Гадолиний (Gd)
ЛантаноидТвёрдое тело
Стандартная относительная атомная масса
157,25 uЭлектронная конфигурация
[Xe] 6s2 4f7 5d1Температура плавления
1312,85 °CТемпература кипения
3272,85 °CПлотность
7900 kg/m³Степени окисления
0, +1, +2, +3Электроотрицательность (по Полингу)
1,2Энергия ионизации (1-я)
6,1498 eVГод открытия
1886Атомный радиус
180 pmПодробные сведения
Гадолиний — серебристый металл-лантаноид и один из средних редкоземельных элементов. Его химия определяется степенью окисления +3, но семь неспаренных 4f-электронов придают ему необычно сильные магнитные свойства для редкоземельного элемента. Природный гадолиний представляет собой смесь стабильных изотопов, причем ¹⁵²Gd очень долгоживущий и слабо радиоактивный. Элемент технологически важен в магнитных материалах, поглощении нейтронов, люминофорах и медицинских контрастных веществах.
Как и другие родственные редкоземельные металлы, гадолиний серебристо-белый, обладает металлическим блеском, ковок и пластичен. При комнатной температуре гадолиний кристаллизуется в гексагональной плотноупакованной α-форме. При нагревании до 1235°C α-гадолиний переходит в β-форму, имеющую объёмно-центрированную кубическую структуру.
Металл относительно стабилен в сухом воздухе, но тускнеет во влажном воздухе и образует слабо прилипшую оксидную плёнку, которая отслаивается и открывает для окисления новые участки поверхности. Металл медленно реагирует с водой и растворим в разбавленной кислоте.
Гадолиний имеет наибольшее сечение захвата тепловых нейтронов среди всех известных элементов (49,000 barns).
Название происходит от минерала гадолинита, в котором он был найден, названного в честь финского химика-редкоземельщика Йохана Гадолина. Гадолиний был открыт швейцарским химиком Жаном-Шарлем Галисаром де Мариньяком в 1886 году, который получил белый оксид в минерале самарскита. В 1886 году французский химик Поль-Эмиль Лекок де Буабодран дал этому элементу название гадолиний.
Спектроскопические доказательства существования гадолиния впервые были обнаружены швейцарским химиком Жаном Шарлем Галисаром де Мариньяком в минералах дидимии и гадолините ((Ce, La, Nd, Y)2FeBe2Si2O10) в 1880 году. Сегодня гадолиний в основном получают из минералов монацита ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO4) и бастнезита ((Ce,La,Y)CO3F).
От гадолинита, минерала, названного в честь Гадолина, финского химика. Редкоземельный металл получают из минерала гадолинита. Гадолиния, оксид гадолиния, был выделен Мариньяком в 1880 году, а Лекок де Буабодран независимо изолировал его из иттрий Mosандера в 1886 году.
Чистый гадолиний — мягкий, яркий, серебристо-белый металл в свежем срезе. На воздухе он тускнеет и может образовывать более тёмную оксидную поверхность. При обычном давлении он ферромагнитен ниже примерно 20 °C, то есть достаточно близко к комнатной температуре, чтобы умеренные изменения температуры сильно влияли на его магнитные свойства.
Гадолиний используется там, где важны высокий магнитный момент или высокая способность к захвату нейтронов. Соединения гадолиния используются в некоторых контрастных препаратах для магнитно-резонансной томографии, где комплексообразование необходимо для контроля токсичности. Оксид гадолиния используется в люминофорах и сцинтилляторах, а гадолиний-галлиевый гранат служил в качестве подложки и оптического материала. Гадолиний также используется в регулирующих материалах и выгорающих поглотителях нейтронов в некоторых ядерных реакторах, часто в виде оксида гадолиния, смешанного с топливом.
Гадолиний обладает наибольшей способностью захватывать тепловые нейтроны среди всех известных элементов и может использоваться в качестве регулирующих стержней для ядерных реакторов. К сожалению, два изотопа, наиболее пригодные для захвата нейтронов, гадолиний-155 и гадолиний-157, присутствуют в гадолинии в небольших количествах. В результате регулирующие стержни из гадолиния быстро теряют эффективность.
Гадолиний можно соединять с иттрием с образованием гранатов, имеющих применение в СВЧ-технологии. Гадолиний можно легировать с железом, хромом и другими металлами для улучшения их обрабатываемости и их стойкости к высоким температурам и окислению. Соединения гадолиния используются для изготовления люминофоров для цветных телевизоров.
Гадолиний-иттриевые гранаты используются в СВЧ-применениях, а соединения гадолиния используются как люминофоры в цветных телевизорах.
Этот металл обладает необычными сверхпроводящими свойствами. Всего 1% гадолиния улучшает обрабатываемость и стойкость железа, хрома и родственных сплавов к высоким температурам и окислению.
Этилсульфат гадолиния обладает чрезвычайно низким уровнем шумов и может найти применение в воспроизведении работы усилителей, таких как мазер.
Этот металл ферромагнитен. Гадолиний уникален высокой магнитной восприимчивостью и своей особой температурой Кюри (выше которой ферромагнетизм исчезает), находящейся как раз при комнатной температуре, что означает, что он может использоваться в качестве магнитного компонента, способного распознавать горячее и холодное.
Изотопы в науках о Земле/планетах
Лунная поверхность постоянно подвергается воздействию космического излучения, а взаимодействие планетарного материала с космическими лучами приводит к образованию вторичных нейтронов. Поток нейтронов можно исследовать, используя большие сечения захвата нейтронов у 149Sm, 155Gd и 157Gd. Например, 157Gd будет поглощать нейтроны и превращаться в 158Gd. На кросс-плоте отношения количества изотопов n(158Gd)/n(160Gd) и n(157Gd)/n(160Gd) (рис. IUPAC.64.1) значения будут смещаться из правого нижнего угла в левый верхний угол кросс-плота с увеличением времени или увеличением потока.
Изотопы в медицине
Добавление 157Gd в нейтрон-захватную терапию (NCT) показало большую эффективность при нацеливании на опухоли, чем прежний метод использования только 10B для лечения (рис. IUPAC.64.2) [453] C. N. Culbertson, T. Jevremovic. Phys. Med. Biol.48, 3943 (2003).. 153Gd (с периодом полураспада 0.66 года) используется в производстве источников линейного излучения фотонной линии (оптический источник, который испускает одну или несколько спектрально узких линий вместо непрерывного спектра) для изготовления источников линии 153Gd [454] V. M. Lebedev, J. N. Gordeev, E. A. Karelin, V. D. Gavrilov. Appl. Radiat. Isot.53, 829 (2000).. 153Gd также используется в качестве источника фотонов в методе двухфотонной абсорбциометрии (DPA), который применяется для измерения минерального содержания костной ткани (BMC). Исследования для этого метода проводились на лошадях и людях [455] A. Moure, P. Reichmann, H. R. Gamba. Phys. Med. Biol.48, 3851 (2003)., [456] P. Tothill, M. A. Smith, D. Sutton. Br. J. Radiol.56, 829 (1983)..
Химия гадолиния в основном сводится к солям и оксидам Gd³⁺. Оксид гадолиния(III), Gd₂O₃, является устойчивым огнеупорным оксидом и распространённым исходным материалом. Хлорид гадолиния(III), GdCl₃, и нитрат гадолиния(III), Gd(NO₃)₃, образуют гидратированные соли и координационные комплексы. Сульфат гадолиния(III), Gd₂(SO₄)₃, и многие органические хелаты также важны. Состояние +2 известно в специализированной твёрдофазной и органометаллической химии, но не является обычной формой в водном растворе.
See more information at the Gadolinium compound page.
Металлическая пыль гадолиния может гореть, и её следует рассматривать как реакционноспособный металлический порошок. Растворимые соли гадолиния токсичны при достаточной дозе, главным образом потому, что свободный Gd³⁺ может нарушать биологические процессы, зависящие от кальция. Медицинские контрастные препараты используют прочно связанные комплексы, однако высвобождение или задержка гадолиния признаны проблемой безопасности, особенно у уязвимых пациентов. Стабильные изотопы гадолиния не представляют радиологической опасности, имеющей практическое значение.
Гадолиний в природе встречается рассеянно вместе с другими редкоземельными элементами в минералах, таких как монацит и бастнезит. Известно, что он не имеет жизненно важной биологической роли. В почвах и водах он, как правило, прочно связывается с минералами, фосфатами, карбонатами и органическим веществом, а не остаётся в виде простого свободного иона. Антропогенный гадолиний из контрастных препаратов может проходить через системы очистки сточных вод и был обнаружен как аномальные редкоземельные сигнатуры в некоторых поверхностных водах.
Гадолиний не добывают как первичный металл. Его извлекают при переработке редкоземельных руд, отделяя от химически сходных лантанидов методами экстракции растворителями или ионного обмена. Поставки зависят от всей редкоземельной промышленности и от экономики разделения смешанных концентратов на отдельные оксиды. Спрос меньше, чем на неодим или церий, но он важен в медицинской визуализации, ядерной технике, люминофорах и специальных магнитных материалах. Переработка ограничена и наиболее практична из концентрированного промышленного лома, а не из рассеянных медицинских отходов.
Гадолиний встречается в ряде других минералов, включая монацит и бастнезит, оба из которых имеют промышленное значение. С развитием методов ионообмена и экстракции растворителями доступность гадолиния и других редкоземельных металлов и их цены значительно улучшились. Металл можно получить восстановлением безводного фторида металлическим кальцием.
Гадолиний — тяжёлый элемент, образующийся главным образом за счёт процессов захвата нейтронов в более ранних поколениях звёзд. Его стабильные изотопы включают продукты, связанные как с медленным, так и с быстрым захватом нейтронов. В Солнечной системе он значительно менее распространён, чем железо или лёгкие элементы, но в метеоритах и планетных материалах он следует общему редкоземельному распределению.
- Природный гадолиний обладает одной из самых высоких способностей к поглощению тепловых нейтронов среди смесей стабильных элементов.
- Элемент назван через гадолинит — минерал, который в конечном счёте назван в честь Йохана Гадолина.
- Гадолиний становится ферромагнитным лишь немного ниже обычной комнатной температуры.
- Свободный Gd³⁺ гораздо более опасен, чем гадолиний, связанный в одобренных хелатирующих лигандах.
- Аномалии гадолиния в реках могут указывать на выбросы из контрастных препаратов для медицинской визуализации.
Изображения
Свойства
Физические свойства
- Атомный радиус (эмпирический)
- 180 pm Сравнить Атомный радиус (эмпирический) у всех элементов →
- Ковалентный радиус
- 196 pm Сравнить Ковалентный радиус у всех элементов →
- Ван-дер-ваальсов радиус
- 237 pm Сравнить Ван-дер-ваальсов радиус у всех элементов →
- Плотность
- 7900 kg/m³ Сравнить Плотность у всех элементов →
- Молярный объём
- 0,0199 L/mol
- Фаза при стандартных температуре и давлении
- Твёрдое вещество Сравнить Фаза при стандартных температуре и давлении у всех элементов →
- Температура плавления
- 1312,85 °C Сравнить Температура плавления у всех элементов →
- Температура кипения
- 3272,85 °C Сравнить Температура кипения у всех элементов →
- Удельная теплоёмкость
- 0,236 Дж/(г·К) Сравнить Удельная теплоёмкость у всех элементов →
- Молярная теплоёмкость
- 37,03 Дж/(моль·К) Сравнить Молярная теплоёмкость у всех элементов →
- Кристаллическая структура
- Гексагональная плотноупакованная Сравнить Кристаллическая структура у всех элементов →
Химические свойства
- Электроотрицательность (по Полингу)
- 1,2 Сравнить Электроотрицательность (по Полингу) у всех элементов →
- Сродство к электрону
- 0,132 eV
- Энергия ионизации (1-я)
- 6,1498 eV Сравнить Энергия ионизации (1-я) у всех элементов →
- Энергия ионизации (2-я)
- 12,076042 eV Сравнить Энергия ионизации (2-я) у всех элементов →
- Энергия ионизации (3-я)
- 20,540071 eV Сравнить Энергия ионизации (3-я) у всех элементов →
- Энергия ионизации (4-я)
- 44,440153 eV Сравнить Энергия ионизации (4-я) у всех элементов →
- Энергия ионизации (5-я)
- 64,800223 eV Сравнить Энергия ионизации (5-я) у всех элементов →
- Степени окисления
- 0, +1, +2, +3 Сравнить Степени окисления у всех элементов →
- Валентные электроны
- 3 Сравнить Валентные электроны у всех элементов →
- Электронная конфигурация
- [Xe] 6s2 4f7 5d1
Термодинамические свойства
- Теплота плавления
- 0,10364305 eV Сравнить Теплота плавления у всех элементов →
- Теплота испарения
- 3,109292 eV Сравнить Теплота испарения у всех элементов →
- Теплота сублимации
- 4,124994 eV
- Теплота атомизации
- 4,124994 eV
- Энтальпия атомизации
- 4,119811 eV
Ядерные свойства
- Протоны
- 64 Сравнить Протоны у всех элементов →
- Нейтроны
- 94 Сравнить Нейтроны у всех элементов →
- Известные изотопы
- 40 Сравнить Известные изотопы у всех элементов →
- Стабильные изотопы
- 5 Сравнить Стабильные изотопы у всех элементов →
- Наиболее стабильный изотоп
- Gd-158
- Год открытия
- 1886
Распространённость
- Содержание в земной коре
- 6,2 мг/кг Сравнить Содержание в земной коре у всех элементов →
- Содержание в океане
- 7 × 10−7 мг/л Сравнить Содержание в океане у всех элементов →
Кристаллическая структура
- Параметр решётки a
- 364 pm
Электронная структура
- Электроны по оболочкам
- 2, 8, 18, 25, 9, 2 Сравнить Электроны по оболочкам у всех элементов →
Идентификаторы
- Номер CAS
- 7440-54-2 Сравнить Номер CAS у всех элементов →
- Символ терма
- 9D°2
- InChI
- InChI=1S/Gd
- Ключ InChI
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N
Электронная конфигурация Измеренные
Gd: 4f⁷ 5d¹ 6s²[Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s²1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f⁷ 5d¹ 6s²Модель атома
Изотопы различаются числом нейтронов, массой и стабильностью, но не электронной конфигурацией нейтрального атома.
Схематическая модель атома, без соблюдения масштаба.
Атомный отпечаток
Спектр излучения / поглощения
Распределение изотопов
| Массовое число | Атомная масса (а. е. м.) | Содержание в природе | Период полураспада |
|---|---|---|---|
| 154 Стабильный | 153,9208741 ± 0,0000017 | 2,1800% | Стабильный |
| 155 Стабильный | 154,9226305 ± 0,0000017 | 14,8000% | Стабильный |
| 156 Стабильный | 155,9221312 ± 0,0000017 | 20,4700% | Стабильный |
| 157 Стабильный | 156,9239686 ± 0,0000017 | 15,6500% | Стабильный |
| 158 Стабильный | 157,9241123 ± 0,0000017 | 24,8400% | Стабильный |
Фаза / агрегатное состояние
Причина: на 1287,8 °C ниже температуры плавления (1312,85 °C)
Схематично, без соблюдения масштаба
Температуры фазовых переходов
Энергии переходов
Энергия, необходимая для плавления 1 моль вещества при температуре плавления
Энергия, необходимая для испарения 1 моль вещества при температуре кипения
Энергия, необходимая для сублимации 1 моль вещества при температуре сублимации
Плотность
При стандартных условиях
При стандартных условиях
Атомные спектры
Показано 10 из 64. Сортировка по заряду иона (по возрастанию).
Данные о спектральных линиях ?
| Ион | Заряд | Всего линий | Вероятности переходов | Обозначения уровней |
|---|---|---|---|---|
| Gd I | 0 | 371 | 16 | 19 |
| Gd II | +1 | 465 | 0 | 17 |
| Gd III | +2 | 158 | 0 | 0 |
| Gd IV | +3 | 50 | 0 | 0 |
Данные об энергетических уровнях ?
| Ион | Заряд | Уровни |
|---|---|---|
| Gd I | 0 | 634 |
| Gd II | +1 | 321 |
| Gd III | +2 | 28 |
| Gd IV | +3 | 5 |
| Gd V | +4 | 2 |
| Gd VI | +5 | 2 |
| Gd VII | +6 | 2 |
| Gd VIII | +7 | 2 |
| Gd IX | +8 | 2 |
| Gd X | +9 | 2 |
Ионные радиусы
| Заряд | Координация | Спин | Радиус |
|---|---|---|---|
| +3 | 6 | Нет данных | 93.8 пм |
| +3 | 7 | Нет данных | 100 пм |
| +3 | 8 | Нет данных | 105.3 пм |
| +3 | 9 | Нет данных | 110.7 пм |
Соединения
Изотопы (5)
Natural gadolinium is a mixture of seven isotopes, but 17 isotopes of gadolinium are now recognized. Although two of these, 155Gd and 157Gd, have excellent capture characteristics, they are only present naturally in low concentrations. As a result, gadolinium has a very fast burnout rate and has limited use as a nuclear control rod material.
| Массовое число | Атомная масса (а. е. м.) | Содержание в природе | Период полураспада | Тип распада | |
|---|---|---|---|---|---|
| 154 Стабильный | 153,9208741 ± 0,0000017 | 2,1800% ± 0,0300% | Стабильный | stable | |
| 155 Стабильный | 154,9226305 ± 0,0000017 | 14,8000% ± 0,1200% | Стабильный | stable | |
| 156 Стабильный | 155,9221312 ± 0,0000017 | 20,4700% ± 0,0900% | Стабильный | stable | |
| 157 Стабильный | 156,9239686 ± 0,0000017 | 15,6500% ± 0,0200% | Стабильный | stable | |
| 158 Стабильный | 157,9241123 ± 0,0000017 | 24,8400% ± 0,0700% | Стабильный | stable |
Расширенные данные о свойствах
Ковалентные радиусы (расширенные данные)
- Ковалентный радиус (по Пююккё)
- 169 pm
- Ковалентный радиус (по Пююккё, двойная связь)
- 135 pm
- Ковалентный радиус (по Пююккё, тройная связь)
- 132 pm
Ван-дер-ваальсовы радиусы
- Alvarez
- 283 pm
- UFF
- 336,8 pm
- MM3
- 271 pm
Атомные и металлические радиусы
- Атомный радиус (по Раму)
- 277 pm
Шкалы нумерации
- Mendeleev
- 27
- Pettifor
- 27
- Glawe
- 26
Шкалы электроотрицательности
- Ghosh
- 0
- Miedema
- 3
- Gunnarsson–Lundqvist
- 7
- Robles–Bartolotti
- 6
Поляризуемость и дисперсия
- Дипольная поляризуемость
- 158 a.u.
- Дипольная поляризуемость (неопределённость)
- 20 a.u.
- C₆ (Gould–Bučko)
- 2340 Ha·Bohr6
Параметры Мидемы
- Молярный объём по Мидеме
- 19,9 cm3/mol
- Электронная плотность по Мидеме
- 2
Риски поставок и экономика
- Концентрация производства
- 97
- Относительный риск поставок
- 10
- Распределение запасов
- 50
- Политическая стабильность (ведущий производитель)
- 24
- Политическая стабильность (страна с крупнейшими запасами)
- 24
Фазовые переходы и аллотропные модификации
| Температура плавления | 1586,15 K |
| Температура кипения | 3546,15 K |
Категории степеней окисления
Расширенные справочные данные
Константы экранирования (13)
| n | Орбиталь | σ |
|---|---|---|
| 1 | s | 1,2565 |
| 2 | p | 4,2946 |
| 2 | s | 16,783 |
| 3 | d | 13,723 |
| 3 | p | 19,8508 |
| 3 | s | 20,2903 |
| 4 | d | 34,3664 |
| 4 | f | 38,9864 |
| 4 | p | 31,3532 |
| 4 | s | 30,556 |
Подробные данные о кристаллических радиусах (4)
| Заряд | CN | Спин | rcrystal (pm) | Происхождение |
|---|---|---|---|---|
| 3 | VI | 107,8 | from r^3 vs V plots, | |
| 3 | VII | 114 | ||
| 3 | VIII | 119,3 | from r^3 vs V plots, | |
| 3 | IX | 124,7 | from r^3 vs V plots, calculated, |
Типы распада изотопов (57)
| Изотоп | Режим | Интенсивность |
|---|---|---|
| 133 | B+ | — |
| 133 | B+p | — |
| 134 | B+ | — |
| 134 | B+p | — |
| 135 | B+ | 100% |
| 135 | B+p | 2% |
| 136 | B+ | — |
| 136 | B+p | — |
| 137 | B+ | 100% |
| 137 | B+p | — |
Факторы рассеяния рентгеновского излучения (719)
| Энергия (eV) | f₁ | f₂ |
|---|---|---|
| 10 | — | 2,59886 |
| 10,1152 | — | 2,63957 |
| 10,2317 | — | 2,68119 |
| 10,3496 | — | 2,72415 |
| 10,4688 | — | 2,7678 |
| 10,5894 | — | 2,81214 |
| 10,7114 | — | 2,8572 |
| 10,8348 | — | 2,90298 |
| 10,9596 | — | 2,94949 |
| 11,0859 | — | 2,99675 |
Дополнительные данные
Оценочная распространённость в земной коре
The estimated element abundance in the earth's crust.
Оценочная распространённость в земной коре
6.2 milligrams per kilogram
Источники (1)
- [5] Gadolinium https://education.jlab.org/itselemental/ele064.html
Оценочная распространённость в океане
The estimated element abundance in the earth's oceans.
Оценочная распространённость в океане
7×10-7 milligrams per liter
Источники (1)
- [5] Gadolinium https://education.jlab.org/itselemental/ele064.html
Источники
Sources of this element.
Gadolinium is found in several other minerals, including monazite and bastnasite, both of which are commercially important. With the development of ion-exchange and solvent extraction techniques, the availability and prices of gadolinium and the other rare-earth metals have greatly improved. The metal can be prepared by the reduction of the anhydrous fluoride with metallic calcium.
Источники (1)
- [6] Gadolinium https://periodic.lanl.gov/64.shtml
Источники
(9)
Data deposited in or computed by PubChem
The half-life and atomic mass data was provided by the Atomic Mass Data Center at the International Atomic Energy Agency.
Element data are cited from the Atomic weights of the elements (an IUPAC Technical Report). The IUPAC periodic table of elements can be found at https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/. Additional information can be found within IUPAC publication doi:10.1515/pac-2015-0703 Copyright © 2020 International Union of Pure and Applied Chemistry.
The information are cited from Pure Appl. Chem. 2018; 90(12): 1833-2092, https://doi.org/10.1515/pac-2015-0703.
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) is one of 17 national laboratories funded by the U.S. Department of Energy. The lab's primary mission is to conduct basic research of the atom's nucleus using the lab's unique particle accelerator, known as the Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF). For more information visit https://www.jlab.org/
The periodic table at the LANL (Los Alamos National Laboratory) contains basic element information together with the history, source, properties, use, handling and more. The provenance data may be found from the link under the source name.
The periodic table contains NIST's critically-evaluated data on atomic properties of the elements. The provenance data that include data for atomic spectroscopy, X-ray and gamma ray, radiation dosimetry, nuclear physics, and condensed matter physics may be found from the link under the source name. Ref: https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database
This section provides all form of data related to element Gadolinium.
The element property data was retrieved from publications.