Гадолинијум

С Википедије, слободне енциклопедије
Гадолинијум
Gadolinium-4.jpg
Општа својства
Име, симболгадолинијум, Gd
Изгледсребрнасто бео
У периодном систему
Водоник Хелијум
Литијум Берилијум Бор Угљеник Азот Кисеоник Флуор Неон
Натријум Магнезијум Алуминијум Силицијум Фосфор Сумпор Хлор Аргон
Калијум Калцијум Скандијум Титанијум Ванадијум Хром Манган Гвожђе Кобалт Никл Бакар Цинк Галијум Германијум Арсен Селен Бром Криптон
Рубидијум Стронцијум Итријум Цирконијум Ниобијум Молибден Технецијум Рутенијум Родијум Паладијум Сребро Кадмијум Индијум Калај Антимон Телур Јод Ксенон
Цезијум Баријум Лантан Церијум Празеодијум Неодијум Прометијум Самаријум Европијум Гадолинијум Тербијум Диспрозијум Холмијум Ербијум Тулијум Итербијум Лутецијум Хафнијум Тантал Волфрам Ренијум Осмијум Иридијум Платина Злато Жива Талијум Олово Бизмут Полонијум Астат Радон
Францијум Радијум Актинијум Торијум Протактинијум Уранијум Нептунијум Плутонијум Америцијум Киријум Берклијум Калифорнијум Ајнштајнијум Фермијум Мендељевијум Нобелијум Лоренцијум Радерфордијум Дубнијум Сиборгијум Боријум Хасијум Мајтнеријум Дармштатијум Рендгенијум Коперницијум Нихонијум Флеровијум Московијум Ливерморијум Тенесин Оганесон


Gd

Cm
европијумгадолинијумтербијум
Атомски број (Z)64
Група, периодаn/a, периода 6
Блокf-блок
Рел. ат. маса (Ar)157,25(3)[1]
Ел. конфигурација
по љускама
2, 8, 18, 25, 9, 2
Физичка својства
Тачка топљења1585 K ​(1312 °‍C, ​2394 °F)
Тачка кључања3273 K ​(3000 °‍C, ​5432 °F)
Густина при с.т.7,90 g/cm3
течно ст., на т.т.7,4 g/cm3
Топлота фузије10,05 kJ/mol
Топлота испаравања301,3 kJ/mol
Мол. топл. капацитет37,03 J/(mol·K)
Напон паре (израчунато)
P (Pa) 100 101 102
на T (K) 1836 2028 2267
P (Pa) 103 104 105
на T (K) 2573 2976 3535
Атомска својства
Електронегативност1,20
Енергије јонизације1: 593,4 kJ/mol
2: 1170 kJ/mol
3: 1990 kJ/mol
Атомски радијус180 pm
Ковалентни радијус196±6 pm
Линије боје у спектралном распону
Остало
Кристална структуразбијена хексагонална (HCP)
Hexagonal close packed кристална структура за гадолинијум
Брзина звука танак штап2680 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширењеα poly: 9,4 µm/(m·K) (на 100°C)
Топл. водљивост10,6 W/(m·K)
Електрична отпорностα, поли: 1,310 µΩ·m
Магнетни распоредтранзиција феромагнетичанпарамагнетичан на 293,4 K
Магнетна сусцептибилност (χmol)+755.000,0·10−6 cm3/mol (300,6 K)[2]
Јангов модулα форма: 54,8 GPa
Модул смицањаα форма: 21,8 GPa
Модул стишљивостиα форма: 37,9 GPa
Поасонов коефицијентα форма: 0,259
Викерсова тврдоћа510–950 MPa
CAS број7440-54-2
Историја
Именовањепо минералу гадолиниту (који је назван по Јохану Гадолину)
ОткрићеЖан Шарл Галисар де Марињак (1880)
Прва изолацијаПол Емил Лекок де Буабодран (1886)
Главни изотопи
изо РА полуживот (t1/2) ТР ПР
148Gd syn 75 y α 144Sm
150Gd syn 1,8×106 y α 146Sm
152Gd 0,20% 1,08×1014 y α 148Sm
154Gd 2.18% стабилни
155Gd 14.80% стабилни
156Gd 20.47% стабилни
157Gd 15.65% стабилни
158Gd 24.84% стабилни
160Gd 21.86% стабилни
референцеВикиподаци

Гадолинијум (Gd, лат. gadolinium), је хемијски елемент из групе лантаноида са атомским бројем 64.[3][4] Име је добио по финском минерологу и хемичару Јохану Гадолину. Гадолинијум је заступљен у земљиној кори у количини од 7,7 ppm. Најважнији минерали гадолинијума су: монацит (Ce,La,Th,Nd,Y,Pr,Gd)PO4 и (Ce,La,Nd,Y,Pr,Gd)CO3F

У периодном систему налази се у групи лантаноида те се тако убраја у метале ретких земаља. Гадолинијум има врло необичне металуршке особине, тако да чак и 1% гадолинијума у некој легури значајно може побољшати њену обрадивост и отпорност на оксидацију при вишим температурама, нарочито жељеза, хрома и сличних метала.

Историја[уреди | уреди извор]

Елемент је 1880. године први открио швајцарски хемичар Жан Шарл Галисар де Марињак. Он је проучавао састојке минерала самарскита те појаву да се његови делови различито растварају у растворима калијум сулфата. У зависности од растворљивости, настајале су многе фракције. У једној од фракција, де Марињак је у апсорпцијском спектру пронашао спектралне линије до тада непознатог елемента. Пошто није имао довољно материјала да тачно одреди о којем се елементу ради, ставио му је ознаку Yα. Осим тога, у другој фракцији пронашао је још једну непознату супстанцу Yβ, али је врло брзо откривено да се ради о елементу самаријуму којег су већ открили Марк Делафонтејн и де Буабодран.[5] Након што су Вилијам Крукс[6] и Пол Емил Лекок де Буабодран потврдили постојање елемента Yα, Лекок де Буабодран је 19. априла 1886. у договору са Марињаком, дао име новом елементу, гадолинијум, у част финског хемичара Јохана Гадолина, те елементу доделио симбол Gd.[7][8]

Први научник који је 1935. добио метални гадолинијум био је Феликс Тромб. За издвајање гадолинијума, Тромб је користио електролитичку редукцију истопљене смеше гадолинијум(III)-хлорида, калијум хлорида и литијум хлорида при температури од 625–675°C са кадмијумским електродама.[9] Убрзо након тога, заједно са Ирбеном и Вајсом, Тромб је открио и феромагнетске особине гадолинијума.[10]

Особине[уреди | уреди извор]

Физичке[уреди | уреди извор]

Елементарни гадолинијум
Топлотни капацитет гадолинијума, зелено: укупни капацитет, црвено: удео фонона, плаво: удео спина, тиркиз: удео електрона

Овај сребренасто-бели до сиво-бели сјајни метал ретких земаља је дуктилан и кован. Кристализије се у хексагоналној густо пакованој кристалној структури са параметрима решетке a = 363 pm i c = 578 pm.[11] На температури изнад 1262°C кристална структура гадолинијума прелази у кубну просторно центрирану структуру.[12]

Осим ових високотемпературних фаза, познат је и већи број фаза на високом притиску. Редослед измене фаза при високим притисцима одговара оном код других лантаноида (осим европијума и итербијума). Након хексагоналне структуре следи (при собној температури) и притиску изнад 1,5 GPa, структура типа самаријума, док при притиску изнад 6,5 GPa прелази у стабилну двоструку хексагоналну кристалну структуру. При притисцима између 26 и 33 GPa најстабилнија је кубна просторно центрирана структура. При још вишим притисцима познате су још двострука кубна просторно центрирана структура те моноклински Gd-VIII систем.[13][14]

Гадолинијум је, поред диспрозијума, холмијума, ербијума, тербијума и тулијума, један од лантаноида који има значајне феромагнетичне особине. Његова Киријева температура износи 292,5 K (19,3°C) што представља највишу Киријеву температуру од свих лантаноида, док од других метала само жељезо, кобалт и никл имају вишу.[15] Изнад ових температура гадолинијум је парамагнетичан, са магнетнком сусцептибилношћу од 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), као што је то уобичајено код метала, најпре доминира електронски топлотни капацитет Cel (при чему је Cel = γ·T са γ = 6,38 mJ·mol−1·K−2 а T је температура[17][18]). При вишим температурама, од одлучујућег значаја је Дебајев модел, при чему је Дебајева температура ΘD = 163,4 K[17] Испод Киријеве температуре, топлотни капацитет гадолинијума опет снажно расте, што се објашњава системом спина. Капацитет достиже 56 J·mol−1·K−1 при 290 K, да би при вишим температурама готово одмах пао на испод 31 J·mol−1·K−1.[19]

Гадолинијум је саставни део керамичких високотемпературних суперпроводника типа Ba2GdCu3O7-x са критичном температуром () од 94,5 K.[20] Чисти гадолинијум нема особине суперпроводника.[21] Са 49.000 барна, гадолинијум, због свог изотопа Gd-157 (са 254.000 барна) има највећи попречни пресек захвата за термичке неутроне од свих познатих стабилних елемената (само нестабилни Xe-135 достиже око десет пута већу вредност од Gd-157). Због превелике брзине трошења (burn-out-rate) овај изотоп се врло ретко користи у контролним шипкама нуклеарних реактора.

Хемијске[уреди | уреди извор]

Гадолинијум се спаја са већином елемената у облику деривата Gd(III). Такође се спаја са азотом, угљеником, сумпором, фосфором, бором, селеном, силицијумом и арсеном при повишеним температурама, градећи бинарна једињења.[22] За разлику од других ретких земних елемената, метални гадолинијум је релативно стабилан на сувом ваздуху. Међутим, врло брзо потамни ако у ваздуху има влаге, градећи оксид гадолинијум(III) оксид (Gd2O3), који се лако љушти с површине, излажући метал даљој оксидацији.

4 Gd + 3 O2 → 2 Gd2O3

Гадолинијум је врло снажно редукцијско средство, који редуцира оксиде многих метала до њихових елемената. Гадолинијум је релативно електропозитиван те споро реагује у хладној води градећи гадолинијум-хидроксид:

2 Gd + 6 H2O → 2 Gd(OH)3 + 3 H2

Метални гадолинијум врло лако напада разређена сумпорна киселина при чему настају раствори који садрже безбојне јоне Gd(III), а који постоје у виду комплекса [Gd(H2O)9]3+:[23]

2 Gd + 3 H2SO4 + 18 H2O → 2 [Gd(H2O)9]3+ + 3 SO2−
4
+ 3 H2

Метални гадолинијум реагује са халогеним елементима (X2) при температури изнад 200°C:

2 Gd + 3 X2 → 2 GdX3

Распрострањеност[уреди | уреди извор]

Гадолинијум је врло редак елемент на Земљи. Његов удео у континенталној Земљиној кори износи приближно 5,9[24] до 6,2 ppm.[16]

Овај елемент налази се у саставу многих минерала ретких метала, са различитим уделима у њима. Нарочито велики удео гадолинијума имају минерали итер-земаља[25] као и ксенотим. У налазиштима ксенотима из Малезије, удео гадолинијума износи око 4%. Међутим, и монацит такође садржи од 1,5% до 2% овог елемента у зависности од налазишта. У минералу бастнеситу удео гадолинијума је нешто нижи и износи од 0,15% до 0,7%.[26] Познат је само један минерал у којем гадолинијум као метал ретких земаља има највиши удео. Ради се о изузетно ретком уранилкарбонату леперсонит-(Gd) хемијског састава Ca(Gd,Dy)2(UO2)24(SiO4)4(CO3)8(OH)24 · 48H2O.[27]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ 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. 
  2. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. стр. E110. ISBN 0-8493-0464-4. 
  3. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  4. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. изд.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  5. ^ Jean Charles Galissard de Marignac (1880). „Sur les terres de la samarskite”. Comptes Rendus. 90: 899—903. 
  6. ^ William Crookes (1886). „Sur la terre Yα. Comptes Rendus. 102: 646—647. 
  7. ^ Paul Émile Lecoq de Boisbaudran (1886). „Le Yα de Marignac est définitevement nomme Gadolinium”. Comptes Rendus. 102: 902. 
  8. ^ 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. 
  9. ^ Félix Trombe (1935). „L'isolement de gadolinium”. Comptes Rendus. 200: 459—461. 
  10. ^ Georges Urbain; Pierre-Ernest Weiss Félix Trombe (1935). „Un nouveau métal ferromagnetique, le gadolinium”. Comptes Rendus. 200: 2132—2134. 
  11. ^ 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. 
  12. ^ 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. 
  13. ^ 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. 
  14. ^ 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. 
  15. ^ 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. 
  16. ^ а б Weast, Robert C., ур. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). стр. 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.
  17. ^ а б 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. 
  18. ^ 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. 
  19. ^ 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. 
  20. ^ 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. 
  21. ^ 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. 
  22. ^ Holleman, A. F.; Wiberg, E. (2001). Inorganic Chemistry. San Diego: Academic Press. ISBN 0-12-352651-5. 
  23. ^ „Chemical reactions of Gadolinium”. Webelements. Приступљено 16. 8. 2017. 
  24. ^ Harry H. Binder (1999). Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 3-7776-0736-3. 
  25. ^ „Yttererden - Lexikon der Chemie” (на језику: немачки). Приступљено 1. 8. 2017. 
  26. ^ Ian McGill (2012). „Rear Earth Elements”. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Weinheim: Wiley-VCH. doi:10.1002/14356007.a22_607. 
  27. ^ 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. 

Спољашње везе[уреди | уреди извор]