【元素図鑑】サマリウム Sm【熱に強い磁石と1電子還元剤カガン試薬】
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サマリウムの情報をまとめました。
希土類は「少ない」のではなく「分けにくい」
レアアース(希土類)という名前から、地球上にほとんど存在しない元素だと思われがちです。しかし実際には、ありふれた金属より多く存在するものもあります。困るのは量ではなく、仲間同士を分離するのが極端に難しいことです。
理由は電子の入り方にあります。希土類では、増えていく電子がいちばん外側ではなく内側の4f軌道に入ります。化学結合を担うのは外側の電子なので、原子番号が1つ違っても、化学的なふるまいがほとんど変わらないのです。
| ふつうの元素 | 希土類 |
|---|---|
| 原子番号が変わると外側の電子数が変わる | 増えた電子は内側の4f軌道に入る |
| 隣の元素と性質がはっきり違う | 隣の元素とほとんど見分けがつかない |
| 沈殿や溶解度の差で簡単に分けられる | イオン半径のわずかな差を何百回も積み上げて分ける |
| どれが何かすぐ分かる | ほとんど全部が +3 のイオンになる |
サマリウムコバルト磁石——最強ではないが、熱に強い
永久磁石の磁力だけを比べれば、ネオジム磁石のほうが上です。それでもサマリウムコバルト磁石が使われ続けているのは、磁力以外の2点でネオジム磁石に勝っているからです。
| ネオジム磁石 | サマリウムコバルト磁石 | |
|---|---|---|
| 最大の磁力 | 強い | やや劣る |
| 耐熱性 | 温度が上がると磁力が落ちやすい | 高温でも磁力を保つ |
| 耐食性 | 鉄を多く含むため錆びる→めっきが必須 | 錆びにくい→表面処理なしでも使える |
| 向いている場所 | 常温で使う機器(スピーカー・ハードディスク・家電) | 熱くなる場所・過酷な環境(航空宇宙・モーター・計測器) |
有機化学でのサマリウム——ヨウ化サマリウム(II)
希土類の多くは +3 のイオンにしかなりません。サマリウムはその例外で、+2 の状態もとれます。そしてこの +2 が、有機合成でたいへん重宝されています。
ヨウ化サマリウム(II)(SmI2)は、電子を1個だけ渡す還元剤(1電子還元剤)です。Sm2+が電子を1個手放して Sm3+になりたがる性質を使います。カガン試薬とも呼ばれます。
| できること | 何が起こるか |
|---|---|
| ピナコールカップリング | ケトンやアルデヒドに電子を1個渡してラジカルを作り、2分子をつないで1,2-ジオールにする |
| バルビエ型反応 | ハロゲン化物から炭素ラジカルを発生させ、カルボニル基に付加させる——グリニャール試薬をあらかじめ作らなくてよい |
| レフォルマトスキー型反応 | α-ハロエステルを活性化し、カルボニル基に付加させる |
| ラジカル環化 | 発生させたラジカルを分子内で反応させ、環を作る |
原子炉での役割——中性子を吸う
サマリウムの同位体のひとつは、中性子を吸い込む性質が非常に強いことで知られています。原子炉の中では核分裂で生まれた中性子が連鎖反応を続けますが、この同位体が蓄積すると中性子を奪ってしまい、反応が勝手に鈍っていきます。
原子炉の運転ではこれを織り込んで制御しなければならず、逆に意図的に中性子を吸わせる材料としても使われます。
基本情報
| 和名 | サマリウム |
|---|---|
| 英名 | Samarium |
| 語源 | サマルスキー石の発見者サマルスキー (Samarsky) |
| 元素記号 | Sm |
| 原子番号 | 62 |
| 原子量 | 150.4 |
| 常温(25℃)での状態 | 固体(金属) |
| 色 | 灰白色 |
| 密度 | 7.520 g/cm3(20℃) |
| 融点 | 1072℃ |
| 沸点 | 1791℃ |
| 発見者 | ボアボードラン(フランス)[1879年] |
| 含有鉱物 | サマルスキー石 |
よくある質問
耐熱性と耐食性でネオジム磁石に勝っているからです。ネオジム磁石は温度が上がると磁力が落ち、鉄を多く含むため錆びやすく、めっきや耐熱元素の添加が必要になります。サマリウムコバルト磁石は最初から高温でも磁力を保ち、錆びにくいので、航空宇宙や高温になるモーター、計測器など過酷な環境で選ばれます。磁石選びは最大磁力だけで決まるものではありません。
電子を1個だけ渡してラジカルを発生させる還元剤です(カガン試薬)。水素化ホウ素ナトリウムのようなヒドリド還元剤が2電子をまとめて渡すのに対し、SmI2は1電子ずつ渡します。狙いは単に還元することではなく、発生させたラジカルで炭素−炭素結合をつなぐことです。ピナコールカップリング、バルビエ型反応、レフォルマトスキー型反応、ラジカル環化などに使われます。
希土類の多くは +3 のイオンにしかならず、酸化還元を使った反応に向きません。サマリウムは +2 もとれるため、Sm2+が電子を1個手放してSm3+になる性質を還元剤として利用できます。この例外的な性質が、有機合成でサマリウムが使われる理由です。
存在量はそれほど少なくありません。ありふれた金属より多く存在するものもあります。問題は量ではなく、仲間同士を分離するのが極端に難しいことです。希土類では増えた電子が外側ではなく内側の4f軌道に入るため、原子番号が1つ違っても化学的な性質がほとんど変わりません。供給が偏って見えるのは、この分離を大規模にやれる設備が限られているからです。
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