Gadolini

element químic amb nombre atòmic 64

El gadolini és un element químic de la taula periòdica el símbol del qual és Gd i el seu nombre atòmic és 64. És un membre de la sèrie dels lantanoides descobert el 1880 per Galissard de Marignac. És de color blanc argentat, té una lluïssor metàl·lica i és mal·leable i dúctil. Té la susceptibilitat magnètica més elevada que es coneix, χm = 0,185 cm³/mol a 350 K.

Gadolini
64Gd
europigadoliniterbi
-

Gd

Cm
Aspecte
Blanc platejat



Línies espectrals del gadolini
Propietats generals
Nom, símbol, nombre Gadolini, Gd, 64
Categoria d'elements Lantànids
Grup, període, bloc n/d6, f
Pes atòmic estàndard 157,25
Configuració electrònica [Xe] 4f7 5d1 6s2
2, 8, 18, 25, 9, 2
Configuració electrònica de Gadolini
Propietats físiques
Fase Sòlid
Densitat
(prop de la t. a.)
7,90 g·cm−3
Densitat del
líquid en el p. f.
7,4 g·cm−3
Punt de fusió 1.585 K, 1.312 °C
Punt d'ebullició 3.546 K, 3.273 °C
Entalpia de fusió 10,05 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització 301,3 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar 37,03 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor (calculada)
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
a T (K) 1.836 2.028 2.267 2.573 2.976 3.535
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació 1, 2, 3 (òxid bàsic feble)
Electronegativitat 1,20 (escala de Pauling)
Energies d'ionització 1a: 593,4 kJ·mol−1
2a: 1.170 kJ·mol−1
3a: 1.990 kJ·mol−1
Radi atòmic 180 pm
Radi covalent 196±6 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina Hexagonal
Gadolini té una estructura cristal·lina hexagonal
Ordenació magnètica Ferromagnètic/paramagnètic
transició a 293,4 K
Resistivitat elèctrica (t. a.) (α, poli) 1,310 µΩ·m
Conductivitat tèrmica 10,6 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica (100 °C, α, poli) 9,4 µm/(m·K)
Velocitat del so (barra prima) (20 °C) 2.680 m·s−1
Mòdul d'elasticitat (forma α) 54,8 GPa
Mòdul de cisallament (forma α) 21,8 GPa
Mòdul de compressibilitat (forma α) 37,9 GPa
Coeficient de Poisson (forma α) 0,259
Duresa de Vickers 570 MPa
Nombre CAS 7440-54-2
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del gadolini
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD
152Gd 0,20% 1,08×1014 a α 2,205 148Sm
154Gd 2,18% 154Gd és estable amb 90 neutrons
155Gd 14,80% 155Gd és estable amb 91 neutrons
156Gd 20,47% 156Gd és estable amb 92 neutrons
157Gd 15,65% 157Gd és estable amb 93 neutrons
158Gd 24,84% 158Gd és estable amb 94 neutrons
160Gd 21,86% >1,3×1021y ββ 1,7 160Dy

HistòriaModifica

El gadolini fou descobert el 1880 pel químic suís Jean-Charles Galissard de Marignac a Ginebra. Feia temps que sospitava que el didimi, suposat element químic descobert pel químic suec Carl Gustav Mosander, no era un element nou sinó una barreja de varis elements desconeguts. Les sospites es confirmaren quan el químic suís Marc Delafontaine i el francès Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran varen informar a París que les línies espectrals del didimi variaven segons la font d'on provenia. De fet, el 1879 ja havien separat el samari d’alguna mostra de didimi que s’havia extret del mineral samarskita, que es troba als Urals. El 1880, Marignac extragué un altre lantanoide del didimi, i també Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran el 1886, i fou aquest últim qui l'anomenà gadolini, en honor al químic finès Johan Gadolin, descobridor de l'itri.[1]

Estat natural i obtencióModifica

 
Cristalls cels de decrespignyita-(Y)

El gadolini és un dels més abundants dels lantanoides i és quatre vegades més abundant que l'estany.[2] Se'l pot trobar en petits percentatges en molts minerals. Per damunt del 3% hom el troba a la monazita-(Sm) 14,21 %, churchita-(Dy) 11,08 %, schuilingita-(Nd) 6,78 %, mineevita-(Y) 4,46 %, decrespignyita-(Y) 3,99 %, caysichita-(Y) 3,84 % i proshchenkoïta-(Y) 3,15 %.[3]

S'obté dels minerals del grup de la monazita i del grup de la bastnäsita, malgrat s'hi trobi en petites proporcions, juntament amb d'altres lantanoides. Les zones mineres més important es troben a la Xina, EUA, Brasil, Índia, Sri Lanka i Austràlia. Les reserves mundials se suposa que superen el milió de tones i la producció anual mundial està al voltant de les 400 tones.[2] La separació comercial del metall es realitza mitjançant tècniques d’extracció dissolvent-dissolvent o de bescanvi iònic. El metall s'obté per reducció metalotèrmica del clorur anhidre o fluorur pel calci:[4][5]

 

PropietatsModifica

Propietats físiquesModifica

Com passa amb altres metalls de la sèrie dels lantanoides, el gadolini és de color blanc argentat, té una lluïssor metàl·lica i és mal·leable i dúctil. Té una densitat de 7,90 g/cm³, un punt de fusió de 1 313 °C i un punt d'ebullició de 3 273 °C.[1]

A temperatura ambient, el gadolini cristal·litza segons un empaquetatge compacte hexagonal denominant-se aquest al·lòtrop forma α. Al escalfar-se a 1 235 °C es transforma en la forma β, que té una estructura cúbica centrada en el cos.[1]

El gadolini és l'únic lantanoide que és ferromagnètic prop de la temperatura ambient. És únic per la seva susceptibilitat magnètica, χm = 0,185 cm³/mol a 350 K, la més alta de les conegudes. També destaca per la seva temperatura de Curie[5] de 293,2 K o 20,2 °C, la qual cosa ofereix la possibilitat d'aprofitar-la en aplicacions a temperatura ambient.[6] Per sobre d’aquesta temperatura, el metall presenta un paramagnetisme molt fort.[4]

El gadolini té la secció transversal de captura de neutrons tèrmics més alta de qualsevol element conegut (49 000 barns).[1]

La seva configuració electrònica és [Xe] 4f75d16s2.

Propietats químiquesModifica

 
Òxid de gadolini(III)

El gadolini s'oxida lentament exposat a l’aire i es crema fàcilment per formar òxid de gadolini(III), blanc, l'únic òxid conegut:[7]

 
És força electropositiu i actua com a divalent i, majoritàriament, com a trivalent. Reacciona lentament amb aigua freda i força ràpidament amb aigua calenta per formar hidròxid de gadolini(III):[7]

 

Reacciona amb tots els halògens donant els corresponents halogenurs de gadolini(3+) que són blancs excepte el iodur que és groc:[7]

 
 
 
 

Es dissol fàcilment en àcid sulfúric diluït per formar solucions que contenen els ions gadolini(3+), que existeixen com a complexos  .[7]

 
Acetat de gadolini(III)—aigua(1/4)

Altres composts de gadolini(3+) són: el nitrat de gadolini(III)—aigua(1/5)  , el nitrat de gadolini(III)—aigua(1/6)  , l'acetat de gadolini(III)—aigua(1/4)  , l'oxalat de gadolini(III)—aigua(1/10)  , el sulfur de gadolini(III)  , el tel·lurur de gadolini(III)  , l'hexaborur de gadolini  , el nitrur de gadolini   o el silicur de gadolini  .[5]

La majoria de composts del gadolini són compostos de gadolini(3+), però també n'hi ha uns pocs de gadolini(2+) com el clorur de gadolini(II)   i el selenur de gadolini(II)  .[5]

IsòtopsModifica

Article principal: Isòtops del gadolini

A la natura, el gadolini es presenta com una barreja de sis isòtops estables: gadolini 158 (24,84 %), gadolini 160 (21,86 %), gadolini 156 (20,47 %t), gadolini 157 (15,65 %), gadolini 155 (14,8 %) i gadolini 154 (2,18 %) i un isòtop radioactiu, gadolini 152 (0,20 %t). Els isòtops amb un nombre màssic senar tenen seccions d’absorció nuclear extremadament elevades, com la del gadolini 157 que arriba als 259 000 barns. Com a resultat, la barreja d'isòtops de gadolini que es produeixen de forma natural també té una secció d'absorció nuclear molt elevada de l'ordre de 49 000 barns. Excloent els isòmers nuclears, s’han caracteritzat un total de 32 isòtops radioactius del gadolini que van en nombre màssic de 133 a 169 i que tenen semivides d’1,1 segons (gadolini 135) a 1,08 × 1014 anys (gadolini 152).[4]

UsosModifica

Indústria electrònicaModifica

 
Pantalla d'un monitor LCD on s'observen els píxels de diferents colors

Els compostos de gadolini es fan servir de fosforòfors verd en les pantalles de plasma i pantalles de cristall líquid (LCD) i en discs compactes.[8]

Indústria metal·lúrgicaModifica

Té propietats metal·lúrgiques inusuals i afegit amb una proporció de l'1 % millora la manufactura i resistència del ferro, el crom i els aliatges relacionats a les altes temperatures i l'oxidació.[5]

MedicinaModifica

 
Imatge de PET d'un cervell normal (esquerra) i d'un d'una persona que pateix alzheimer (dreta)

El gadolini és paramagnètic a temperatura ambient.[9] Les propietats paramagnètiques dels compostos de gadolini injectats en el pacient fan ressaltar, en les ressonàncies magnètiques nuclears (RMN), el contrast de les imatges dels vasos sanguinis i certes parts del cos.[10][11]

El gadolini 153 ajuda a calibrar els sistemes de la tomografia per emissió de positrons (PET) en medicina nuclear. Amb el color blau s'indica el metabolisme de la glucosa en un cervell normal. Amb els colors verds, groc i vermells s'indica zones d'alt metabolisme de glucosa en pacients deprimits.[12]

Generació d'energiaModifica

Té una gran capacitat d'absorció de neutrons, raó per la qual s'utilitza en la fabricació de les barres de control dels reactors nuclears, que tenen com a missió regular la reacció nuclear en cadena que produeix calor.[8]

Refrigeració magnèticaModifica

 
A temperatura ambient el gadolini s'escalfa si se li aplica adiabàticament un camp magnètic, i es refreda quan se'n treu el camp.

El sulfat de gadolini(III) heptahidratat, fou utilitzat pel químic nord-americà William F. Giauque i el seu estudiant graduat D.P. MacDougal el 1933 per assolir temperatures inferiors a 1 K (−272 ° C) per desmagnetització adiabàtica. El gadolini fou utilitzat per Gerald V. Brown com a element actiu d'un prototip de refrigerador magnètic a prop de temperatura ambient, que el 1976–78 assolí un interval de temperatura de gairebé 80 ° C utilitzant un camp magnètic de 7 tesles i un fluid d'intercanvi de calor basat en aigua. Des de llavors el gadolini es convertí en el material refrigerant magnètic que s'elegí per a nombrosos dispositius de refrigeració magnètica de laboratori en funcionament continu. El 1997, els científics nord-americans de materials Vitalij Pecharsky i Karl Gschneidner, Jr., descobriren l'efecte magnetocalòric gegant en compostos ; aquest descobriment donà un fort impuls al desenvolupament i comercialització de la tecnologia de refrigeració magnètica.[4]

ReferènciesModifica

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 «Gadolinium - Element information, properties and uses | Periodic Table». Royal Society of Chemistry. [Consulta: 10 gener 2020].
  2. 2,0 2,1 Emsley, John.. Nature's building blocks : an A-Z guide to the elements. Oxford: Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850341-5. 
  3. «Mineral Species sorted by the element Gd Gadolinium». [Consulta: 12 gener 2020].
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 «Gadolinium | chemical element» (en anglès). Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica, inc., 24-01-2018. [Consulta: 10 gener 2020].
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 William M. Haynes. CRC handbook of chemistry and physics : a ready-reference book of chemical and physical data. 94th edition. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2016. ISBN 978-1-4665-7114-3. 
  6. Nigh, Harold Eugene. Magnetization and electrical resistivity of gadolinium single crystals (Tesi). Iowa State University. 
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 «WebElements Periodic Table » Gadolinium » reactions of elements». [Consulta: 12 gener 2020].
  8. 8,0 8,1 Sanz Balagué, J.; Tomasa Guix, O. Elements i recursos minerals : aplicacions i reciclatge. 3a. Iniciativa Digital Politècnica, 2014, 2017. ISBN 978-84-9880-666-3. 
  9. Curie Point of Gadolinium
  10. Gary Liney. MRI in clinical practice. Springer, 2006, p. 13;30. ISBN 184628161X. 
  11. Kenneth N. Raymond; Valerie C. Pierre «Next Generation, High Relaxivity Gadolinium MRI Agents». Bioconjugate Chemistry, 16, 1, 2005, pàg. 3. DOI: 10.1021/bc049817y. PMID: 15656568.
  12. «Gadolinium-153». Pacific Northwest National Laboratory. [Consulta: 6 juny 2009].

Enllaços externsModifica

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Gadolini