Gadolínium

64 európium ← gadolínium → terbium - ↑ Gd ↓ Cm 64 Gd Periódusos rendszer
Általános
Név, vegyjel, rendszám	gadolínium, Gd, 64
Latin megnevezés	gadolinium
Elemi sorozat	lantanoidák
Csoport, periódus, mező	?, 6, f
Megjelenés	ezüstfehér
Atomtömeg	157,25(3)  g/mol
Elektronszerkezet	[Xe] 4f7 5d1 6s2
Elektronok héjanként	2, 8, 18, 25, 9, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot	szilárd
Sűrűség (szobahőm.)	7,90 g/cm³
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on	7,4 g/cm³
Olvadáspont	1585 K (1312 °C, 2394 °F)
Forráspont	3546 K (3273 °C, 5923 °F)
Olvadáshő$\Delta _{fus}{H}^{\ominus }$	10,05 kJ/mol
Párolgáshő $\Delta _{vap}{H}^{\ominus }$	301,3 kJ/mol
Moláris hőkapacitás	(25 °C) 37,03 J/(mol·K)
Gőznyomás (számolt) P/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k T/K 1836 2028 2267 2573 2976 3535
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet	hexagonális
Oxidációs szám	1, 2, 3
Elektronegativitás	1,20 (Pauling-skála)
Ionizációs energia	1.: 593,4 kJ/mol
	2.: 1170 kJ/mol
	3.: 1990 kJ/mol
Atomsugár	180 pm
Atomsugár (számított)	233 pm
Egyebek
Mágnesség	ferromágneses
Elektromos ellenállás	(sz.h.) (α, poly) 1,310 µΩ·m
Hővezetési tényező	(300 K) 10,6 W/(m·K)
Hőtágulási tényező	(100 °C) (α, poly) 9,4 µm/(m·K)
Hangsebesség (vékony rúd)	(20 °C) 2680 m/s
Young-modulus	(α módosulat) 54,8 GPa
Nyírási modulus	(α módosulat) 21,8 GPa
Kompressziós modulus	(α módosulat) 37,9 GPa
Poisson-tényező	(α módosulat) 0,259
Vickers-keménység	570 MPa
CAS-szám	7440-54-2
Fontosabb izotópok
Fő cikk: A gadolínium izotópjai izotóp természetes előfordulás felezési idő bomlás mód energia (MeV) termék 152Gd 0,20% 1,08E+14 a α 2,205 148Sm 154Gd 2,18% Gd stabil 90 neutronnal 155Gd 14,80% Gd stabil 91 neutronnal 156Gd 20,47% Gd stabil 92 neutronnal 157Gd 15,65% Gd stabil 93 neutronnal 158Gd 24,84% Gd stabil 94 neutronnal 160Gd 21,86% 1,3E+21 a β-β- nincs adat 160Dy
Hivatkozások

A gadolínium fémes tulajdonságú kémiai elem, rendszáma a periódusos rendszerben 64, vegyjele Gd. A lantanoidák közé tartozó ritkaföldfém.

Története

1880-ban Jean Charles Galissard de Marignac svájci kémikus fedezte fel spektroszkópiai módszerrel, mikor didímium és gadolinit spektrumában addig ismeretlen elemre utaló vonalakat észlelt, majd 1886-ban szamarszkitból sikerült az új elem oxidját elkülönítenie. Ugyanebben az évben Paul Émile Lecoq de Boisbaudran francia kémikus szintén kivonta ezt az anyagot a gadolinit nevű ásványból, mely nevét felfedezőjéről, Johan Gadolin finn kémikusról kapta, és akiről így az új elem kissé szövevényesen ugyan, de el lett nevezve. A felfedezést kerekké Georges Urbain francia kémikus tette azzal, hogy 1935-ben a fémet elemi formában gadolínium-oxidból előállította. A felfedezést Galissard de Marignac-nak tulajdonítják, mivel tisztában volt azzal, hogy új elemre talált, és az általa elkülönített anyag ennek az oxidja lehet.

Előfordulása

Reaktivitása miatt a természetben elemi állapotban nem fordul elő. Gazdaságosan kitermelhető mennyiségben monacit és bastnäsit ásványokban található, a gadolinit azonban csak nyomokban tartalmazza. Koncentrációja a földkéregben 5.9 ppm.

Fizikai tulajdonságai

Gadolínium

Ezüstös színű, lágy, könnyen megmunkálható fém. Alacsony hőmérsékleteken a szoros illeszkedésű hexagonális rácsszerkezetű módosulata a stabil, amely hevítés hatására 1235 °C-on tércentrált köbös ráccsá alakul át. Több nagy nyomáson létrejövő módosulata ismert.

A gadolínium 1.083 K kritikus hőmérséklet alatt I. típusú, a BCS-elmélettel leírható konvencionális szupravezető. A kritikus hőmérsékletet átlépve ferromágnesessé válik, amely a lantanoidákra jellemzően összetettebb a szokványos mágneses viselkedésnél. Egészen a 240 K-en bekövetkező spin-reorientációs hőmérsékletéig a torzult, ún. nem-kollineáris ferromágneses módosulata a stabil. E hőmérséklet felett a hexagonális rács C tengelyével kollineáris mágneses momentumú ferromágneses szerkezet jellemzi. A Curie-hőmérséklete 292.5 K (19.3 °C), efelett erősen paramágnesessé válik ($\chi _{m}$ = 0.12).

A gadolínium magnetokalorikus hatást mutat, mágneses térbe kerülve felmelegszik, onnan kilépve pedig lehűl. A gadolíniumnak a legnagyobb a termális neutronelnyelési hatáskeresztmetszete az összes természetes elem közül (49 000 barn), amiért a 157-es izotópja a felelős a maga 254000 barn kereszmetszetével.

Kémiai tulajdonságai

Fémpor formájában tűz- és robbanásveszélyes. Levegőn, főleg nedvesség jelenlétében korrodál. Keletkező oxidja nem képez zárt, felületet védő réteget, ami megállítaná a további oxidációt.

4 Gd + 3 O₂ → 2 Gd₂O₃

A vizet hidrogénfejlődés közben bontja, mialatt gadolínium(III)-hidroxid keletkezik.

2 Gd + 6 H₂O → 2 Gd(OH)₃ + 3 H₂

Halogénekkel reagál, a keletkező GdF₃, GdCl₃, GdBr₃ fehér, a GdI₃ sárga.

2 Gd + 3 X₂ → 2 GdX₃

Ismert kétértékű jodidja is, gadolínium(II)-jodid, amely ferromágnesessége mellett kolosszális mágneses ellenállású.

Vizes savak színtelen Gd(III) nonaakva komplex képződése mellett oldják.

2 Gd + 3 H₂SO₄ + 18 H₂O → 2 [Gd(H₂O)₉]³⁺ + 3 SO₄^2- + 3 H₂

Felhasználása

A globális gadoliniumpiac becsült keresleti oldala 2010-ben 1400 t volt, a kinálat beszűkülése a közeljövőben nem várható. Ezen új technológiák előretörése változtathat, ilyennek tartják a magnetokalorikus hűtést, vagy a szilárd oxid üzemanyagcellát (solid oxide fuel cell SOFC).

• Vas- és krómötvözetekben (kb. 1% Gd) javítja a megmunkálhatóságot, a hő- és korrózióállóképességet pedig növeli. Kúszásnak ellenálló magnéziumötvözeteit a repülőgépgyártás hasznosítja könnyű, erős, de nem hőálló szerkezeti anyagként.
• Az elem paramágnesességét kihasználva az orvostudományban MR-vizsgálatok során vegyületeit kontrasztanyagnak használják. A festék normális esetben nem jut át a vér-agy gáton, ezért jól alkalmazható agyi érkatasztrófák, daganatok megfestésére.
• ¹⁵⁷Gd neutronterápiás alkalmazása kísérleti szakaszban jár.
• A magnetokalorikus hatás elvén működő hűtőgép kifejlesztése technológia-demonstrátorok elkészítésének fázisáig jutott el. Két koncepció verseng: az egyiknél a gadolínium fémet mozgatják forgótárcsán vagy dugattyún a mágneses erőtérből ki és be, a másiknál a gadolínium állófázis, miközben a mágneses erőteret mozgatják. Mindkét esetben olcsó és környezetbarát hűtőfolyadékokat lehet alkalmazni, pl. víz, etilénglikol.