На «шаг» вперед европия. Речь о гадолинии. Этот металл отличается от 63-го элемента всего одним электроном. Он дополнительный. Поэтому, в таблице гадолиний стоит после европия.

Открыт герой статьи тоже после него. Началось все с изучения минерала самарскит. В 1794-ом названия у камня еще не было. Сначала, в минерале нашли , потом – и эрбий.

После, ученые выделили из камня самарий и, в итоге, гадолиний. Элемент открыли в 1880-ом. То есть, между обнаружением близ Стокгольма самарскита и находкой в нем 64-го металла прошло почти 9 десятилетий. Не зря ли трудились, нашел ли гадолиний практическое применение? Об этом, и не только, далее.

Химические и физические свойства гадолиния

Гадолиний относится к редкоземельным металлам. Они входят в 17-ю группу таблицы Менделеева. Все элементы группы похожи внешне. Поэтому, еще не видя гадолиния, можно понять, что он серебристо-белый.

Есть и общие химические черты. Так, характерная степень окисления гадолиния, как и у прочих элементов 17-ой группы, равна +3-ем. Под степенью окисления понимают условный заряд атома, число свободных электронов, готовых вступить в реакцию с частицами других веществ.

Вещество способно буквально захватывать их. С этим, кстати, связано уникальное свойство гадолиния . Среди всех элементов таблицы Менделеева у 64-го наибольшее сечение захвата тепловых нейтронов

Природные изотопы гадолиния стабильны. Среди веществ 17-ой группы периодической системы радиоактивный элемент всего один, и это не 64-ый, а 61-ый прометий. Однако, искусственно синтезированные изотопы гадолиния могут с ним «поспорить».

В природе металл существует лишь в 6-ти ипостасях. В лабораториях «вывели» несколько десятков. У двух из них сечение захвата близко к 70 000 барн. Даже у самария показатель на 4 000 меньше.

Два изотопа гадолиния с наибольшей способностью к захвату тепловых нейтронов, это Gd157 и Gd155. Однако, промышленники ценят и другие атомы 64-го элемента. Все они отлично совмещаются с черными металлами.

Последние, не теряют однородности, даже при 30-процентной примеси гадолиния . Оксид металла вводится, или чистое вещество, неважно. Выплавка остается однородной. Зачем в ней гадолиний, расскажем в главе «Применение». Пока же, продолжим изучать свойства материала.

Итак, 64-ый элемент подвержен окислению, но с трудом. Славится металл и удельным электрическим сопротивлением. Говоря иначе, гадолиний не проводит ток, причем, в любых условиях. Хвалят, так же, теплоемкость 64-го вещества.

При комнатной температуре она на 20% больше, чем у церия и лантана. Что же касается магнитных свойств гадолиния, они приближают металл к , и . Причем, два последних герою статьи уступают.

Не сложно догадаться, что гадолиний – ферромагнитик, то есть, намагничивается вне поля. Минус в том, что процесс протекает лишь до 17-ти градусов. Для сравнения, тот же никель сохраняет ферромагнитные свойства до 40-ка по шкале Цельсия.

Применение гадолиния

Говорилось о совмещении гадолиния с черными металлами. Но, 64-ый элемент отлично соединяется и с другими веществами. Так, именно герой статьи служит к титану, повышая его текучесть и прочность.

В шихту добавляют, как соли гадолиния , так и чистый металл. Если же взять конкурентов, к примеру, церий, он растворится в основе в 40 раз хуже. Вот почему промышленники гоняются за редким гадолинием, игнорируя более распространенные элементы.

Добавляют гадолиний и в стали. Лигатура раскисляет их, то есть, нейтрализует растворенный в расплаве кислород. Газ делает сплав пористым, ухудшает механические свойства стали.

Пригождается герой статьи и в атомных реакторах. Там из гадолиния состоят стержни. Зачастую, они содержат еще и сталь. Она удешевляет детали, мало влияя на способность захватывать нейтроны. В любом случае, стержни из гадолиния эффективнее, чем классические из кадмия. Последние, ловят нейтронов в 18 раз меньше.

В атомных реакторах, так же, встречается нитрат гадолиния . Он нужен для жидкостного регулирования реактивности установок. Через 5 часов добавки в воду 64-го вещества, уровень водорода в реакторе увеличивается в 18 раз, перекиси в 15, а кислорода – в 7. Для таких результатов достаточно раствора гадолиния концентрацией 10-3 моль на литр.

Еще одна сфера применения 64-го вещества – холодильная. В ней нужен сернокислый гадолиний. Он является парамагнетиком. Это значит, попадая в поле, материал намагничивается в его направлении.

Поэтому, если соль гадолиния оказывается в теплоизолированном помещении, в атмосфере инертных газов и магнитного поля, она нагревается. Заодно, смесь нагревает газ.

Остается откачать его, убрать магнитное поле. В этом случае охладится. Температура будет ниже начальной. Повторение цикла позволяет достичь абсолютного ноля.

Найти 64-ый элемент можно и в скоростных компьютерах. В них присутствует окись гадолиния . Ее добавляют в железо-иттриевые , исключающие искажение сигнала.

Сигнал нельзя искажать и делая МРТ сердца. С гадолинием снимки получаются максимально контрастными. Поэтому, 64-ый металл применяют во всех рентгенаппаратах.

Так, в качестве источника излучения гадолиний помогает выявить остеопороз, опухоли и прочие недуги организма. Так же, создан ряд лекарств на основе 64-го элемента. Препараты гадолиния , к примеру, блокируют клетки Купфера. Это макрофаги печени. Они захватывают бактерии, что не уместно при лечении ряда заболеваний органа.

Производство гадолиния

Наиболее выгодно производство 64-го элемента из отходов прочих производств. Как правило, это безводные фториды. Их восстанавливают . Это универсальный способ получения всех редкоземельных металлов.

Кальций берут металлический, в порошке. Смесь с фторидом помещают в танталовый тигель и раскаляют. В качестве атмосферы нужен газ аргон. Запускается реакция, после которой остается удалить шлак, оставив чистый металл.

Купить гадолиний , произведенный восстановлением фторида, стоит лишь при соответствии техническому условию за номером 48-4-210-72. Именно оно регламентирует изготовление материала, у которого есть несколько марок, к примеру, ГдМ-1, ГдМ-2 и ГдМ-3.

Цена гадолиния

Цена гадолиния зависит от формы выпуска и чистоты металла. Если последняя составляет 99,9%, за килограмм слитков просят от 20 000 рублей. Соответственно, высчитывается цена гадолиния за грамм .

Получается 20 рулей. Дешевле стоят соединения металла. Так, килограмм оксида гадолиния обходится от 7 000 рублей. Обычно, это 7 900-8 000. Ценник указан для розницы. Оптовикам, конечно, делают скидки. Однако, поскольку гадолиний редкоземельный, то есть, мало распространен, продавцы сбрасывают по минимуму.

Интересно, что еще пару десятилетий назад 64-ый элемент отдавали за бесценок, поскольку не находили ему применение. В изданиях 20-го века так и пишется: — «Не имеет практического применения».

Как видно, наука не стоит на месте, ситуация меняется и, возможно, стоит закупиться впрок. Эксперты утверждают, что цена на гадолиний будет лишь расти.

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.

В 1880 году швейцарский ученый Жан де Мариньяком, спектроскопически доказал присутствие в смеси оксидов редкоземельных элементов нового элемента. Как простое вещество этот элемент был получен только в 1896 году Лекоком де Буабодраном, который предложил назвать его в честь одного из первоисследователей редкоземельных элементов, финского ученого Ю. Гадолина.

Нахождение в природе, получение:

Содержание гадолиния в земной коре 8 . 10 -4 % по массе, в морской воде 6*10 -7 мг/л. Вместе с другими РЗЭ содержится в минералах гадолинит, монаците (Ce, La …)PO 4 , бастнезите (Ce, La, Pr)CO 3 F, в апатитах и других. После разложения минералов соединения гадолиния выделяют методами ионного обмена, экстракции и дробной кристаллизации. Металлический гадолиний получают восстановлением фторида или хлорида гадолиния (GdF 3 , GdCl 3) кальцием.

Физические свойства:

Серебристо-белый мягкий металл, плотность 5,25 г/см 3 , t плав. = 1312°C, t кип =3280 о С. Природные изотопы гадолиния стабильны. У гадолиния по сравнению со всеми другими лантаноидами максимальное удельное электрическое сопротивление. Другой его особенностью является ферромагнетизм, подобно железу, кобальту и никелю. Но это свойство он теряет, будучи нагрет всего до 19°C (292K - точка Кюри для этого металла, для железа она около 1000К).
Из всех стабильных элементов гадолиний обладает наивысшей способность к захвату тепловых нейтронов (сечение захвата 49000 барн для природной смеси изотопов и 254000 барн для изотопа гадолиний-157).

Химические свойства:

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. В соединениях проявляет преимущественно степень окисления +3. Большинство из них бесцветны, или слабоокрашены.

Важнейшие соединения:

Оксид гадолиния(III) , Gd 2 O 3 - (белые кристаллы), не растворим в воде, обладает основными свойствами, ему отвечает основание Gd(ОН) 3 . Получают окислением металла или разложением кислород содержащих солей (оксалата, нитрата и др.) при 800-1000 °С.
Фторид гадолиния(III) , GdF 3 - бесцветные кристаллы, нерастворим, получают обменными реакциями или взаимодействием гадолиния с газообразным HF, образует комплексы со фторидом аммония (NH 4) 3
Хлорид гадолиния(III) , GdСl 3 - бесцветные кристаллы, растворим, образует кристаллогидрат GdСl 3 *8H 2 O.
Нитрат гадолиния (III) , Gd(NO 3) 3 , хорошо растворим, образует жёлтые кристаллогидраты состава Gd(NO 3) 3 nH 2 O, где n = 5 и 6, которые плавятся в собственной кристаллизационной воде при 91-92°С.
Cульфат гадолиния(III) Gd 2 (SO 4) 3 , бесцветные кристаллы, растворяется в воде. Образует кристаллогидраты состава Gd 2 (SO 4) 3 8H 2 O и Gd 2 (SO 4) 3 10H 2 O. Эти кристаллогидраты обладают большим магнитокалорическим эффектом (резко охлажаются при размагничивании), что позволяет их использовать для получения сверхнизких температур.

Применение:

Гадолиний используется в качестве поглотителя нейтронов в атомных реакторах. Растворимые соединения гадолиния используются для стабилизации растворов, получаемых при переработке ТВЭЛов АЭС растворением в кислотах, концентрированием получаемых растворов для последующей переработки.
Оксид гадолиния используют как один из компонентов железо-иттриевых ферритов. Люминофоры с оксисульфидом гадолиния позволяют получать наиболее контрастные рентгеновские снимки. Селенид гадолиния Gd 2 Se 3 обладает полупроводниковыми свойствами.
Соединения гадолиния используются для получения гадолиний-галлий-скандиевого граната (ГГСГ), и др. Особые свойства ГСГГ позволяют на его основе изготавливать лазерные системы с высоким КПД и высокими параметрами лазерного излучения.

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 .

Магнитные носители информации

Ряд сплавов гадолиния и особенно сплав с кобальтом и железом позволяет создавать носители информации с колоссальной плотностью записи. Это обусловлено тем, что в этих сплавах образуются особые структуры - ЦМД - цилиндрические магнитные домены , причём размеры доменов менее 1 мкм , что позволяет создавать носители памяти для современной компьютерной техники с плотностью записи 1-9 миллиардов бит , что равно примерно 0,1-1 ГБ на 1 квадратный сантиметр площади носителя.

Контрастирование при МРТ

Лазерные материалы

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.