Гадолиний

Гадолиний
Гадолиний
	← Европий \| Тербий →
Внешний вид простого вещества
	Образец гадолиния
Свойства атома
Название, символ, номер	Гадолиний / Gadolinium (Gd), 64
Группа, период, блок	3 (устар. 3), 6, ; f-элемент
Атомная масса ; (молярная масса)	157,25(3) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 6s24f75d1
Радиус атома	179 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	161 пм
Радиус иона	(+3e) 93,8 пм
Электроотрицательность	1,20 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Gd←Gd3+ -2,28В
Степени окисления	+1, +2, +3
Энергия ионизации ; (первый электрон)	594,2(6,16) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	7,900 г/см³
Температура плавления	1586 K
Температура кипения	3539 K
Уд. теплота плавления	10,0 кДж/моль
Уд. теплота испарения	398 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	37,1 Дж/(K·моль)
Молярный объём	19,9 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Гексагональная
Параметры решётки	a=3,636 c=5,783 Å
Отношение c/a	1,590
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (10,5) Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-54-2
Наиболее долгоживущие изотопы

Гадоли́ний (химический символ — Gd, от новолат. Gadolinium) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 64.

64	Гадолиний
Gd 157,25
4f⁷5d¹6s²

Относится к семейству «Лантаноиды».

Простое вещество гадолиний — это мягкий редкоземельный металл серебристо-белого цвета.

ИсторияПравить

Гадолиний открыт в 1880 году Жаном де Мариньяком, который спектроскопически доказал присутствие нового элемента в смеси оксидов редкоземельных элементов. Элемент был назван по имени финского химика Юхана Гадолина.

Нахождение в природеПравить

Кларк гадолиния в земной коре (по Тейлору) — 8 г/т, содержание в воде океанов — 2,4⋅10⁻⁶ мг/л.

МесторожденияПравить

Гадолиний входит в состав руд семейства «Лантаноиды».

Физические свойстваПравить

Полная электронная конфигурация атома гадолиния: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁷5d¹.

Гадолиний — это мягкий, вязкий редкоземельный металл серебристо-белого цвета. Не радиоактивен. Является ферромагнетиком.

В природе в основном встречается в солевой форме.

ИзотопыПравить

Природный гадолиний состоит из шести стабильных изотопов (¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd и ¹⁶⁰Gd) и одного нестабильного ¹⁵²Gd.

Химические свойстваПравить

Химические свойства гадолиния схожи с другими лантаноидами. Активно реагирует с соляной кислотой 2Gd + 6HCl = 2GdCl3 + 3H2

Устойчив к щелочам. С галогенами реагирует. С серой реакция идет при нагреве. На воздухе покрывается защитной пленкой из оксида, что предохраняет его от дальнейшего окисления

ПолучениеПравить

Гадолиний получают восстановлением фторида или хлорида гадолиния (GdF₃, GdCl₃) кальцием. Соединения гадолиния получают разделением оксидов редкоземельных металлов на фракции.

ПрименениеПравить

Гадолиний постоянно открывает все новые и новые области своего применения, и в немалой степени это обусловлено не только особыми ядерно-физическими и магнитными свойствами, но и технологичностью. Основными областями применения гадолиния являются электроника и ядерная энергетика, а также широко применяется как парамагнитное контрастное вещество в медицине.

Магнитные носители информацииПравить

Ряд сплавов гадолиния и особенно сплав с кобальтом и железом позволяет создавать носители информации с колоссальной плотностью записи. Это обусловлено тем, что в этих сплавах образуются особые структуры — ЦМД — цилиндрические магнитные домены, причём размеры доменов менее 1 мкм, что позволяет создавать носители памяти для современной компьютерной техники с плотностью записи 1—9 миллиардов бит (0,1…1 ГБайт) на 1 квадратный сантиметр площади носителя.

В медицинеПравить

Гадолиний-153 используется в качестве источника излучения в медицине для диагностики остеопороза. Хлорид гадолиния применяется для блокады клеток Купфера при лечении печени.

Контрастирование при МРТПравить

Гадолиний является основой парамагнитных контрастных веществ при магнитно-резонансной томографии. Контрастный препарат, например гадодиамид, представляет раствор водорастворимой соли, который вводится внутривенно и накапливается в областях с повышенным кровоснабжением (например, злокачественных опухолях). Из-за содержания редкоземельных элементов контрастное вещество относительно дорогое — цена одной дозы в 2010 году составляет 5-10 тыс. рублей. Ряд МРТ-исследований неинформативен без контрастного усиления. Первое парамагнитное контрастное вещество было создано фирмой Баер в 1988 году.^[3]

Другие препараты: гадопикленол^[en].

Лазерные материалы Править

Гадолиний применяется для выращивания методом Чохральского (вытягивание из расплава) монокристаллов гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) и особенно гадолиний-галлий-скандиевого граната (ГГСГ), и др. Особые свойства ГГСГ позволяют на его основе изготавливать лазерные системы с предельно высоким КПД и сверхвысокими параметрами лазерного излучения. В принципе, ГГСГ на сегодняшний день является первым в достаточной степени изученным и имеющим отработанную технологию производства лазерным материалом — обладающим высоким КПД преобразования и пригодным для создания лазерных систем для инерциального термоядерного синтеза.

Ванадат гадолиния с ионами неодима и тулия применяется для производства твердотельных лазеров, применяемых для лучевой обработки металлов и камня, а также и в медицине.

Ультрафиолетовый лазер Править

Использование ионов гадолиния для возбуждения лазерного излучения позволяет создать лазер, работающий в ближнем ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 310 нм.

Ядерная энергетика Править

В ядерных технологиях ряд изотопов гадолиния нашли применение как поглотитель нейтронов теплового спектра. Сечение захвата нейтрона у природной смеси изотопов достигает 49 000 барн. Наивысшей способностью к захвату нейтронов обладает гадолиний-157 (сечение захвата — 254 000 барн). В современных ядерных реакторах гадолиний применяется как экранирующий выгорающий поглотитель, призванный продлить топливную кампанию реактора.

Растворимые соединения гадолиния интересны в установках переработки отработанного ядерного топлива для предотвращения образования в технологических установках зон с критическими массами делящегося вещества. На основе окиси гадолиния изготавливаются эмали, керамика и краски, используемые в ядерной отрасли. Сплав гадолиния и никеля применяется для изготовления контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.

Оксид гадолиния используется для варки стекла, поглощающего тепловые нейтроны. Самый распространенный состав такого стекла: оксид бора — 33 %, оксид кадмия — 35 %, оксид гадолиния — 32 %.^{[источник не указан 1335 дней]}

Термоэлектрические материалыПравить

Теллурид гадолиния может работать как очень хороший термоэлектрический материал (термо-э.д.с. 220—250 мкВ/К).

Сверхпроводники Править

В качестве одного из базовых компонентов входит в состав сверхпроводящей керамики с общей формулой RE-123, где RE обозначает редкоземельные металлы. Полная формула высокотемпературной сверхпроводящей керамики на основе гадолиния — GdBa₂Cu₃O_7-δ, сокращенно — GdBCO. Температура сверхпроводящего перехода — около 94 К. Является одним из наиболее передовых ВТСП-материалов.

Электронные пушкиПравить

Гексаборид гадолиния применяется для изготовления катодов мощных электронных пушек и рентгеновских установок, ввиду самой маленькой работы выхода из всех боридов редких земель — его работа в 2,05 эВ сравнима с работой выхода щелочных металлов (калий, рубидий, цезий).

Металлогидриды для хранения водорода Править

Сплав гадолиний-железо применяется как очень ёмкий аккумулятор водорода, и может быть применен для водородного автомобиля.

Получение сверхнизких температурПравить

Сплав гадолиния, германия, кремния и небольшого количества железа (1 %) применяется для производства магнитных холодильников (на основе гигантского магнитокалорического эффекта)^[4]^[5].

Чистый гадолиний имеет максимальное значение магнитокалорического эффекта в точке Кюри (около 290 K) порядка 4,9 С при адиабатическом намагничивании полем 20 кЭ^[6]. Также особый интерес в последние годы привлекает к себе сплав гадолиний — тербий (монокристаллический).

Легирование титановых сплавовПравить

Некоторое количество гадолиния постоянно расходуется для производства специальных титановых сплавов (повышает предел прочности и текучести при легировании уже около 5 % гадолинием).

Биологическая рольПравить

Гадолиний является ингибитором механочувствительных ионных каналов, обратимо блокирует их в микромолярных концентрациях. Также он может блокировать и некоторые другие ионные каналы.

ЦеныПравить

Цены на металлический гадолиний чистотой 99,9 % в конце 2014 года составили 132,5 долл. США за 1 кг^[7].

См. такжеПравить

Гадолинит

ПримечанияПравить

↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.
↑ Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 450. — 623 с. — 100 000 экз.
↑ Магнитно-резонансный томограф (МРТ) (неопр.). Дата обращения: 10 апреля 2012. Архивировано 27 ноября 2011 года.
↑ Effect of alloying on the giant magnetocaloric effect of Gd5(Si2Ge2)
↑ Магнитное охлаждение — уже реальность (неопр.). Дата обращения: 14 октября 2017. Архивировано 27 марта 2019 года.
↑ Арефьев И. М.: Магнитокалорический эффект и теплоемкость высокодисперсных магнетиков
↑ Gadolinium prices (англ.). Metal-Pages (16 ноября 2014). Дата обращения: 13 ноября 2014. Архивировано 16 ноября 2014 года.

СсылкиПравить

[iupac_atomic_weights-1] Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.

[ХЭ-2] Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — С. 450. — 623 с. — 100 000 экз.

[3] Магнитно-резонансный томограф (МРТ) (неопр.). Дата обращения: 10 апреля 2012. Архивировано 27 ноября 2011 года.

[http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0304885396007597-4] Effect of alloying on the giant magnetocaloric effect of Gd5(Si2Ge2)

[http://www.holodcatalog.ru/entsiklopedii/novye-tekhnologii-v-kholodilnoy-otrasli/magnitnoe-okhlazhdenie-uzhe-realnost/-5] Магнитное охлаждение — уже реальность (неопр.). Дата обращения: 14 октября 2017. Архивировано 27 марта 2019 года.

[http://www.dissercat.com/content/magnitnye-i-magnitoteplovye-svoistva-gadoliniya-terbiya-i-golmiya-v-oblasti-magnitnykh-fazov-6] Арефьев И. М.: Магнитокалорический эффект и теплоемкость высокодисперсных магнетиков

[7] Gadolinium prices (англ.). Metal-Pages (16 ноября 2014). Дата обращения: 13 ноября 2014. Архивировано 16 ноября 2014 года.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]