Gadolinijum
Gadolinijum (Gd, lat. gadolinium), je hemijski element iz grupe lantanoida sa atomskim brojem 64.[3][4] Ime je dobio po finskom minerologu i hemičaru Johanu Gadolinu. Gadolinijum je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 7,7 ppm. Najvažniji minerali gadolinijuma su: monacit (Ce,La,Th,Nd,Y,Pr,Gd)PO4 i (Ce,La,Nd,Y,Pr,Gd)CO3F
Opšta svojstva | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Ime, simbol | gadolinijum, Gd | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Izgled | srebrnasto beo | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
U periodnome sistemu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomski broj (Z) | 64 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupa, perioda | grupa N/D, perioda 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Blok | f-blok | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kategorija | lantanoid | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rel. at. masa (Ar) | 157,25(3)[1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
El. konfiguracija | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
po ljuskama | 2, 8, 18, 25, 9, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fizička svojstva | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tačka topljenja | 1585 K (1312 °C, 2394 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Tačka ključanja | 3273 K (3000 °C, 5432 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gustina pri s.t. | 7,90 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
tečno st., na t.t. | 7,4 g/cm3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Toplota fuzije | 10,05 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Toplota isparavanja | 301,3 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mol. topl. kapacitet | 37,03 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Napon pare (izračunato)
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomska svojstva | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativnost | 1,20 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energije jonizacije | 1: 593,4 kJ/mol 2: 1170 kJ/mol 3: 1990 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomski radijus | 180 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kovalentni radijus | 196±6 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spektralne linije | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ostalo | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kristalna struktura | zbijena heksagonalna (HCP) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Brzina zvuka tanak štap | 2680 m/s (na 20 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Topl. širenje | α poly: 9,4 µm/(m·K) (na 100 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Topl. vodljivost | 10,6 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrootpornost | α, poli: 1,310 µΩ·m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetni raspored | tranzicija feromagnetičan–paramagnetičan na 293,4 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Magnetna susceptibilnost (χmol) | +755.000,0·10−6 cm3/mol (300,6 K)[2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Jangov modul | α forma: 54,8 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Modul smicanja | α forma: 21,8 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Modul stišljivosti | α forma: 37,9 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poasonov koeficijent | α forma: 0,259 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vikersova tvrdoća | 510–950 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS broj | 7440-54-2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Istorija | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Imenovanje | po mineralu gadolinitu (koji je nazvan po Johanu Gadolinu) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Otkriće | Žan Šarl Galisar de Marinjak (1880) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Prva izolacija | Pol Emil Lekok de Buabodran (1886) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Glavni izotopi | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
U periodnom sistemu nalazi se u grupi lantanoida te se tako ubraja u metale retkih zemalja. Gadolinijum ima vrlo neobične metalurške osobine, tako da čak i 1% gadolinijuma u nekoj leguri značajno može poboljšati njenu obradivost i otpornost na oksidaciju pri višim temperaturama, naročito željeza, hroma i sličnih metala.
Istorija
urediElement je 1880. godine prvi otkrio švajcarski hemičar Žan Šarl Galisar de Marinjak. On je proučavao sastojke minerala samarskita te pojavu da se njegovi delovi različito rastvaraju u rastvorima kalijum sulfata. U zavisnosti od rastvorljivosti, nastajale su mnoge frakcije. U jednoj od frakcija, de Marinjak je u apsorpcijskom spektru pronašao spektralne linije do tada nepoznatog elementa. Pošto nije imao dovoljno materijala da tačno odredi o kojem se elementu radi, stavio mu je oznaku Yα. Osim toga, u drugoj frakciji pronašao je još jednu nepoznatu supstancu Yβ, ali je vrlo brzo otkriveno da se radi o elementu samarijumu kojeg su već otkrili Mark Delafontejn i de Buabodran.[5] Nakon što su Vilijam Kruks[6] i Pol Emil Lekok de Buabodran potvrdili postojanje elementa Yα, Lekok de Buabodran je 19. aprila 1886. u dogovoru sa Marinjakom, dao ime novom elementu, gadolinijum, u čast finskog hemičara Johana Gadolina, te elementu dodelio simbol Gd.[7][8]
Prvi naučnik koji je 1935. dobio metalni gadolinijum bio je Feliks Tromb. Za izdvajanje gadolinijuma, Tromb je koristio elektrolitičku redukciju istopljene smeše gadolinijum(III)-hlorida, kalijum hlorida i litijum hlorida pri temperaturi od 625–675 °C sa kadmijumskim elektrodama.[9] Ubrzo nakon toga, zajedno sa Irbenom i Vajsom, Tromb je otkrio i feromagnetske osobine gadolinijuma.[10]
Osobine
urediFizičke
urediOvaj srebrnasto-beli do sivo-beli sjajni metal retkih zemalja je duktilan i kovan. Kristalizuje se u heksagonalnoj gusto pakovanoj kristalnoj strukturi sa parametrima rešetke a = 363 pm i c = 578 pm.[11] Na temperaturi iznad 1262 °C kristalna struktura gadolinijuma prelazi u kubnu prostorno centriranu strukturu.[12]
Osim ovih visokotemperaturnih faza, poznat je i veći broj faza na visokom pritisku. Redosled izmene faza pri visokim pritiscima odgovara onom kod drugih lantanoida (osim evropijuma i iterbijuma). Nakon heksagonalne strukture sledi (pri sobnoj temperaturi) i pritisku iznad 1,5 GPa, struktura tipa samarijuma, dok pri pritisku iznad 6,5 GPa prelazi u stabilnu dvostruku heksagonalnu kristalnu strukturu. Pri pritiscima između 26 i 33 GPa najstabilnija je kubna prostorno centrirana struktura. Pri još višim pritiscima poznate su još dvostruka kubna prostorno centrirana struktura te monoklinski Gd-VIII sistem.[13][14]
Gadolinijum je, pored disprozijuma, holmijuma, erbijuma, terbijuma i tulijuma, jedan od lantanoida koji ima značajne feromagnetične osobine. Njegova Kirijeva temperatura iznosi 292,5 K (19,3 °C) što predstavlja najvišu Kirijevu temperaturu od svih lantanoida, dok od drugih metala samo željezo, kobalt i nikl imaju višu.[15] Iznad ovih temperatura gadolinijum je paramagnetičan, sa magnetnom susceptibilnošću od χm од 0,12.[16]
Zbog ovakvih magnetnih osobina, гадолинијум takođe ima toplotni kapacitet koji jako zavisi od temperature. Pri vrlo niskim temperaturama (ispod 4 K), kao što je to uobičajeno kod metala, najpre dominira elektronski toplotni kapacitet Cel (pri čemu je Cel = γ·T sa γ = 6,38 mJ·mol−1·K−2 a T je temperatura[17][18]). Pri višim temperaturama, od odlučujućeg značaja je Debajev model, pri čemu je Debajeva temperatura ΘD = 163,4 K[17] Ispod Kirijeve temperature, toplotni kapacitet gadolinijuma opet snažno raste, što se objašnjava sistemom spina. Kapacitet dostiže 56 J·mol−1·K−1 pri 290 K, da bi pri višim temperaturama gotovo odmah pao na ispod 31 J·mol−1·K−1.[19]
Gadolinijum je sastavni deo keramičkih visokotemperaturnih superprovodnika tipa Ba2GdCu3O7-x sa kritičnom temperaturom ( ) od 94,5 K.[20] Čisti gadolinijum nema osobine superprovodnika.[21] Sa 49.000 barna, gadolinijum, zbog svog izotopa Gd-157 (sa 254.000 barna) ima najveći poprečni presek zahvata za termičke neutrone od svih poznatih stabilnih elemenata (samo nestabilni Xe-135 dostiže oko deset puta veću vrednost od Gd-157). Zbog prevelike brzine trošenja (burn-out-rate) ovaj izotop se vrlo retko koristi u kontrolnim šipkama nuklearnih reaktora.
Hemijske
urediGadolinijum se spaja sa većinom elemenata u obliku derivata Gd(III). Takođe se spaja sa azotom, ugljenikom, sumporom, fosforom, borom, selenom, silicijumom i arsenom pri povišenim temperaturama, gradeći binarna jedinjenja.[22] Za razliku od drugih retkih zemnih elemenata, metalni gadolinijum je relativno stabilan na suvom vazduhu. Međutim, vrlo brzo potamni ako u vazduhu ima vlage, gradeći oksid gadolinijum(III) oksid (Gd2O3), koji se lako ljušti s površine, izlažući metal daljoj oksidaciji.
- 4 Gd + 3 O2 → 2 Gd2O3
Gadolinijum je vrlo snažno redukcijsko sredstvo, koji reducira okside mnogih metala do njihovih elemenata. Gadolinijum je relativno elektropozitivan te sporo reaguje u hladnoj vodi gradeći gadolinijum-hidroksid:
- 2 Gd + 6 H2O → 2 Gd(OH)3 + 3 H2
Metalni gadolinijum vrlo lako napada razređena sumporna kiselina pri čemu nastaju rastvori koji sadrže bezbojne jone Gd(III), a koji postoje u vidu kompleksa [Gd(H2O)9]3+:[23]
- 2 Gd + 3 H2SO4 + 18 H2O → 2 [Gd(H2O)9]3+ + 3 SO2−
4 + 3 H2
Metalni gadolinijum reaguje sa halogenim elementima (X2) pri temperaturi iznad 200 °C:
- 2 Gd + 3 X2 → 2 GdX3
Rasprostranjenost
urediGadolinijum je vrlo redak element na Zemlji. Njegov udeo u kontinentalnoj Zemljinoj kori iznosi približno 5,9[24] do 6,2 ppm.[16]
Ovaj element nalazi se u sastavu mnogih minerala retkih metala, sa različitim udelima u njima. Naročito veliki udeo gadolinijuma imaju minerali iter-zemalja[25] kao i ksenotim. U nalazištima ksenotima iz Malezije, udeo gadolinijuma iznosi oko 4%. Međutim, i monacit takođe sadrži od 1,5% do 2% ovog elementa u zavisnosti od nalazišta. U mineralu bastnesitu udeo gadolinijuma je nešto niži i iznosi od 0,15% do 0,7%.[26] Poznat je samo jedan mineral u kojem gadolinijum kao metal retkih zemalja ima najviši udeo. Radi se o izuzetno retkom uranilkarbonatu lepersonit-(Gd) hemijskog sastava Ca(Gd,Dy)2(UO2)24(SiO4)4(CO3)8(OH)24 · 48H2O.[27]
Reference
uredi- ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.
- ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 0-8493-0464-4.
- ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.
- ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
- ^ Jean Charles Galissard de Marignac (1880). „Sur les terres de la samarskite”. Comptes Rendus. 90: 899—903.
- ^ William Crookes (1886). „Sur la terre Yα”. Comptes Rendus. 102: 646—647.
- ^ Paul Émile Lecoq de Boisbaudran (1886). „Le Yα de Marignac est définitevement nomme Gadolinium”. Comptes Rendus. 102: 902.
- ^ W. Crookes (1886). „On Some New Elements in Gadolinite and Samarskite, Detected Spectroscopically”. Proceedings of the Royal Society of London. 40: 502—509. doi:10.1098/rspl.1886.0076.
- ^ Félix Trombe (1935). „L'isolement de gadolinium”. Comptes Rendus. 200: 459—461.
- ^ Georges Urbain; Pierre-Ernest Weiss Félix Trombe (1935). „Un nouveau métal ferromagnetique, le gadolinium”. Comptes Rendus. 200: 2132—2134.
- ^ J. Banister; S. Legvold; F. Spedding (1954). „Structure of Gd, Dy, and Er at Low Temperatures”. Physical Review. 94: 1140—1142. doi:10.1103/PhysRev.94.1140.
- ^ F.H. Spedding; J.J. Hanak; A.H. Daane (1961). „High temperature allotropy and thermal expansion of the rare-earth metals”. Journal of the Less Common Metals. 3: 110—124. doi:10.1016/0022-5088(61)90003-0.
- ^ W.B. Holzapfel (1995). „Structural systematics of 4f and 5f elements under pressure”. Journal of Alloys and Compounds. 223: 170—173. doi:10.1016/0925-8388(94)09001-7.
- ^ D. Errandonea; R. Boehler; B. Schwager; M. Mezouar (2007). „Structural studies of gadolinium at high pressure and temperature”. Physical Review B. 75: 014103. doi:10.1103/PhysRevB.75.014103.
- ^ C. Rau; S. Eichner (1986). „Evidence for ferromagnetic order at gadolinium surfaces above the bulk Curie temperature”. Physical Review B. 34: 6347—6350. doi:10.1103/PhysRevB.34.6347.
- ^ a b Weast, Robert C., ur. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). str. E—129 do E—145. ISBN 0-8493-0470-9.. U navedenom izvoru navedene su vrijednosti u g/mol. Ovdje navedena vrijednost je preračunata u SI jedinice.
- ^ a b T.-W. Tsang; K. Gschneidner; F. Schmidt; D. Thome (1985). „Low-temperature heat capacity of electrotransport-purified scandium, yttrium, gadolinium, and lutetium”. Physical Review B. 31: 235—244. doi:10.1103/PhysRevB.31.235.
- ^ T.W. E. Tsang; K. Gschneidner; F. Schmidt; D. Thome (1985). „Erratum: Low-temperature heat capacity of electrotransport-purified scandium, yttrium, gadolinium, and lutetium”. Physical Review B. 31: 6095—6095. doi:10.1103/PhysRevB.31.6095.
- ^ F. Jelinek; B. Gerstein; M. Griffel; R. Skochdopole; F. Spedding (1966). „Re-Evaluation of Some Thermodynamic Properties of Gadolinium Metal”. Physical Review. 149: 489—490. doi:10.1103/PhysRev.149.489.
- ^ X.T. Xu; J.K. Liang; S.S. Xie; G.C. Che; X.Y. Shao; Z.G. Duan; C.G. Cui (1987). „Crystal structure and superconductivity of Ba?Gd?Cu?O system”. Solid State Communications. 63: 649—651. doi:10.1016/0038-1098(87)90872-6.
- ^ Cristina Buzea; Kevin Robbie (2005). „Assembling the puzzle of superconducting elements: a review”. Superconductor Science and Technology. 18: R1—R8. doi:10.1088/0953-2048/18/1/R01.
- ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. (2001). Inorganic Chemistry. San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-352651-5.
- ^ „Chemical reactions of Gadolinium”. Webelements. Pristupljeno 16. 8. 2017.
- ^ Harry H. Binder (1999). Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 3-7776-0736-3.
- ^ „Yttererden - Lexikon der Chemie” (na jeziku: nemački). Pristupljeno 1. 8. 2017.
- ^ Ian McGill (2012). „Rear Earth Elements”. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a22_607.
- ^ M. Deliens; P. Piret (1982). „Bijvoetite et lepersonnite, carbonates hydratés d'uranyle et des terres rares de Shinkolobwe, Zaire” (PDF). Canadian Mineralogist. 20: 231—238.
Spoljašnje veze
uredi- Nephrogenic Systemic Fibrosis – Complication of Gadolinium MR Contrast (series of images at MedPix website)
- It's Elemental – Gadolinium
- Refrigerator uses gadolinium metal that heats up when exposed to magnetic field
- FDA advisory on gadolinium-based contrast
- Abdominal MR imaging: important considerations for evaluation of gadolinium enhancement Rafael O.P. de Campos, Vasco Herédia, Ersan Altun, Richard C. Semelka, Department of Radiology University of North Carolina Hospitals Chapel Hill
- Inside Japan’s Super Kamiokande 360 degree tour including details on adding Gadolinium to the pure water to aid in studying neutrinos