Gadolinium

Historia

Alkuaineen historia alkaa vuodesta 1780, jolloin löydettiin musta mineraalinäyte Ytterbyn kivilouhimosta Tukholman läheltä. Suomalainen mineralogi ja kemisti Johan Gadolin sai vuonna 1792 tutkittavakseen näytteen, josta hän eristi yttriaksi kutsuttua yttriumin oksidia. Tuloksensa hän julkaisi vuonna 1794 ja Gadolinin tutkima mineraali nimettiin vuonna 1800 gadoliniitiksi.
Noin vuosisata myöhemmin (vuonna 1880) sveitsiläinen kemisti Jean Charles Galissard de Marignac havaitsi spektroskopiatutkimuksissaan todisteita uudesta aineesta, josta hän alkoi käyttää alustavasti nimeä Yα. Kuusi vuotta myöhemmin ranskalainen kemisti Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran sai valmistettua näytteitä samasta aineesta, jota hän oli erottanut samarskiitti-mineraalista peräisin olleesta didymia-näytteestä. Marignacin kanssa käydyn kirjeenvaihdon tuloksena Boisbaudran esitti Ranskan tiedeakatemialle vuonna 1886 Yα:ksi nimetyn aineen uudelleennimeämistä gadoliniumiksi ja kemialliseksi lyhenteeksi Gd.
Täysin yksiselitteistä ei ole miten alkuaine on nimetty, sillä se voi olla nimetty joko suoraan tai epäsuoraan Johan Gadolinin mukaan. Epäsuorassa tapauksessa alkuaine olisi nimetty Gadolinin löytämän gadoliniitin mukaan. Useimmiten eponyyminä mainitaan Gadolin eikä gadoliniittia. Tässä tapauksessa gadolinium olisi ainoa luonnollinen alkuaine, joka on nimetty henkilön mukaan. Alkuaine samarium on nimetty samarskiitti-mineraalin mukaan, joka taas sai nimensä tuntemattoman venäläisen kaivosinsinööri Vasilij Evgrafovič Samarskij-Byhovecin (1803–1870) mukaan.

Isotoopit

Luonnossa esiintyvä gadolinium koostuu seitsemästä isotoopista, joista kuusi on pysyviä: ¹⁵⁸Gd (osuus 24,84 %), ¹⁶⁰Gd (21,86 %), ¹⁵⁶Gd (20,47 %), ¹⁵⁷Gd (15,65 %), ¹⁵⁵Gd (14,8 %), ¹⁵⁴Gd (2,18 %) ja yksi on radioaktiivinen ¹⁵²Gd (0,20 %). Alkuaineella on yhteensä 32 tunnettua radioaktiivista isotooppia joiden massaluvut vaihtelevat välillä 133–169 ja joiden puoliintumisajat vaihtelevat 1,1 sekunnista (¹³⁵Gd) 1,08×10¹⁴ vuoteen (¹⁵²Gd).

Käyttö

Gadoliniumin isotoopilla ¹⁵⁷Gd on erittäin suuri termisten neutronien sieppausala, 259 000 barnia, ja luonnossa esiintyvällä gadoliniumin isotooppien sekoituksella 49 000 barnia. Tästä syystä alkuaine soveltuu hyvin neutroniradiografian käyttöön. Toisaalta sillä on myös nopea palamisaika, rajoittaen sen käyttökelpoisuutta ydinreaktorin säätösauvojen materiaalina. Gadolinium tulee suprajohtavaksi alle 1 kelvinissä. Se on voimakkaasti paramagneettinen huoneenlämpötilassa, ja alle +16 °C:n lämpötilassa se tulee ferromagneettiseksi. Sitä korkeammissa lämpötiloissa rauta, koboltti ja nikkeli ovat ainoat alkuaineet, joilla on ferromagneettisia ominaisuuksia.

Sovelluksia

Gadoliniumia käytetään eräissä mikroaaltosovellutuksissa, gadoliniumyhdisteitä väritv-putkissa fosforiaineena ja kontrastiaineena lääketieteellisessä magneettiresonanssikuvauksessa (MRI). Sitä käytetään myös CD-levyjen ja tietokonemuistien valmistuksessa, ja CANDU-ydinreaktorien hätäsulkumittareina. Metallurgiassa jo 1% gadoliniumia parantaa mm. raudan ja kromin työstettävyyttä ja kestokykyä korkeaa lämpötilaa ja hapettumista vastaan.
Gadoliumilla ilmenee magnetokalorinen ilmiö. Siinä magneettikenttään joutuessaan kappale lämpenee ja poistuessaan jäähtyy. Erityisesti ilmiö on huomattavasti voimakkaampi gadoliniumin Gd₅(Si₂Ge₂) -seoksella kuin puhtaalla gadoliniumilla. Ilmiötä voidaan mahdollisesti hyödyntää kylmäkoneissa, siten että gadoliniumkappale jäähdytetään vaikkapa vesivirralla, kun se on magneettikentässä. Kun kappale poistetaan magneettikentästä sen lämpötila laskee. Tällä viilenneellä kappaleella sitten jäähdytettäisiin varsinaista jäähdytyskohdetta jäähdyttävää virtausta.