64 Gd غادولينيوم 157.25
لانثانيد المستوى الفرعي f الدورة 6

غادولينيوم

Gd · العنصر 64 · لانثانيد

العنصر الأرضي النادر ذو أكبر مقطع عرضي لالتقاط النيوترونات بين جميع النويدات المستقرة.

الحالة عند 20°C صلب
الكتلة الذرية 157.25 u
التوزيع الإلكتروني[Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s²
63Eu كل العناصر الـ118 65Tb

البنية

ذرة غادولينيوم

ليس مخططًا لنقاط على حلقات — بل عينة مونتِ كارلو من كثافة الاحتمال الفعلية |ψ|² لكل غلاف فرعي مشغول. اسحب للتدوير. يشير الأزرق والبنفسجي إلى الإشارتين المتعاكستين لدالة الموجة، وهذا ما يجعل الترابط ممكنًا.

سحابة المدار

القيم المقاسة

ورقة الخصائص

يوضح كل شريط موضع غادولينيوم بين جميع العناصر الـ118 بالنسبة إلى تلك الخاصية.

الفيزيائية

الكثافة 7.9 g/cm³ 50%
نقطة الانصهار 1585 K 66%
نقطة الغليان 3546 K 75%
الحرارة النوعية 0.236 J/g·K
الموصلية الحرارية 10.5 W/m·K 28%

الذرية

نصف القطر الذري 178 pm 65%
نصف القطر التساهمي 196 pm
نصف قطر فان دير فالس 237 pm

الإلكترونية

الكهروسلبية 1.2 19%
طاقة التأين 593.4 kJ/mol 30%
الألفة الإلكترونية —

الوجود

الوفرة في القشرة 6.2 mg/kg 66%

الهوية

الرمزGd
العدد الذري64
الكتلة الذرية157.25 u
الفئةلانثانيد
المستوى الفرعيf
البنية البلوريةسداسي محكم التراص
حالات الأكسدة+3
سنة الاكتشاف1880
اكتشفهJean Charles Galissard de Marignac

المصادر: الأوزان الذرية القياسية لـ IUPAC لعام 2021 · دليل CRC للكيمياء والفيزياء · NIST. القيم المعلّمة بـ ~ متوقعة وليست مقاسة.

الحجم، وفق المقياس

ما حجم ذرة غادولينيوم؟

نصف القطر 178 pm — أي 0.178 nm، ولذلك فإن نحو 2.81 مليون ذرة منها متجاورة ستغطي ملليمترًا واحدًا.

المدى الحراري

صلب، سائل، غاز — ومتى

يكون غادولينيوم سائلًا ضمن مجال 1961 K، من 1585 K إلى 3546 K.

موضعه

موضعه في الجدول

تقع غادولينيوم في سلسلة لانثانيد، المطبوعة أسفل الشبكة الرئيسية.

عناصر اللانثانيدات الأخرى

57La 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu
جميع عناصر اللانثانيدات

القصة

ماهيّة غادولينيوم وكيف اكتشفناه

العنصر الأرضي النادر ذو أكبر مقطع عرضي لالتقاط النيوترونات بين جميع النويدات المستقرة.

اكتشاف غادولينيوم

🏛️ إنجاز علمي سويسري

Jean Charles Galissard de Marignac (1880)

اكتشف Jean Charles Galissard de Marignac، وهو كيميائي سويسري، الغادولينيوم أثناء تحليل معدن الغادولينيت من يوتربي في السويد. وكشف عمله التحليلي الدقيق عن دليل طيفي على وجود عنصر أرضي نادر جديد.

التحليل المنهجي للمعادن

أخضع Marignac عينات الغادولينيت لإجراءات التجزيء المنهجي، مستخدماً تقنيات الترسيب والتبلور لفصل مكونات العناصر الأرضية النادرة المختلفة. وأدى نهجه المنهجي تدريجياً إلى تركيز العنصر المجهول.

التأكيد الطيفي

باستخدام معدات طيفية متقدمة، حدد Marignac خطوط امتصاص مميزة لا يمكن نسبها إلى العناصر المعروفة. وقدمت هذه البصمات الطيفية دليلاً قاطعاً على وجود عنصر جديد في سلسلة العناصر الأرضية النادرة.

التحقق المستقل

أكد Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran اكتشاف Marignac بشكل مستقل في عام 1886، فعزل الغادولينيوم من مصادر معدنية مختلفة وتحقق من خصائصه الفريدة باستخدام تقنيات تحليلية تكميلية.

أصل التسمية

سُمّي الغادولينيوم نسبةً إلى معدن الغادولينيت، الذي كُرّم بدوره بإطلاق اسم الكيميائي الفنلندي Johan Gadolin عليه، وهو من رواد أبحاث العناصر الأرضية النادرة. وعكست هذه التسمية الطبيعة المترابطة لاكتشافات العناصر الأرضية النادرة.

إنتاج المعدن النقي

لم يُعزل معدن الغادولينيوم النقي بنجاح حتى عام 1935 باستخدام طرق التقطير. وتبرز الفجوة البالغة 55 عاماً بين الاكتشاف والعزل التحديات التقنية لتنقية معادن العناصر الأرضية النادرة.

التطوير التجاري

ظل الغادولينيوم محل اهتمام أكاديمي أساساً حتى الستينيات، حين أدى تطور التكنولوجيا النووية وتقدم التصوير الطبي إلى خلق طلب تجاري على الخصائص الفريدة للعنصر.

الإرث العلمي

  • تقدم منهجية الكيمياء التحليلية
  • تقنيات فصل العناصر الأرضية النادرة
  • تحسين التحليل الطيفي
  • بروتوكولات البحث المنهجي في المعادن
🎓 الأثر التعليمي: أصبحت طرق اكتشاف Marignac جزءاً معيارياً من مناهج الكيمياء التحليلية، ودربت أجيالاً من العلماء على تحديد العناصر بطريقة منهجية.

الاستخدامات

استخدامات غادولينيوم

🏥 رائد التكنولوجيا الطبية

يجمع الغادولينيوم بين الخصائص المغناطيسية الفريدة والخصائص النووية الأساسية، مما يجعله لا غنى عنه في التصوير الطبي الحديث والتكنولوجيا النووية وعلوم المواد المتقدمة. وتدفع قدرته الاستثنائية على امتصاص النيوترونات وسلوكه البارامغناطيسي تطبيقات مهمة في صناعات متعددة.

التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)

تُحدث عوامل التباين القائمة على الغادولينيوم ثورة في التصوير الطبي من خلال تعزيز تباين الأنسجة في فحوصات MRI. وتحسن هذه العوامل دقة تشخيص أورام الدماغ وأمراض القلب والأوعية الدموية والحالات الالتهابية، مما يتيح الكشف المبكر وتحسين نتائج العلاج.

أنظمة التحكم في المفاعلات النووية

يمتلك الغادولينيوم أعلى مقطع عرضي لالتقاط النيوترونات الحرارية بين جميع العناصر، مما يجعله أساسياً لأنظمة سلامة المفاعلات النووية. وتوفر قضبان التحكم المصنوعة من الغادولينيوم تحكماً دقيقاً في التفاعلية وقدرات الإيقاف الطارئ في محطات الطاقة النووية التجارية.

تطوير السبائك المتقدمة

تحسن السبائك المعززة بالغادولينيوم الخصائص المغناطيسية في المغناطيسات الدائمة والمكونات الإلكترونية والآلات المتخصصة. وتحافظ هذه السبائك على قوتها المغناطيسية عند درجات الحرارة المرتفعة وتقاوم إزالة المغنطة تحت الضغط.

تكنولوجيا كشف النيوترونات

تستخدم كواشف النيوترونات عالية الحساسية الغادولينيوم-157 لكشف النيوترونات الحرارية في المنشآت النووية وأنظمة أمن الحدود ومعدات البحث العلمي. وينتج عن التقاط النظير للنيوترونات أشعة غاما يسهل كشفها.

تطبيقات الزجاج المتخصصة

ينتج الزجاج المشوب بأكسيد الغادولينيوم مكونات بصرية لأنظمة الليزر والاتصالات بالألياف الضوئية والأجهزة الدقيقة. وتوفر هذه الأنواع من الزجاج خصائص انكسار فريدة وثباتاً حرارياً للتطبيقات الصعبة.

العلاج الموجه للسرطان

يستخدم العلاج التجريبي بالتقاط النيوترونات بواسطة الغادولينيوم خصائص العنصر في امتصاص النيوترونات لعلاج بعض أنواع السرطان. وعندما تتفاعل النيوترونات مع الغادولينيوم-157، يمكن للإشعاع الناتج تدمير الخلايا السرطانية مع إلحاق أقل قدر من الضرر بالأنسجة السليمة.

🔬 الابتكار الطبي: أتاحت عوامل التباين التي تحتوي على الغادولينيوم إجراء أكثر من 50 مليون عملية MRI سنوياً، مما حسّن بدرجة كبيرة قدرات التشخيص للحالات العصبية وحالات القلب والأوعية الدموية.

🔧 التميز الهندسي

تحسين التصوير الطبي

تستخدم أنظمة MRI في المستشفيات بانتظام عوامل التباين التي تحتوي على الغادولينيوم لتحسين جودة الصور ودقة التشخيص. وتساعد هذه العوامل الأطباء على تحديد الأورام وتشوهات الأوعية الدموية والعمليات الالتهابية التي قد تبقى غير قابلة للكشف لولا ذلك.

سلامة الطاقة النووية

تضم المفاعلات النووية التجارية قضبان تحكم من الغادولينيوم وتجميعات سموم قابلة للاحتراق للحفاظ على ظروف تشغيل آمنة. وتوفر خصائص العنصر في امتصاص النيوترونات تحكماً موثوقاً في المفاعل طوال دورة الوقود.

تصنيع المكونات الإلكترونية

تستخدم محركات الأقراص الصلبة للحواسيب وأجهزة التخزين المغناطيسي مواد مغناطيسية معززة بالغادولينيوم في أنظمة تخزين البيانات واسترجاعها. وتمكّن الخصائص المغناطيسية للعنصر من تحقيق كثافات تخزين أعلى وموثوقية أفضل للبيانات.

التصوير الإشعاعي الصناعي

تستخدم معدات الاختبار غير المتلف مصادر نيوترونات من الغادولينيوم لفحص اللحامات والمسبوكات والمكونات الأساسية في صناعات الطيران والسيارات والبناء.

معدات مختبرات البحث

تستخدم الأجهزة العلمية الغادولينيوم في تجارب تشتت النيوترونات وبحوث المواد ودراسات الفيزياء الأساسية. وتمكّن الخصائص النووية الفريدة للعنصر من إجراء قياسات دقيقة وتحقيق قدرات بحثية متقدمة.

السبائك المتخصصة

تحتوي السبائك عالية الأداء المستخدمة في تطبيقات الطيران على الغادولينيوم لتحسين الخصائص المغناطيسية ومقاومة التآكل والأداء عند درجات الحرارة العالية في محركات الطائرات ومكونات المركبات الفضائية.

🚀 تقنيات المستقبل

  • أنظمة الحماية المغناطيسية للحوسبة الكمومية
  • عوامل التباين المتقدمة للتصوير الطبي
  • مصفوفات الجيل التالي لكشف النيوترونات
  • أنظمة التبريد بالتبريد المغناطيسي

مصدره

الوجود الطبيعي

6.2 mg/kg من القشرة الأرضية · أوفر من 66% من العناصر

🗻 موارد العناصر الأرضية النادرة العالمية

توزيع المعادن

يوجد الغادولينيوم في معادن حاملة للعناصر الأرضية النادرة، ومنها المونازيت والبستناسايت والغادولينيت (المسمى باسم العنصر). وتظهر أعلى التراكيز في معقدات الكربوناتيت والصخور النارية القلوية حول العالم.

أهم الرواسب العالمية

تشمل موارد الغادولينيوم المهمة:

  • الصين: بايان أوبو (منغوليا الداخلية) - المنتج العالمي المهيمن
  • الولايات المتحدة: منجم العناصر الأرضية النادرة في ماونتن باس (كاليفورنيا)
  • أستراليا: مشروع ماونت ويلد في أستراليا الغربية
  • البرازيل: معقد كاتالاو في ولاية غوياس
  • الهند: رواسب رمال الشواطئ من المونازيت في كيرالا

عمليات التكوين الجيولوجي

يتركز الغادولينيوم من خلال التمايز الصهاري في الأنظمة النارية القلوية، حيث تثري عمليات التبلور في المراحل المتأخرة العناصر الأرضية النادرة. وينتج عن التجوية والتركيز الثانوي رواسب إضافية في بعض المناطق.

الوفرة والاستخراج

تبلغ وفرة الغادولينيوم في القشرة الأرضية تقريباً 6.2 جزء في المليون، وهو أكثر وفرة من القصدير لكنه أقل شيوعاً من النحاس. ويتطلب الاستخراج التجاري عمليات فصل معقدة بسبب تشابه الخصائص الكيميائية بين اللانثانيدات.

تحديات المعالجة

يتضمن تنقية الغادولينيوم إجراءات متعددة المراحل للتبادل الأيوني والاستخلاص بالمذيبات. ويجعل موقع العنصر في منتصف سلسلة اللانثانيدات عملية الفصل صعبة بوجه خاص وكثيفة الاستهلاك للطاقة.

الأهمية الاستراتيجية

تجعل التطبيقات المهمة في التقنيات النووية والطبية أمن إمدادات الغادولينيوم ذا أهمية استراتيجية للدول المتقدمة. وتُعد إعادة التدوير من النفايات الإلكترونية وتطوير مصادر بديلة من الأولويات المستمرة.

الاعتبارات البيئية

غالباً ما ينطوي تعدين العناصر الأرضية النادرة على التعامل مع المواد المشعة بسبب وجود الثوريوم واليورانيوم معاً. وتطبق منشآت الاستخراج الحديثة تدابير شاملة لحماية البيئة وأنظمة لإدارة النفايات.

💎 مادة استراتيجية: تجعل الأهمية المزدوجة للغادولينيوم في التطبيقات الطبية والنووية منه مادة أساسية للأمن القومي والبنية التحتية للصحة العامة.

التعامل

السلامة

⚗️ السلامة في الدرجة الطبية

سمية حادة منخفضة

تُظهر مركبات الغادولينيوم عموماً سمية حادة منخفضة، لكن التعرض المزمن يتطلب مراقبة دقيقة. وتخضع عوامل التباين الطبية المحتوية على الغادولينيوم لاختبارات سلامة صارمة وتُعد آمنة للاستخدام التشخيصي.

مخاوف كيمياء الاستخلاب

يمكن أن تكون أيونات الغادولينيوم الحرة سامة للأنظمة البيولوجية، لكن الأشكال المستخلَبة المستخدمة في التطبيقات الطبية ترتبط بالمعدن بأمان. ومع ذلك، قد يعاني المرضى المصابون بأمراض الكلى من احتباس الغادولينيوم، وينبغي لهم تجنب بعض عوامل التباين.

معدات الوقاية الشخصية

  • نظارات السلامة ومعاطف المختبر
  • قفازات مقاومة للمواد الكيميائية (يوصى بقفازات النتريل)
  • تهوية خزانة الأبخرة عند التعامل مع المساحيق
  • أقنعة الغبار عند العمل بالمركبات الجافة

إجراءات التعامل الآمن

تعامل مع مركبات الغادولينيوم في مناطق جيدة التهوية لمنع التعرض عن طريق الاستنشاق. وتجنب توليد الغبار أو الهباء الجوي، واستخدم احتواءً مناسباً عند مناولة المساحيق. وحافظ على ممارسات النظافة المختبرية الجيدة.

السلامة في التطبيقات الطبية

تتطلب عوامل التباين المستخدمة في MRI فحصاً دقيقاً لوظائف الكلى وللتفاعلات التحسسية لدى المرضى. ويجب على مقدمي الرعاية الصحية اتباع البروتوكولات المعتمدة للجرعات والإعطاء والمراقبة بعد الإجراء.

متطلبات التخزين

خزّن مركبات الغادولينيوم في حاويات محكمة الإغلاق في أماكن باردة وجافة بعيداً عن المواد غير المتوافقة. وحافظ على وضع الملصقات المناسبة وضبط المخزون، ولا سيما للمواد المخصصة للاستخدام الطبي.

إجراءات الطوارئ

ملامسة الجلد: اغسل جيداً بالماء والصابون. التعرض للعين: اغسل بالماء لمدة 15 دقيقة واطلب العناية الطبية. الابتلاع: لا تحفز القيء؛ اطلب الرعاية الطبية فوراً.

التخلص من النفايات

تخلص من نفايات الغادولينيوم وفقاً للوائح المحلية الخاصة بالمواد الخطرة. ويجب على المنشآت الطبية اتباع بروتوكولات محددة للتخلص من نفايات عوامل التباين لمنع تلوث البيئة.

💉 السلامة الطبية: تتمتع عوامل التباين التي تحتوي على الغادولينيوم بملفات سلامة ممتازة عند استخدامها على النحو المناسب، وتحدث التفاعلات الضارة الخطيرة لدى أقل من 0.1% من المرضى.

إجابات سريعة

أسئلة شائعة عن غادولينيوم

ما هو غادولينيوم؟

غادولينيوم (رمزه Gd) هو العنصر 64 في الجدول الدوري، وينتمي إلى لانثانيد في الدورة 6. العنصر الأرضي النادر ذو أكبر مقطع عرضي لالتقاط النيوترونات بين جميع النويدات المستقرة. في درجة حرارة الغرفة، يكون صلباً.

ما التوزيع الإلكتروني لـ غادولينيوم؟

التوزيع الإلكتروني للحالة الأرضية لـغادولينيوم هو [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s²، ويشغل 6 مستويات من مستويات الطاقة بتوزيع 2, 8, 18, 25, 9, 2.

ما نقطتا انصهار وغليان غادولينيوم؟

ينصهر غادولينيوم عند 1585 K (1311.9 °C) ويغلي عند 3546 K (3272.9 °C).

ما الكتلة الذرية لـ غادولينيوم؟

تبلغ الكتلة الذرية القياسية لـ غادولينيوم ‏157.25 u. وهذا متوسط موزون لنظائره الموجودة طبيعياً، ولذلك نادراً ما يكون عدداً صحيحاً.

ما كثافة غادولينيوم؟

تبلغ كثافة غادولينيوم مقدار 7.9 g/cm³. تبلغ كثافة الماء 1.0 g/cm³، لذا تكون كتلة من غادولينيوم أثقل بنحو 7.9×.

ما الكهروسلبية لـ غادولينيوم؟

تبلغ كهروسلبية غادولينيوم وفق مقياس باولنغ 1.2. ويتراوح المقياس من 0.70 (الفرانسيوم، الأقل ميلاً إلى جذب الإلكترونات) إلى 3.98 (الفلور، الأكثر ميلاً). تعني قيمة كهذه الانخفاض أنه يمنح إلكتروناته الخارجية بسهولة، مكوِّنًا أيونات موجبة.

من اكتشف غادولينيوم ومتى؟

اكتُشف غادولينيوم في 1880 على يد Jean Charles Galissard de Marignac. سُمّي على اسم يوهان غادولين، كيميائي فنلندي.

ما مدى وفرة غادولينيوم على الأرض؟

يشكّل غادولينيوم حوالي 6.2 mg/kg من قشرة الأرض — وهو غير شائع، لكنه ليس نادرًا.

→ السابق Eu يوروبيوم العنصر 63 · لانثانيد التالي ← Tb تيربيوم العنصر 65 · لانثانيد