Gadolinyum

Gadolinyum, ₆₄Gd
Gadolinyum
Telaffuz	/ˌɡædəˈlɪniəm/ (GAD-ə-LIN-ee-əm)
Görünüm	gümüş beyazı
Standart atom ağırlığı Ar, std(Gd)	157.25(3)
Periyodik tablodaki Gadolinyum
	evropiyum ← gadolinyum → terbiyum
Atom numarası (Z)	64
Grup	n/a
Period	periyot 6
Blok	f-blok
Element kategorisi	Lantanid
Elektron konfigürasyonu	[Xe] 4f7 5d1 6s2
Kabuk başına elektron	2, 8, 18, 25, 9, 2
Fiziksel özellikler
STP de Faz	katı
Erime noktası	1585 K (1312 °C, 2394 °F)
Kaynama noktası	3273 K (3000 °C, 5432 °F)
Yoğunluk (r.t. yakın)	7.90 g/cm3
sıvı olduğunda ( m.p.)	7.4 g/cm3
Isı entalpisi	10.05 kJ/mol
Buharlaştırma ısı	301.3 kJ/mol
Molar ısı kapasitesi	37.03 J/(mol·K)
Atom özellikleri
Oksidasyon durumları	0, +1, +2, +3 (bir hafif baz oksit)
Elektronegatiflik	Pauling ölçeği: 1.20
İyonlaşma enerjisi	1.: 593.4 kJ/mol ; 2.: 1170 kJ/mol ; 3.: 1990 kJ/mol ; ;
Atom yarıçapı	deneysel: 180 pm
Kovalent yarıçapı	196±6 pm
	; gadolinyum spektral çizgileri
Diğer özellikler
Kristal yapı	yakın altıgen paketleme (hcp)
Sesin hızı kalay çubuk	2680 m/s (20 °C)
Termal Genleşme	α poly: 9.4 µm/(m·K) (at 100 °C)
Termal iletkenlik	10.6 W/(m·K)
Elektriksel direnç	α, poly: 1.310 µΩ·m
Manyetik sıralama	ferromanyetik–paramanyetik 293.4 K'da geçiş
Manyetik alınganlık	+755,000.0·10−6 cm3/mol (300.6 K)
Young modülü	α form: 54.8 GPa
Kayma modülü	α form: 21.8 GPa
Bulk modülü	α form: 37.9 GPa
Poisson oranı	α form: 0.259
Vickers sertliği	510–950 MPa
CAS Numarası	7440-54-2
Tarihçe
Adlandırma	mineralden sonra Gadolinit (Johan Gadolin'in adını almıştır)
Keşfeden	Jean Charles Galissard de Marignac (1880)
İlk izolasyon	Lecoq de Boisbaudran (1886)
gadolinyum ana izotopları
	view; talk; edit; \| referanslar

Gadolinyum, sembolü Gd ve atom numarası 64 olan kimyasal bir elementtir. Gadolinyum, oksidasyon giderildiğinde gümüşi beyaz bir metaldir. Sadece hafifçe dövülebilir ve sünek bir nadir toprak elementidir. Gadolinyum, siyah bir kaplama oluşturmak için atmosferik oksijen veya nem ile yavaşça reaksiyona girer. 20 °C (68 °F) olan Curie noktasının altındaki gadolinyum ferromanyetiktir ve nikelinkinden daha yüksek bir manyetik alana çekicidir. Bu sıcaklığın üzerinde en paramanyetik elementtir. Doğada yalnızca oksitlenmiş bir biçimde bulunur. Ayrıldığında, benzer kimyasal özelliklerinden dolayı genellikle diğer nadir toprakların safsızlıklarına sahiptir.

Gadolinyum, 1880 yılında, oksitini spektroskopi kullanarak tespit eden Jean Charles de Marignac tarafından keşfedildi. Adını, gadolinyumun bulunduğu minerallerden biri olan ve kimyager Johan Gadolin'in adını taşıyan mineral gadolinitten almıştır. Saf gadolinyum ilk olarak kimyager Paul Emile Lecoq de Boisbaudran tarafından 1886 civarında izole edildi.

Gadolinyum, demir, krom ve ilgili metallerin yüksek sıcaklıklarında işlenebilirliği ve oksidasyona karşı direnci önemli ölçüde artırabildiği ölçüde, gadolinyumun %1 kadar azı olağandışı metalürjik özelliklere sahiptir. Gadolinyum bir metal veya tuz olarak nötronları emer ve bu nedenle bazen nötron radyografisinde ve nükleer reaktörlerde koruma için kullanılır.

Nadir toprak elementlerinin çoğu gibi gadolinyum, floresan özelliklere sahip üç değerlikli iyonlar oluşturur ve gadolinyum(III) tuzları çeşitli uygulamalarda fosfor olarak kullanılır. Suda çözünür tuzlarda meydana gelen gadolinyum(III) iyonlarının türleri, memeliler için toksiktir. Bununla birlikte, şelatlı gadolinyum (III) bileşikleri çok daha az toksiktir çünkü gadolinyum (III) böbrekler yoluyla ve serbest iyon dokulara salınmadan önce vücudun dışına taşırlar. Paramanyetik özelliklerinden dolayı, şelatlı organik gadolinyum komplekslerinin çözeltileri, tıbbi manyetik rezonans görüntülemede intravenöz olarak uygulanan gadolinyum bazlı MRI kontrast ajanları olarak kullanılır.

Tarihçe

Gadolinyum, ismini Finli kimyager ve jeolog Johan Gadolin'in adını taşıyan mineral gadolinitten almıştır. Bu onu, adı İbranice bir kökünden türetilen tek öğe yapar (gadol, "harika" anlamındadır). 1880'de İsviçreli kimyager Jean Charles Galissard de Marignac, gadolinit örneklerinde (aslında nispeten az gadolinyum içerir, ancak bir spektrum göstermeye yetecek kadar) ve ayrı mineral seritte gadolinyumdan spektroskopik çizgileri gözlemledi. İkinci mineral, yeni spektral çizgi ile elementin çok daha fazlasını içerdiğini kanıtladı. De Marignac sonunda bir mineral oksidi, bu yeni elementin oksidi olduğunu anladığı seritten ayırdı. Okside "gadolinia" adını verdi. "Gadolinia" nın yeni bir elementin oksidi olduğunu anladığı için gadolinyumun keşfi ona itibar edildi. Fransız kimyager Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, gadolinyum metalinin gadoliniadan ayrılmasını 1886'da gerçekleştirdi.

Özellikler

Fiziki ozellikleri

Gadolinyum, gümüşi beyaz, dövülebilir, sünek bir nadir toprak elementidir. Oda sıcaklığında altıgen kapalı α-formunda kristalleşir, ancak 1,235 °C'nin (2,255 °F) üzerindeki sıcaklıklara ısıtıldığında, hacim merkezli kübik bir yapıya sahip olan β formuna dönüşür.

İzotop gadolinyum-157, herhangi bir kararlı çekirdek arasında en yüksek termal nötron yakalama kesitine sahiptir: yaklaşık 259.000 barns. Yalnızca xenon-135, daha yüksek bir yakalama kesitine sahiptir, yaklaşık 2,0 milyon barns, ancak bu izotop radyoaktiftir.

Gadolinyumun 20 °C'nin (68 °F) altındaki sıcaklıklarda ferromanyetik olduğuna ve bu sıcaklığın üzerinde kuvvetle paramanyetik olduğuna inanılmaktadır. Gadolinyumun, 20 °C'nin (68 °F) altında bir ferromanyetikten ziyade sarmal bir antiferromanyetik olduğuna dair kanıtlar vardır. Gadolinyum, manyetik bir alana girdiğinde sıcaklığının arttığı ve manyetik alandan ayrıldığında düştüğü manyetokalorik bir etki gösterir. Gadolinyum alaşımı Gd₈₅Er₁₅ için sıcaklık 5 °C'ye (41 °F) düşürülmüştür ve bu etki alaşım Gd5 (Si2Ge2) için önemli ölçüde daha güçlüdür, ancak çok daha düşük bir sıcaklıkta (<85 K (−188,2 °C; -) 306,7 °F)). Gd₅(Si₂Ge₂) bileşiklerinde yaklaşık 300 Kelvin'e kadar yüksek sıcaklıklarda önemli bir manyetokalorik etki gözlenir.

Tek tek gadolinyum atomları, bir transmisyon elektron mikroskobu ile görselleştirilebilecekleri fulleren molekülleri halinde kapsüllenerek izole edilebilir. Tek tek Gd atomları ve küçük Gd kümeleri, karbon nanotüplere dahil edilebilir.

Kimyasal özellikler

Gadolinyum, Gd(III) türevlerini oluşturmak için çoğu elementle birleşir. Ayrıca nitrojen, karbon, kükürt, fosfor, bor, selenyum, silikon ve arsenik ile yüksek sıcaklıklarda birleşerek ikili bileşikler oluşturur.

Diğer nadir toprak elementlerinin aksine, metalik gadolinyum kuru havada nispeten kararlıdır. Bununla birlikte, nemli havada hızla karararak gevşek bir şekilde yapışan gadolinyum (III) oksit (Gd₂O₃) oluşturur:

4 Gd + 3 O₂ → 2 Gd₂O₃,

daha fazla yüzeyi oksidasyona maruz bırakarak parçalanır.

Gadolinyum, birkaç metalin oksitlerini kendi elementlerine indirgeyen güçlü bir indirgeyici ajandır. Gadolinyum oldukça elektropozitiftir ve gadolinyum hidroksit oluşturmak için soğuk suyla yavaş ve sıcak suyla oldukça hızlı reaksiyona girer:

2 Gd + 6 H₂O → 2 Gd(OH)₃ + 3 H₂.

Gadolinyum metal, [Gd(H₂O)₉]³⁺ kompleksleri olarak var olan renksiz Gd (III) iyonlarını içeren çözeltiler oluşturmak için seyreltik sülfürik asit tarafından kolayca saldırıya uğrar:

2 Gd + 3 H₂SO₄ + 18 H₂O → 2 [Gd(H₂O)₉]³⁺ + 3 SO2−
4 + 3 H₂.

Gadolinyum metal, yaklaşık 200 °C (392 °F) sıcaklıkta halojenlerle (X₂) reaksiyona girer:

2 Gd + 3 X₂ → 2 GdX₃.

Kimyasal bileşikler

Gadolinyum, bileşiklerinin büyük çoğunluğunda oksidasyon durumu +3'u benimser. Dört trihalidin tamamı bilinmektedir. Sarı olan iyodür dışında hepsi beyazdır. Halojenürlerde en sık karşılaşılan gadolinyum (III) klorürdür (GdCl₃). Oksit, gadolinyum (III) nitrat gibi tuzları vermek için asitlerde çözünür.

Gadolinyum (III), çoğu lantanit iyonu gibi, yüksek koordinasyon sayılarına sahip kompleksler oluşturur. Bu eğilim, bir oktadentat ligand olan kenetleme maddesi DOTA'nın kullanılmasıyla açıklanmaktadır. Gd(DOTA)⁻ tuzları manyetik rezonans görüntülemede faydalıdır. Gadodiamid dahil olmak üzere çeşitli ilgili şelat kompleksleri geliştirilmiştir.

İndirgenmiş gadolinyum bileşikleri, özellikle katı halde bilinmektedir. Gadolinyum (II) halojenürler, Gd (III) halojenürlerin tantal kaplarda metalik Gd varlığında ısıtılmasıyla elde edilir. Gadolinyum ayrıca 800 °C'de (1,470 °F) tavlama ile GdCl'ye indirgenebilen seskiklorür Gd₂Cl₃ oluşturur. Bu gadolinyum (I) klorür, katmanlı grafit benzeri yapıya sahip trombositler oluşturur.

İzotoplar

Doğal olarak oluşan gadolinyum altı kararlı izotop, ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd ve ¹⁶⁰Gd, ve bir radyoizotop, ¹⁵²Gd'den oluşur; izotop ¹⁵⁸Gd en bol olanıdır (%24,8 doğal bolluk). ¹⁶⁰Gd'lik tahmin edilen çift beta bozunması hiçbir zaman gözlenmedi (1.3×10²¹ yıldan daha uzun olan deneysel bir alt sınır ölçüldü).

En kararlı olanı ¹⁵²Gd (doğal olarak oluşan), yaklaşık 11.08×10¹⁴ yıllık yarılanma ömrü ve ¹⁵⁰Gd, 1.79×10⁶ yıllık yarılanma ömrü ile 29 radyoizotop gözlemlenmiştir. Geri kalan tüm radyoaktif izotopların yarı ömürleri 75 yıldan azdır. Bunların çoğunun yarılanma ömrü 25 saniyeden azdır. Gadolinyum izotopları, en kararlı olan ^143mGd (t_1/2= 110 saniye), ^145mGd (t_1/2= 85 saniye) ve ^141mGd (t_1/2= 24.5 saniye) olmak üzere dört metastabil izomere sahiptir.

Atomik kütleleri en bol kararlı izotop olan ¹⁵⁸Gd'den daha düşük olan izotoplar, öncelikle elektron yakalama yoluyla öropiyum izotoplarına bozunur. Daha yüksek atomik kütlelerde, birincil bozunma modu beta bozunmasıdır ve birincil ürünler terbiyum izotoplarıdır.

Oluşum

Gadolinyum, oksitler olan monazite ve bastnäsite gibi birçok mineralde bir bileşendir. Metal, doğal olarak var olamayacak kadar reaktif. Paradoksal olarak, yukarıda belirtildiği gibi, mineral gadolinit aslında sadece bu elementin izlerini içerir. Yerkabuğundaki bolluk yaklaşık 6,2 mg/kg'dır. Ana madencilik alanları Çin, ABD, Brezilya, Sri Lanka, Hindistan ve Avustralya'da olup rezervlerin bir milyon tonu aşması bekleniyor. Saf gadolinyumun dünya üretimi yılda yaklaşık 400 tondur. Esansiyel gadolinyum içeren bilinen tek mineral lepersonnit-(Gd) çok nadirdir.

Kaynak

↑ Meija, Juris; et al. (2016). "Elementlerin Atom Ağırlıkları 2013 (IUPAC Teknik Raporu)". Saf ve Uygulamalı Kimya. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
↑ Yttrium and all lanthanides except Ce, Pm, Eu, Tm, Yb have been observed in the oxidation state 0 in bis(1,3,5-tri-t-butylbenzene) complexes, see Cloke, F. Geoffrey N. (1993). "Zero Oxidation State Compounds of Scandium, Yttrium, and the Lanthanides". Chem. Soc. Rev. 22: 17–24. doi:10.1039/CS9932200017.
↑ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 0-8493-0464-4.

[CIAAW2013-1] Meija, Juris; et al. (2016). "Elementlerin Atom Ağırlıkları 2013 (IUPAC Teknik Raporu)". Saf ve Uygulamalı Kimya. 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.

[Cloke1993-2] Yttrium and all lanthanides except Ce, Pm, Eu, Tm, Yb have been observed in the oxidation state 0 in bis(1,3,5-tri-t-butylbenzene) complexes, see Cloke, F. Geoffrey N. (1993). "Zero Oxidation State Compounds of Scandium, Yttrium, and the Lanthanides". Chem. Soc. Rev. 22: 17–24. doi:10.1039/CS9932200017.

[3] Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110. ISBN 0-8493-0464-4.

[1]

[2]

[3]