64 Gd 钆 157.25
镧系元素 f-block Period 6

钆

Gd · Element 64

The rare earth with the greatest neutron capture cross-section of any stable nuclide.

20°C时的状态 固态
原子量 157.25 u
ELECTRON CONFIGURATION [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s²
63Eu All 118 65Tb

结构

钆 原子

这不是环上点阵的示意图，而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号，这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示钆在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 7.9 g/cm³ 50%
熔点 1585 K 66%
沸点 3546 K 75%
比热容 0.236 J/g·K
热导率 10.5 W/m·K 28%

原子

原子半径 178 pm 64%
共价半径 196 pm
范德华半径 237 pm

电子

电负性 1.2 19%
电离能 593.4 kJ/mol 30%
电子亲和能 —

存在

地壳中的丰度 6.2 mg/kg 66%

身份

符号Gd
原子序数64
原子量157.25 u
类别镧系元素
区f
晶体结构六方密堆积
氧化态+3
发现时间1880
发现者Jean Charles Galissard de Marignac

来源：IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值，而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 钆 atom?

Radius 178 pm — that is 0.178 nm, so about 2809 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

钆 is liquid over a 1961 K window, from 1585 K to 3546 K.

所在位置

在表中的位置

钆 sits in the lanthanide series, printed below the main grid.

OTHER 镧系元素

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

故事

钆 是什么，以及我们如何发现它

The rare earth with the greatest neutron capture cross-section of any stable nuclide.

The discovery of 钆

🏛️ 瑞士科学成就

Jean Charles Galissard de Marignac（1880年）

Jean Charles Galissard de Marignac是一位瑞士化学家，他在分析来自瑞典伊特比的钆石矿物时发现了钆。他细致的分析工作揭示了新稀土元素的光谱证据。

系统矿物分析

Marignac对钆石样品进行了系统分级分离，利用沉淀和结晶技术分离不同的稀土组分。他的方法逐步富集了这种未知元素。

光谱确认

Marignac使用先进的光谱设备，发现了无法归属于已知元素的特征吸收线。这些光谱特征确凿证明稀土元素系列中存在一种新元素。

独立验证

Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran于1886年独立确认了Marignac的发现，从不同矿物来源中分离出钆，并通过互补的分析技术验证了其独特性质。

命名词源

钆以钆石矿物命名，而钆石本身是为了纪念芬兰化学家Johan Gadolin而命名的；他是稀土元素研究的先驱。这种命名方式反映了稀土元素发现之间相互关联的特点。

纯金属制备

直到1935年通过蒸馏方法才成功分离出纯钆金属。从发现到分离之间相隔55年，突显了稀土金属提纯的技术挑战。

商业开发

直到1960年代，随着核技术发展和医学成像进步产生了对该元素独特性质的商业需求，钆才不再主要停留在学术研究领域。

科学遗产

  • 分析化学方法的发展
  • 稀土元素分离技术
  • 光谱分析技术的完善
  • 系统矿物研究规程
🎓 教育影响：Marignac的发现方法成为分析化学课程的标准内容，培养了几代科学家进行系统的元素鉴定。

应用

钆的用途

🏥 医疗技术先驱

钆兼具独特的磁性质和重要的核特性，使其成为现代医学成像、核技术和先进材料科学不可或缺的元素。其出色的中子吸收能力和顺磁性推动了多个行业中的关键应用。

磁共振成像（MRI）

钆基造影剂通过增强MRI扫描中的组织对比度，革新了医学成像。这些造影剂提高了脑肿瘤、心血管疾病和炎症性疾病的诊断准确性，有助于更早发现疾病并改善治疗效果。

核反应堆控制系统

钆具有所有元素中最高的热中子俘获截面，因此对核反应堆安全系统至关重要。钆控制棒可在商用核电站中实现精确的反应性控制和紧急停堆。

先进合金开发

钆增强合金可改善永磁体、电子元件和专用机械中的磁性质。这些合金在高温下仍能保持磁性强度，并能抵抗应力导致的退磁。

中子探测技术

高灵敏度中子探测器采用钆-157，用于探测核设施、边境安全系统和科学研究设备中的热中子。该同位素俘获中子后会产生易于探测的伽马射线。

特种玻璃应用

掺杂氧化钆的玻璃可用于制造激光系统、光纤通信和精密仪器中的光学元件。这些玻璃具有独特的折射性质和热稳定性，适用于要求严苛的应用。

靶向癌症治疗

实验性的钆中子俘获治疗利用该元素的中子吸收性质治疗某些癌症。当中子与钆-157相互作用时，产生的辐射可以摧毁癌细胞，同时最大限度地减少对健康组织的损伤。

🔬 医疗创新：钆造影剂使每年超过50 million次MRI检查成为可能，显著提升了神经系统和心血管疾病的诊断能力。

🔧 卓越工程应用

增强医学成像

医院MRI系统经常使用钆造影剂来改善图像质量和诊断准确性。这些造影剂帮助医生识别肿瘤、血管异常和炎症过程，否则这些病变可能无法被发现。

核电安全

商用核反应堆采用钆控制棒和可燃毒物组件，以维持安全的运行状态。该元素的中子吸收性质可在整个燃料循环期间提供可靠的反应堆控制。

电子元件制造

计算机硬盘和磁存储设备使用钆增强磁性材料，用于数据存储和检索系统。该元素的磁性质能够提高存储密度和数据可靠性。

工业射线照相

无损检测设备使用钆中子源，检查航空航天、汽车和建筑行业中的焊缝、铸件和关键部件。

研究实验室设备

科学仪器在中子散射实验、材料研究和基础物理研究中使用钆。该元素独特的核性质能够实现精确测量和先进的研究能力。

特种合金

用于航空航天的高性能合金中加入钆，可改善喷气发动机和航天器部件的磁性质、耐腐蚀性和高温性能。

🚀 未来技术

  • 量子计算磁屏蔽系统
  • 先进医学成像造影剂
  • 下一代中子探测阵列
  • 磁制冷冷却系统

来源

自然存在

6.2 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 66% of elements

🗻 全球稀土资源

矿物分布

钆存在于含稀土矿物中，包括独居石、氟碳铈矿和钆石（以该元素命名）。全球最高浓度出现在碳酸岩杂岩和碱性火成岩中。

全球主要矿床

重要的钆资源包括：

  • 中国：白云鄂博（内蒙古）——全球主要生产地
  • 美国：帕斯山（加利福尼亚州）稀土矿
  • 澳大利亚：西澳大利亚州的韦尔德山项目
  • 巴西：戈亚斯州的卡塔朗矿区
  • 印度：喀拉拉邦独居石海滩砂矿床

地质形成过程

钆通过碱性火成岩系统中的岩浆分异而富集，其中晚期结晶过程会使稀土元素进一步富集。在一些地区，风化和次生富集还会形成额外矿床。

丰度与提取

钆在地壳中的丰度约为6.2 parts per million，比锡丰富，但比铜少见。由于镧系元素之间具有相似的化学性质，商业提取需要复杂的分离过程。

加工挑战

钆的提纯涉及多级离子交换和溶剂萃取工艺。该元素位于镧系元素序列中部，使分离尤其困难且能耗较高。

战略重要性

钆在核技术和医疗技术中的关键用途，使钆供应安全对发达国家具有战略重要性。从电子废弃物中回收钆以及开发替代来源，是持续推进的重点。

环境因素

稀土开采通常涉及放射性材料处理，因为矿物中可能伴生钍和铀。现代提取设施实施全面的环境保护措施和废物管理系统。

💎 战略材料：钆对医疗和核应用都具有重要意义，因此是国家安全和公共卫生基础设施的关键材料。

处理

安全

⚗️ 医用级安全性

急性毒性低

钆化合物通常表现出较低的急性毒性，但慢性暴露需要仔细监测。医用级钆造影剂经过严格的安全性测试，被认为可安全用于诊断。

螯合化学的注意事项

游离钆离子可能对生物系统具有毒性，但医疗应用中的螯合形式能够安全地结合金属。然而，肾病患者可能出现钆潴留，应避免使用某些造影剂。

个人防护装备

  • 护目镜和实验服
  • 耐化学品手套（推荐使用丁腈手套）
  • 处理粉末时使用通风橱通风
  • 处理干燥化合物时佩戴防尘口罩

安全操作规程

在通风良好的区域处理钆化合物，以防止吸入暴露。避免产生粉尘或气溶胶，并在处理粉末时使用适当的密闭措施。保持良好的实验室卫生习惯。

医疗应用安全

MRI造影剂要求仔细筛查患者的肾功能和过敏反应。医疗人员必须遵循既定的剂量、给药和术后监测规程。

储存要求

将钆化合物储存在密封容器中，置于阴凉、干燥处，并远离不相容材料。保持正确的标签和库存管理，尤其是用于医疗用途的材料。

应急处理

皮肤接触：用肥皂和水彻底清洗。眼睛接触：用水冲洗15分钟并就医。摄入：不要催吐；立即就医。

废物处置

按照当地危险材料法规处置钆废物。医疗机构必须遵循造影剂废物处置的具体规程，以防止环境污染。

💉 医疗安全：在适当使用时，钆造影剂具有良好的安全性，严重不良反应发生率低于0.1%的患者。

快速回答

钆：常见问题

What is 钆?

钆 (symbol Gd) is element 64 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. The rare earth with the greatest neutron capture cross-section of any stable nuclide. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 钆?

钆's ground-state electron configuration is [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 25, 9, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 钆?

钆 melts at 1585 K (1311.9 °C) and boils at 3546 K (3272.9 °C).

What is the atomic mass of 钆?

The standard atomic weight of 钆 is 157.25 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 钆?

钆 has a density of 7.9 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 钆 is about 7.9× heavier.

What is the electronegativity of 钆?

钆 has a Pauling electronegativity of 1.2. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.

Who discovered 钆, and when?

钆 was discovered in 1880 by Jean Charles Galissard de Marignac. It is named after johan Gadolin, Finnish chemist.

How common is 钆 on Earth?

钆 makes up about 6.2 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.

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