Гадолиний металл. Свойства, производство, применение и цена гадолиния

Элемент №64, гадолиний, открыт в 1380 г. Первооткрыватель этого элемента – швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк (1817...1894) – долгое время работал во Франции. Общие научные интересы – редкие земли и спектральный анализ – сблизили его с Лекоком де Буабодраном. Именно Лекок де Буабодран, с согласия Мариньяка, назвал гадолиниевой открытую им новую землю. А через два года после смерти Мариньяка был впервые получен в относительно чистом виде элементарный гадолиний. Между прочим, это был первый случай в истории науки, когда химический элемент назвали в память об ученом – Юхане Гадолине, одном из первых исследователей редких земель. Лишь через 64 года появится второй элемент-памятник – кюрий, а затем эйнштейний, фермий, менделевий...

На первый взгляд, по физическим и химическим свойствам гадолиний ничем не отличается от других редкоземельных металлов. Он – светлый, незначительно окисляющийся на воздухе металл – по отношению к кислотам и другим реагентам ведет себя так же, как лантан и церий. Но с гадолиния начинается иттриевая подгруппа редкоземельных элементов, а это значит, что на электронных оболочках его атомов должны быть электроны с антипараллельными спинами.

Всего один дополнительный электрон появился в атоме гадолиния по сравнению с атомом предыдущего элемента, европия. Он, этот добавочный электрон, попал на вторую снаружи оболочку, а первые пять электронных «слоев», в том числе и развивающаяся у большинства лантаноидов оболочка N , у атомов европия и гадолиния построены одинаково. Всего один электрон и один протон в ядре, но как преображают они некоторые свойства очередного лантаноида!

Прежде всего, гадолинию свойственно наивысшее среди всех элементов сечение захвата тепловых нейтронов: 46 тыс. барн – такова эта величина для природной смеси изотопов гадолиния. А у гадолиния-157 (его доля в природной смеси – 15,68%) сечение захвата превышает 150 тыс. барн. Это «рекордсмен» среди всех стабильных изотопов.

Столь большое сечение захвата дает возможность применять гадолиний при управлении цепной ядерной реакции и для защиты от нейтронов. Правда, активно захватывающие нейтроны изотопы гадолиния (157 Gd и 155 Gd) в реакторах довольно быстро «выгорают» – превращаются в «соседние» ядра, у которых сечение захвата на много порядков меньше. Поэтому в конструкциях регулирующих стержней с гадолинием могут конкурировать другие редкоземельные элементы, прежде всего самарий и европий.

Тем не менее еще в начале 60-х годов управляющие стержни для некоторых атомных реакторов в США начали делать из нержавеющей стали с присадками гадолиния. Видимо, это давало какие-то технические или экономические преимущества.

Элементу №64 свойственно не только высокое сечение захвата, но и хорошая совместимость с другими компонентами черных металлов. Поэтому в них можно, не утрачивая однородности, вводить до 30% гадолиния.

Столь же однородны сплавы гадолиния с титаном (до 20% Gd). Церий же, к примеру, растворяется в титане в 40 раз хуже. А редкоземельные металлы хорошо легируют сплавы не только на магниевой, но и на титановой основе. Улучшать свойства титана (когда это нужно – они и так достаточно хороши) приходится именно гадолинием. Пятипроцентная добавка элемента №64 заметно повышает прочность и предел текучести сплавов на титановой основе.

Выходит, что не только рекордными сечениями захвата знаменит гадолиний!

А еще у него максимальное по сравнению со всеми другими лантаноидами удельное электрическое сопротивление – примерно вдвое больше, чем у его аналогов. И удельная теплоемкость гадолиния на 20% (при 25°C) превышает удельную теплоемкость лантана и церия. Наконец, магнитные свойства ставят элемент №64 в один ряд с железом, кобальтом и никелем. В обычных условиях, когда лантан и другие лантаноиды парамагнитны, гадолиний – ферромагнетик, причем даже более сильный, чем никель и кобальт. Но железо и кобальт сохраняют ферромагнитность и при температуре порядка 1000°K, никель – 631°K. Гадолиний же теряет это свойство, будучи нагрет всего до 290°K (17°C).

Необычны магнитные свойства и у некоторых соединений гадолиния. Его сульфат и хлорид (гадолиний, кстати, всегда трехвалентен), размагничиваясь, заметно охлаждаются. Это свойство использовали для получения сверхнизкой температуры. Сначала соль Gd 2 (SO 4) 3 · 8H 2 O помещают в магнитное поле и охлаждают до предельно возможной температуры. А затем дают ей размагнититься. При этом запас энергии, которой обладала соль, еще уменьшается, и в конце опыта температура кристаллов отличается от абсолютного нуля всего на одну тысячную градуса.

В области сверхнизких температур открыто еще одно применение элемента №64. Сплав гадолиния с церием и рутением в этих условиях приобретает сверхпроводимость и в то же время обнаруживает слабый ферромагнетизм. Таким образом, для магнетохимии представляют непреходящий интерес и сам гадолиний, и его соединения, и сплавы. Другой сплав гадолиния – с титаном применяют в качестве активатора в стартерах люминесцентных ламп. Этот сплав впервые получен в нашей, стране.

Несколько слов о других практически важных соединениях элемента №64. Окись гадолиния Gd 2 O 3 используют как один из компонентов железо-иттриевых ферритов. Люминофоры с оксисульфидом гадолиния позволяют получать наиболее контрастные рентгеновские снимки. Молибдат гадолиния – компонент галлий-гадолиниевых гранатов. Эти материалы представляют большой интерес для оптоэлектроники. А селенид гадолиния Gd 2 Se 3 обладает полупроводниковыми свойствами.

Вероятно, заканчивая, следует указать цены на гадолиний. Этот своеобразный элемент достаточно дорог. В 1970 г. килограмм гадолиния чистотой 99,76% стоил 1500 рублей. Гадолиний, конечно, дорог, однако дешевле европия, тербия, лютеция, тулия; дешевле золота и платины, но дороже серебра.

Гадолиний Гадоли́ний

(лат. Gadolinium), химический элемент III группы периодической системы, относится к лантаноидам. Назван по имени финского химика Ю. Гадолина. Металл, плотность 7,895 г/см 3 , t пл 1312ºC. Ферромагнетик (ниже 19ºC). Компонент магнитных сплавов, синтетических гранатов; перспективный материал для регулирующих стержней ядерных реакторов.

ГАДОЛИ́НИЙ (лат. gadolinium, по имени финского химика Ю. Гадолина), Gd (читается «гадолиний»), химический элемент с атомным номером 64, атомная масса 157,25. Состоит из семи изотопов 152 Gd (0,200%), 154 Gd (2,15%), 155 Gd (14,73%), 156 Gd (20,47%), 157 Gd (15,68%), 158 Gd (24,87%) и 160 Gd (21,90%). Конфигурация трех внешних электронных слоев 4s 2 p 6 d 10 f 7 5s 2 p 6 d 1 6s 2 . Степень окисления в соединениях +3 (валентность III), реже +1 (валентность I) и +2 (валентность II).
Относится к редкоземельным элементам (входит в иттриевую подгруппу лантаноидов). Расположен в III B группе, в 6 периоде периодической системы.
Радиус нейтрального атома 0,179 нм, радиус иона Gd 2+ - 0,092-0,109 нм, иона Gd 3+ - 0,115 - 0,128 нм. Энергии ионизации 6,14, 12,1, 20,6, 44 эВ. Электроотрицательность по Полингу (см. ПОЛИНГ Лайнус) 1,1.
История открытия
Гадолиний открыт в 1880 Ж. де Мариньяком (см. МАРИНЬЯК Жан Шарль Галиссар де) , который спектроскопически доказал присутствие в смеси оксидов редкоземельных элементов нового элемента.
Нахождение в природе
Содержание в земной коре 5,410 -4 %, в морской воде 610 -7 мг/л. Входит в состав минералов гадолинит, ксенотим, монацит (см. МОНАЦИТ) , апатит (см. АПАТИТ) , бастнезит (см. БАСТНЕЗИТ) и других.
Получение
Металлический гадолиний получают восстановлением фторида или хлорида гадолиния (GdF 3 , GdCl 3) кальцием. Соединения гадолиния получают разделением оксидов редкоземельных металлов на фракции методами ионного обмена, экстракции и дробной кристаллизации.
Физические и химические свойства
Гадолиний - светло-серый металл. Ниже 1260 °C устойчив a-Gd с гексагональной решеткой, а = 0,36360 нм, с = 0,57826 нм, выше 1260 °C - b-Gd с кубической решеткой. Плотность 7,895 кг/дм 3 . Температура плавления 1312 °C, температура кипения 3280 °C. Ферромагнетик, точка Кюри 292 К.
Гадолиний медленно окисляется на воздухе, быстро - выше 100 °C. При нагревании металлический гадолиний реагирует с галогенами, азотом, водородом. Взаимодействует с минеральными кислотами, кроме HF, не взаимодействует с растворами щелочей.
Оксид Gd 2 О 3 (белые кристаллы) обладает основными свойствами, ему отвечает основание Gd(ОН) 3 .
Применение
Гадолиний - компонент магнитных сплавов с железом, никелем, кобальтом, материал для регулирующих стержней ядерных реакторов. Соединения гадолиния используют при выращивании гадолиний-галлиевого граната, как компоненты при изготовлении люминофоров.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "Гадолиний" в других словарях:

- (Gadolinium), Gd, химическая элемент III группы периодической системы, атомный номер 64, атомная масса 157,25; относится к редкоземельным элементам; металл. Гадолиний открыт французским химиком П. Лекоком де Буабодраном в 1886 … Современная энциклопедия

Гадолиний - (Gadolinium), Gd, химическая элемент III группы периодической системы, атомный номер 64, атомная масса 157,25; относится к редкоземельным элементам; металл. Гадолиний открыт французским химиком П. Лекоком де Буабодраном в 1886. … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (лат. Gadolinium) Gd, химический элемент III группы периодической системы, атомный номер 64, атомная масса 157,25, относится к лантаноидам. Назван по имени финского химика Ю. Гадолина. Металл, плотность 7,895 г/см³, tкип 1312 .С.… … Большой Энциклопедический словарь

- (символ Gd), серебристо белый металлический элемент ряда ЛАНТАНОИДОВ, впервые выделенный в форме оксида в 1880 г. Основными рудами являются гадолинит, монацит и бастнезит. Ковкий и вязкий металл; область его применения связана с присущим ему… … Научно-технический энциклопедический словарь

Gd (Gadolinium, от имени фин. химика Ю. Гадолина, J. Gadolin * a. gadolinium; н. Gadolinium; ф. gadolinium; и. gadolinio), хим. элемент III группы периодич. системы элементов Mенделеева, ат. н. 64, ат. м. 157,25; относится к… … Геологическая энциклопедия

Сущ., кол во синонимов: 3 лантаноид (15) металл (86) элемент (159) Словарь синонимов ASIS … Словарь синонимов

гадолиний - Gd Элемент III группы периодической системы; ат. н. 64, ат. м. 157,25; металл светло серого цвета с металлич. блеском. Открыт в 1880 г. швед, химиком Ж. Мариньяком и франц. химиком П. Э. Лекоком де Буабодраном. Металлич. Gd впервые получил в 1937 … Справочник технического переводчика

64 Европий ← Гадолиний → Тербий … Википедия

- (лат. Gadolinium), хим. элемент III гр. периодич. системы, относится к лантаноидам. Назван по имени фин. химика Ю. Гадолина. Металл, плотн. 7,895 г/см3, tпл 1312 оС. Ферромагнетик (ниже 19 °С). Компонент магн. сплавов, синтетич. гранатов;… … Естествознание. Энциклопедический словарь

- (по имени финского химика Гадолина (Gadolin), 1760 1852) хим. элемент из семейства лантаноидов, символ Gd (лат. gadolinium), металл. Новый словарь иностранных слов. by EdwART, 2009. гадолиний [Словарь иностранных слов русского языка

Книги

• Спиральная компьютерная томография при опухолях почки , Иванов А. П., Буйлов В.М., Борисанов А.В.. 112 с. В монографии обобщен опыт Ярославской областной клинической онкологической больницы, кафедр урологии и онкологии Ярославской государственной медицинской академии по использованию…
• Физико-химические аспекты технологии монокристаллов сложных оксидных соединений , . В сборнике представлены работы по созданию технологий и исследованию свойств новых кристаллов для квантовой электроники. Определено влияние разупорядоченности на спектроскопические и…

Элемент № 64, гадолиний, открыт в 1380 г. Первооткрыватель этого элемента - швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк (1817...1894) - долгое время работал во Франции. Общие научные интересы - редкие земли и спектральный анализ - сблизили его с Лекоком де Буабодраном. Именно Лекок де Буабодран, с согласия Мариньяка, назвал гадолиниевой открытую им новую землю. А через два года после смерти Мариньяка был впервые получен в относительно чистом виде элементарный гадолиний. Между прочим, это был первый случай в истории науки, когда химический элемент назвали в память об ученом - Юхане Гадолине, одном из первых исследователей редких земель. Лишь через 64 года появится второй элемент-памятник - кюрий, а затем эйнштейний, фермий, менделевий...

На первый взгляд, по физическим и химическим свойствам гадолиний ничем не отличается от других редкоземельных металлов. Он - светлый, незначительно окисляющийся на воздухе металл - по отношению к кислотам и другим реагентам ведет себя так же, как лантан и церий. Но с гадолиния начинается иттриевая подгруппа редкоземельных элементов, а это значит, что на электронных оболочках его атомов должны быть электроны с антипараллельными спинами.

Всего один дополнительный электрон появился в атоме гадолиния по сравнению с атомом предыдущего элемента, европия. Он, этот добавочный электрон, попал на вторую снаружи оболочку, а первые пять электронных «слоев», в том числе и развивающаяся у большинства лантаноидов оболочка N, у атомов европия и гадолиния построены одинаково. Всего один электрон и один протон в ядре, но как преображают они некоторые свойства очередного лантаноида!

Прежде всего, гадолинию свойственно наивысшее среди всех элементов сечение захвата тепловых нейтронов: 46 тыс. барн - такова эта величина для природной смеси изотопов гадолиния. А у гадолиния-157 (его доля в природной смеси - 15,68%) сечение захвата превышает 150 тыс. барн. Это «рекордсмен» среди всех стабильных изотопов.

Столь большое сечение захвата дает возможность применять гадолиний при управлении цепной ядерной реакции и для защиты от нейтронов. Правда, активно захватывающие нейтроны изотопы гадолиния (157Gd и 155Gd) в реакторах довольно быстро «выгорают» - превращаются в «соседние» ядра, у которых сечение захвата на много порядков меньше. Поэтому в конструкциях регулирующих стержней с гадолинием могут конкурировать другие редкоземельные элементы, прежде всего самарий и европий.

Тем не менее еще в начале 60-х годов управляющие стержни для некоторых атомных реакторов в США начали делать из нержавеющей стали с присадками гадолиния. Видимо, это давало какие-то технические или экономические преимущества.

Элементу № 64 свойственно не только высокое сечение захвата, но и хорошая совместимость с другими компонентами черных металлов. Поэтому в них можно, не утрачивая однородности, вводить до 30% гадолиния.

Столь же однородны сплавы гадолиния с титаном (до 20% Gd). Церий же, к примеру, растворяется в титане в 40 раз хуже. А редкоземельные металлы хорошо легируют сплавы не только на магниевой, но и на титановой основе. Улучшать свойства титана (когда это нужно - они и так достаточно хороши) приходится именно гадолинием. Пятипроцентная добавка элемента № 64 заметно повышает прочность и предел текучести сплавов на титановой основе.

Выходит, что не только рекордными сечениями захвата знаменит гадолиний!

А еще у него максимальное по сравнению со всеми другими лантаноидами удельное электрическое сопротивление - примерно вдвое больше, чем у его аналогов. И удельная теплоемкость гадолиния на 20% (при 25°C) превышает удельную теплоемкость лантана и церия. Наконец, магнитные свойства ставят элемент № 64 в один ряд с железом, кобальтом и никелем. В обычных условиях, когда лантан и другие лантаноиды парамагнитны, гадолиний - ферромагнетик, причем даже более сильный, чем никель и кобальт. Но железо и кобальт сохраняют ферромагнитность и при температуре порядка 1000°K, никель - 631°K. Гадолиний же теряет это свойство, будучи нагрет всего до 290°K (17°C).

Необычны магнитные свойства и у некоторых соединений гадолиния. Его сульфат и хлорид (гадолиний, кстати, всегда трехвалентен), размагничиваясь, заметно охлаждаются. Это свойство использовали для получения сверхнизкой температуры. Сначала соль Gd2(SO4)3 ? 8H2O помещают в магнитное поле и охлаждают до предельно возможной температуры. А затем дают ей размагнититься. При этом запас энергии, которой обладала соль, еще уменьшается, и в конце опыта температура кристаллов отличается от абсолютного нуля всего на одну тысячную градуса.

В области сверхнизких температур открыто еще одно применение элемента № 64. Сплав гадолиния с церием и рутением в этих условиях приобретает сверхпроводимость и в то же время обнаруживает слабый ферромагнетизм. Таким образом, для магнетохимии представляют непреходящий интерес и сам гадолиний, и его соединения, и сплавы. Другой сплав гадолиния - с титаном применяют в качестве активатора в стартерах люминесцентных ламп. Этот сплав впервые получен в нашей, стране.

Несколько слов о других практически важных соединениях элемента № 64. Окись гадолиния Gd2O3 используют как один из компонентов железо-иттриевых ферритов. Люминофоры с оксисульфидом гадолиния позволяют получать наиболее контрастные рентгеновские снимки. Молибдат гадолиния - компонент галлий-гадолиниевых гранатов. Эти материалы представляют большой интерес для оптоэлектроники. А селенид гадолиния Gd2Se3 обладает полупроводниковыми свойствами.

Вероятно, заканчивая, следует указать цены на гадолиний. Этот своеобразный элемент достаточно дорог. В 1970 г. килограмм гадолиния чистотой 99,76% стоил 1500 рублей. Гадолиний, конечно, дорог, однако дешевле европия, тербия, лютеция, тулия; дешевле золота и платины, но дороже серебра.

Гадолиний – серебристо-белый металл средней твердости и пластичности. Плотность его 7,897 г/см3, температура плавления 1312°C. Ферромагнетик, причем точка Кюри находится примерно при комнатной температуре. Уникальное свойство гадолиния – он обладает наибольшей способностью к захвату тепловых нейтронов среди всех известных нерадиоактивных элементов (от 49000 барн и выше в зависимости от изотопного состава).

Гадолиний относится к редкоземельным металлам и его химические свойства во многом похожи на свойства остальных металлов данной группы. Однако гадолиний намного устойчивее на воздухе, чем, например, лантан, неодим и церий.

Металлический гадолиний получают восстановлением GdCl3 или GdF3 кальцием в вакууме. Однако для получения этих галогенидов в чистом виде из исходного минерального сырья (монациты и бастнациты) требуется немало стадий обогащения и разделения редкоземельных элементов.

О гадолинии как о материале современной технологии рассказывать можно довольно долго, ибо этот элемент постоянно открывает все новые и новые области своего применения, и в немалой степени это обусловлено не только особыми ядерно-физическими свойствами, но и технологичностью. Основными областями применения гадолиния являются электроника и ядерная энергетика.

Также гадолиний применяется в изготовлении магнитных носителей информации с огромной плотностью записи, термоэлектрических и лазерных материалов, сверхпроводников, катодов электронных пушек, в производстве металлогидридов для хранения водорода и легировании титановых сплавов. Также применяется для получения сверхнизких температур и создания ультрафиолетового лазера (ионы гадолиния используются для возбуждения лазерного излучения, что позволяет создать лазер, который работает в ближнем ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 310 нм). Сплав гадолиния и никеля применяется для изготовления контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.

Некоторые МРТ-исследования неинформативны без контрастного усиления. Первое парамагнитное контрастное вещество было создано фирмой «Байер» в 1988 году. Современный контрастный препарат гадодиамид содержит гадолиний. Он представляет собой раствор комплексного соединения на основе водорастворимой соли гадолиния (как правило, хлорида или сульфата), который вводится внутривенно и накапливается в областях с повышенным кровоснабжением (например, злокачественных опухолях). Из-за содержания редкоземельных элементов контрастное вещество относительно дорогое - цена одной дозы в 2010 году составляло 5000-10 000 рублей.

Гадолиний — 64

Гадолиний (Gd) — редкоземельный элемент , атомный номер 64, атомная масса 157,25, температура плавления 1321ОС, плотность 7,87г/см3.
Этот элемент был открыт в 1880 году и получил своё название гадолиний, в память финского химика Гадолина. Гадолиний –металл светлого оттенка , на воздухе окисляется плохо, реагирует с кислотами, растворяется в воде. По магнитным свойствам он похож на железо, никель и кобальт.
Содержание гадолиния в природных и техногенных видах сырья достаточно велико. В процентах от общего содержания он присутствует: в лопарите — 0,6%, в эвдиалите — 2,5%, в хибинском апатите — 1,7%,в фосфогипсе из хибинского апатита — 1,8%, в природном концентрате Томтора — 1,6%. Всего в земной коре содержится до 0,0008% от всей массы. Вообще в природе, гадолиния столько же сколько и свинца, однако он сильно рассеян в земной коре, что усложняет и удорожает его добычу и производство.

ПОЛУЧЕНИЕ.

Гадолиний –металл светлого оттенка

Получение гадолиния — это, в основном, процесс восстановления фторида или хлорида гадолиния, кальцием. Металлический гадолиний получают из минералов и техногенных соединений сначала методом разделения оксидов РЗМ на различные фракции, а дальнейший процесс проводят в стальных сосудах футерованных окисью кальция СаО или в тиглях из тантала в атмосфере инертного газа. Гадолиний также получают электролизом с жидким кадмиевым катодом, который, затем, отгоняется в вакууме.

ПРИМЕНЕНИЕ.

Ещё совсем недавно о гадолинии говорили — не находит применения. Однако, сегодня, открытие его новых свойств заставило говорить о нём совсем по другому и его применение в разных сферах науки и промышленности резко выросло.

Атомная энергетика. Гадолиний, в виде сплавов, начали применять для создания регулирующих стержней в ядерных реакторах. Здесь используется очень высокая степень захвата нейтронов гадолинием, которая в 18 раз превышает эту способность кадмия, широко применяющегося в настоящее время для этой цели. Применение гадолиния для создания кристаллических сцинтилляционных счётчиков нейтронов и других ядерных излучений, значительно увеличило чувствительность этих приборов.

• Металлургия. Гадолиний входит в состав сплавов, используемых для раскисления и модифицирования стали. Соединения гадолиния используются для производства специальных титановых сплавов.

Получение холода. Сернокислый и хлористый гадолиний обладают сильными парамагнитными свойствами и это используется для получения сверхнизких температур. Соль гадолиния помещают в хорошо теплоизолированное пространство, заполненное инертным газом, на которое воздействуют магнитным полем. Соль нагревается и нагревает окружающий её инертный газ. После этого инертный газ откачивается, магнитное поле снимается и соль гадолиния охлаждают до температуры ниже начальной. Многократное повторение этих циклов приводит к снижению температуры, приближающейся к абсолютному нулю.

• Вычислительная техника. Окись гадолиния Gd2O3 применяют для создания железо-иттриевых ферритов, применяемых в суперскоростных компьютерах.

• Люминофоры. Серные соединения гадолиния применяются для получения суперконтрастных рентгеновских снимков, а также для других диагностических приборов в медицине.

• Полупроводники. Селенид гадолиния Gd2Se3 обладает полупроводниковым эффектом и это уже начали применять в производстве полупроводников.

• Лазеры. Созданный на базе гадолиния гранат, используется для создания лазерных систем с очень высоким КПД и высокими параметрами излучения.

• Электроника. Соединения гадолиния используются для изготовления катодов для электронно-лучевых трубок и рентгеновских аппаратов, создание приборов для оптической и магнитной регистрации, для создания изделий электронной керамики.