el primer láser de rayos X saturado que operaba en longitudes de onda más cortas que 10 nanómetros. Producía pulsos de 50 picosegundos a 7,3 y 6,8  nm adecuados para usos en holografía , microscopía de alta resolución de muestras biológicas, deflectometría , interferometría y radiografía de plasmas densos relacionados con la fusión por confinamiento y la astrofísica . El funcionamiento en saturación implicaba extraer la máxima potencia posible del medio láser, lo que resultaba en una alta energía pico de 0,3  mJ. El medio activo era plasma de samario producido al irradiar vidrio recubierto de samario con un láser de vidrio de neodimio infrarrojo pulsado (longitud de onda ~1,05  μm). [ 109 ]

Fósforo de almacenamiento

En 2007 se demostró que el BaFCl:Sm 3+ nanocristalino , preparado por coprecipitación, puede servir como un fósforo de almacenamiento de rayos X muy eficiente . [ 110 ] La coprecipitación produce nanocristalitos del orden de 100–200  nm de tamaño y su sensibilidad como fósforos de almacenamiento de rayos X aumenta notablemente ~500 000 veces debido a las disposiciones específicas y la densidad de centros de defectos en comparación con las muestras microcristalinas preparadas por sinterización a alta temperatura. [ 111 ] El mecanismo se basa en la reducción de Sm 3+ a Sm 2+ por atrapamiento de electrones que se crean al exponerse a la radiación ionizante en el huésped BaFCl. Las líneas de luminiscencia 5 D J – 7 F J f–f pueden excitarse de manera muy eficiente a través de la transición permitida por paridad 4f 6 →4f 5 5d a ~417  nm. Esta última longitud de onda es ideal para la excitación eficiente mediante diodos láser azul-violeta, ya que la transición está permitida por dipolo eléctrico y, por lo tanto, es relativamente intensa (400 L/(mol⋅cm)). [ 112 ] El fósforo tiene aplicaciones potenciales en dosimetría personal, dosimetría e imagen en radioterapia e imagen médica. [ 113 ]

Usos no comerciales y potenciales

  • El cambio en la resistividad eléctrica de los monocalcogenuros de samario puede utilizarse en un sensor de presión o en un dispositivo de memoria que alterna entre un estado de baja y alta resistencia mediante presión externa, [ 114 ] y dichos dispositivos se están desarrollando comercialmente. [ 115 ] El monosulfuro de samario también genera voltaje eléctrico al calentarse moderadamente hasta aproximadamente 150 °C (302 °F) , que puede aplicarse en convertidores de potencia termoeléctrica . [ 116 ]  
  • El análisis de las concentraciones relativas de los isótopos de samario y neodimio 147Sm , 144Nd y 143Nd permite determinar la edad y el origen de rocas y meteoritos en la datación samario-neodimio . Ambos elementos son lantánidos y son muy similares física y químicamente. Por lo tanto, la datación Sm-Nd es insensible a la partición de los elementos marcadores durante diversos procesos geológicos, o bien dicha partición puede comprenderse y modelarse adecuadamente a partir de los radios iónicos de dichos elementos. [ 117 ]
  • El ion Sm³⁺ es un activador potencial para su uso en diodos emisores de luz blanca cálida. Ofrece una alta eficacia luminosa debido a sus estrechas bandas de emisión; sin embargo, su baja eficiencia cuántica y su escasa absorción en la región espectral UV-A a azul dificultan su aplicación comercial. [ 118 ]
  • El samario se utiliza para realizar pruebas en la ionosfera . Un cohete dispersa monóxido de samario en forma de vapor rojo a gran altitud, y los investigadores prueban cómo la atmósfera lo dispersa y cómo afecta a las transmisiones de radio. [ 119 ] [ 120 ]
  • Recientemente se ha demostrado que el hexaboruro de samario, SmB 6 , es un aislante topológico con usos potenciales en computación cuántica . [ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]

Función biológica y precauciones

Las sales de samario estimulan el metabolismo, pero no está claro si esto se debe al samario o a otros lantánidos presentes junto con él. La cantidad total de samario en adultos es de aproximadamente 50 μg , principalmente en el hígado y los riñones, y con ~8 μg/L disueltos en la sangre. El samario no es absorbido por las plantas en una concentración medible, por lo que normalmente no forma parte de la dieta humana. Sin embargo, algunas plantas y verduras pueden contener hasta 1 parte por millón de samario. Las sales insolubles de samario no son tóxicas y las solubles son solo ligeramente tóxicas. [ 11 ] [ 127 ] Cuando se ingieren, solo el 0,05% de las sales de samario se absorbe en el torrente sanguíneo y el resto se excreta. De la sangre, el 45% va al hígado y el 45% se deposita en la superficie de los huesos, donde permanece durante 10 años; el 10% restante se excreta. [ 96 ]  

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