Гадолиний химический элемент

Гадолиний это неорганический химический элемент, который относиться к лантаноидам.

Известен своей уникальной способностью поглощать нейтроны и используется в ядерной энергетике для регулирования реакторов.

При температурах ниже 17°C гадолиний становится ферромагнетиком, что делает его перспективным для магнитного охлаждения.

Что такое гадолиний

Гадолиний (Gadolinium; назван в честь финского химика Юхана Гадолина (Johan Gadolin)), Gd — это химический элемент III группы периодической системы элементов.

Он является одним из наиболее интригующих представителей редкоземельных элементов, обладающих уникальными физическими и химическими свойствами, которые находят применение в самых передовых технологиях.

Основные характеристики

Имеет атомный номер 64 и атомную массу 157,25. Он относится к лантаноидам.

В металлическом состоянии представляет собой светло-серый металл с характерным металлическим блеском, который при хранении на воздухе со временем тускнеет из-за окисления.

В своих соединениях проявляет степень окисления +3, что является типичным для большинства редкоземельных элементов.

История открытия

Открытие гадолиния произошло в несколько этапов:

В 1880 году гадолиний был открыт как элементный оксид (гадолиния оксид) швейцарским химиком Жаном Шарлем Галинсом де Мариньяком и французским химиком Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном. Они выделили его из минерала самарскита.

В 1937 году французский исследователь Феликс Тромб (Félix Trombe) впервые получил в чистом металлическом состоянии, что позволило изучить его уникальные свойства.

Содержание гадолиния в земной коре составляет примерно 1,0 ⋅ 10⁻³%. Промышленными минералами, из которых извлекают его, являются монацит, ксенотим и гадолинит.

Физические свойства

Гадолиний обладает рядом выдающихся физических свойств:

Полиморфизм: Полиморфен, что означает его способность существовать в различных кристаллических формах в зависимости от температуры.

Температура полиморфного превращения составляет 1262° С.

Кристаллическая решетка:

Низкотемпературная модификация гадолиния имеет гексагональную плотноупакованную решетку типа магния, с периодами решетки a=3,6360 Å и c=5,7826 Å, при соотношении c/a=1,59.

Высокотемпературная модификация обладает объемноцентрированной кубической решеткой с периодом a=4,06 Å.

Плотность: 7,898 г/см³.

Термические свойства: Температура плавления (t_пл) составляет 1312° С, температура кипения (t_кип) ~3000° С.

Коэффициент термического расширения 8,28 ⋅ 10
⁻⁶град⁻¹. Коэффициент теплопроводности 0,0218 кал/(см⋅сек⋅град). Теплоемкость 6,56 кал/(г-атом⋅град).

Электрическое сопротивление: 140,5 мком⋅см.

Уникальные ядерные свойства: Отличается самым высоким поперечным сечением захвата тепловых нейтронов среди всех известных элементов — 46 000 барн.

Это делает его чрезвычайно ценным материалом в атомной технике, где требуется эффективное поглощение нейтронов.

Электронные свойства: Работа выхода электронов составляет 3,07 эВ.

Магнитные свойства: Имеет точку Кюри 17° С (290 К). Это означает, что при температурах ниже 17° С гадолиний становится ферромагнетиком (обладает сильными магнитными свойствами).

А выше этой температуры переходит в парамагнитное состояние. Это свойство лежит в основе его применения в магнитокалорических системах.

Механические свойства: Модуль нормальной упругости (модуль Юнга) 5730 кгс/мм²; предел прочности 18,6 кгс/мм²; твердость по Бринеллю (НВ) = 60. Легко поддается механической обработке.

Интересный факт: это король магнитного охлаждения (магнитокалорического эффекта) при комнатной температуре!

Его точка Кюри составляет около 17°C (290 К). Может быть использован для инновационных магнитных холодильников, которые работают без компрессоров и вредных для озонового слоя фреонов.

Химические свойства

Гадолиний является химически активным металлом.

При высоких температурах он активно взаимодействует с кислородом, галогенами, серой, азотом, углеродом и другими неметаллами.

При длительном хранении на воздухе, особенно при наличии водяных паров, подвергается коррозии, образуя оксидную пленку.

Сплавляется со многими металлами. Его обычно плавят в инертной среде (например, в аргоне) или в вакууме, чтобы предотвратить окисление и взаимодействие с другими веществами.

Изотопы

Известны изотопы гадолиния с массовыми числами от ¹⁴⁸Gd до ¹⁶¹Gd.

Наиболее стабильны и распространены в природе следующие изотопы: ¹⁵²Gd, ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd и 160Gd.

Изотоп ¹⁵⁷Gd обладает особенно высоким сечением захвата тепловых нейтронов.

Получение

Получают методом металлического восстановления.

Оксиды, фториды или хлориды гадолиния восстанавливают активными металлами, такими как кальций.

Затем для получения чистого металла восстановленный гадолиний подвергают дистилляции в вакууме.

Выпускается в виде слитков.

Чистый используется преимущественно для исследовательских целей и в производстве высокотехнологичных сплавов.

Применение

Благодаря своим уникальным свойствам, находит применение в ряде перспективных и стратегически важных областей:

Атомная техника: Благодаря исключительно высокому поперечному сечению захвата тепловых нейтронов (¹⁵⁵Gd и ¹⁵⁷Gd особенно эффективны), гадолиний используется в регулирующих стержнях ядерных реакторов для контроля цепной реакции, а также в качестве выгорающего поглотителя и нейтронных экранов.

Медицина (контрастные вещества для МРТ): Соединения гадолиния (в частности, комплексы Gd³⁺) являются наиболее распространенными контрастными агентами для магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Они значительно улучшают качество изображений, позволяя врачам точнее диагностировать опухоли, воспаления и другие патологии.

Магнитные материалы: Используется в создании постоянных магнитов (в сплавах с железом, кобальтом, никелем), особенно тех, которые требуют различных точек Кюри или высокой температурной стабильности.

Магнитокалорические материалы: Благодаря своей точке Кюри, близкой к комнатной температуре, гадолиний и его сплавы являются перспективными материалами для создания магнитных холодильных установок (твердотельных холодильников).

Которые могут стать энергоэффективной и экологически чистой альтернативой традиционным компрессорным системам.

Полупроводниковые материалы: Применяется в производстве селенидов и теллуридов гадолиния, которые могут использоваться в полупроводниковой промышленности.

Лазеры: Используется в качестве легирующей добавки в некоторых лазерных кристаллах.

Металлургия: Как легирующая добавка для улучшения свойств сплавов.

Опасность и безопасность

Празеодим и его соединения считаются малотоксичными для человека по сравнению с другими тяжелыми металлами.

Однако, как и любой другой химический элемент, он требует осторожного обращения.

При работе с ним в промышленных условиях необходимо соблюдать стандартные меры безопасности для предотвращения вдыхания пыли или длительного контакта.

Литература

1. Диогенов Г. Г. История открытия химических элементов.
2. Савицкий Е. М., Терехова В. Ф. Металловедение редкоземельных металлов.

 Часто задаваемые вопросы