Гадолиний

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
64 ЕвропийГадолинийТербий
Gd

Cm
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
64Gd
Hexagonal.svg
Electron shell 064 Gadolinium.svg
Внешний вид простого вещества
Gadolinium-4.jpg
Мягкий вязкий металл серебристо-белого цвета
Свойства атома
Название, символ, номер

Гадолиний / Gadolinium (Gd), 64

Атомная масса
(молярная масса)

157,25(3)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Xe] 4f7 5d1 6s2

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

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[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)

64
Гадолиний
Gd
157,25
4f75d16s2

Гадоли́ний (лат. Gadolinium), Gd — химический элемент III группы периодической системы Менделеева, атомный номер 64, атомная масса 157,25. Относится к лантаноидам.

История[править | править вики-текст]

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

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

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

Месторождения[править | править вики-текст]

Гадолиний входит в состав руд лантаноидов, которые часто встречаются в США, Казахстане, России, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии[источник не указан 1346 дней].

Получение[править | править вики-текст]

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

Цены[править | править вики-текст]

Цены на металлический гадолиний чистотой 99,9 % в конце 2014 года составили 132,5 долл. США за 1 кг[3].

Изотопы[править | править вики-текст]

Физические свойства[править | править вики-текст]

Химические свойства[править | править вики-текст]

Применение[править | править вики-текст]

О гадолинии как о материале современной технологии рассказывать можно довольно долго, ибо этот элемент постоянно открывает все новые и новые области своего применения, и в немалой степени это обусловлено не только особыми ядерно-физическими свойствами, но и технологичностью. Основными областями применения гадолиния являются электроника и ядерная энергетика.

Магнитные носители информации[править | править вики-текст]

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, что равно примерно 0,1—1 ГБ на 1 квадратный сантиметр площади носителя.

Контрастирование при МРТ[править | править вики-текст]

Лазерные материалы[править | править вики-текст]

Гадолиний применяется для выращивания методом Чохральского (вытягивание из расплава) монокристаллов гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) и особенно гадолиний-галлий-скандиевого граната (ГСГГ), и др. Особые свойства ГСГГ позволяют на его основе изготавливать лазерные системы с предельно высоким КПД и сверхвысокими параметрами лазерного излучения. В принципе ГСГГ 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.

Ядерная энергетика[править | править вики-текст]

В атомной технике гадолиний нашел применение для защиты от тепловых нейтронов, так как этот элемент обладает наивысшей способностью к захвату нейтронов из всех стабильных элементов. Его сечение равно 49 000 барн. Из всех изотопов гадолиния наивысшей способностью к захвату нейтронов обладает его изотоп гадолиний-157 (сечение захвата — 254 000 барн).

В этой связи гадолиний очень интересен для управления ядерным реактором и для конструирования защиты от нейтронов. На основе окиси гадолиния изготавливаются эмали, керамика и краски используемые в атомной технике. Для регулирования атомного реактора применяется так же борат гадолиния. Растворимые соединения гадолиния могут быть использованы для стабилизации растворов, получаемых при переработке ТВЭЛов растворением в кислотах для последующего разделения. Стабилизирующее действие солей гадолиния проявляется в способности «глушить» ядерные реакции в таких растворах, и позволяет осуществлять ряд технологических операций, связанных с концентрированием таких растворов, а значит с уменьшением критического объёма и образованием критических масс.

Оксид гадолиния используется для варки стекла, поглощающего тепловые нейтроны. Самый распространенный состав такого стекла: оксид бора — 33 %,оксид кадмия — 35 %, оксид гадолиния — 32 %.

Получение сверхнизких температур[править | править вики-текст]

В небольшом объёме гадолиний применяется для получения сверхнизких температур в научных исследованиях, так например сульфат гадолиния при размагничивании вблизи к Абсолютному нулю температур позволяет снизить температуру до 0,0001 К. Наряду с сульфатом гадолиния для получения сверхнизких температур используют также и хлорид гадолиния.

Сверхпроводники[править | править вики-текст]

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.

Производство катодов электронных пушек[править | править вики-текст]

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).

Ультрафиолетовый лазер[править | править вики-текст]

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

Производство металлогидридов для хранения водорода[править | править вики-текст]

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

Использование гадолиния в медицине[править | править вики-текст]

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

Контрастный препарат гадодиамид также содержит гадолиний. Контрастный препарат представляет раствор его 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 5000 — 10 000 рублей. Ряд МРТ-исследований неинформативен без контрастного усиления. Первое парамагнитное контрастное вещество было создано фирмой «Байер» в 1988 году[4].

Хранение радиоактивных отходов[править | править вики-текст]

Сплав гадолиния и никеля применяется для изготовления контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.

Гигантский магнитокалорический эффект[править | править вики-текст]

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

Чистый гадолиний имеет максимальное значение магнитокалорического эффекта в точке Кюри (около 290 K) порядка 4,9 К при адиабатическом намагничивании полем 20 кЭ (по данным кафедры магнетизма ТвГУ). Также особый интерес в последние годы привлекает к себе сплав гадолиний — тербий (монокристаллический).

Термоэлектрические материалы[править | править вики-текст]

Теллурид гадолиния может работать в мощном потоке нейтронов как очень хороший термоэлектрический материал (термо-э.д.с. 220250 мкВ/К). Селенид гадолиния имеет отличные термоэлектрические свойства и весьма перспективный и применяемый материал в производстве радиоизотопных источников энергии.

Легирование титановых сплавов[править | править вики-текст]

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

Радиоизотопные источники энергии[править | править вики-текст]

Гадолиний-148, испытывающий альфа-распад (период полураспада 93 года), является безопасным и в то же время исключительно мощным источником тепла для радиоизотопных термоэлектрогенераторов.

Биологическая роль[править | править вики-текст]

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  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. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  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. Gadolinium prices (англ.). Metal-Pages (16 ноября 2014). Проверено 13 ноября 2014. Архивировано из первоисточника 16 ноября 2014.
  4. Магнитно-резонансный томограф (МРТ)

Ссылки[править | править вики-текст]