Gadolinium

eiendommer
[ Xe ] 4 f 7 5 d 1 6 s 2 64 Gd Periodiske tabell
Som regel
Navn , symbol , atomnummer	Gadolinium, Gd, 64
Elementkategori	Lanthanoids
Gruppe , periode , blokk	La , 6 , f
Se	sølvhvit
CAS-nummer	7440-54-2
EF-nummer	231-162-2
ECHA InfoCard	100.028.329
Massedel av jordens konvolutt	5,9 spm
Atomisk
Atommasse	157,25 (3) og
Atomeradius (beregnet)	188 (233) pm
Kovalent radius	196 pm
Elektronkonfigurasjon	[ Xe ] 4 f 7 5 d 1 6 s 2
1. Ioniseringsenergi	Sjette.14980 (4) eV ≈ 593.37 kJ / mol
2. Ioniseringsenergi	12. plass.076 (20) eV ≈ 1 165.2 kJ / mol
3. Ioniseringsenergi	20..54 (3) eV ≈ 1 980 kJ / mol
4. Ioniseringsenergi	44.44 (8) eV ≈ 4 290 kJ / mol
5. Ioniseringsenergi	64.8 (4) eV ≈ 6 250 kJ / mol
Fysisk
Fysisk tilstand	fast
Krystallstruktur	sekskantet
tetthet	7,886 g / cm 3 (25 ° C )
magnetisme	ferromagnetisk ( Curie temp. 292,5 K)
Smeltepunkt	1585 K (1312 ° C)
kokepunkt	3273 K (3000 ° C)
Molar volum	19,90 10 −6 m 3 mol −1
Fordampningsvarme	301 kJ / mol
Fusjonsvarme	10,0 kJ mol −1
Lydens hastighet	2680 m s −1 ved 293.15 K.
Elektrisk ledningsevne	0,763 · 10 6 A · V −1 · m −1
Termisk ledningsevne	11 W m −1 K −1
Kjemisk
Oksidasjonstilstander	2, 3
Elektronegativitet	1,20 ( Pauling skala )
Isotoper
isotop NH t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP 150 Gd {syn.} 1.790.000 a α 2.809 146 Sm 151 Gd {syn.} 124 d ε 0,464 151 Eu 152 Gd 0,20% 1,08 x 10 14 a α 2.205 148 Sm 153 Gd {syn.} 241,6 d ε 0,485 153 Eu 154 Gd 2,18% Stabil 155 Gd 14,80% Stabil 156 Gd 20,47% Stabil 157 Gd 15,65% Stabil 158 Gd 24,84% Stabil 159 Gd {syn.} 18.479 t β - 0,971 159 s 160 Gd 21,86% ≥ 1,3 · 10 21 a β - β - k. EN. 160 Dy
For andre isotoper se liste over isotoper
NMR- egenskaper
Spin quantum nummer jeg γ i rad · T −1 · s −1 E r  ( 1 H) f L ved B = 4,7 T i MHz 155 Gd 3/2 −0,821 · 10 7 3.07 157 Gd 3/2 −1.077 10 7 4.03
sikkerhetsinstruksjoner
GHS faremerking pulver Fare H- og P-setninger H: 228-260 P: 210-231 + 232-241-280-240-501
Så langt som mulig og vanlig, brukes SI-enheter . Med mindre annet er angitt, gjelder oppgitte data standardbetingelser .

Gadolinium er et kjemisk element med grunnstoffsymbolet Gd og atomnummeret 64. I det periodiske systemet er det i gruppen lanthanoider og er derfor også et av de sjeldne jordmetallene .

historie

Elementet ble først oppdaget i 1880 av den sveitsiske kjemikeren Jean Charles Galissard de Marignac . Han undersøkte komponentene i samarskitt og deres forskjellige løselighet i kaliumsulfatløsninger . Avhengig av løseligheten ble det dannet flere fraksjoner. I en av brøkene fant han spektrallinjene til et ukjent element i absorpsjonsspekteret . Siden han ikke kunne skaffe tilstrekkelig materiale for en nøyaktig bestemmelse, kalte han dette Y _α . I tillegg var han i en annen gruppe som også ukjente Y _β , men dette viste seg raskt at det er rett fra Marc Dela Fontaine og Paul Émile Lecoq de Boisbaudran fant samarium handlet. Etter at eksistensen av Y _{α ble bekreftet} av William Crookes og Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, utnevnte Lecoq de Boisbaudran det nye elementet 19. april 1886 i samråd med Marignac Gadolinium , til ære for den finske kjemikeren Johan Gadolin , med symbolet Gd.

Metallisk gadolinium ble først ekstrahert av Félix Trombe i 1935 . Han brukte den elektrolytiske reduksjonen av en smelte av gadolinium (III) klorid , kaliumklorid og litiumklorid ved 625–675 ° C på kadmiumelektroder . En kort tid senere oppdaget han ferromagnetismen til elementet sammen med Georges Urbain og Pierre-Ernest Weiss .

Hendelse

Gadolinium er et sjeldent element på jorden, andelen i den kontinentale skorpen er ca. 6,2  ppm .

Elementet forekommer i mange mineraler av sjeldne jordartsmetaller i forskjellige innhold. Gadoliniuminnholdet i mineraler i ytterjorden som xenotime er spesielt høyt . I xenotime-innskudd fra Malaysia er gadolinium-innholdet rundt 4%. Men monazitt inneholder også 1,5 til 2% av elementet, avhengig av avleiringen, mens andelen i bastnasite er lavere på 0,15 til 0,7%. Det er bare et kjent mineral der gadolinium er det sjeldne jordmetallet med høyest prosentandel. Dette er det meget sjeldent uranyl karbonat lepersonnite (Gd) med den kjemiske sammensetning Ca (Gd, Dy) ₂ (UO ₂ ) ₂₄ (SiO ₄ ) ₄ (CO ₃ ) ₈ (OH) ₂₄ · 48H ₂ O.

Utvinning og presentasjon

På grunn av de små mengdene gadolinium som finnes i malmene og likheten med de andre lantanidene, er separasjonen vanskelig. Etter fordøyelse av utgangsmaterialene slik som monazitt eller bastnasitt med svovelsyre eller natriumhydroksydløsning , er forskjellige separasjonsmåter mulig. I tillegg til ionebytte er en prosess basert på væske-væske-ekstraksjon spesielt viktig. Når det gjelder bastnäsitt som utgangsmateriale, separeres cerium først i form av cerium (IV) oksid, og de gjenværende sjeldne jordarter oppløses i saltsyre . Deretter, ved hjelp av en blanding av DEHPA (di (2-etylheksyl) fosforsyre) og parafin i væske-væskeekstraksjon, skilles europium , gadolinium, samarium og de tyngre sjeldne jordartsmetallene fra de lette. Førstnevnte kan separeres kjemisk ved reduksjon til bivalent europium og utfelling som dårlig løselig europium (II) sulfat . Ekstraksjon med væske og væske brukes igjen til å skille gadolinium, samarium og resten. Blandingen oppløses i fortynnet saltsyre, behandles med en blanding av DEHPA og trimetylbenzener (Shellsol A) og separeres i et mikser-settler- apparat.

Ekstraksjonen av elementært gadolinium er mulig ved å redusere gadolinium (III) fluor med kalsium .

${\ displaystyle {\ ce {2 GdF3 + 3 Ca -> 2 Gd + 3 CaF2}}}$

Gadolinium produseres og kreves bare i begrenset grad. Som med alle sjeldne jordmetaller, er hovedprodusenten Folkerepublikken Kina .

eiendommer

Elemental gadolinium

Varmekapasitet til gadolinium, grønn: total varmekapasitet, rød: fononisk del, blå: spinndel, turkis: elektronisk del

Fysiske egenskaper

Det sølvhvite til gråhvite skinnende metallet fra de sjeldne jordene er duktilt og formbart. Den krystalliserer i en sekskantet, tetteste krystallstruktur med gitterparametrene a = 363 pm og c = 578 pm. Over 1262 ° C endres strukturen til en kroppssentrert kubisk struktur.

I tillegg til denne høytemperaturfasen er flere høytrykksfaser kjent. Fasesekvensen tilsvarer sekvensen til de andre lanthanoidene (unntatt europium og ytterbium). Den sekskantede strukturen følges (i hvert tilfelle ved romtemperatur) ved trykk over 1,5 GPa, en struktur av samariumtypen , over 6,5 GPa er en dobbel-sekskantet krystallstruktur stabil. Ansiktssentrert kubikkemballasje er mest stabil ved trykk mellom 26 og 33 GPa. Ved enda høyere trykk er en dobbelt-kubisk ansiktssentrert struktur og den monokliniske Gd-VIII kjent.

Sammen med dysprosium , holmium , erbium , terbium og thulium, er gadolinium en av lanthanoidene som har ferromagnetisme . Med en Curie-temperatur på 292,5 K (19,3 ° C) har den den høyeste Curie-temperaturen av alle lanthanoider, bare jern , kobolt og nikkel har høyere. Over denne temperaturen er den paramagnetisk med en magnetisk følsomhet χ _m på 0,12.

På grunn av disse magnetiske egenskapene har gadolinium også en veldig temperaturavhengig varmekapasitet. Ved lave temperaturer (under 4 K) _dominerer , som vanlig med metaller, den elektroniske varmekapasiteten C _el (der C _el  = γ · T med γ = 6,38 mJ · mol ⁻¹ · K ⁻² og T temperaturen). For høyere temperaturer er Debye- varmekapasiteten (med Debye-temperaturen Θ _D  = 163,4 K) avgjørende. Varmekapasiteten øker da kraftig under Curie-temperaturen, som skyldes sentrifugeringssystemet . Den når 56 J mol ⁻¹ K ⁻¹ ved 290 K, bare for å falle nesten plutselig til under 31 J mol ⁻¹ K ⁻¹ ved høyere temperaturer .

Gadolinium er en komponent av keramiske høytemperatur superledere av typen Ba ₂ GdCu ₃ O _7-x med en overgangstemperatur på 94,5 K. Det rene elementet er ikke superledende .

Med 49 000 låve har gadolinium det høyeste fangsttverrsnittet for termiske nøytroner av alle kjente stabile elementer på grunn av Gd-157-isotopen (med 254 000 barn) . Bare den radioaktive Xe-135 , med 2,65 millioner låve, når ti ganger så stor som Gd-157. Den høye utbrentningshastigheten ( utbrentningshastigheten ) begrenset bruk som kontrollstang i atomreaktorer, men betydelig.

Kjemiske egenskaper

Gadolinium er relativt stabil i tørr luft; i fuktig luft danner det et ikke-beskyttende, løst vedheftende og flassende oksydlag. Den reagerer sakte med vann. Den oppløses i fortynnede syrer . Metallisk gadoliniumstøv er brannfarlig og eksplosivt.

bruk

Gadolinium brukes til å lage gadolinium yttrium granat for mikrobølge applikasjoner. Oxysulfides blir brukt til å fremstille grønn fosfor for etterlysende skjerm ( radar ).

Gadolinium gallium - granat ble brukt til å produsere magnetiske bobleminner som ble brukt. Den brukes også til produksjon av omskrivbare CD-plater .

Tilsetninger av 1% gadolinium øke bearbeidbarheten og den høye temperaturen og oxydasjonsmotstandsdyktighet av jern- og kromlegeringer . Tilsvarende gadolinium-jern- kobolt -legeringer kan brukes for optomagnetiske datalagring.

Siden det har et Curie-punkt nær romtemperatur , kan gadolinium brukes i kjøleskap som fungerer på prinsippet om adiabatisk magnetisering . Slike kjøleenheter ville gjort uten klorfluorkarboner (CFC), som kan skade ozonlaget, og uten mekaniske deler som slites ut . Omvendt kan en motor betjenes ved å forsyne den med varmt og kaldt vann. Dette kan z. B. vinn den gjenværende energien fra varmt industrielt avløpsvann.

Gadolinium anvendes i form av gadoliniumoksid i moderne brenselselementer som et brennbart absorberende materiale som, etter et brenselelement endring i begynnelsen av operasjonssyklusen , begrenser overdrevent høye reaktiviteten av den reaktor som forårsakes av et overskudd av atombrensel . Når drivstoffelementene brenner opp, blir også gadolinium nedbrutt.

Gadoliniumoksysulfid dopet med terbium (Gd ₂ O ₂ S: Tb) er en scintillator som ofte brukes i røntgenteknologi . Gd ₂ O ₂ S: Tb ​​avgir lys med en bølgelengde på 545 nm.

Medisinsk bruk: MR

Intravenøst injisert gadolinium (III) forbindelser som gadopentetat dimeglumin brukes som kontrastmedier i undersøkelser i magnetresonans tomograf . I tillegg på grunn av den høye toksisiteten til frie gadoliniumioner, kompleksdannende midler med høy kompleksitetskonstant, slik som chelatene DTPA (dietylentriaminpentaeddiksyre) og DOTA (1,4,7,10-tetraazacyklododekan-1,4,7,10 -tetraeddiksyre, med Gd = gadoterinsyre) brukes ) brukes. På grunn av de syv uparrede elektronene i f-skallet er gadoliniumioner sterkt paramagnetiske . Kontrastmiddelet gjør det mulig for de omkringliggende protonene - i det vesentlige vann - å slappe av raskere. Dette øker forskjellene i kontrast mellom forskjellige vev i et MRT- bilde betydelig . Men gadolinium kan deponeres i hjernen, ifølge US Food and Drug Administration. Professional Association of German Nuclear Medicine (BDN) anbefaler at midlene foreløpig bare skal brukes til uunngåelige undersøkelser. Gadolinium administreres intravenøst, for eksempel for å vise svulster og inflammatoriske endringer i hjernen. Hvis blod-brennevinbarrieren blir forstyrret, oppstår det en opphopning i det mistenkte området og gir dermed viktig diagnostisk informasjon.

lenker

• Gadolinium (III) oksid Gd ₂ O ₃
• Gadolinium (III) fluor GdF ₃
• Gadolinium (III) klorid GdCl ₃
• Gadolinium (III) bromid GdBr ₃
• Gadolinium (III) jodid GdI ₃
• Gadolinium (II) jodid GDI ₂ ; svart stoff som er ferromagnetisk .
• Gadolinium (III) nitrat Gd (NO ₃ ) ₃

• Gallium Gadolinium Garnet Ga ₃ Gd ₅ O ₁₂
• Gadoterinsyre
• Gadopentetat dimeglumin

fysiologi

Det er ingen kjent biologisk funksjon av gadolinium.

toksisitet

Gratis gadoliniumioner oppfører seg på samme måte som kalsiumioner , dvs. de er hovedsakelig innebygd i leveren og beinsystemet og kan forbli der i årevis. Gratis gadolinium fungerer også som en kalsiumantagonist - de ioniske radiene av kalsium og gadolinium er nesten de samme - kontraktiliteten til myokardiet og hemmer koagulasjonssystemet .

Løsninger av gratis gadoliniumioner påført intravenøst ​​er akutt giftige. De glatte og striede musklene, funksjonen til mitokondriene og blodkoagulasjon påvirkes av toksisiteten.

Toksisiteten til gratis gadolinium er klassifisert som høy. I kompleksform , som gadolinium i godkjent kontrastmiddel , tolereres det generelt godt, med tanke på kontraindikasjonene. Siden 2006 har det vært økende rapporter om at pasienter med nyresvikt kan utvikle nefrogen systemisk fibrose etter administrering av forskjellige chelater av gadolinium, spesielt Gd-DTPA . En ny studie gir indikasjoner på at gadolinium i kontrastmedier kan føre til avleiringer og muligens strukturell skade i hjernen etter gjentatte MR-er . Det har imidlertid ennå ikke vært mulig å avgjøre om det virkelig er noen skade.

weblenker

Wiktionary: Gadolinium  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

• Inngang til gadolinium. I: Römpp Online . Georg Thieme Verlag, åpnet 3. januar 2015.
• MR kontrastmedier i Berlin drikkevann, Ärzte Zeitung online, 7. oktober 2010

Individuelle bevis

1. ^ Harry H. Binder: Leksikon av de kjemiske elementene , S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
2. ↑ Verdiene for eiendommene (infoboks) er hentet fra www.webelements.com (Gadolinium) , med mindre annet er oppgitt .
3. ↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013 .
4. ↑ ^{a b c d e} Entry on gadolinium in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. and NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1) . Red.: NIST , Gaithersburg, MD. doi : 10.18434 / T4W30F ( https://physics.nist.gov/asd ).  Hentet 13. juni 2020.
5. ↑ ^{a b c d e} Entry on gadolinium at WebElements, https://www.webelements.com , åpnet 13. juni 2020.
6. ^ NN Greenwood og A. Earnshaw: Elementets kjemi , 1. utgave, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9 , s. 1579.
7. ↑ ^{a b} Weast, Robert C. (red. I sjef): CRC Handbook of Chemistry and Physics . CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Sider E-129 til og med E-145. ISBN 0-8493-0470-9 . Verdiene der er basert på g / mol og gitt i cgs-enheter. Verdien spesifisert her er SI-verdien beregnet ut fra den, uten en måleenhet.
8. ↑ ^{a b} Yiming Zhang, Julian RG Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values ​​for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. I: Journal of Chemical & Engineering Data . 56, 2011, s. 328-337, doi: 10.1021 / je1011086 .
9. ↑ ^{a b} Oppføring på gadolinium, pulver i GESTIS stoffdatabase til IFA , åpnet 26. april 2017. (JavaScript kreves)
10. ^ Jean Charles Galissard de Marignac: Sur les terres de la samarskite. I: Comptes Rendus. 1880, 90, s. 899-903 ( digitalisert på Gallica ).
11. ^ William Crookes: Sur la terre Y _α . I: Comptes Rendus. 1886, 102, s. 646-647 ( digitalisert på Gallica ).
12. ^ Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: Le Yα de Marignac est définitevement nomme Gadolinium. I: Comptes Rendus. 1886, 102, s. 902 ( digitalisert på Gallica ).
13. ^ W. Crookes: On Some New Elements in Gadolinite and Samarskite, Detected Spectroscopically. I: Proceedings of the Royal Society of London. 40, 1886, s. 502-509, doi: 10.1098 / rspl.1886.0076 .
14. ↑ Félix Trombe: L'isolement de gadolinium. I: Comptes Rendus. 1935, 200, s. 459-461 ( digitalisert på Gallica ).
15. ↑ Georges Urbain, Pierre-Ernest Weiss Félix Trombe: Un nouveau métal ferromagnetique, le gadolinium. I: Comptes Rendus. 1935, 200, s. 2132-2134 ( digitalisert på Gallica ).
16. ↑ David R. Lide (red.): CRC Handbook of Chemistry and Physics . 90. utgave. (Internett-versjon: 2010), CRC Press / Taylor og Francis, Boca Raton, FL, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Overflod av elementer i jordskorpen og i havet, s. 14-18.
17. ↑ ^{a b c} Ian McGill: Rear Earth Elements. I: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry . Wiley-VCH, Weinheim 2012, doi: 10.1002 / 14356007.a22_607 .
18. Del M. Deliens og P. Piret: Bijvoetite et lepersonnite, carbonates hydratés d'uranyle et des terres rares de Shinkolobwe, Zaire. I: Kanadisk mineralog. 1982, 20, s. 231-238 ( abstrakt i American Mineralogist (PDF-fil; 623 kB)).
19. ^ Clifford G. Brown, Leonard G. Sherrington: Løsemiddelekstraksjon brukt i industriell separasjon av sjeldne jordarter. I: Journal of Chemical Technology and Biotechnology . 29, 1979, s. 193-209, doi: 10.1002 / jctb.503290402 .
20. ↑ J. Banister, S. Legvold, F. Spedding: Oppbygging av Gd, Dy, og han ved lave temperaturer. I: Fysisk gjennomgang. 94, 1954, s. 1140-1142, doi: 10.1103 / PhysRev.94.1140 .
21. ↑ FH Spedding, JJ Hanak, AH Daane: Høy temperatur allotropi og termisk utvidelse av de sjeldne jordmetaller. I: Journal of the Less Common Metals. 3, 1961, s. 110-124, doi: 10.1016 / 0022-5088 (61) 90003-0 .
22. ^ WB Holzapfel: Strukturell systematikk av 4f og 5f elementer under trykk. I: Journal of Alloys and Compounds. 223, 1995, s. 170-173, doi: 10.1016 / 0925-8388 (94) 09001-7 .
23. ↑ D. Errandonea, R. Boehler, B. Schwager, M. Mezouar: Strukturelle studier av gadolinium ved høyt trykk og temperatur. I: Physical Review B. 75, 2007, S., doi: 10.1103 / PhysRevB.75.014103 .
24. ↑ C. Rau, S. Eichner: Bevis for ferromagnetisk orden på gadoliniumoverflater over bulk Curie-temperaturen. I: Physical Review B. 34, 1986, s 6347-6350, doi: 10.1103 / PhysRevB.34.6347 .
25. ↑ ^{a b} T.-W. Tsang, K. Gschneidner, F. Schmidt, D. Thome: Lavtemperatur varmekapasitet for elektrotransportrenset skandium, yttrium, gadolinium og lutetium. I: Physical Review B. 31, 1985, s 235-244, doi: 10.1103 / PhysRevB.31.235 .
26. ↑ T.-WE Tsang, K. Gschneidner, F. Schmidt, D. Thome: Erratum: Lav-temperatur varmekapasitet for elektrotransport-renset scandium, yttrium, gadolinium, og lutetium. I: Physical Review B. 31, 1985, s. 6095-6095, doi: 10.1103 / PhysRevB.31.6095 .
27. J F. Jelinek, B. Gerstein, M. Griffel, R. Skochdopole, F. Spedding: Re-Evaluation of Some Thermodynamic Properties of Gadolinium Metal. I: Fysisk gjennomgang. 149, 1966, s. 489-490, doi: 10.1103 / PhysRev.149.489 .
28. ↑ XT Xu, JK Liang, SS Xie, GC Che, XY Shao, ZG Duan, CG Cui: Krystallstruktur og superledningsevne til Ba? Gd? Cu? O-system. I: Solid State Communications. 63, 1987, s. 649-651, doi: 10.1016 / 0038-1098 (87) 90872-6 .
29. ↑ Cristina Buzea, Kevin Robbie: Montering av puslespillet med superledende elementer: en anmeldelse. I: Superconductor Science and Technology. 18, 2005, s. R1-R8, doi: 10.1088 / 0953-2048 / 18/1 / R01 .
30. ↑ https://www.nzz.ch/wissenschaft/technik/teslas-thermomagnetischer-motor-gruener-strom-aus-neuen-quellen-ld.129008 Grønn strøm fra nye kilder
31. ↑ Patent DE4423128A1 : Reaktorkjerne for en kokende vannkernereaktor . Publisert 26. januar 1995 . ‌
32. ↑ Christos M. Michail: Luminescence Efficiency of Gd ₂ O ₂ S: Eu Powder Phosphors as X-ray to Light Converter ( Memento fra 23. april 2015 i Internet Archive ) (PDF; 239 kB), i: e-Journal of Vitenskap og teknologi.
33. ↑ Jens Kühn: Siden er ikke lenger tilgjengelig , søk i nettarkiver: Fysisk-kjemiske egenskaper til MRT kontrastmedier. (PDF-fil; 2,49 MB).@1@ 2Mal: Toter Link / apps.drg.de
34. ↑ Pålitelig MR-diagnostikk med gadoterinsyre. universimed.com, 24. mai 2011, arkivert fra originalen 8. februar 2013 ; Hentet 22. februar 2012 . 
35. ↑ Tomonori Kanda, Kazunari Ishii, Hiroki Kawaguchi, Kazuhiro Kitajima, Daisuke Takenaka: High Signal Intensity in the Dentate Nucleus og Globus Pallidus on Unhanced T1-weighted MR Images: Relationship with Increasing Cumulative Dose of a Gadolinium-based Contrast Material. I: Radiologi. 2013, s. 131669, doi: 10.1148 / radiol . 13131669 .