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.Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, .
Fizikai tulajdonságai
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.http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.75.014103
A gadolínium 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 kollineáriskollineáris: egy egyenesre illeszkedő mágneses momentumú ferromágneses szerkezet jellemzi. A Curie-hőmérséklete 292.5 K (19.3 °C), efelett erősen paramágnesessé válik ( = 0.12).Rau, C., Eichner, S.: Phys. Rev. B 34, S. 6347–6350 (1986).
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 keresztmetszetével.http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/859038-XMb3fH/859038.pdf
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.http://www.mendeley.com/research/gdi2-new-ferromagnetic-excitonic-solid/
Vizes savak színtelen Gd(III) nonaakva komplex képződése mellett oldják.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. 2 Gd + 3 H2SO4 + 18 H2O → 2 [Gd(H2O)9]3+ + 3 SO42- + 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).U.S Department of Energy, Critical Materials Strategy Dec. 2011 http://energy.gov/sites/prod/files/DOE_CMS2011_FINAL_Full.pdf
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. A 157Gd izotóp 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.http://www.guardian.co.uk/technology/2006/dec/14/energy.insideit Mindkét esetben olcsó és környezetbarát hűtőfolyadékokat lehet alkalmazni, pl. víz, etilénglikol.
Jegyzetek
Kategória:Lantanoidák