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, 283. o (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