Gadolínium

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
64 európiumgadolíniumterbium
-

Gd

Cm
Általános
Név, vegyjel, rendszám gadolínium, Gd, 64
Elemi sorozat lantanoidák
Csoport, periódus, mező ?, 6, f
Megjelenés ezüstfehér
Gd,64.jpg
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
Hőmérséklet-vezetési 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 t.e. felezési idő B.m. B.e. (MeV) B.t.
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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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.[1]

Fizikai tulajdonságai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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.[2]

A gadolínium 1.083 K kritikus hőmérséklet alatt I. típusú, a BCS-elmélettel leírható konvencionális szupravezető.[3]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. [4] 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).[5]

A gadolínium magnetokalorikus hatást mutat, mágneses térbe kerülve felmelegszik, onnan kilépve pedig lehűl. Gadolíniumnak a legnagyobb a termális neutron elnyelési hatáskeresztmetszete az összes természetes elem közül (49.000 barn), amiért a 157-es izotópja a felelős a maga 254000 barn kereszmetszetével.[6]

Kémiai tulajdonságai[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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

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, GdI3 sárga.

2 Gd + 3 X2 → 2 GdX3

Ismert kétértékű jodidja is, gadolínium(II)-jodid, amely ferromágnesessége mellett kolosszális mágneses ellenállású.[7]

Vizes savak színtelen Gd(III) nonaakva komplex képződése mellett oldják.[8]

2 Gd + 3 H2SO4 + 18 H2O → 2 [Gd(H2O)9]3+ + 3 SO42- + 3 H2

Felhasználása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

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). [9]

  • 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.[10]
  • 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,[11] a másiknál a gadolínium állófázis, miközben a mágneses erőteret mozgatják.[12] Mindkét esetben olcsó és környezetbarát hűtőfolyadékokat lehet alkalmazni, pl. víz, etilénglikol.


Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.75.014103
  3. Efthimios Kaxiras. Atomic and electronic structure of solids. Cambridge University Press (2003). ISBN 0521523397 
  4. Jackson, Mike (2000.). „Wherefore Gadolinium? Magnetism of the Rare Earths” (PDF). IRM Quarterly 10 (3), 6. o, Kiadó: Institute for Rock Magnetism.  
  5. Rau, C., Eichner, S.: Phys. Rev. B 34, S. 6347–6350 (1986).
  6. http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/859038-XMb3fH/859038.pdf
  7. http://www.mendeley.com/research/gdi2-new-ferromagnetic-excitonic-solid/
  8. Chatterjee, A., Maslen, E. N., and Watson, K. J. (1988) The Effect of the Lanthanoid Contraction on the Nonaaqualanthanoid( III) Tris(trifluoromethanesulfonates. Acta Crystallogr., B 44, 381.
  9. U.S Department of Energy, Critical Materials Strategy Dec. 2011 http://energy.gov/sites/prod/files/DOE_CMS2011_FINAL_Full.pdf
  10. http://home.physics.wisc.edu/gilbert/cancer.htm
  11. http://accessscience.com/studycenter.aspx?main=17&questionID=4338
  12. http://www.guardian.co.uk/technology/2006/dec/14/energy.insideit