铕

4f7 6s22, 8, 18, 25, 8, 2蒸气压3, 2, 1 （微第一：547.1 kJ·mol−1 第二：1085 kJ·mol−1 第三：2404 kJ·mol主条目：铕的同位素铕（Europium）是一种化学元素，符号为Eu，原子序为63。元素以欧洲（Europe）命名。铕是一种较坚硬的银白色金属，在空气和水中容易氧化。它属于典型的镧系元素，氧化态通常为+3，但其+2态也并不鲜见。所有氧化态为+2的铕化合物都具有轻微的还原性。铕在生物体中没有重要的功用，和其他重金属相比毒性较低。铕的大部分应用都采用了其化合物的磷光特性，例如电视机的磷光体以及欧罗（欧元）纸币的防伪磷光体等。铕是一种可延展金属，硬度与铅相约。其晶体结构为体心立方。铕的一些性质和其半满的电子层有很大的关系。在镧系元素中，铕的熔点第二低，密度则最低。在冷却至1.8 K、加压至80 GPa时，铕会变成超导体。这是因为，铕在金属态下化合价为二，在受压的情况下化合价变为三。二价状态下强大的局域磁矩（J = 7/2）抑制了超导相态，而三价时的磁矩为零，因此超导性质得以发挥。铕是反应性最高的稀土元素。它在空气中会迅速氧化：大约厘米大小的铕金属样本在几天之内就会整块氧化。在水中铕的反应性和钙相近，反应式为由于反应性高，就算涂上一层矿物油保护层，固体铕样本也一般不会有闪亮的金属表面。铕会在150至180 °C的空气当中自燃，形成三氧化二铕：铕在稀硫酸中容易溶解，形成淡粉红色的水合铕(III)溶液：铕一般显三价态，但有时也会形成二价化合物。这在几乎完全形成三价化合物的镧系元素中是比较少见的。铕的+2态的电子排布为4f7，因为半满的f壳层有更高的稳定性。在大小和配位数方面，铕(II)和钡(II)相似。例如，两者的硫酸盐都很难溶于水。二价铕是一种弱还原剂，且会在空气中氧化成三价铕化合物。在缺氧条件（特别是地热条件）下，二价铕足够稳定，所以会掺入钙以及其他碱土金属的矿物之中。这种离子交换过程是“负铕异常”现象的基础，即镧系元素矿物（如独居石）的铕含量相对颗粒陨石含量偏少。氟碳铈矿（Bastnäsite）的负铕异常比独居石轻微，因此成为了今天铕元素的主要来源。虽然铕的浓度一般很低，但由于它的二价离子可以很容易从其他三价镧系元素中分离出来，所以较易取得。自然形成的铕元素由两种同位素组成：151Eu和153Eu，后者的丰度为52.2%，比前者稍高。153Eu是稳定同位素，但151Eu则会进行α衰变，半衰期为7018500000000000000♠5+11−3×1018 年，即在1公斤自然铕样本中大约每2分钟发生一次α衰变事件。这一数值与理论预测值吻合。除了自然的放射性同位素151Eu以外，已知的人造放射性同位素共有35种，其中最稳定的有150Eu（半衰期为36.9年）、152Eu（13.516年）和154Eu（8.593年）。所有剩余的放射性同位素半衰期都在4.7612年以下，且大部分小于12.2秒。铕共有8种亚稳态，最稳定的有150mEu（半衰期为12.8小时）、152m1Eu（9.3116小时）和152m2Eu（96分钟）。质量比153Eu低的同位素衰变模式主要是电子捕获，并一般产生钐的同位素；质量更高的则主要进行β−衰变，并一般产生钆的同位素。铕是某些核裂变反应的产物，但铕同位素质量较高，其裂变产物产量很低。和其他镧系元素一样，铕的许多同位素，特别是奇数质量数和低中子数的同位素（如152Eu），拥有很高的中子捕获截面，通常可以作为中子毒物。钐-151经β衰变后会产生151Eu，但由于半衰期长，吸收中子的平均时间短，所以大部分151Sm最终会变为152Sm。152Eu（半衰期为13.516年）和154Eu（8.593年）不能作为β衰变产物，因为152Sm和154Sm都没有放射性。154Eu和134Cs是仅有的两个裂变产量高于百万分之2.5的长寿命受屏蔽核素。对153Eu进行中子活化，可以产生更大量的154Eu，但其中大部分会再转化为155Eu。对于铀-235和热中子，155Eu（半衰期为4.7612年）的裂变产量为百万分之330，其大部分会在燃料燃耗结束时嬗变成无放射性、无吸收性的钆-156。整体来说，在辐射危害上，铕比铯-137和锶-90弱得多，而作为中子毒物，铕则比钐弱很多。铕在自然界中不以单体出现。许多矿物都含有铕，其中最重要的包括：氟碳铈矿、独居石、磷钇矿和铈铌钙钛矿。相对其他稀土元素来说，铕有时会在矿物中具有偏高或者偏低的含量，这种现象称为铕异常。地球化学和岩石学的微量元素分析常用到铕元素，以了解火成岩的形成过程。通过分析铕异常情况，可有助重建一套火成岩之间的关系。少量的二价铕（Eu2+）可以作为某些萤石（CaF2）样本的亮蓝色萤光激活剂。Eu3+在高能粒子照射下会变为Eu2+。这种萤光矿物可以在英国北部Weardale及周边地区。英文中的萤光一词（fluorescence）就是来自此处所发现的萤石（fluorite）。直到很久以后人们才发现，萤光是矿石中的铕所造成的。铕一般和其他的稀土元素一同出现，所以是一起开采，并之后再分离开来的。氟碳铈矿、铈铌钙钛矿、磷钇矿和独居石等矿石中含有可开采量的稀土元素。首两种为正磷酸盐矿物LnPO4（Ln表示除钷以外所有的镧系元素），磷钇矿为氟碳酸盐矿物LnCO3F。独居石同时含有钍和钇，而钍及其衰变产物都具有放射性，使处理过程更为困难。从原矿萃取和分离各种镧系元素的方法有几种。方法的选择要考虑矿物的成分和浓度，以及每种镧系元素在矿物浓缩物中的分布。矿石首先经过烘烤，再经酸碱来回浸溶，形成镧系元素的混合浓缩物。如果其中铈居多，就可将铈(III)转化为铈(IV)，从而沉淀出来。利用溶剂萃取法或离子交换层析法能够增加铕在混合物中的比例。用锌、锌汞齐、电离等方法可以把铕(III)转化为铕(II)。后者的化学性质和碱土金属相似，因此可以以碳酸盐的形态沉淀出来，或与硫酸钡共沉淀。要制备铕金属，可以对熔融三氯化铕（EuCl3）和氯化钠（NaCl）或氯化钙（CaCl2）的混合物进行电离，以石墨电解槽作为阴极，石墨作为阳极。反应同时也会产生氯气。世界上有多个出产铕的大型矿藏。中国内蒙古的白云鄂博铁矿含有大量的氟碳铈矿和独居石，估计稀土金属氧化物的含量有3600万吨，因此它是目前世界上最大的矿藏。中国依靠白云鄂博铁矿在1990年代成为了最大的稀土元素产国。所产出的稀土元素中，只有0.2%是铕。1965年至1990年代，美国加州山口（Mountain Pass）稀土矿场是全球第二大稀土元素来源。当地的氟碳铈矿含有较高浓度的轻稀土元素（镧至钆、钪、钇），而铕含量则只有0.1%。俄罗斯西北部的科拉半岛出产铈铌钙钛矿，是另一个大型稀土元素产地。除铌、钽和钛以外，它拥有高达30%的稀土元素，因此是这些元素在俄罗斯的最大来源。在大多数条件下，铕化合物都具有+3氧化态。在这些化合物中，铕(III)通常与6至9个含氧配位体（通常为水）成键。铕的氯化物、硫酸盐、硝酸盐都可溶于水和极性有机溶液。具亲脂性的铕配合物一般拥有类似乙酰丙酮的配位体，例如EuFOD。铕金属可与所有卤素反应：如此形成白色的三氟化铕（EuF3）、黄色的三氯化铕（EuCl3）、灰色的三溴化铕（EuBr3）以及无色的三碘化铕（EuI3）。对应的二卤化物同样可以形成：黄绿色的二氟化铕（EuF2）、无色的二氯化铕（EuCl2）、无色的二溴化铕（EuBr2）以及绿色的二碘化铕（EuI2）。铕可以和所有氧族元素形成稳定化合物，其中较重的氧族元素（硫、硒和碲）会使较低的氧化态更加稳定。已知的氧化物共有三种：一氧化铕（EuO）、三氧化二铕（Eu2O3）及混合价态氧化物Eu3O4，其同时含有铕(II)和铕(III)。其他的氧族元素化合物包括一硫化铕（EuS）、一硒化铕（EuSe）和一碲化铕（EuTe），三者均为黑色固体。三氧化二铕在高温下分解，经过硫化形成一硫化铕：铕的主要氮化物为一氮化铕（EuN）。虽然铕存在于大部分稀有元素矿物之中，但由于分离过程的困难，所以直到19世纪末该元素才被分离出来。威廉·克鲁克斯在1885年对稀有元素的萤光光谱进行过分析，其中的一些“异常”谱线后来发现来自于铕元素。保罗·埃米尔·勒科克·德布瓦博德兰于1890年首次发现铕元素。他在钐钆浓缩物的分馏提取物中，观测到了既不属于钐，又不属于钆的谱线。然而，一般的说法是法国化学家尤金·德马塞发现了铕。他在1896年怀疑新发现的钐样本中有一种未知元素的污染物，并在1901年成功将其分离出来。他依据欧洲的名称“Europe”将此元素命名为“Europium”。1960年代初，人们发现了掺铕正钒酸钇红色磷光体。但在彩色电视机工业即将革新之时，独居石加工厂却无法维持足够的铕元素供给，因为独居石的铕含量一般只在0.05%左右。当时莫利矿业位于加州山口的氟碳铈矿藏即将开启运作，当地的稀土矿含有异常高的0.1%铕含量，所以能够支撑这一工业。在铕磷光体被发现之前，彩色电视机的红色磷光体很弱，以致其他颜色的磷光体须要抑制才能保持颜色的平衡。铕磷光体能产生明亮的红光，因此不再须要调低别的颜色，彩色电视机的亮度也可以大大提高。自此铕就一直用于电视机和电脑荧屏的生产中。加州山口稀土矿场之后面临中国白云鄂博铁矿的竞争，后者能产出铕含量为0.2%的矿石。弗兰克·斯佩丁（Frank Spedding）对发展离子交换技术所作出的贡献在1950年代中革新了稀土工业。他曾自述在1930年代在做有关稀土元素的演讲时，一位老人说要向他献上几磅重的氧化铕。当时这算作是极大量的铕，所以斯佩丁并没有认真对待。但不久后他确实收到了内含几磅氧化铕的邮件。这位老人正是发展了氧化还原铕纯化方法的赫伯特·纽比·麦科伊（Herbert Newby McCoy）。铕的商业用途非常有限。几乎所有应用都用到铕在+2或+3氧化态下的磷光特性。在激光器和其他光电装置中，铕可以作玻璃的掺杂剂。三氧化二铕是一种常用的红色磷光体，用于CRT电视机和萤光灯中。它也是钇基磷光体的激活剂。彩色电视机屏含有0.5至1克铕元素。三价铕磷光体能给出红光，但二价铕的萤光颜色则取决于主体晶格，一般靠近蓝色。两种铕磷光体（红、蓝）加上黄绿色的铽磷光体，可产生“白”光。通过调节不同磷光体的比例，可以产生不同色温的白光。这种萤光系统一般应用在螺旋型萤光灯泡中。一些电视机和电脑荧屏也同样使用这种系统作为其三个原色。萤光玻璃的生产也用到了铕。除掺铜硫化锌之外，另一种持续发光的较常见磷光体就是掺铕氯酸锶。铕的萤光性质还能用在新药研发筛选过程中，以追踪生物分子的相互作用。欧罗纸币的防伪磷光体也含有铕。铕配合物，如Eu(fod)3，可以用作核磁共振光谱法的位移试剂，但这项应用已近乎被平价超导磁铁所淘汰。手性位移试剂（如Eu(hfc)3）今天仍被用于测量对映异构体纯度。没有明确证据显示铕的毒性比其他的重金属高。氯化铕的急性腹腔注射半数致死量（LD50）为550 mg/kg，急性口服LD50为5000 mg/kg。硝酸铕的腹腔注射LD50为320 mg/kg，口服LD50超过5000 mg/kg。粉状的铕金属有自燃或爆炸的危险。