Гадолиний металл. Свойства, производство, применение и цена гадолиния
На «шаг» вперед европия. Речь о гадолинии. Этот металл отличается от 63-го элемента всего одним электроном. Он дополнительный. Поэтому, в таблице гадолиний стоит после европия.
Открыт герой статьи тоже после него. Началось все с изучения минерала самарскит. В 1794-ом названия у камня еще не было. Сначала, в минерале нашли , потом – и эрбий.
После, ученые выделили из камня самарий и, в итоге, гадолиний. Элемент открыли в 1880-ом. То есть, между обнаружением близ Стокгольма самарскита и находкой в нем 64-го металла прошло почти 9 десятилетий. Не зря ли трудились, нашел ли гадолиний практическое применение? Об этом, и не только, далее.
Химические и физические свойства гадолиния
Гадолиний относится к редкоземельным металлам. Они входят в 17-ю группу таблицы Менделеева. Все элементы группы похожи внешне. Поэтому, еще не видя гадолиния, можно понять, что он серебристо-белый.
Есть и общие химические черты. Так, характерная степень окисления гадолиния, как и у прочих элементов 17-ой группы, равна +3-ем. Под степенью окисления понимают условный заряд атома, число свободных электронов, готовых вступить в реакцию с частицами других веществ.
Вещество способно буквально захватывать их. С этим, кстати, связано уникальное свойство гадолиния . Среди всех элементов таблицы Менделеева у 64-го наибольшее сечение захвата тепловых нейтронов
Природные изотопы гадолиния стабильны. Среди веществ 17-ой группы периодической системы радиоактивный элемент всего один, и это не 64-ый, а 61-ый прометий. Однако, искусственно синтезированные изотопы гадолиния могут с ним «поспорить».
В природе металл существует лишь в 6-ти ипостасях. В лабораториях «вывели» несколько десятков. У двух из них сечение захвата близко к 70 000 барн. Даже у самария показатель на 4 000 меньше.
Два изотопа гадолиния с наибольшей способностью к захвату тепловых нейтронов, это Gd157 и Gd155. Однако, промышленники ценят и другие атомы 64-го элемента. Все они отлично совмещаются с черными металлами.
Последние, не теряют однородности, даже при 30-процентной примеси гадолиния . Оксид металла вводится, или чистое вещество, неважно. Выплавка остается однородной. Зачем в ней гадолиний, расскажем в главе «Применение». Пока же, продолжим изучать свойства материала.
Итак, 64-ый элемент подвержен окислению, но с трудом. Славится металл и удельным электрическим сопротивлением. Говоря иначе, гадолиний не проводит ток, причем, в любых условиях. Хвалят, так же, теплоемкость 64-го вещества.
При комнатной температуре она на 20% больше, чем у церия и лантана. Что же касается магнитных свойств гадолиния, они приближают металл к , и . Причем, два последних герою статьи уступают.
Не сложно догадаться, что гадолиний – ферромагнитик, то есть, намагничивается вне поля. Минус в том, что процесс протекает лишь до 17-ти градусов. Для сравнения, тот же никель сохраняет ферромагнитные свойства до 40-ка по шкале Цельсия.
Применение гадолиния
Говорилось о совмещении гадолиния с черными металлами. Но, 64-ый элемент отлично соединяется и с другими веществами. Так, именно герой статьи служит к титану, повышая его текучесть и прочность.
В шихту добавляют, как соли гадолиния , так и чистый металл. Если же взять конкурентов, к примеру, церий, он растворится в основе в 40 раз хуже. Вот почему промышленники гоняются за редким гадолинием, игнорируя более распространенные элементы.
Добавляют гадолиний и в стали. Лигатура раскисляет их, то есть, нейтрализует растворенный в расплаве кислород. Газ делает сплав пористым, ухудшает механические свойства стали.
Пригождается герой статьи и в атомных реакторах. Там из гадолиния состоят стержни. Зачастую, они содержат еще и сталь. Она удешевляет детали, мало влияя на способность захватывать нейтроны. В любом случае, стержни из гадолиния эффективнее, чем классические из кадмия. Последние, ловят нейтронов в 18 раз меньше.
В атомных реакторах, так же, встречается нитрат гадолиния . Он нужен для жидкостного регулирования реактивности установок. Через 5 часов добавки в воду 64-го вещества, уровень водорода в реакторе увеличивается в 18 раз, перекиси в 15, а кислорода – в 7. Для таких результатов достаточно раствора гадолиния концентрацией 10-3 моль на литр.
Еще одна сфера применения 64-го вещества – холодильная. В ней нужен сернокислый гадолиний. Он является парамагнетиком. Это значит, попадая в поле, материал намагничивается в его направлении.
Поэтому, если соль гадолиния оказывается в теплоизолированном помещении, в атмосфере инертных газов и магнитного поля, она нагревается. Заодно, смесь нагревает газ.
Остается откачать его, убрать магнитное поле. В этом случае охладится. Температура будет ниже начальной. Повторение цикла позволяет достичь абсолютного ноля.
Найти 64-ый элемент можно и в скоростных компьютерах. В них присутствует окись гадолиния . Ее добавляют в железо-иттриевые , исключающие искажение сигнала.
Сигнал нельзя искажать и делая МРТ сердца. С гадолинием снимки получаются максимально контрастными. Поэтому, 64-ый металл применяют во всех рентгенаппаратах.
Так, в качестве источника излучения гадолиний помогает выявить остеопороз, опухоли и прочие недуги организма. Так же, создан ряд лекарств на основе 64-го элемента. Препараты гадолиния , к примеру, блокируют клетки Купфера. Это макрофаги печени. Они захватывают бактерии, что не уместно при лечении ряда заболеваний органа.
Производство гадолиния
Наиболее выгодно производство 64-го элемента из отходов прочих производств. Как правило, это безводные фториды. Их восстанавливают . Это универсальный способ получения всех редкоземельных металлов.
Кальций берут металлический, в порошке. Смесь с фторидом помещают в танталовый тигель и раскаляют. В качестве атмосферы нужен газ аргон. Запускается реакция, после которой остается удалить шлак, оставив чистый металл.
Купить гадолиний , произведенный восстановлением фторида, стоит лишь при соответствии техническому условию за номером 48-4-210-72. Именно оно регламентирует изготовление материала, у которого есть несколько марок, к примеру, ГдМ-1, ГдМ-2 и ГдМ-3.
Цена гадолиния
Цена гадолиния зависит от формы выпуска и чистоты металла. Если последняя составляет 99,9%, за килограмм слитков просят от 20 000 рублей. Соответственно, высчитывается цена гадолиния за грамм .
Получается 20 рулей. Дешевле стоят соединения металла. Так, килограмм оксида гадолиния обходится от 7 000 рублей. Обычно, это 7 900-8 000. Ценник указан для розницы. Оптовикам, конечно, делают скидки. Однако, поскольку гадолиний редкоземельный, то есть, мало распространен, продавцы сбрасывают по минимуму.
Интересно, что еще пару десятилетий назад 64-ый элемент отдавали за бесценок, поскольку не находили ему применение. В изданиях 20-го века так и пишется: — «Не имеет практического применения».
Как видно, наука не стоит на месте, ситуация меняется и, возможно, стоит закупиться впрок. Эксперты утверждают, что цена на гадолиний будет лишь расти.
Элемент №64, гадолиний, открыт в 1380 г. Первооткрыватель этого элемента – швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк (1817...1894) – долгое время работал во Франции. Общие научные интересы – редкие земли и спектральный анализ – сблизили его с Лекоком де Буабодраном. Именно Лекок де Буабодран, с согласия Мариньяка, назвал гадолиниевой открытую им новую землю. А через два года после смерти Мариньяка был впервые получен в относительно чистом виде элементарный гадолиний. Между прочим, это был первый случай в истории науки, когда химический элемент назвали в память об ученом – Юхане Гадолине, одном из первых исследователей редких земель. Лишь через 64 года появится второй элемент-памятник – кюрий, а затем эйнштейний, фермий, менделевий...
На первый взгляд, по физическим и химическим свойствам гадолиний ничем не отличается от других редкоземельных металлов. Он – светлый, незначительно окисляющийся на воздухе металл – по отношению к кислотам и другим реагентам ведет себя так же, как лантан и церий. Но с гадолиния начинается иттриевая подгруппа редкоземельных элементов, а это значит, что на электронных оболочках его атомов должны быть электроны с антипараллельными спинами.
Всего один дополнительный электрон появился в атоме гадолиния по сравнению с атомом предыдущего элемента, европия. Он, этот добавочный электрон, попал на вторую снаружи оболочку, а первые пять электронных «слоев», в том числе и развивающаяся у большинства лантаноидов оболочка N , у атомов европия и гадолиния построены одинаково. Всего один электрон и один протон в ядре, но как преображают они некоторые свойства очередного лантаноида!
Прежде всего, гадолинию свойственно наивысшее среди всех элементов сечение захвата тепловых нейтронов: 46 тыс. барн – такова эта величина для природной смеси изотопов гадолиния. А у гадолиния-157 (его доля в природной смеси – 15,68%) сечение захвата превышает 150 тыс. барн. Это «рекордсмен» среди всех стабильных изотопов.
Столь большое сечение захвата дает возможность применять гадолиний при управлении цепной ядерной реакции и для защиты от нейтронов. Правда, активно захватывающие нейтроны изотопы гадолиния (157 Gd и 155 Gd) в реакторах довольно быстро «выгорают» – превращаются в «соседние» ядра, у которых сечение захвата на много порядков меньше. Поэтому в конструкциях регулирующих стержней с гадолинием могут конкурировать другие редкоземельные элементы, прежде всего самарий и европий.
Тем не менее еще в начале 60-х годов управляющие стержни для некоторых атомных реакторов в США начали делать из нержавеющей стали с присадками гадолиния. Видимо, это давало какие-то технические или экономические преимущества.
Элементу №64 свойственно не только высокое сечение захвата, но и хорошая совместимость с другими компонентами черных металлов. Поэтому в них можно, не утрачивая однородности, вводить до 30% гадолиния.
Столь же однородны сплавы гадолиния с титаном (до 20% Gd). Церий же, к примеру, растворяется в титане в 40 раз хуже. А редкоземельные металлы хорошо легируют сплавы не только на магниевой, но и на титановой основе. Улучшать свойства титана (когда это нужно – они и так достаточно хороши) приходится именно гадолинием. Пятипроцентная добавка элемента №64 заметно повышает прочность и предел текучести сплавов на титановой основе.
Выходит, что не только рекордными сечениями захвата знаменит гадолиний!
А еще у него максимальное по сравнению со всеми другими лантаноидами удельное электрическое сопротивление – примерно вдвое больше, чем у его аналогов. И удельная теплоемкость гадолиния на 20% (при 25°C) превышает удельную теплоемкость лантана и церия. Наконец, магнитные свойства ставят элемент №64 в один ряд с железом, кобальтом и никелем. В обычных условиях, когда лантан и другие лантаноиды парамагнитны, гадолиний – ферромагнетик, причем даже более сильный, чем никель и кобальт. Но железо и кобальт сохраняют ферромагнитность и при температуре порядка 1000°K, никель – 631°K. Гадолиний же теряет это свойство, будучи нагрет всего до 290°K (17°C).
Необычны магнитные свойства и у некоторых соединений гадолиния. Его сульфат и хлорид (гадолиний, кстати, всегда трехвалентен), размагничиваясь, заметно охлаждаются. Это свойство использовали для получения сверхнизкой температуры. Сначала соль Gd 2 (SO 4) 3 · 8H 2 O помещают в магнитное поле и охлаждают до предельно возможной температуры. А затем дают ей размагнититься. При этом запас энергии, которой обладала соль, еще уменьшается, и в конце опыта температура кристаллов отличается от абсолютного нуля всего на одну тысячную градуса.
В области сверхнизких температур открыто еще одно применение элемента №64. Сплав гадолиния с церием и рутением в этих условиях приобретает сверхпроводимость и в то же время обнаруживает слабый ферромагнетизм. Таким образом, для магнетохимии представляют непреходящий интерес и сам гадолиний, и его соединения, и сплавы. Другой сплав гадолиния – с титаном применяют в качестве активатора в стартерах люминесцентных ламп. Этот сплав впервые получен в нашей, стране.
Несколько слов о других практически важных соединениях элемента №64. Окись гадолиния Gd 2 O 3 используют как один из компонентов железо-иттриевых ферритов. Люминофоры с оксисульфидом гадолиния позволяют получать наиболее контрастные рентгеновские снимки. Молибдат гадолиния – компонент галлий-гадолиниевых гранатов. Эти материалы представляют большой интерес для оптоэлектроники. А селенид гадолиния Gd 2 Se 3 обладает полупроводниковыми свойствами.
Вероятно, заканчивая, следует указать цены на гадолиний. Этот своеобразный элемент достаточно дорог. В 1970 г. килограмм гадолиния чистотой 99,76% стоил 1500 рублей. Гадолиний, конечно, дорог, однако дешевле европия, тербия, лютеция, тулия; дешевле золота и платины, но дороже серебра.
Элемент № 64, гадолиний, открыт в 1880 г. Первооткрыватель этого элемента - швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк (1817- 1894) - долгое время работал во Франции. Общие научные интересы - редкие земли и спектральный анализ - сблизили его с Лекоком де Буабодраном. Именно Лекок де Буабодран, с согласия Мариньяка, назвал гадолиниевой открытую им новую землю. А через два года после смерти Мариньяка был впервые получен в относительно чистом виде элементарный гадолиний. Между прочим, это был первый случай в истории науки, когда химический элемент назвали в память об ученом - Юхане Гадолине, одном из первых исследователей редких земель. Лишь через 64 года появится второй элемент-памятник - кюрий, а затем эйнштейний, фермий, менделевий...
На первый взгляд, по физическим и химическим свойствам гадолиний ничем не отличается от других редкоземельных металлов
. Он - светлый, незначительно окисляющийся на воздухе металл - по отношению к кислотам и другим реагентам ведет себя так же, как лантан и церий . Но с гадолиния начинается иттриевая подгруппа редкоземельных элементов, а это значит, что на электронных оболочках его атомов должны быть электроны с антипараллельными спинами.
Всего один дополнительный электрон появился в атоме гадолиния по сравнению с атомом предыдущего элемента, европия. Он, этот добавочный электрон, попал на вторую снаружи оболочку, а первые пять электронных «слоев», в том числе и развивающаяся у большинства лантаноидов оболочка N, у атомов европия и гадолиния построены одинаково. Всего один электрон и один протон в ядре, но как преображают они некоторые свойства очередного лантаноида!
Прежде всего, гадолинию свойственно наивысшее среди всех элементов сечение захвата тепловых нейтронов: 46 тыс. барн - такова эта величина для природной смеси изотопов гадолиния. А у гадолиния-157 (его доля в природной смеси - 15,68%) сечение захвата превышает 150 тыс. барн. Это «рекордсмен» среди всех стабильных изотопов.
Столь большое сечение захвата дает возможность применять гадолиний
при управлении цепной ядерной реакции и для защиты от нейтронов. Правда, активно захватывающие нейтроны изотопы гадолиния (157 Gd и 155 Gd) в реакторах довольно быстро «выгорают» - превращаются в «соседние» ядра, у которых сечение захвата на много порядков меньше. Поэтому в конструкциях регулирующих стержней с гадолинием могут конкурировать другие Редкоземельные элементы, прежде всего самарий и европий.
Тем не менее еще в начале 60-х годов управляющие стержни для некоторых атомных реакторов в США начали делать из нержавеющей стали с присадками гадолиния. Видимо, это давало какие-то технические или экономические преимущества.
Элементу № 64 свойственно не только высокое сечение захвата, но и хорошая совместимость с другими компонентами черных металлов. Поэтому в них можно, не утрачивая однородности, вводить до 30% гадолиния.
Столь же однородны сплавы гадолиния с титаном (до 20% Gd). Церий же, к примеру, растворяется в титане в 40 раз хуже. А редкоземельные металлы хорошо легируют сплавы не только на магниевой, но и на титановой основе. Улучшать свойства титана (когда это нужно - они и так достаточно хороши) приходится именно гадолинием. Пятипроцентная добавка элемента № 64 заметно повышает прочность и предел текучести сплавов на титановой основе.
Выходит, что не только рекордными сечениями захвата знаменит гадолиний!
А еще у него максимальное по сравнению со всеми другими лантаноидами удельное электрическое сопротивление - примерно вдвое больше, чем у его аналогов. И удельная теплоемкость гадолиния на 20% (при 25° С) превышает удельную теплоемкость лантана и церия. Наконец, магнитные свойства ставят элемент № 64 в один ряд с железом, кобальтом и никелем . В обычных условиях, когда лантан и другие лантаноиды парамагнитны, гадолиний - ферромагнетик, причем даже более сильный, чем никель и кобальт. Но железо и кобальт сохраняют феррсмагнитность и при температуре порядка 1000° К, никель - 631° К. Гадолиний же теряет это свойство, будучи нагрет всего до 290°К (17° С).
Необычны магнитные свойства и у некоторых соединений гадолиния. Его сульфат и хлорид (гадолиний, кстати, всегда трехвалентен), размагничиваясь, заметно охлаждаются. Это свойство использовали для получения сверхнизкой температуры. Сначала соль Gd 2 (S0 4) 3 *8H 2 0 помещают в магнитное поле и охлаждают до предельно возможной температуры. А затем дают ей размагнититься. При этом запас энергии, которой обладала соль, еще уменьшается, и в конце опыта температура кристаллов отличается от абсолютного нуля всего на одну тысячную градуса.
Сплавы гадолиния
В области сверхнизких температур открыто еще одно применение элемента № 64. Сплав гадолиния с церием и рутением в этих условиях приобретает сверхпроводимость и в то же время обнаруживает слабый ферромагнетизм. Таким образом, для магнетохимии представляют непреходящий интерес и сам гадолиний, и его соединения, и сплавы. Другой сплав гадолиния - с титаном применяют в качестве активатора в стартерах люминесцентных ламп. Этот сплав впервые получен в нашей стране.
Несколько слов о других практически важных соединениях элемента № 64. Окись гадолиния Gd 2 0 3 используют как один из компонентов железо-иттриевых ферритов. Люминофоры с оксисульфидом гадолиния позволяют получать наиболее контрастные рентгеновские снимки. Молибдат гадолиния - компонент галлий-гадолиниевых гранатов. Эти материалы представляют большой интерес для оптоэлектроники. А селенид гадолиния Gd2Se3 обладает полупроводниковыми свойствами.
Вероятно, заканчивая, следует указать цены на гадолиний. Этот своеобразный элемент достаточно дорог. В 1970 г. килограмм гадолиния чистотой 99,76% стоил 1500 рублей. Гадолиний, конечно, дорог, однако дешевле европия, тербия,
Гадолиний — 64
Гадолиний (Gd) — редкоземельный элемент
, атомный номер 64, атомная масса 157,25, температура плавления 1321ОС, плотность 7,87г/см3.
Этот элемент был открыт в 1880 году и получил своё название гадолиний, в память финского химика Гадолина. Гадолиний –металл светлого оттенка
, на воздухе окисляется плохо, реагирует с кислотами, растворяется в воде. По магнитным свойствам он похож на железо, никель и кобальт.
Содержание гадолиния в природных и техногенных видах сырья достаточно велико. В процентах от общего содержания он присутствует: в лопарите — 0,6%, в эвдиалите — 2,5%, в хибинском апатите — 1,7%,в фосфогипсе из хибинского апатита — 1,8%, в природном концентрате Томтора — 1,6%. Всего в земной коре содержится до 0,0008% от всей массы. Вообще в природе, гадолиния столько же сколько и свинца, однако он сильно рассеян в земной коре, что усложняет и удорожает его добычу и производство.
ПОЛУЧЕНИЕ.
Гадолиний –металл светлого оттенка
Получение гадолиния — это, в основном, процесс восстановления фторида или хлорида гадолиния, кальцием. Металлический гадолиний получают из минералов и техногенных соединений сначала методом разделения оксидов РЗМ на различные фракции, а дальнейший процесс проводят в стальных сосудах футерованных окисью кальция СаО или в тиглях из тантала в атмосфере инертного газа. Гадолиний также получают электролизом с жидким кадмиевым катодом, который, затем, отгоняется в вакууме.
ПРИМЕНЕНИЕ.
Ещё совсем недавно о гадолинии говорили — не находит применения. Однако, сегодня, открытие его новых свойств заставило говорить о нём совсем по другому и его применение в разных сферах науки и промышленности резко выросло.
Металлургия. Гадолиний входит в состав сплавов, используемых для раскисления и модифицирования стали. Соединения гадолиния используются для производства специальных титановых сплавов.
Вычислительная техника. Окись гадолиния Gd2O3 применяют для создания железо-иттриевых ферритов, применяемых в суперскоростных компьютерах.
Люминофоры. Серные соединения гадолиния применяются для получения суперконтрастных рентгеновских снимков, а также для других диагностических приборов в медицине.
Полупроводники. Селенид гадолиния Gd2Se3 обладает полупроводниковым эффектом и это уже начали применять в производстве полупроводников.
Лазеры. Созданный на базе гадолиния гранат, используется для создания лазерных систем с очень высоким КПД и высокими параметрами излучения.
Электроника. Соединения гадолиния используются для изготовления катодов для электронно-лучевых трубок и рентгеновских аппаратов, создание приборов для оптической и магнитной регистрации, для создания изделий электронной керамики.
Атомная энергетика. Гадолиний, в виде сплавов, начали применять для создания регулирующих стержней в ядерных реакторах. Здесь используется очень высокая степень захвата нейтронов гадолинием, которая в 18 раз превышает эту способность кадмия, широко применяющегося в настоящее время для этой цели. Применение гадолиния для создания кристаллических сцинтилляционных счётчиков нейтронов и других ядерных излучений, значительно увеличило чувствительность этих приборов.
Получение холода. Сернокислый и хлористый гадолиний обладают сильными парамагнитными свойствами и это используется для получения сверхнизких температур. Соль гадолиния помещают в хорошо теплоизолированное пространство, заполненное инертным газом, на которое воздействуют магнитным полем. Соль нагревается и нагревает окружающий её инертный газ. После этого инертный газ откачивается, магнитное поле снимается и соль гадолиния охлаждают до температуры ниже начальной. Многократное повторение этих циклов приводит к снижению температуры, приближающейся к абсолютному нулю.
Гадолиний – серебристо-белый металл средней твердости и пластичности. Плотность его 7,897 г/см3, температура плавления 1312°C. Ферромагнетик, причем точка Кюри находится примерно при комнатной температуре. Уникальное свойство гадолиния – он обладает наибольшей способностью к захвату тепловых нейтронов среди всех известных нерадиоактивных элементов (от 49000 барн и выше в зависимости от изотопного состава).
Гадолиний относится к редкоземельным металлам и его химические свойства во многом похожи на свойства остальных металлов данной группы. Однако гадолиний намного устойчивее на воздухе, чем, например, лантан, неодим и церий.
Металлический гадолиний получают восстановлением GdCl3 или GdF3 кальцием в вакууме. Однако для получения этих галогенидов в чистом виде из исходного минерального сырья (монациты и бастнациты) требуется немало стадий обогащения и разделения редкоземельных элементов.
О гадолинии как о материале современной технологии рассказывать можно довольно долго, ибо этот элемент постоянно открывает все новые и новые области своего применения, и в немалой степени это обусловлено не только особыми ядерно-физическими свойствами, но и технологичностью. Основными областями применения гадолиния являются электроника и ядерная энергетика.
Также гадолиний применяется в изготовлении магнитных носителей информации с огромной плотностью записи, термоэлектрических и лазерных материалов, сверхпроводников, катодов электронных пушек, в производстве металлогидридов для хранения водорода и легировании титановых сплавов. Также применяется для получения сверхнизких температур и создания ультрафиолетового лазера (ионы гадолиния используются для возбуждения лазерного излучения, что позволяет создать лазер, который работает в ближнем ультрафиолетовом диапазоне с длиной волны 310 нм). Сплав гадолиния и никеля применяется для изготовления контейнеров для захоронения радиоактивных отходов.
Некоторые МРТ-исследования неинформативны без контрастного усиления. Первое парамагнитное контрастное вещество было создано фирмой «Байер» в 1988 году. Современный контрастный препарат гадодиамид содержит гадолиний. Он представляет собой раствор комплексного соединения на основе водорастворимой соли гадолиния (как правило, хлорида или сульфата), 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 составляло 5000-10 000 рублей.