Гадолиний

Гадоли́ний (химический символ — Gd, от ) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 64.

Относится к семейству «Лантаноиды».

Простое вещество гадолиний — это мягкий редкоземельный металл серебристо-белого цвета.

История 
Гадолиний открыт в 1880 году Жаном де Мариньяком, который спектроскопически доказал присутствие нового элемента в смеси оксидов редкоземельных элементов. Элемент был назван по имени финского химика Юхана Гадолина.

Нахождение в природе 

Кларк гадолиния в земной коре (по Тейлору) — , содержание в воде океанов — .

Месторождения 
Гадолиний входит в состав руд семейства «Лантаноиды».

Физические свойства 
Полная электронная конфигурация атома гадолиния: 1s22s22p63s23p64s23d104p65s24d105p66s24f75d1.

Гадолиний — это мягкий, вязкий редкоземельный металл серебристо-белого цвета. Не радиоактивен. Является ферромагнетиком. 

В природе в основном встречается в солевой форме.

Изотопы 

Природный гадолиний состоит из шести стабильных изотопов (154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd и 160Gd) и одного нестабильного 152Gd.

Химические свойства 
Химические свойства гадолиния схожи с другими лантаноидами.
Активно реагирует с соляной кислотой
2Gd + 6HCl = 2GdCl3 + 3H2 ^.

Устойчив к щелочам.
С галогенами реагирует.
С серой реакция идет при нагреве.
На воздухе покрывается защитной пленкой из оксида, что предохраняет его от дальнейшего окисления

Получение 
Гадолиний получают восстановлением фторида или хлорида гадолиния (GdF3, GdCl3) кальцием. Соединения гадолиния получают разделением оксидов редкоземельных металлов на фракции.

Применение 
Гадолиний постоянно открывает все новые и новые области своего применения, и в немалой степени это обусловлено не только особыми ядерно-физическими и магнитными свойствами, но и технологичностью. Основными областями применения гадолиния являются электроника и ядерная энергетика, а также широко применяется как парамагнитное контрастное вещество в медицине.

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 , что позволяет создавать носители памяти для современной компьютерной техники с плотностью записи 1—9 миллиардов бит (0,1…1 ГБайт) на 1 квадратный сантиметр площади носителя.

В медицине 
Гадолиний-153 используется в качестве источника излучения в медицине для диагностики остеопороза.
Хлорид гадолиния применяется для блокады клеток Купфера при лечении печени.

Контрастирование при МРТ 

Гадолиний является основой парамагнитных контрастных веществ при магнитно-резонансной томографии. Контрастный препарат, например гадодиамид, представляет раствор водорастворимой соли, который вводится внутривенно и накапливается в областях с повышенным кровоснабжением (например, злокачественных опухолях). Из-за содержания редкоземельных элементов контрастное вещество относительно дорогое — цена одной дозы в 2010 году составляет 5-10 тыс. рублей. Ряд МРТ-исследований неинформативен без контрастного усиления. Первое парамагнитное контрастное вещество было создано фирмой Байер в 1988 году.

Другие препараты: .

Лазерные материалы 

Гадолиний применяется для выращивания методом Чохральского (вытягивание из расплава) монокристаллов гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) и особенно гадолиний-галлий-скандиевого граната (ГГСГ), и др. Особые свойства ГГСГ позволяют на его основе изготавливать лазерные системы с предельно высоким КПД и сверхвысокими параметрами лазерного излучения. В принципе, ГГСГ на сегодняшний день является первым в достаточной степени изученным и имеющим отработанную технологию производства лазерным материалом — обладающим высоким КПД преобразования и пригодным для создания лазерных систем для инерциального термоядерного синтеза.

Ванадат гадолиния с ионами неодима и тулия применяется для производства твердотельных лазеров, применяемых для лучевой обработки металлов и камня, а также и в медицине.

Ультрафиолетовый лазер 
Использование ионов гадолиния для возбуждения лазерного излучения позволяет создать лазер, работающий в ближнем ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны .

Ядерная энергетика 
В ядерных технологиях ряд изотопов гадолиния нашли применение как поглотитель нейтронов теплового спектра. Сечение захвата нейтрона у природной смеси изотопов достигает . Наивысшей способностью к захвату нейтронов обладает гадолиний-157 (сечение захвата — ). В современных ядерных реакторах гадолиний применяется как экранирующий выгорающий поглотитель, призванный продлить топливную кампанию реактора.

Растворимые соединения гадолиния интересны в установках переработки отработанного ядерного топлива для предотвращения образования в технологических установках зон с критическими массами делящегося вещества. На основе окиси гадолиния изготавливаются эмали, керамика и краски, используемые в ядерной отрасли. Сплав гадолиния и никеля применяется для изготовления контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.

Оксид гадолиния используется для варки стекла, поглощающего тепловые нейтроны. Самый распространенный состав такого стекла: оксид бора — 33 %, оксид кадмия — 35 %, оксид гадолиния — 32 %.

Термоэлектрические материалы 
Теллурид гадолиния может работать как очень хороший термоэлектрический материал (термо-э.д.с. —).

Сверхпроводники 
В качестве одного из базовых компонентов входит в состав сверхпроводящей керамики с общей формулой RE-123, где RE обозначает редкоземельные металлы. Полная формула высокотемпературной сверхпроводящей керамики на основе гадолиния — GdBa2Cu3O7-δ, сокращенно — GdBCO. Температура сверхпроводящего перехода — около 94 К. Является одним из наиболее передовых ВТСП-материалов.

Электронные пушки 
Гексаборид гадолиния применяется для изготовления катодов мощных электронных пушек и рентгеновских установок, ввиду самой маленькой работы выхода из всех боридов редких земель — его работа в  сравнима с работой выхода щелочных металлов (калий, рубидий, цезий).

Металлогидриды для хранения водорода 
Сплав гадолиний-железо применяется как очень ёмкий аккумулятор водорода, и может быть применен для водородного автомобиля.

Получение сверхнизких температур 
Сплав гадолиния, германия, кремния и небольшого количества железа (1 %) применяется для производства магнитных холодильников (на основе гигантского магнитокалорического эффекта).

Чистый гадолиний имеет максимальное значение магнитокалорического эффекта в точке Кюри (около ) порядка  при адиабатическом намагничивании полем . Также особый интерес в последние годы привлекает к себе сплав гадолиний — тербий (монокристаллический).

Легирование титановых сплавов 
Некоторое количество гадолиния постоянно расходуется для производства специальных титановых сплавов (повышает предел прочности и текучести при легировании уже около 5 % гадолинием).

Биологическая роль 
Гадолиний является ингибитором механочувствительных ионных каналов, обратимо блокирует их в микромолярных концентрациях. Также он может блокировать и некоторые другие ионные каналы.

Цены 
Цены на металлический гадолиний чистотой 99,9 % в конце 2014 года составили  за .

См. также 
 Гадолинит

Примечания

Ссылки 

 Гадолиний на Webelements
 Гадолиний в Популярной библиотеке химических элементов

Химические элементы
Лантаноиды
Юхан Гадолин
Ферромагнетики