Úvod
Gadolinium (Gd) je stříbřitě bílý, kujný a tažný kov, který na vlhkém vzduchu mírně ztrácí lesk. S protonovým číslem 64 se řadí mezi lathanoidy, skupinu prvků známých jako kovy vzácných zemin. V přírodě se nikdy nevyskytuje v čisté formě, ale je získáván složitou separací z minerálů, jako jsou monazit a bastnäsit. Díky svým unikátním magnetickým vlastnostem, zejména feromagnetismu při nízkých teplotách, nachází klíčové uplatnění v technice a medicíně, především jako kontrastní látka při vyšetření magnetickou rezonancí (MRI).
Vlastnosti
Gadolinium je stříbřitě bílý, měkký a tažný kov patřící mezi lanthanoidy. Na suchém vzduchu je poměrně stálý, avšak za přítomnosti vlhkosti se pokrývá vrstvou nestejnoměrného oxidu, který se odlupuje a neposkytuje ochranu před další oxidací. Reaguje pomalu se studenou vodou a rychleji s horkou, přičemž se rozpouští v zředěných kyselinách za uvolňování vodíku. Jeho nejzajímavější vlastností je feromagnetismus při teplotách pod 20 °C, což je u lanthanoidů neobvyklé. Vyznačuje se také nejvyšším záchytným průřezem pro tepelné neutrony ze všech známých stabilních prvků, což ho činí klíčovým materiálem pro řídicí tyče jaderných reaktorů.
Vznik názvu
Název prvku je poctou finskému chemikovi a mineralogovi Johanu Gadolinovi, průkopníkovi ve výzkumu prvků vzácných zemin. Ačkoliv prvek sám neobjevil, byl po něm pojmenován minerál gadolinit, ze kterého bylo gadolinium později izolováno. Tímto způsobem byl oceněn jeho zásadní přínos pro tuto oblast chemie.
Objev
Objevení gadolinia je výsledkem pečlivé spektroskopické analýzy prvků vzácných zemin na konci 19. století. V roce 1880 švýcarský chemik Jean Charles Galissard de Marignac detekoval neznámé spektrální čáry v minerálu samarskit, což ho vedlo k předpokladu existence nového prvku. Jeho hypotézu o šest let později, v roce 1886, potvrdil francouzský vědec Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, kterému se podařilo z yttriové zeminy izolovat oxid tohoto prvku, gadolinii. Prvek byl pojmenován na počest finského chemika Johana Gadolina, průkopníka výzkumu vzácných zemin, podle kterého byl již dříve pojmenován minerál gadolinit.
Výskyt v přírodě
V přírodě se gadolinium nevyskytuje jako ryzí prvek, nýbrž je rozptýleno v zemské kůře v rámci různých minerálů. Přestože je považováno za prvek vzácných zemin, je hojnější než například stříbro. Jeho hlavními komerčními zdroji jsou nerosty monazit a bastnäsit, kde se nachází společně s ostatními lanthanoidy. Proces získávání je velmi komplexní a začíná drcením a loužením rudy. Klíčovým a nejobtížnějším krokem je následná separace od ostatních, chemicky mimořádně podobných lanthanoidů, která se provádí pomocí metod jako je iontová výměna nebo extrakce rozpouštědlem. Kovové gadolinium se finálně vyrábí redukcí fluoridu gadolinitého vápníkem.
Využití
Gadolinium nachází klíčové uplatnění v medicíně jako součást kontrastních látek pro magnetickou rezonanci, kde dramaticky zlepšuje viditelnost tkání. Díky své unikátní schopnosti pohlcovat neutrony je nepostradatelné v jaderných reaktorech pro řízení štěpné reakce v regulačních tyčích. V metalurgii se přidává do slitin pro zvýšení jejich odolnosti vůči vysokým teplotám a oxidaci. Využívá se také ve výrobě speciálních magnetů, paměťových médií a v technologii magnetického chlazení. V přírodě se vyskytuje v minerálech vzácných zemin, jako je monazit a bastnäsit, ale nemá žádnou známou biologickou roli pro živé organismy.
Sloučeniny
Nejznámější člověkem vyrobené sloučeniny jsou komplexní chelátové látky, jako je gadopentetát dimeglumin, používané jako intravenózní kontrastní činidla při magnetické rezonanci. Tyto molekuly bezpečně obalují toxický iont Gd³⁺. Průmyslově se vyrábí oxid gadolinitý (Gd₂O₃), využívaný v optických sklech, keramice a jako luminofor, a také granát gadolinia a galia (GGG) pro substráty v elektronice. V přírodě gadolinium netvoří samostatné minerály. Nachází se jako iontová příměs v krystalové mřížce minerálů vzácných zemin, typicky v monazitu a bastnäsitu, kde nahrazuje jiné, podobně velké ionty lantanoidů.
Zajímavosti
Gadolinium je jedním z mála prvků, které jsou feromagnetické při teplotách blízkých pokojové teplotě. Jeho Curieho teplota, bod přechodu z feromagnetického na paramagnetický stav, je přibližně 20 °C. Tato vlastnost je spojena se silným magnetokalorickým jevem, kdy prvek mění svou teplotu v závislosti na změně magnetického pole, což je příslibem pro chladicí technologie. Jeho izotop Gd-157 má navíc nejvyšší známý účinný průřez pro záchyt tepelných neutronů ze všech stabilních nuklidů. Díky silnému magnetismu dokáže i v nepatrném množství efektivně potlačit supravodivost v jiných materiálech.
