Gadolinium

Gadolinium on lantanoideihin kuuluva pehmeä ja hopeanvalkoinen alkuaine, jonka CAS-numero on 7440-54-2. Sen kemiallinen merkki on Gd () ja järjestysluku 64. Se on suhteellisen vakaa kuivassa huoneilmassa eikä se reagoi veden kanssa. Gadolinium muuttuu 17 celsiusasteessa ferromagneettiseksi ja alle yhden kelvinin lämpötilassa suprajohtavaksi. Vaikka se kuuluu harvinaisiin maametalleihin, sitä löytyy suhteellisen runsaasti maankuoresta, nelinkertaisesti verrattuna tinaan. Suurimmat gadoliniumkaivokset sijaitsevat Yhdysvalloissa, Kiinassa, Brasiliassa, Intiassa ja Sri Lankassa sekä Australiassa.
Aineella ei ole eliöiden kannalta merkitystä, mutta gadoliniumin suolojen on havaittu olevan hyödyksi lääketieteellisissä hoidoissa ja alkuaineeseen pohjautuvia yhdisteitä käytetään varjoaineena magneettikuvauksessa. Lisäksi sillä vahvistetaan CD-levyjen rakennetta ja käytetään television ruuduissa. Gadoliniumin tiheys on 7,9 g/cm³ ja sen sulamispiste on 1 585 K ja kiehumispiste on 3 523 K.
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 samarskiittimineraalin 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.