Гадолиний (original) (raw)

Гадолиний
← Европий | Тербий →
64 Gd↓Cm Периодическая система элементовПериодическая система элементов64Gd
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 (1 313°C)
Температура кипения 3539 (3 266°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 - -

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.

Относится к семейству «Лантаноиды».

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

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.

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

Гадолиний входит в состав руд семейства «Лантаноиды».

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.

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

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

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

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.

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.

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

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.].

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.

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

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 1957 дней_]

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

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 — GdBa2Cu3O7-δ, сокращенно — GdBCO. Температура сверхпроводящего перехода — около 94 К. Является одним из наиболее передовых ВТСП-материалов.

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).

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

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).

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

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

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

  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.
  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.
  4. ↑ Effect of alloying on the giant magnetocaloric effect of Gd5(Si2Ge2)
  5. ↑ Магнитное охлаждение — уже реальность (неопр.). Дата обращения: 14 октября 2017. Архивировано 27 марта 2019 года.
  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.