Gadolínium
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Általános | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Név, vegyjel, rendszám | gadolínium, Gd, 64 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Latin megnevezés | gadolinium | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elemi sorozat | lantanoidák | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Csoport, periódus, mező | ?, 6, f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Megjelenés | ezüstfehér![]() | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomtömeg | 157,25(3) g/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronszerkezet | [Xe] 4f7 5d1 6s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronok héjanként | 2, 8, 18, 25, 9, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fizikai tulajdonságok | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Halmazállapot | szilárd | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sűrűség (szobahőm.) | 7,90 g/cm³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Sűrűség (folyadék) az o.p.-on | 7,4 g/cm³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Olvadáspont | 1585 K (1312 °C, 2394 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Forráspont | 3546 K (3273 °C, 5923 °F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Olvadáshő | 10,05 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Párolgáshő | 301,3 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Moláris hőkapacitás | (25 °C) 37,03 J/(mol·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomi tulajdonságok | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kristályszerkezet | hexagonális | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Oxidációs szám | 1, 2, 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektronegativitás | 1,20 (Pauling-skála) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ionizációs energia | 1.: 593,4 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.: 1170 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
3.: 1990 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomsugár | 180 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Atomsugár (számított) | 233 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Egyebek | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Mágnesség | ferromágneses | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektromos ellenállás | (sz.h.) (α, poly) 1,310 µΩ·m | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hővezetési tényező | (300 K) 10,6 W/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hőtágulási tényező | (100 °C) (α, poly) 9,4 µm/(m·K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hangsebesség (vékony rúd) | (20 °C) 2680 m/s | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Young-modulus | (α módosulat) 54,8 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nyírási modulus | (α módosulat) 21,8 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Kompressziós modulus | (α módosulat) 37,9 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Poisson-tényező | (α módosulat) 0,259 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Vickers-keménység | 570 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
CAS-szám | 7440-54-2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fontosabb izotópok | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Hivatkozások |
A gadolínium fémes tulajdonságú kémiai elem, rendszáma a periódusos rendszerben 64, vegyjele Gd. A lantanoidák közé tartozó ritkaföldfém.
Története
1880-ban Jean Charles Galissard de Marignac svájci kémikus fedezte fel spektroszkópiai módszerrel, mikor didímium és gadolinit spektrumában addig ismeretlen elemre utaló vonalakat észlelt, majd 1886-ban szamarszkitból sikerült az új elem oxidját elkülönítenie. Ugyanebben az évben Paul Émile Lecoq de Boisbaudran francia kémikus szintén kivonta ezt az anyagot a gadolinit nevű ásványból, mely nevét felfedezőjéről, Johan Gadolin finn kémikusról kapta, és akiről így az új elem kissé szövevényesen ugyan, de el lett nevezve. A felfedezést kerekké Georges Urbain francia kémikus tette azzal, hogy 1935-ben a fémet elemi formában gadolínium-oxidból előállította. A felfedezést Galissard de Marignac-nak tulajdonítják, mivel tisztában volt azzal, hogy új elemre talált, és az általa elkülönített anyag ennek az oxidja lehet.
Előfordulása
Reaktivitása miatt a természetben elemi állapotban nem fordul elő. Gazdaságosan kitermelhető mennyiségben monacit és bastnäsit ásványokban található, a gadolinit azonban csak nyomokban tartalmazza. Koncentrációja a földkéregben 5.9 ppm.[1]
Fizikai tulajdonságai
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/b7/Gadolinium.jpg/200px-Gadolinium.jpg)
Ezüstös színű, lágy, könnyen megmunkálható fém. Alacsony hőmérsékleteken a szoros illeszkedésű hexagonális rácsszerkezetű módosulata a stabil, amely hevítés hatására 1235 °C-on tércentrált köbös ráccsá alakul át. Több nagy nyomáson létrejövő módosulata ismert.[2]
A gadolínium 1.083 K kritikus hőmérséklet alatt I. típusú, a BCS-elmélettel leírható konvencionális szupravezető.[3] A kritikus hőmérsékletet átlépve ferromágnesessé válik, amely a lantanoidákra jellemzően összetettebb a szokványos mágneses viselkedésnél. Egészen a 240 K-en bekövetkező spin-reorientációs hőmérsékletéig a torzult, ún. nem-kollineáris ferromágneses módosulata a stabil.[4] E hőmérséklet felett a hexagonális rács C tengelyével kollineáris mágneses momentumú ferromágneses szerkezet jellemzi. A Curie-hőmérséklete 292.5 K (19.3 °C), efelett erősen paramágnesessé válik ( = 0.12).[5]
A gadolínium magnetokalorikus hatást mutat, mágneses térbe kerülve felmelegszik, onnan kilépve pedig lehűl. A gadolíniumnak a legnagyobb a termális neutronelnyelési hatáskeresztmetszete az összes természetes elem közül (49 000 barn), amiért a 157-es izotópja a felelős a maga 254000 barn kereszmetszetével.[6]
Kémiai tulajdonságai
Fémpor formájában tűz- és robbanásveszélyes. Levegőn, főleg nedvesség jelenlétében korrodál. Keletkező oxidja nem képez zárt, felületet védő réteget, ami megállítaná a további oxidációt.
- 4 Gd + 3 O2 → 2 Gd2O3
A vizet hidrogénfejlődés közben bontja, mialatt gadolínium(III)-hidroxid keletkezik.
- 2 Gd + 6 H2O → 2 Gd(OH)3 + 3 H2
Halogénekkel reagál, a keletkező GdF3, GdCl3, GdBr3 fehér, a GdI3 sárga.
- 2 Gd + 3 X2 → 2 GdX3
Ismert kétértékű jodidja is, gadolínium(II)-jodid, amely ferromágnesessége mellett kolosszális mágneses ellenállású.[7]
Vizes savak színtelen Gd(III) nonaakva komplex képződése mellett oldják.[8]
- 2 Gd + 3 H2SO4 + 18 H2O → 2 [Gd(H2O)9]3+ + 3 SO42- + 3 H2
Felhasználása
A globális gadoliniumpiac becsült keresleti oldala 2010-ben 1400 t volt, a kinálat beszűkülése a közeljövőben nem várható. Ezen új technológiák előretörése változtathat, ilyennek tartják a magnetokalorikus hűtést, vagy a szilárd oxid üzemanyagcellát (solid oxide fuel cell SOFC).[9]
- Vas- és krómötvözetekben (kb. 1% Gd) javítja a megmunkálhatóságot, a hő- és korrózióállóképességet pedig növeli. Kúszásnak ellenálló magnéziumötvözeteit a repülőgépgyártás hasznosítja könnyű, erős, de nem hőálló szerkezeti anyagként.
- Az elem paramágnesességét kihasználva az orvostudományban MR-vizsgálatok során vegyületeit kontrasztanyagnak használják. A festék normális esetben nem jut át a vér-agy gáton, ezért jól alkalmazható agyi érkatasztrófák, daganatok megfestésére.
- 157Gd neutronterápiás alkalmazása kísérleti szakaszban jár.[10]
- A magnetokalorikus hatás elvén működő hűtőgép kifejlesztése technológia-demonstrátorok elkészítésének fázisáig jutott el. Két koncepció verseng: az egyiknél a gadolínium fémet mozgatják forgótárcsán vagy dugattyún a mágneses erőtérből ki és be,[11] a másiknál a gadolínium állófázis, miközben a mágneses erőteret mozgatják.[12] Mindkét esetben olcsó és környezetbarát hűtőfolyadékokat lehet alkalmazni, pl. víz, etilénglikol.
Jegyzetek
- ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
- ↑ http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.75.014103
- ↑ Efthimios Kaxiras. Atomic and electronic structure of solids. Cambridge University Press, 283. o. (2003). ISBN 0521523397 [halott link]
- ↑ Jackson, Mike (2000). „Wherefore Gadolinium? Magnetism of the Rare Earths” (PDF). IRM Quarterly 10 (3), 6. o, Kiadó: Institute for Rock Magnetism. [2017. július 12-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. február 9.)
- ↑ Rau, C., Eichner, S.: Phys. Rev. B 34, S. 6347–6350 (1986).
- ↑ http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp?purl=/859038-XMb3fH/859038.pdf
- ↑ http://www.mendeley.com/research/gdi2-new-ferromagnetic-excitonic-solid/
- ↑ Chatterjee, A., Maslen, E. N., and Watson, K. J. (1988) The Effect of the Lanthanoid Contraction on the Nonaaqualanthanoid( III) Tris(trifluoromethanesulfonates. Acta Crystallogr., B 44, 381.
- ↑ U.S Department of Energy, Critical Materials Strategy Dec. 2011 http://energy.gov/sites/prod/files/DOE_CMS2011_FINAL_Full.pdf Archiválva 2012. február 27-i dátummal a Wayback Machine-ben
- ↑ Archivált másolat. [2011. december 31-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. január 13.)
- ↑ Archivált másolat. [2011. október 27-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2012. január 30.)
- ↑ http://www.guardian.co.uk/technology/2006/dec/14/energy.insideit
Kémiaportál • összefoglaló, színes tartalomajánló lap