Периодическая система элементов Менделеева - Gd
Гадолиний
Элемент № 64, гадолиний, открыт в 1880 году. 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 учёном — 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, как мы уже знаем из статьи о лантане, 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, самария. 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 самария 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:
46 000 барн — такова эта величина для природной смеси изотопов гадолиния. А у гадолиния-157 (его доля в природной смеси — 15,68%) сечение захвата превышает150 000 барн. Это «рекордсмен» среди всех стабильных изотопов.
Столь большое сечение захвата дает возможность применять гадолиний при управлении цепной ядерной реакцией и для защиты от нейтронов. Правда, активно захватывающие нейтроны изотопы гадолиния (157Gd и 155Gd) в реакторах довольно быстро «выгорают» — превращаются в «соседние» ядра, у которых сечение захвата на много порядков меньше. Поэтому s конструкциях регулирующих стержней с гадолинием могут конкурировать другие редкоземельные элементы, прежде всего cамарий и европий.
Тем не менее еще в начале шестидесятых 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 ферромагнитность 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 .Gd2(SO4)3-H2O 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 Gd2O3 используют как один из компонентов железо-иттриевых ферритов. Новый люминофор — оксисульфид гадолиния — позволяет получать немного более 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 году килограмм гадолиния чистотой 99,76% стоил 1500 рублей. Гадолиний, конечно, дорог, однако дешевле европия, тербия, лютеция, тулия; дешевле золота и платины, но дороже серебра.
