Europium là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và vị trí trong bảng tuần hoàn

Europium (ký hiệu Eu, số nguyên tố 63) là một kim loại đất hiếm thuộc nhóm lanthanoid, nguyên tố thứ ba trong dãy terbium đến lutetium. Europium có tính mềm và dẻo, màu trắng bạc trong điều kiện chân không hoặc khí trơ, nhưng nhanh chóng chuyển sang màu vàng nhạt khi tiếp xúc với không khí ẩm do hình thành lớp oxide bề mặt. Do nằm ở chu kỳ thứ 6, nhóm 3 của bảng tuần hoàn IUPAC, europium chia sẻ các đặc tính tương tự với các nguyên tố cùng nhóm như samarium và gadolinium.

Vị trí của europium trong nhóm lanthanoid quyết định các tính chất quang - điện quan trọng: lớp vỏ 4f chưa đầy kết hợp với lớp 6s đóng góp vào khả năng phát huỳnh quang đặc trưng. Trong các phản ứng hóa học, europium thường tồn tại ở hai trạng thái oxy hóa chính Eu²⁺ và Eu³⁺, cho phép ứng dụng rộng rãi trong phát quang, laser và vật liệu từ tính. Trạng thái Eu³⁺ là dạng phổ biến nhất trong tự nhiên và trong phần lớn hợp chất, còn Eu²⁺ thường được điều chế bằng các phản ứng khử mạnh.

Lịch sử và nguồn gốc tên gọi

Europium được phát hiện lần đầu năm 1901 bởi nhà hóa học Pháp Eugène-Anatole Demarçay khi ông tách europium oxide (Eu₂O₃) từ hỗn hợp oxit các nguyên tố đất hiếm. Tuy nhiên, cho đến năm 1951, europium tinh khiết mới được điều chế thành kim loại bằng phương pháp điện phân trong dung dịch fluorit nóng chảy. Việc tách và tinh chế europium gặp khó khăn do tính chất hóa học tương đồng của các lanthanoid khác.

Tên “europium” xuất phát từ tên châu Âu (Europe) – nơi mẫu quặng ban đầu (monazite và bastnaesite) được thu thập. Việc đặt tên gắn liền với xu hướng đầu thế kỷ 20 khi nhiều nguyên tố đất hiếm được phát hiện và đặt theo tên thiên văn hoặc địa danh. Kể từ khi tách được kim loại tinh khiết, europium nhanh chóng thu hút sự chú ý trong nghiên cứu quang học và nguyên tử vì khả năng phát huỳnh quang mạnh ở bước sóng đỏ hoặc xanh lam tùy vào trạng thái oxy hóa.

• 1901: Eugène-Anatole Demarçay phân lập Eu₂O₃.
• 1951: Tinh chế kim loại Eu tinh khiết bằng điện phân.
• 1960–1970: Ứng dụng ban đầu trong đèn huỳnh quang và màn hình CRT.

Cấu trúc nguyên tử và trạng thái oxy hóa

Cấu hình electron của europium là $[Xe]\,4f^{7}6s^{2}$, với lớp 4f bán đầy (bảy electron) mang đến tính ổn định tương đối cao nhờ hiệu ứng bán đầy. Lớp 6s đôi cho tính chất kim loại và khả năng dẫn điện. Sự phân bố electron này giải thích tại sao Eu³⁺ (mất ba electron) có cấu hình $[Xe]\,4f^{6}$, trong khi Eu²⁺ (mất hai electron) có cấu hình $[Xe]\,4f^{7}$, cho ra màu phát quang xanh lam mạnh hơn do cấu trúc bán đầy f orbitals.

Độ bền hai trạng thái Eu²⁺ và Eu³⁺ phụ thuộc vào năng lượng ion hóa và môi trường phản ứng. Trong hợp chất oxy hóa, Eu³⁺ chiếm ưu thế, tạo ra các muối solvat như EuCl₃, Eu(NO₃)₃ hòa tan tốt trong nước, mang màu hồng nhạt hoặc không màu. Ngược lại, Eu²⁺ bền hơn trong môi trường khử mạnh như hợp chất cacbonat hoặc halide, cho ra các chất có màu lam đặc trưng – ứng dụng trong phosphor phát sáng và laser tinh thể rắn.

Trạng thái	Cấu hình electron	Màu phát quang	Ví dụ hợp chất
Eu²⁺	[Xe] 4f⁷	Xanh lam	EuCl₂, EuO
Eu³⁺	[Xe] 4f⁶		Eu₂O₃, EuCl₃

Tính chất vật lý

Europium có nhiệt độ nóng chảy khoảng 826 °C và nhiệt độ sôi gần 1 527 °C. Mật độ ở 20 °C vào khoảng 5,24 g/cm³, thấp hơn so với nhiều kim loại nặng khác do cấu trúc tinh thể có thể chứa khoảng trống nhỏ giữa các nguyên tử. Kim loại europium dẫn điện và dẫn nhiệt kém hơn các kim loại chuyển tiếp vì lớp 4f không tham gia trực tiếp vào dẫn điện, chủ yếu khuếch tán nhiệt qua electron 6s.

Trong điều kiện thường, europium rất dễ bị oxy hóa tạo Eu₂O₃, cần bảo quản trong bình khí argon hoặc bọc dầu hỏa. Khi gia nhiệt trong chân không hoặc trong khí trơ, europium duy trì tính kim loại, cho phép gia công cơ học như ép, cắt hoặc cán mỏng. Do đặc tính mềm, europium có thể cắt bằng dao thép và thể hiện độ dẻo cao khi kéo sợi hoặc cán mỏng thành lá rất mỏng.

• Nhiệt độ nóng chảy: ~826 °C.
• Nhiệt độ sôi: ~1 527 °C.
• Mật độ: 5,24 g/cm³ (20 °C).
• Kiểu tinh thể: khối tâm lục phương (hcp).

Tính chất hóa học và phản ứng đặc trưng

Europium phản ứng với halogen (F₂, Cl₂, Br₂, I₂) tạo thành các halide EuX₂ và EuX₃ tùy theo điều kiện oxy hóa. Ví dụ, khi đun nóng europium kim loại với chlorine, EuCl₂ và EuCl₃ hình thành theo tỉ lệ phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian phản ứng. Trong môi trường oxy, europium nhanh chóng bị oxy hóa thành oxide Eu₂O₃, lớp oxide này bám chặt lên bề mặt và tạo màng bảo vệ mỏng, ngăn cản oxy hóa sâu hơn.

Phản ứng khử Eu³⁺ → Eu²⁺ có thể thực hiện bằng kim loại kiềm mạnh (Na, K) hoặc hợp chất borohydride (NaBH₄) trong dung môi không nước. Ví dụ:

2\,EuCl_{3} + 2\,Na \;{\xrightarrow[\text{molten salt}]{\Delta}}\; 2\,EuCl_{2} + 2\,NaCl + Cl_{2}\end{script>

• Europium oxide Eu₂O₃ tan trong acid loãng tạo dung dịch Eu³⁺ có màu hồng nhạt.
• Eu²⁺ dễ bị oxy hóa trở lại Eu³⁺ khi tiếp xúc không khí hoặc tác nhân oxy hóa yếu.
• Europium sulfide (EuS) có thể điều chế qua phản ứng với H₂S ở nhiệt độ cao, ứng dụng trong vật liệu từ tính.

Đồng vị và tính phóng xạ

Europium tự nhiên bao gồm hai đồng vị bền: ¹⁵¹Eu (47,8 %) và ¹⁵³Eu (52,2 %). Ngoài ra, nhiều đồng vị phóng xạ của europium được tạo ra trong lò phản ứng hạt nhân hoặc máy gia tốc: tiêu biểu nhất là ¹⁵²Eu và ¹⁵⁴Eu.

Đồng vị	Nửa đời (t)	Phân rã chính	Ứng dụng
152Eu	13.516 năm	β⁻, γ	Hiệu chuẩn thiết bị gamma, khảo sát vật liệu
154Eu	8,593 năm	β⁻, γ	Theo dõi phân rã, nghiên cứu chu kỳ neutron

Các đồng vị phóng xạ của europium phát ra tia gamma ở nhiều mức năng lượng (ví dụ 122 keV, 344 keV cho ¹⁵²Eu), thuận lợi cho hiệu chuẩn thiết bị đo phóng xạ và nghiên cứu phổ gamma .

Phương pháp chiết xuất và điều chế

Europium thường được thu hồi từ quặng bastnaesite và monazite qua quy trình tách đất hiếm. Ban đầu, quặng được hòa tan bằng acid sulfùric hoặc acid clohydric để chuyển tất cả oxy-ôn thành dạng cation Eu³⁺.

1. Phân tách sơ cấp bằng kết tủa oxalate hoặc hydroxide để loại bỏ tạp chất kim loại nặng.
2. Chiết dung môi (solvent extraction) sử dụng hợp chất phosphoric hữu cơ (PC-88A, D2EHPA) để tách Eu³⁺ khỏi các lanthanoid khác.
3. Điện phân nóng chảy EuCl₃ trong hỗn hợp NaCl–KCl ở khoảng 750–800 °C để thu kim loại Eu tinh khiết.

Phương pháp trao đổi ion (ion exchange) trên cột resin chelating cũng được áp dụng để tinh chế europium oxide đến độ tinh khiết ≥ 99,9 %. Để tăng độ sáng quang học, các hợp chất europium thường được tinh chế thêm qua quy trình nhiệt độ cao trong chân không hoặc khí trơ .

Ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu

Europium là thành phần chính trong các phosphor phát huỳnh quang đỏ và xanh lam dùng cho đèn huỳnh quang, đèn LED và màn hình CRT. Ví dụ, Eu³⁺-doped Y₂O₃ sản xuất ánh sáng đỏ rực rỡ, trong khi Eu²⁺-doped BaMgAl₁₀O₁₇ cho ánh sáng xanh lam mạnh.

• Đèn huỳnh quang và LED: tăng chỉ số hoàn màu (CRI) và hiệu suất phát sáng (PubChem).
• Laser rắn: Eu³⁺-doped YLiF₄ (YLF) và YVO₄ dùng trong laser xung ngắn.
• Thủy tinh quang học: tăng độ phát xạ huỳnh quang và ổn định quang học ở bước sóng nhìn thấy.
• Chất đánh dấu phóng xạ: ¹⁵²Eu trong khảo sát không phá hủy và kiểm tra độ dày vật liệu.

Trong nghiên cứu vật liệu từ tính, EuS và EuO được sử dụng làm chất mẫu nghiên cứu chuyển pha Ferromagnet tại nhiệt độ thấp (TC ~16 K cho EuO) .

Độc tính và an toàn môi trường

Europium được đánh giá có độ độc thấp so với nhiều kim loại nặng khác, nhưng hợp chất bột và dung dịch Eu³⁺ vẫn có thể gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp. Hít phải bụi oxide europium có thể dẫn đến viêm phế quản hoặc mẫn cảm phổi.

• Tiếp xúc da: rửa sạch bằng xà phòng và nước nếu da tiếp xúc với bột hoặc dung dịch.
• Hít phải bụi: sử dụng khẩu trang N95 hoặc hệ thống thông gió cục bộ.
• Thải bỏ: tuân thủ quy định OSHA và EU REACH, thu gom chất thải kim loại đất hiếm để tái chế.

Lưu kho trong bình kín với khí argon hoặc bọc dầu khoáng, tránh ẩm và nhiệt độ cao để giảm nguy cơ oxy hóa tự phát. Công tác thử nghiệm và sản xuất europium phải tuân thủ tiêu chuẩn an toàn công nghiệp ISO 14644 cho phòng thí nghiệm và ISO 7196 cho xử lý chất thải nguy hại.

Tài liệu tham khảo

• NIST – Physical Measurement Laboratory
• PubChem – Europium
• ECHA – European Chemicals Agency
• RSC Advances – Solvent extraction of europium
• Nature Materials – Magnetic properties of EuO