Гадолиний, элемент 64 таблицы Менделеева.
Лантаниды в таблице Менделеева представляют собой большое семейство, и их химические свойства очень похожи друг на друга, поэтому разделить их сложно. В 1789 году финский химик Джон Гадолин получил оксид металла и открыл первый оксид редкоземельного элемента —Оксид иттрия(III)посредством анализа, открывающего историю открытия редкоземельных элементов. В 1880 году шведский учёный Демериак открыл два новых элемента, один из которых позже был подтвержден.самарий, а другой был официально идентифицирован как новый элемент, гадолиний, после очистки французским химиком Дебувой Боделанд.
Элемент гадолиний происходит из кремниевой бериллиевой гадолиниевой руды, которая дешева, мягка по текстуре, обладает хорошей пластичностью, магнитна при комнатной температуре и является относительно активным редкоземельным элементом. Он относительно стабилен в сухом воздухе, но теряет блеск при влажности, образуя рыхлые и легко отделяющиеся чешуйки, напоминающие белые оксиды. При сгорании на воздухе могут образовываться белые оксиды. Гадолиний медленно реагирует с водой и может растворяться в кислоте с образованием бесцветных солей. Его химические свойства очень похожи на другие лантаноиды, но оптические и магнитные свойства немного отличаются. Гадолиний парамагнетичен при комнатной температуре и ферромагнитен после охлаждения. Его характеристики можно использовать для улучшения постоянных магнитов.
Благодаря парамагнетизму гадолиния полученный гадолиниевый агент стал хорошим контрастным веществом для ЯМР. Начаты самостоятельные исследования технологии ядерно-магнитно-резонансной томографии, в связи с которыми было присуждено 6 Нобелевских премий. Ядерный магнитный резонанс в основном вызван спиновым движением атомных ядер, причем спиновое движение разных атомных ядер различается. По электромагнитным волнам, излучаемым при разном затухании в разных структурных средах, можно определить положение и тип атомных ядер, составляющих этот объект, и нарисовать внутренний структурный образ объекта. Под действием магнитного поля сигнал технологии ядерно-магнитного резонанса исходит от вращения определенных атомных ядер, например, ядер водорода в воде. Однако эти способные к вращению ядра нагреваются в радиочастотном поле магнитного резонанса, подобно микроволновой печи, что обычно ослабляет сигнал технологии магнитно-резонансной томографии. Ион гадолиния не только обладает очень сильным спиновым магнитным моментом, который способствует вращению атомного ядра, повышает вероятность распознавания больных тканей, но и чудесным образом сохраняет прохладу. Однако гадолиний обладает определенной токсичностью, и в медицине хелатирующие лиганды используются для инкапсулирования ионов гадолиния с целью предотвращения их попадания в ткани человека.
Гадолиний обладает сильным магнитокалорическим эффектом при комнатной температуре, а его температура меняется в зависимости от интенсивности магнитного поля, что открывает интересное применение — магнитное охлаждение. В процессе охлаждения из-за ориентации магнитного диполя магнитный материал нагревается под действием определенного внешнего магнитного поля. Когда магнитное поле удаляется и изолируется, температура материала снижается. Этот вид магнитного охлаждения позволяет сократить использование хладагентов, таких как фреон, и быстро охладиться. В настоящее время мир пытается развивать применение гадолиния и его сплавов в этой области и создать небольшой и эффективный магнитный охладитель. При использовании гадолиния могут быть достигнуты сверхнизкие температуры, поэтому гадолиний также известен как «самый холодный металл в мире».
Изотопы гадолиния Gd-155 и Gd-157 имеют самое большое сечение поглощения тепловых нейтронов среди всех природных изотопов и могут использовать небольшое количество гадолиния для управления нормальной работой ядерных реакторов. Так появились легководные реакторы на основе гадолиния и гадолиниевый управляющий стержень, которые могут повысить безопасность ядерных реакторов при одновременном снижении затрат.
Гадолиний также обладает превосходными оптическими свойствами и может использоваться для изготовления оптических изоляторов, похожих на диоды в схемах, также известных как светоизлучающие диоды. Светодиод такого типа не только позволяет свету проходить в одном направлении, но и блокирует отражение эхо-сигналов в оптоволокне, обеспечивая чистоту передачи оптического сигнала и повышая эффективность передачи световых волн. Гадолиний-галлиевый гранат — один из лучших материалов для изготовления оптических изоляторов.
Время публикации: 06 июля 2023 г.