ガドリニウム

ガドリニウム (英: gadolinium [ˌɡædɵˈlɪniəm]) は原子番号64の元素。元素記号は Gd。希土類元素の一つ。ランタノイドに属す。

ユウロピウム ← ガドリニウム → テルビウム - ↑ Gd ↓ Cm 64Gd 周期表
外見
銀白色
一般特性
名称, 記号, 番号	ガドリニウム, Gd, 64
分類	ランタノイド
族, 周期, ブロック	n/a, 6, f
原子量	157.25
電子配置	[Xe] 4f7 5d1 6s2
電子殻	2, 8, 18, 25, 9, 2（画像）
物理特性
相	固体
密度（室温付近）	7.90 g/cm3
融点での液体密度	7.4 g/cm3
融点	1585 K, 1312 °C, 2394 °F
沸点	3546 K, 3273 °C, 5923 °F
融解熱	10.05 kJ/mol
蒸発熱	301.3 kJ/mol
熱容量	(25 °C) 37.03 J/(mol·K)
蒸気圧（推定）
圧力 (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k 温度 (K) 1836 2028 2267 2573 2976 3535
原子特性
酸化数	1, 2, 3（弱塩基性酸化物）
電気陰性度	1.20（ポーリングの値）
イオン化エネルギー	第1： 593.4 kJ/mol
	第2： 1170 kJ/mol
	第3： 1990 kJ/mol
原子半径	180 pm
共有結合半径	196 ± 6 pm
その他
結晶構造	六方晶系
磁性	強磁性/常磁性 292 K で転移[1]
電気抵抗率	(r.t.) (α, poly) 1.310 µΩ⋅m
熱伝導率	(300 K) 10.6 W/(m⋅K)
熱膨張率	(100 °C) (α, poly) 9.4 μm/(m⋅K)
音の伝わる速さ （微細ロッド）	(20 °C) 2680 m/s
ヤング率	(α form) 54.8 GPa
剛性率	(α form) 21.8 GPa
体積弾性率	(α form) 37.9 GPa
ポアソン比	(α form) 0.259
ビッカース硬度	570 MPa
CAS登録番号	7440-54-2
主な同位体
詳細はガドリニウムの同位体を参照
同位体 NA 半減期 DM DE (MeV) DP 152Gd 0.20 % 1.08 × 1014 y α 2.205 148Sm 154Gd 2.18 % 中性子90個で安定 155Gd 14.80 % 中性子91個で安定 156Gd 20.47 % 中性子92個で安定 157Gd 15.65 % 中性子93個で安定 158Gd 24.84 % 中性子94個で安定 160Gd 21.86 % > 1.3 × 1021 y β-β- 1.7 160Dy
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名称

ガドリニウムの語源は、フィンランドの鉱物学者である ヨハン・ガドリン (J.Gadolin, 1760-1852) から^[2]。ヨハンはイットリア鉱石からガドリニウムを分離したほか、同鉱石の主成分であるイットリウムを発見したことでも知られる。

性質

銀白色（白色）で展延性のある希土類。常温、常圧で安定な結晶構造は、六方最密充填構造 (HCP)。1235 °Cを超えると体心立方格子のβ形に変わる。比重は7.9、融点は1312 °C、沸点は約3000 °C。水にゆっくりと溶け、酸には易溶。安定な原子価は+3価。

ガドリニウムは、最大14個の電子が入る 4f 軌道が、占有可能な電子数の半分にあたる7個の電子で占有されており、7つの不対電子を持つ。そのため、7つの異なる軌道に合成スピン角運動量による磁気モーメントが最大となる。このことからガドリニウム錯体（Gd-DOTA 等）は磁性材料や MRI 検査用の造影剤（T1短縮効果）に利用されている。

→詳細は「MRI造影剤」を参照

3価の陽イオン Gd³⁺ も 4f⁷ の球対称な電子配置を取るため、化合物中の原子価も無色の3価が唯一安定な状態となる。

室温以下で強磁性も示し、そのキュリー点は20 °C (292 K) である^[1]。

また、ガドリニウムは中性子吸収断面積が非常に大きいので、原子炉の制御材料などに使われる。中でもガドリニウム157の吸収力が優れている。

歴史

ジャン・マリニャック (J.C.G.de Marignac) が1880年に発見^[2]。

ガドリニウムの化合物

• 酸化ガドリニウム(III) (Gd₂O₃) - ガドリニアとも呼ばれる
• ガドリニウムガリウムガーネット (Gd₃Ga₅O₁₂)

同位体

→詳細は「ガドリニウムの同位体」を参照

• ¹⁵³Gd は、X線吸光光度分析法や骨粗鬆症のための骨密度測定等のX線源として用いられる。
• ¹⁵⁷Gd は、ガドリニウムの同位体の中でも熱中性子^[3]に対する吸収断面積が25万4000バーンと極めて高く、中性子捕捉療法の中性子吸収剤としての利用が期待されている。

出典

[脚注の使い方]

1. Charles Kittel (1996). Introduction to Solid State Physics. New York: Wiley. p. 449
2. 桜井弘『元素111の新知識』講談社、1998年、279頁。ISBN 4-06-257192-7。
3. 300 Kの室温と熱平衡状態にある運動エネルギーが0.025 eV（速度2200 m/s）程度の中性子の事