გადოლინიუმი

გადოლინიუმი (ქიმიური სიმბოლო — Gd) — ელემენტთა პერიოდული სისტემის მეექვსე პერიოდის, ჯგუფგარეშე (ძველი კლასიფიკაციით მესამე ჯგუფის თანაური ქვეჯგუფის, IIIბ) ქიმიური ელემენტი. განეკუთვნება ლანთანოიდების ოჯახს. ატომური ნომერია — 64, ატომური მასა — 157.25, tდნ — 1312 °C, tდუღ — 3000 °C, სიმკვრივე — 7.90 გ/სმ3. რბილი ბლანტი მოვერცხლისფრო-თეთრი ფერის ლითონი.
ისტორია
გადოლინიუმი აღმოჩენილია 1880 წელს ჟან დე მარინიაკის (Jean Charles Galissard de Marignac) მიერ, რომელმაც სპექტროსკოპიულად დაამტკიცა იშვიათმიწა ოქსიდების ნარევში ახალი ელემენტის არსებობა. სახელი მიენიჭა ფინელი ქიმიკოსის იუჰან გადოლინის პატივსაცემად.
ბუნებაში
გადოლინიუმის კლარკიდედამიწის ქერქში (ტეილორისმიხედვით)არის 8 გრ/ტ, ოკეანის წყალში 2,4 მგრ/ლ. გადოლინიუმი გვხვდება მრავალ მინერალში როგორიცაა: მონაციტი და ბასთნეზიტი, ოქსიდის სახით. მინერალი გადოლინიტი Gd შეიცავს კვალის სახით. სუფთა გადოლინიუმის მსოფლიო წარმოება შეადგენს 400 ტონას წელიწადზე.
საბადოები
გადოლინიუმი შედის ლანთანოიდების შემადგენლობაში, რომელიცხშირად გვხვდება აშშ-ში, ყაზახეთში, რუსეთში, უკრაინაში, ავსტრალიაში, ბრაზილიაში, ინდოეთში, სკანდინავიაში.
მიღება
გადოლინიუმს მიიღებენ გადოლინიუმის ქლორიდის ან ფტორიდის (GdF3, GdCl3) კალციუმით აღდგენით. გადოლინიუმის ნაერთებს მიიღებენ იშვიათმიწა ლითონების ოქსიდების ფრაქციებად დაშლით. გადოლინიუმი მიიღება, როგორც მონაციტისაგან, ასევე ბასთნეზიტისაგან.
დამსხვრეული მინერალის ნატეხებს ექსტრაგირებენ ქლორწყალბადით ან გოგირდმჟავით, რომელსაც არახსნადი ოქსიდი გადაჰყავს ხსნად ქლორიდში ან სულფატში.
მჟავური ფილტრატი ნეიტრალიზდება კაუსტიკური სოდით (pH 3–4). თორიუმი გამოილექება მისი ჰიდროქსიდის სახით და მოსცილდება.
დარჩენილ ხსნარს ამუშავებენ ამონიუმის ოქსალატით და იშვიათმიწა ელემენტები გადადის შესაბამის არახსნად ოქსალატებში, რომლებიც გაცხელებით გადადიან ოქსიდებში.
ოქსიდები იხსნება აზოტმჟავაში, რომელიც აშორებს ერთ-ერთ ძირითად კომპონენტს - ცერიუმს, რომლის ოქსიდიც არ იხსნება აზოტმჟავაში.
ხსნარი მუშავდება მაგნიუმის ნიტრატით და მიირება გადოლინიუმის, სამარიუმის და ევროპიუმის კრისტალური ორმაგი მარილის ნარევი.
მარილები გამოიყოფა იონგაცვლითი ქრომატოგრაფიის საშუალებით.
შემდგომ იშვიათმიწა იონები შერჩევითად ირეცხება შესაბამისი კომპლექსური აგენტებით.
ლითონი გადოლინიუმი მიიღება მისი ოქსიდის ან მარილების კალციუმთან გაცხელებით 1450 °C-ზე, არგონის ატმოსფეროში. ფაშარი, ღრუბლისფერი გადოლინიუმი შეიძლება მივიღოთ გამლღვალი GdCl3-ის აღდგენით ლითონთან გაცხელებით 1312 °C ტემპერატურაზე (Gd ლღობის ტემპერატურა) შემცირებული წნევის დროს.
ღირებულება
99,9-99,9999 % სიწმინდის ლითონური გადოლინიუმის ფასები 2006 წელს შეადგენდა 190-დან — 450 დოლარმდე ერთ კილოგრამზე.
იზოტოპები
ბუნებაში გავრცელებული გადოლინიუმი შედგება 6 სტაბილური იზოტოპისაგან: 154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd და 160Gd და ასევე ერთი რადიოიზოტოპისაგან. აქედან ყველაზე მეტად გავრცელებულია 157Gd და 158Gd (ბუნებრივი გავრცელებაა 28.84 %).
დახასიათებულია ოცდაცხრა რადიოიზოტოპი, მათ შორის მდგრადია 152Gd, რომლის ნახევარდაშლის პერიოდია 1.08×1014 წელი და 150Gd ნახევარდაშლის პერიოდით 1.79×106 წელი. დანარჩენი რადიოაქტიური იზოტოპების ნახევარდაშლის პერიოდი 74.7 წელზე ნაკლებია. მათგან უმეტესობის ნახევარდაშლის პერიოდი 24.6 წამზე ნაკლებია. გადოლინიუმის იზოტოპებს აქვთ ოთხი მეტასტაბილური იზომერი, რომელთაგან ყველაზე მდგრადია 143mGd (T½=110 წმ), 145mGd (T½=85 წმ) და 141mGd (T½=24.5 წმ).
ყველაზე გავრცელებული სტაბილური იზოტოპის 158Gd-ზე ნაკლები ატომური მასის მქონე იზოტოპები პირველადი ბეტა დაშლით, ელექტრონების შთანთქმისას გადადის Eu (ევროპიუმ)-ის იზოტოპებში. მაღალი ატომური მასის შემთხვევაში პირველადი ბეტა დაშლით, მიიღება Tb (თერბიუმის) იზოტოპები.
სტანდარტული ატომური მასა
გადოლინიუმის სტანდარტულ ატომურ მასად მიღებულია — 157.25, რომელიც როგორც წესი იანგარიშება ბუნებაში არსებულ ყველა სტაბილურ იზოტოპტთა საშუალო შეწონილი მასით, მათი დედამიწის ქერქსა და ატმოსფეროში გავრცელების პროპორციულად.
ფიზიკური თვისებები
გადოლინიუმი წარმოადგენს მოვერცხლისფრო-თეთრი ფერის ჭედად და დრეკად იშვიათ მიწათა ლითონს. იგი გამოკრისტალდება ჰექსაგონალური შეკრული a-ფორმით, ოთახის ტემპერატურაზე, მაგრამ 1235 °C-ზე გაცხელების დროს გადადის თავის b-ფორმაში, რომელსაც აქვს მოცულობა-ცენტრირებული კუბური სტრუქტურა.
გადოლინიუმ-157 გააჩნია მაღალი თერმული ნეიტრონების დამჭერი განიკვეთის ფართი ყველა სტაბილურ ნუკლეიდიტს შორის: 259.000 ბარნი. მხოლოდ ქსენონ-153 აქვს უფრო მაღალი განიკვეთის ფართი 2 მილიონი ბარნი, მაგრამ ეს იზოატომი არამდგრადია. გადოლინიუმი ოთახის ტემპერატურაზე ძლიერ პარამაგნიტურია და ამჟღავნებს ფერომაგნიტურ თვისებებს ოთახის ტემპერატურაზე ქვემოთ. გადოლინიუმს აქვს მაგნიტოკალორიული ეფექტი, რის შედეგადაც მისი ტემპერატურა იზრდება როდესაც იგი შედის მაგნიტურ ველში და მცირდება როდესაც იგი ტოვებს მაგნიტურ ველს, ეს ეფექტი განსაკუთრებით ძლიერია გადოლინიუმის შენადნობისათვის - Gd5(Si2Ge2).
გადოლინიუმის ატომები შეიძლება გამოიყოს ფლუორინის მოლეკულაში კაფსულებით, რაც ვიზუალურად ჩანს ტრანსმისიურ ელექტრომიკროსკოპში. ინდივიდუალური Gd ატომები და Gd მცირე დაჯგუფებები კორპორირდებიან ნახშირის ნანომილებში.
ქიმიური თვისებები
სხვა იშვიათმიწა ელემენტებისაგან განსხვავებით, ლითონური გადოლინიუმი, შედარებით მდგრადია მშრალ ჰაერზე, თუმცა იგი სწრაფად შავდება ტენიან ჰაერზე და წარმოქმნის უმდგრად წებვად ოქსიდს, რომელიც უფრო მეტ ზედაპირს ქმნის დასაჟანგავად.
4 Gd + 3 O2 → 2 Gd2O3
გადოლინიუმი ძლიერ აღმდგენი აგენტია. იგი აღადგენს სხვადასხვა ლითონების ოქსიდებს, როგორიცაა Fe, Cr, Sn, Pb, Mn და Zr-ის ოქსიდებს ელემენტებამდე. გადოლინიუმი საკმაოდ ელექტროდადებითია, ნელა ურთიერთქმედებს ცივ წყალთან, ხოლო სწრაფად რეაგირებს ცხელ წყალთან გადოლინიუმის ჰიდროქსიდის წარმოქმნით:
2 Gd + 6 H2O → 2 Gd(OH)3 + 3 H2
გადოლინიუმი სწრაფად იხსნება განზავებულ გოგირდმჟავაში და წარმოქმნის უფერო Gd(III) იონების შემცველ ხსნარს, რომელიც შედის [Gd(OH2)9]3+ კომპლექსში.
2 Gd (მყ) + 3 H2SO4 (ხსნ.) → 2 Gd3+ (ხსნ.) + 3 SO2−4 (ხსნ.) + 3 H2 (აირი)
ლითონი გადოლინიუმი 200 °C-ზე ზევით ტემპერატურაზე ურთიერთქმედებს ყველა ჰალოგენთან:
2 Gd (მყ) + 3 F2 (აირი) → 2 GdF3 (მყ) [თეთრი]
2 Gd (მყ) + 3 Cl2 (აირი) → 2 GdCl3 (მყ) [თეთრი]
2 Gd (მყ) + 3 Br2 (აირი) → 2 GdBr3 (მყ) [თეთრი]
2 Gd (მყ) + 3 I2 (აირი) → 2 GdI3 (მყ) [ყვითელი]
გადოლინიუმი უკავშირდება აზოტს, ნახშირბადს, გოგირდს, ფოსფორს, ბორს, სელენს, სილიციუმს და დარიშხანს მაღალ ტემპერატურაზე და წარმოქმნის ბინალურ ნაერთებს. დაბალი დაჟანგულობის მდგომარეობის ნაწარმები.
გადოლინიუმი ნაერთებში უმეტესად ამჟღავნებს +3 დაჟანგულობის რიცხვს, მაგრამ, განსაკუთრებით მყარ მდგომარეობაში ცნობილია სხვა დაჟანგულობის რიცხვიც. გადოლინიუმ(II) ჰალოგენიდები მიიღება გადოლინიუმ(III) ჰალოგენიდების ტანტალის კონტეინერებში გაცხელებით - მეტალური გადოლინიუმის თანაობისას. გადოლინიუმი აგრეთვე წარმოქმნის სესქვიქლორიდებს Gd2Cl3, რომელიც შემდგომ შეიძლება აღდგეს GdCl-მდე 800 °C-ზე გახურებით. მიღებული გადოლინიუმ(I) ქლორიდი წარმოქმნის გრაფიტის ფენების მსგავსი სტრუქტურის ფირფიტებს.
ნაერთები
გადოლინიუმის ნაერთებში შედის:
ფთორიდები: GdF3
ქლორიდები: GdCl3
ბრომიდები: GdBr3
ნიტრატები: Gd(NO3)3
იოდიდები: GdI3
ოქსიდები: Gd2O3
სულფიდები: Gd2S3
ნიტრიდები: GdN
გამოყენება
გადოლინიუმზე როგორც თანამედროვე ტექნოლოგიის მასალაზე შეიძლება ბევრის საუბარი, რადგან ეს ელემენტი მუდამ აფართოებს გამოყენების სფეროებს, ეს განპირობებულია არა მარტო განსაკუთრებული ბირთვულ-ფიზიკური თვისებებით, არამედ ტექნოლოგიურობით. გამოყენების ძირითად სფეროებს წარმოადგენენ ელექტრონიკა და ბირთვული ენერგეტიკა.
ინფორმაციის მაგნიტური მატარებელი
გადოლინიუმის რიგი შენადნობები და განსაკუთრებით შენადნობი კობალტთან და რკინასთან იძლევა საშუალებას კოლოსალური ჩაწერის სიმჭიდროვის ინფორმაციის მატარებელის შექმნისა. ეს განპიროვნებულია იმით, რომ ამ შენადნობებში წარმოიქმნება განსაკუთრებული სტრუქტურები — ცმდ — ცილინდრული მაგნიტური დომენები, ამასთან დომენების ზომებია 1 მკმ-ზე ნაკლებია, რაც იძლევა საშუალებას თანამედროვე კომპიუტერული ტექნიკის მეხსიერების მატარებლების შესაქმნელად, რომლის ჩაწერის სიმჭიდროვეა 1—9 მილიარდ ბიტი, რაც ტოლია მიახლოებით 0,1—1 გბ მატარებლის 1 კვადრატულ სანტიმეტრ ფართობზე.
ლაზერული მასალები
გადოლინიუმი გამოიყენება გადოლინიუმ-გალიუმის ძოწის და განსაკუთრებულად გადოლინიუმ-გალიუმ-სკანდიუმის ძოწის მონოკრისტალების კულტივირებისათვის ჩოხრალსკის მეთოდით (შენალღვობიდან ამოქაჩვა). მათი განსაკუთრებული თვისებები იძლევა საშუალებას საკმაოდ მაღალი მ.ქ.კ.-ისა და ლაზერული გამოსხივების ზემაღალი პარამეტრების ლაზერული სისტემების დამზადებისა. პრინციპში დღევანდელ დღეს ეს მონოკრისტალი არის პირველი ყველაზე კარგად შესწავლილი კრისტალი. რომელსაც აქვს წარმოების დამუშავებული ტექნოლოგია.
გადოლინიუმის ვანადატი ნეოდიმიუმის და ტულიუმის იონებთან ერთად გამოიყენება მყარსხეულიანი ლაზერების წარმოებაში, ასევე ლითონებისა და ქვების დამუშავებისას, მათ შორის მედიცინაში.
ბირთვული ენერგეტიკა
ატომურ ტექნიკაში გადოლინიუმმა ჰპოვა გამოყენება სითბური ნეიტრონებისაგან თავდაცვაში, რადგანაც ამ ელემენტს აქვს ნეიტრონების მიტაცების ყველაზე დიდი უნარი. მისი ბირთვული ეფექტური განიკვეთი ტოლია 49 000 ბარნისა. მაგრამ გადოლინიუმის ყველა იზოტოპს შორის ნეიტრონების ყველაზე მაღალი მიტაცების უნარი აქვს იზოტოპს გადოლინიუმ-157, რომლის მიტაცების განიკვეთია 254 000 ბარნი.
ამის გამო გადოლინიუმი საინტერესოა ბირთვული რეაქტორების მართვისათვის და ნეიტრონებისაგან თავდაცვისათვის. გადოლინიუმის ოქსიდის საფუძველზე მზადდება მინანქრები, კერამიკა და საღებავები რომლებიც გამოიყენება ატომურ ტექნიკაში. ატომური რეაქტორის რეგულირებისათვის გამოიყენება გადოლინიუმის ბორატიც. გადოლინიუმის ხსნადი ნაერთები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ხსნარების სტაბილიზაციისათვის, რომლებიც მიიღება სითბოგამომყოფი ელემენტის გადამუშავებისას მჟავეებში გახსნით შემდგომი დაშლისათვის. გადოლინიუმის მარილების მასტაბილიზირებელი ქმედება ვლინდება ბირთვული რეაქციების «ჩაქრობაში» და იძლევა რიგი ტექნოლოგიური ოპერაციის განხორციელების საშუალებას, დაკავშირებულს ასეთი ხსნარების კონცენტრირებასთან, ანუ კრიტიკული მოცულობის შემცირებასთან და კრიტიკული მასის წარმოქმნასთან. გადოლინიუმის ოქსიდი გამოიყენება მინის მოხარშვისას, რომლებიც შთანთქავენ სითბურ ნეიტრონებს. ასეთი მინის ყველაზე გავრცელებული შემადგენლობაა: ბორის ოქსიდი-33 %, კადმიუმის ოქსიდი-35 %, გადოლინიუმის ოქსიდი-32 %.
ზემცირე ტემპერატურების მიღება
გადოლინიუმი მცირე რაოდენობით გამოიყენება მეცნიერულ კვლევებში ზემცირე ტემპერატურების მიღებისას. ასე მაგალითად გადოლინიუმის სულფატის განმაგნიტებისას ტემპერატურების აბსოლუტურ ნულთან იძლევა საშუალებას ტემპერატურის დაწევისა 0,0001 К-მდე. გადოლინიუმის სულფატთან ერთად ზემცირე ტემპერატურების მისაღებად გამოიყენება ასევე გადოლინიუმის ქლორიდს.
ზეგამტარები
გადოლინიუმი შედის RE-123 საერთო ფორმულის ზეგამტარი კერამიკის ერთ ერთ საბაზო კომპონენტად, სადაც RE ნიშნავს იშვიათმიწა ელემენტებს. გადოლინიუმის საფუძველზე არსებული მაღალტემპერატურული ზეგამტარი კერამიკის სრული ფორმულაა — GdBa2Cu3O7-δ, შემოკლებით — GdBCO. ზეგამტარი გადასვლის ტემპერატურა მიახლოებით არის 94 К.
ელექტრონული ქვემეხის კათოდის წარმოება
გადოლინიუმის ჰექსაბორიდი გამოიყენება მძლავრი ელექტრონული ქვემეხების და რეტგენის დანადგარებში კათოდების დასამზადებლად, იმის გამო რომ ყველა იშვიათმიწა ელემენტების ბორიტებს შორის მას გააჩნია ყველაზე მცირე გამოსვლის მუშაობა, და მისი მუშაობა 2,05 ევ ედრება მხოლოდ ტუტე ლითონების (კალიუმი, რუბიდიუმი, ცეზიუმი) გამოსვლის მუშაობას.
ულტრაიისფერი ლაზერი
გადოლინიუმის იონების გამოყენება ლაზერის გამოსხივების აღგზნებისათვის იძლევა ულტრაიისფერ დიაპაზონთან ახლოს მომუშავე ლაზერების შექმნის საშუალებას (ტალღების სიგრძე 0,31 მკ (310 ნმ)).
წყალბადის შესანახად მეტალოჰიდრიდების წარმოება
გადოლინიუმ-რკინის შენადნობი გამოიყენება როგორც წყალბადის ძალიან ტევადი აკუმულატორი, და შეიძლება მისი წყალბადის ავტომობილში გამოყენება.
გადოლინიუმის გამოყენება მედიცინაში
გადოლინიუმ-153 მედიცინაში გამოიყენება როგორც გამოსხივების წყარო ოსტეოპოროზის დიაგნოსტიკისათვის. გადოლინიუმის ქლორიდ გამოიყენება კუპფერის უჯრედების ბლოკადისათვის ღვიძლის მკურნალობისას. კონტრასტული პრეპარატი გადოდიამიდი ასევე შეიცავს გადოლინიუმს.
რადიოაქტიური ნარჩენების შენახვა
გადოლონიუმისა და ნიკელის შენადნობი გამოიყენება რადიოაქტიური ნარჩენების შესანახ კონტეინერების დასამზადებლად.
თერმოელექტრული მასალები
გადოლინიუმის ტელურიდი მძლავრ ნეიტრონების ნაკადში შეიძლება მუშაობდეს როგორც კარგი თერმოელექტრული მასალა (თერმო-ე.მ.ძ 220—250 მკვ/К). გადოლინიუმის სელენიდი ფლობს ბრწყინვალე თერმოელექტრულ თვისებებს და მეტად პერსპექტიულია. გამოიყენება რადიოიზოტოპიური ენერგიის წყაროების წარმოებაში.
ტიტანის შენადნობების ლეგირება
გადოლინიუმის რაღაც რაოდენობა ყოველთვის გამოიყენება სპეციალურ ტიტანის შენადნობებში (ზრდის სიმტკიცის და დენადობის ზღვარს უკვე გადოლინიუმით 5 % ლეგირებისაც კი).
ენერგიის რადიოიზოტოპური წყაროები
გადოილინიუმ-148, რომელიც განიცდის ალფა-დაშლას (ნახევარდაშლის პერიოდი 93 წელი), არის უსაფრთხო და ამასთან მეტად მძლავრი სითბოს წყარო რადიოიზოტოპური თერმოელექტროგენერატორების წარმოებისათვის.
ბიოლოგიური როლი
არ არის ცნობილი გადოლინიუმის ბიოლოგიური როლი, მაგრამ მისი ნაერთები გამოიყენება ბიომედიცინაში კვლევებისათვის. Gd3+ ნაერთები წარმოადგენენ MRI საწინააღმდეგო ნაერთების კომპონენტს. იგი გამოიყენება სხვადასხვა არხების ელექტროფიზიოლოგიურ ექსპერიმენტში ნატრიუმის გადინების არხების დასაბლოკად.
სიფრთხილე
თავისუფალი იონის სახით გადოლინიუმი ძალიან ტოქსიკურია. ტოქსიკურობა დამოკიდებულია ხელატაგენტების სიძლიერეზე.
იხილეთ აგრეთვე
გადოლინიტი
რესურსები ინტერნეტში
გადოლინიუმი chemistry.ge-ზე
გადოლინიუმი Webelements-ზე
გადოლინიუმი ქიმიური ელემენტების პოპულარულ ბიბლიოთეკაში
სქოლიო