Википедија

Gadolinijum

Хемијски елемент са атомским бројем 64 и ознаком Gd.

Gadolinijum (Gd, lat. gadolinium), je hemijski element iz grupe lantanoida sa atomskim brojem 64.[3][4] Ime je dobio po finskom minerologu i hemičaru Johanu Gadolinu. Gadolinijum je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 7,7 ppm. Najvažniji minerali gadolinijuma su: monacit (Ce,La,Th,Nd,Y,Pr,Gd)PO4 i (Ce,La,Nd,Y,Pr,Gd)CO3F

Gadolinijum
Opšta svojstva
Ime, simbolgadolinijum, Gd
Izgledsrebrnasto beo
U periodnom sistemu
Vodonik Helijum
Litijum Berilijum Bor Ugljenik Azot Kiseonik Fluor Neon
Natrijum Magnezijum Aluminijum Silicijum Fosfor Sumpor Hlor Argon
Kalijum Kalcijum Skandijum Titanijum Vanadijum Hrom Mangan Gvožđe Kobalt Nikl Bakar Cink Galijum Germanijum Arsen Selen Brom Kripton
Rubidijum Stroncijum Itrijum Cirkonijum Niobijum Molibden Tehnecijum Rutenijum Rodijum Paladijum Srebro Kadmijum Indijum Kalaj Antimon Telur Jod Ksenon
Cezijum Barijum Lantan Cerijum Prazeodijum Neodijum Prometijum Samarijum Evropijum Gadolinijum Terbijum Disprozijum Holmijum Erbijum Tulijum Iterbijum Lutecijum Hafnijum Tantal Volfram Renijum Osmijum Iridijum Platina Zlato Živa Talijum Olovo Bizmut Polonijum Astat Radon
Francijum Radijum Aktinijum Torijum Protaktinijum Uranijum Neptunijum Plutonijum Americijum Kirijum Berklijum Kalifornijum Ajnštajnijum Fermijum Mendeljevijum Nobelijum Lorencijum Raderfordijum Dubnijum Siborgijum Borijum Hasijum Majtnerijum Darmštatijum Rendgenijum Kopernicijum Nihonijum Flerovijum Moskovijum Livermorijum Tenesin Oganeson
–
↑
Gd
↓
Cm
evropijum ← gadolinijum → terbijum ‍
Atomski broj (Z)64
Grupa, periodagrupa N/D, perioda 6
Blokf-blok
Kategorija  lantanoid
Rel. at. masa (Ar)157,25(3)[1]
El. konfiguracija
po ljuskama
2, 8, 18, 25, 9, 2
Fizička svojstva
Tačka topljenja1585 K ​(1312 °‍C, ​2394 °F)
Tačka ključanja3273 K ​(3000 °‍C, ​5432 °F)
Gustina pri s.t.7,90 g/cm3
tečno st., na t.t.7,4 g/cm3
Toplota fuzije10,05 kJ/mol
Toplota isparavanja301,3 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet37,03 J/(mol·K)
Napon pare (izračunato)
P (Pa) 100 101 102
na T (K) 1836 2028 2267
P (Pa) 103 104 105
na T (K) 2573 2976 3535
Atomska svojstva
Elektronegativnost1,20
Energije jonizacije1: 593,4 kJ/mol
2: 1170 kJ/mol
3: 1990 kJ/mol
Atomski radijus180 pm
Kovalentni radijus196±6 pm
Linije boje u spektralnom rasponu
Spektralne linije
Ostalo
Kristalna struktura ​zbijena heksagonalna (HCP)
Zbijena heksagonalna (HCP) kristalna struktura za gadolinijum
Brzina zvuka tanak štap2680 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenjeα poly: 9,4 µm/(m·K) (na 100 °C)
Topl. vodljivost10,6 W/(m·K)
Električna otpornostα, poli: 1,310 µΩ·m
Magnetni rasporedtranzicija feromagnetičan–paramagnetičan na 293,4 K
Magnetna susceptibilnost (χmol)+755.000,0·10−6 cm3/mol (300,6 K)[2]
Jangov modulα forma: 54,8 GPa
Modul smicanjaα forma: 21,8 GPa
Modul stišljivostiα forma: 37,9 GPa
Poasonov koeficijentα forma: 0,259
Vikersova tvrdoća510–950 MPa
CAS broj7440-54-2
Istorija
Imenovanjepo mineralu gadolinitu (koji je nazvan po Johanu Gadolinu)
OtkrićeŽan Šarl Galisar de Marinjak (1880)
Prva izolacijaPol Emil Lekok de Buabodran (1886)
Glavni izotopi
izotop rasp. pž. (t1/2) TR PR
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% stabilni
155Gd 14,80% stabilni
156Gd 20,47% stabilni
157Gd 15,65% stabilni
158Gd 24,84% stabilni
160Gd 21,86% stabilni
reference • Vikipodaci

U periodnom sistemu nalazi se u grupi lantanoida te se tako ubraja u metale retkih zemalja. Gadolinijum ima vrlo neobične metalurške osobine, tako da čak i 1% gadolinijuma u nekoj leguri značajno može poboljšati njenu obradivost i otpornost na oksidaciju pri višim temperaturama, naročito željeza, hroma i sličnih metala.

Istorija uredi

Element je 1880. godine prvi otkrio švajcarski hemičar Žan Šarl Galisar de Marinjak. On je proučavao sastojke minerala samarskita te pojavu da se njegovi delovi različito rastvaraju u rastvorima kalijum sulfata. U zavisnosti od rastvorljivosti, nastajale su mnoge frakcije. U jednoj od frakcija, de Marinjak je u apsorpcijskom spektru pronašao spektralne linije do tada nepoznatog elementa. Pošto nije imao dovoljno materijala da tačno odredi o kojem se elementu radi, stavio mu je oznaku Yα. Osim toga, u drugoj frakciji pronašao je još jednu nepoznatu supstancu Yβ, ali je vrlo brzo otkriveno da se radi o elementu samarijumu kojeg su već otkrili Mark Delafontejn i de Buabodran.[5] Nakon što su Vilijam Kruks[6] i Pol Emil Lekok de Buabodran potvrdili postojanje elementa Yα, Lekok de Buabodran je 19. aprila 1886. u dogovoru sa Marinjakom, dao ime novom elementu, gadolinijum, u čast finskog hemičara Johana Gadolina, te elementu dodelio simbol Gd.[7][8]

Prvi naučnik koji je 1935. dobio metalni gadolinijum bio je Feliks Tromb. Za izdvajanje gadolinijuma, Tromb je koristio elektrolitičku redukciju istopljene smeše gadolinijum(III)-hlorida, kalijum hlorida i litijum hlorida pri temperaturi od 625–675 °C sa kadmijumskim elektrodama.[9] Ubrzo nakon toga, zajedno sa Irbenom i Vajsom, Tromb je otkrio i feromagnetske osobine gadolinijuma.[10]

Osobine uredi

Fizičke uredi

 
Elementarni gadolinijum
 
Toplotni kapacitet gadolinijuma, zeleno: ukupni kapacitet, crveno: udeo fonona, plavo: udeo spina, tirkiz: udeo elektrona

Ovaj srebrnasto-beli do sivo-beli sjajni metal retkih zemalja je duktilan i kovan. Kristalizuje se u heksagonalnoj gusto pakovanoj kristalnoj strukturi sa parametrima rešetke a = 363 pm i c = 578 pm.[11] Na temperaturi iznad 1262 °C kristalna struktura gadolinijuma prelazi u kubnu prostorno centriranu strukturu.[12]

Osim ovih visokotemperaturnih faza, poznat je i veći broj faza na visokom pritisku. Redosled izmene faza pri visokim pritiscima odgovara onom kod drugih lantanoida (osim evropijuma i iterbijuma). Nakon heksagonalne strukture sledi (pri sobnoj temperaturi) i pritisku iznad 1,5 GPa, struktura tipa samarijuma, dok pri pritisku iznad 6,5 GPa prelazi u stabilnu dvostruku heksagonalnu kristalnu strukturu. Pri pritiscima između 26 i 33 GPa najstabilnija je kubna prostorno centrirana struktura. Pri još višim pritiscima poznate su još dvostruka kubna prostorno centrirana struktura te monoklinski Gd-VIII sistem.[13][14]

Gadolinijum je, pored disprozijuma, holmijuma, erbijuma, terbijuma i tulijuma, jedan od lantanoida koji ima značajne feromagnetične osobine. Njegova Kirijeva temperatura iznosi 292,5 K (19,3 °C) što predstavlja najvišu Kirijevu temperaturu od svih lantanoida, dok od drugih metala samo željezo, kobalt i nikl imaju višu.[15] Iznad ovih temperatura gadolinijum je paramagnetičan, sa magnetnom susceptibilnošću od 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), kao što je to uobičajeno kod metala, najpre dominira elektronski toplotni kapacitet Cel (pri čemu je Cel = γ·T sa γ = 6,38 mJ·mol−1·K−2 a T je temperatura[17][18]). Pri višim temperaturama, od odlučujućeg značaja je Debajev model, pri čemu je Debajeva temperatura ΘD = 163,4 K[17] Ispod Kirijeve temperature, toplotni kapacitet gadolinijuma opet snažno raste, što se objašnjava sistemom spina. Kapacitet dostiže 56 J·mol−1·K−1 pri 290 K, da bi pri višim temperaturama gotovo odmah pao na ispod 31 J·mol−1·K−1.[19]

Gadolinijum je sastavni deo keramičkih visokotemperaturnih superprovodnika tipa Ba2GdCu3O7-x sa kritičnom temperaturom ( ) od 94,5 K.[20] Čisti gadolinijum nema osobine superprovodnika.[21] Sa 49.000 barna, gadolinijum, zbog svog izotopa Gd-157 (sa 254.000 barna) ima najveći poprečni presek zahvata za termičke neutrone od svih poznatih stabilnih elemenata (samo nestabilni Xe-135 dostiže oko deset puta veću vrednost od Gd-157). Zbog prevelike brzine trošenja (burn-out-rate) ovaj izotop se vrlo retko koristi u kontrolnim šipkama nuklearnih reaktora.

Hemijske uredi

Gadolinijum se spaja sa većinom elemenata u obliku derivata Gd(III). Takođe se spaja sa azotom, ugljenikom, sumporom, fosforom, borom, selenom, silicijumom i arsenom pri povišenim temperaturama, gradeći binarna jedinjenja.[22] Za razliku od drugih retkih zemnih elemenata, metalni gadolinijum je relativno stabilan na suvom vazduhu. Međutim, vrlo brzo potamni ako u vazduhu ima vlage, gradeći oksid gadolinijum(III) oksid (Gd2O3), koji se lako ljušti s površine, izlažući metal daljoj oksidaciji.

4 Gd + 3 O2 → 2 Gd2O3

Gadolinijum je vrlo snažno redukcijsko sredstvo, koji reducira okside mnogih metala do njihovih elemenata. Gadolinijum je relativno elektropozitivan te sporo reaguje u hladnoj vodi gradeći gadolinijum-hidroksid:

2 Gd + 6 H2O → 2 Gd(OH)3 + 3 H2

Metalni gadolinijum vrlo lako napada razređena sumporna kiselina pri čemu nastaju rastvori koji sadrže bezbojne jone Gd(III), a koji postoje u vidu kompleksa [Gd(H2O)9]3+:[23]

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

Metalni gadolinijum reaguje sa halogenim elementima (X2) pri temperaturi iznad 200 °C:

2 Gd + 3 X2 → 2 GdX3

Rasprostranjenost uredi

Gadolinijum je vrlo redak element na Zemlji. Njegov udeo u kontinentalnoj Zemljinoj kori iznosi približno 5,9[24] do 6,2 ppm.[16]

Ovaj element nalazi se u sastavu mnogih minerala retkih metala, sa različitim udelima u njima. Naročito veliki udeo gadolinijuma imaju minerali iter-zemalja[25] kao i ksenotim. U nalazištima ksenotima iz Malezije, udeo gadolinijuma iznosi oko 4%. Međutim, i monacit takođe sadrži od 1,5% do 2% ovog elementa u zavisnosti od nalazišta. U mineralu bastnesitu udeo gadolinijuma je nešto niži i iznosi od 0,15% do 0,7%.[26] Poznat je samo jedan mineral u kojem gadolinijum kao metal retkih zemalja ima najviši udeo. Radi se o izuzetno retkom uranilkarbonatu lepersonit-(Gd) hemijskog sastava Ca(Gd,Dy)2(UO2)24(SiO4)4(CO3)8(OH)24 · 48H2O.[27]

Reference uredi

  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. str. 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. izd.). 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. ^ a b Weast, Robert C., ur. (1990). CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton: CRC (Chemical Rubber Publishing Company). str. 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. ^ a b 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. Pristupljeno 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” (na jeziku: nemački). Pristupljeno 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. 

Spoljašnje veze uredi

 
Gadolinijum na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Гадолинијум&oldid=25909463”