- История
- Нахождение в природе
- Месторождения
- Получение
- Цены
- Физические свойства
- Изотопы
- Химические свойства
- Применение
- Магнитные носители информации
- В медицине
- Контрастирование при МРТ
- Лазерные материалы
- Ультрафиолетовый лазер
- Ядерная энергетика
- Термоэлектрические материалы
- Сверхпроводники
- Электронные пушки
- Металлогидриды для хранения водорода
- Получение сверхнизких температур
- Легирование титановых сплавов
- Биологическая роль
Гадолиний#novolat» title=»Интернационализм»>новолат. Gadolinium), Gd — химический элемент, лантаноид, атомный номер — 64, атомная масса — 157, 25.
Гадолиний | ||||
---|---|---|---|---|
← Европий | Тербий → | ||||
|
||||
Внешний вид простого вещества | ||||
Мягкий вязкий металл серебристо-белого цвета | ||||
![]() |
||||
Свойства атома | ||||
Название, символ, номер | Гадолиний / Gadolinium (Gd), 64 | |||
Атомная масса (молярная масса) |
157,25(3) 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 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 |
64 |
Гадолиний
|
Gd
|
|
4f75d16s2 |
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
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 лантаноидов.
Получение
Гадолиний получают восстановлением фторида или хлорида гадолиния (GdF3, GdCl3) кальцием. Соединения гадолиния получают разделением оксидов редкоземельных металлов на фракции.
Цены
Цены на металлический гадолиний чистотой 99,9 % в конце 2014 года составили 132,5 долл. США за 1 кг.
Физические свойства
Изотопы
Природный гадолиний состоит из шести стабильных изотопов (154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd и 160Gd) и одного нестабильного 152Gd.
Химические свойства
Применение
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 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
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.
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 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.
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 %.
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 — GdBa2Cu3O7-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).
Чистый гадолиний имеет максимальное значение магнитокалорического эффекта в точке Кюри (около 290 K) порядка 4,9 С при адиабатическом намагничивании полем 20 кЭ. 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.