PROFILPELAJAR.COM

Гадолинијум
Општа својства
Име, симбол	гадолинијум, Gd
Изглед	сребрнасто бео
У периодноме систему
европијум ← гадолинијум → тербијум	‍
Атомски број (Z)	64
Група, периода	група Н/Д, периода 6
Блок	f-блок
Категорија	лантаноид
Рел. ат. маса (Ar)	157,25(3)
Ел. конфигурација
по љускама	2, 8, 18, 25, 9, 2
Физичка својства
Тачка топљења	1585 K (1312 °‍C, 2394 °F)
Тачка кључања	3273 K (3000 °‍C, 5432 °F)
Густина при с.т.	7,90 g/cm3
течно ст., на т.т.	7,4 g/cm3
Топлота фузије	10,05 kJ/mol
Топлота испаравања	301,3 kJ/mol
Мол. топл. капацитет	37,03 J/(mol·K)
Атомска својства
Електронегативност	1,20
Енергије јонизације	1: 593,4 kJ/mol ; 2: 1170 kJ/mol ; 3: 1990 kJ/mol
Атомски радијус	180 pm
Ковалентни радијус	196±6 pm
	Спектралне линије
Остало
Кристална структура	збијена хексагонална (HCP)
Брзина звука танак штап	2680 m/s (на 20 °‍C)
Топл. ширење	α poly: 9,4 µm/(m·K) (на 100 °C)
Топл. водљивост	10,6 W/(m·K)
Електроотпорност	α, поли: 1,310 µΩ·m
Магнетни распоред	транзиција феромагнетичан–парамагнетичан на 293,4 K
Магнетна сусцептибилност (χmol)	+755.000,0·10−6 cm3/mol (300,6 K)
Јангов модул	α форма: 54,8 GPa
Модул смицања	α форма: 21,8 GPa
Модул стишљивости	α форма: 37,9 GPa
Поасонов коефицијент	α форма: 0,259
Викерсова тврдоћа	510–950 MPa
CAS број	7440-54-2
Историја
Именовање	по минералу гадолиниту (који је назван по Јохану Гадолину)
Откриће	Жан Шарл Галисар де Марињак (1880)
Прва изолација	Пол Емил Лекок де Буабодран (1886)
Главни изотопи
	референце • Википодаци

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

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 Y_α. Осим тога, у другој фракцији пронашао је још једну непознату супстанцу Y_β, 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 Y_α, 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

Физичке

Овај сребрнасто-бели до сиво-бели сјајни метал ретких земаља је дуктилан и кован. Кристализује 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 магнетном сусцептибилношћу од χ_m 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 C_el (при чему је C_el = 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 Θ_D = 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 Ba₂GdCu₃O_7-x са критичном температуром ( $T_{\mathrm {C} }$ ) 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

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

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

^ 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. стр. 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. изд.). 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 Y_α”. 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.
^ ^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.
^ ^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.
^ 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. Приступљено 16. 8. 2017.
^ Harry H. Binder (1999). Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 3-7776-0736-3.
^ „Yttererden - Lexikon der Chemie” (на језику: немачки). Приступљено 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.