Гадолиний

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.

Гадолиний
← Европий | Тербий →
64 Gd ↓ Cm Периодическая система элементов 64Gd
Внешний вид простого вещества
Образец гадолиния
Свойства атома
Название, символ, номер	Гадолиний / Gadolinium (Gd), 64
Группа, период, блок	3 (устар. IIIB), 6, f-элемент
Атомная масса (молярная масса)	157,25(3)[1] 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	0, +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 (1313°C)
Температура кипения	3539 (3266°C)
Мол. теплота плавления	10,0 кДж/моль
Мол. теплота испарения	398 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	37,1[2] 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
Основная статья: Изотопы гадолиния Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 148Gd синт. 75 лет α 144Sm 150Gd синт. 1,8⋅106 лет α 146Sm 152Gd 0,20% 1,08⋅1014 лет α 148Sm 154Gd 2,18% стабилен - - 155Gd 14,80% стабилен - - 156Gd 20,47% стабилен - - 157Gd 15,65% стабилен - - 158Gd 24,84% стабилен - - 160Gd 21,86% стабилен - -

64	Гадолиний
Gd 157,25
4f75d16s2

Относится к семейству «Лантаноиды».

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

История

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 природе

Подробнее см. Редкоземельные элементы

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

Месторождения

Гадолиний входит в состав руд семейства «Лантаноиды».

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома гадолиния: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f⁷5d¹.

Гадолиний — это мягкий, вязкий редкоземельный металл серебристо-белого цвета. Очень слабо радиоактивен по весьма долгоживущему изотопу ¹⁵²Gd. Является ферромагнетиком, температура Кюри около 20 °C.

В природе в основном встречается в составе солей.

Изотопы

Основная статья: Изотопы гадолиния

Природный гадолиний состоит из шести стабильных изотопов (¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd и ¹⁶⁰Gd) и одного нестабильного ¹⁵²Gd с очень большим периодом полураспада 1,08⋅10¹⁴ лет.

Химические свойства

Химические свойства гадолиния схожи с другими лантаноидами. Активно реагирует с соляной кислотой ${\displaystyle {\ce {2Gd + 6HCl = 2GdCl3 + 3H2 ^}}}$.

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

Получение

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

Применение

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 информации

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 медицине

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

Контрастирование при МРТ

Основная статья: Контрастные вещества

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 Байер в 1988 году.^[3]

Другие препараты: гадопикленол^[англ.].

Лазерные материалы

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

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

Ядерная энергетика

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 2224 дня]}

Термоэлектрические материалы

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

Сверхпроводники

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 пушки

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

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

Получение сверхнизких температур

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 сплавов

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

Биологическая роль

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

Цены

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

См. также

• Гадолинит