Gadolinio: estructura, propiedades, obtención, usos
El gadolinio es un metal perteneciente al grupo de los lantánidos, de las tierras raras, cuyo símbolo químico es Gd. Presenta en ausencia de óxido un color blanco plateado. Es estable en el aire seco, pero se oxida con el aire húmedo formando un óxido oscuro. Asimismo reacciona con el agua caliente para formar el hidróxido de gadolinio.
El gadolinio forma complejos fluorescentes y presenta otras propiedades físicas particulares: es magneto-calórico, es decir, su temperatura es dependiente del campo magnético existente. Se trata además de un elemento paramagnético que se convierte en ferromagnético a bajas temperaturas.
El gadolinio tiene un punto de Curie de 17 ºC. Posee una abundancia de 5.2 ppm en la corteza terrestre, superior a la que presentan elementos tales como el cesio, el berilio y el estaño. Se ha demostrado su presencia en algunos vegetales como el eneldo, la remolacha roja y la lechuga romana.
El gadolinio fue descubierto en 1800 por Jean de Marignac, mediante el estudio del óxido de gadolinio obtenido del mineral samarskita. Paradójicamente, el mineral gadolinita solamente tiene trazas de este metal, cuya verdadera fuente mineralógica está comprendida por los minerales monacita y bastnäsita.
Índice del artículo
- 1 Descubrimiento
- 2 Estructura química del gadolinio
- 3 Configuración electrónica
- 4 Propiedades del gadolinio
- 5 Obtención
- 6 Usos/aplicaciones
- 7 Referencias
El gadolinio fue descubierto en 1880 por el químico suizo Jean Charles Gelissard de Marignac. Este científico logró identificar en un óxido, obtenido del mineral samarskita, un nuevo registro espectroscópico, el cual luego se demostró que correspondía al presentado por el metal gadolinio.
Hay un señalamiento de que Marignac preparó el óxido de gadolinio a partir del mineral cerita, en lugar de la samarskita, llamando al óxido como “gadolinia”. En 1886, el químico francés Paul Émile Lacog de Boisbaudran logró aislar el metal gadolinio a partir de su óxido.
Esto sirvió para confirmar los hallazgos de Marignac y atribuirle el descubrimiento del gadolinio. De Boisbaudran, previa consulta con Marignac, asignó al nuevo metal el nombre de gadolinio en honor del mineralogista del siglo XVIII: John Gadolin.
John Gadolin (1760-1752) era un químico finlandés quien en 1792 examinó un mineral negro recolectado cerca de Estocolmo, y halló que contenía un 38% de un óxido de una tierra rara al que llamó itria.
En 1800 se denominó al mineral que examinó Gadolin como gadolinita. Sin embargo, después se estableció que no era particularmente rico en gadolinio, sino que apenas tenía trazas de este metal.
El gadolinio puede adoptar dos estructuras cristalinas:
-Hexagonal compacta (hcp) a temperatura ambiente, llamada α-Gd
-Cúbica centrada en el cuerpo (bcc) por encima de los 1235 ºC, la cual se representa como β-Gd
La configuración electrónica abreviada del gadolinio es:
[Xe] 4f7 5d1 6s2
Debería tener ocho electrones en los orbitales 4f, por ser el octavo miembro de los lantánidos; pero en su lugar tiene siete, con un electrón en el orbital 5d. Esta es una de las tantas irregularidades en el orden de llenado de los orbitales.
Metal sólido de color blanco plateado. El gadolinio es un metal dúctil y maleable.
64
157 g/mol
1312 ºC
3000 ºC
7.90 g/cm3
10.05 kJ/mol
301.3 kJ/mol
0, +1, +2 y +3, siendo este último (Gd3+) el estado de oxidación más importante.
1.2 en la escala Pauling
Primera: 593.4 kJ/mol
Segunda: 1170 kJ/mol
Tercera: 1190 kJ/mol
A temperaturas inferiores a 20 ºC (punto de Curie 17 ºC), se comporta como un metal ferromagnético, es decir, es atraído por los imanes. Y a temperaturas superiores a 20 ºC, se comporta como un metal paramagnético.
El gadolinio tiene la propiedad de ser termo-magnético, ya que aumenta su temperatura al entrar dentro de un campo magnético; y la disminuye al salir de este. Además, el gadolinio tiene un alto valor de resistividad eléctrica (131 µΩ-cm).
La mayor parte de los compuestos formados por el gadolinio son con la valencia +3. El metal es estable en el aire seco, pero es empañado por el aire húmedo, formando un óxido blanco escamoso, Gd2O3, que luego se oscurece y que no lo protege de posteriores oxidaciones.
El gadolinio no es soluble en el agua fría, pero es capaz de reaccionar con el agua caliente para formar el hidróxido de gadolinio, Gd(OH)3. El gadolinio es un agente reductor fuerte que actúa reduciendo los óxidos de los metales.
Reacciona asimismo con todos los halógenos para formar haluros de color blanco; a excepción del yoduro de gadolinio, que es amarillo. Reacciona con los ácidos a excepción del ácido fluorhídrico, con el cual forma una capa protectora.
Al igual que muchas tierras raras, el gadolinio es obtenido económicamente de los minerales monacita y bastnäsita. Una vez obtenidos estos minerales, son triturados para reducirlos a fragmentos e iniciar así el proceso de aislamiento.
El primer paso consiste en tratar los fragmentos minerales con ácido clorhídrico para transformar los óxidos insolubles en cloruros solubles. Después se neutraliza el líquido filtrado con la adición de hidróxido de sodio para ajustar el pH entre 3 y 4, produciéndose la precipitación del hidróxido de torio.
Luego, se trata el sobrenadante con oxalato de amonio para que ocurra la formación de los oxalatos insolubles de las tierras raras. Estos oxalatos son calentados para convertirlos en óxidos, los cuales son tratados a su vez con ácido nítrico, lo cual produce la precipitación del cerio.
El sobrenadante es tratado con nitrato de magnesio para producir sales cristalizadas dobles de gadolinio, samario y europio, las cuales pueden separarse mediante el uso de cromatografía de intercambio iónico.
El gadolinio metálico finalmente se puede obtener de sus óxidos o sales llevándolos a 1450 ºC, y reduciéndolos con calcio en una atmósfera inerte de argón.
Las aleaciones de gadolinio, silicio y germanio, fundidas por arco, demuestran un efecto magneto-calórico. Es decir, que su temperatura se ve afectada por la intensidad del campo magnético al que están expuestas. Esta propiedad ha servido de base para el establecimiento de la refrigeración magnética.
El gadolinio se utiliza en aleaciones con hierro y cromo para mejorar la resistencia a las altas temperaturas y la corrosión.
Sus compuestos se utilizan como fósforo verde en tubos de imágenes de la televisión a color. Asimismo, el gadolinio es utilizado como fuente de fósforos en lámparas fluorescentes, pantallas intensificadoras de rayos X, y centelladores para la tomografía de rayos X.
El gadolinio se utiliza con el itrio en la fabricación de granates que tienen aplicación en microondas. Asimismo se utiliza en la fabricación de imanes, componentes electrónicos como cabezales de grabadoras de vídeo, y discos compactos (CD) y memorias de computadoras.
Debido a su sección transversal el gadolinio tiene gran capacidad de captar neutrones, permitiendo así su uso como escudo y barra de control en los reactores nucleares.
Las características magnéticas del gadolinio ha permitido se uso para formar complejos de contrastes, útiles en las imágenes por resonancia magnética (RMI). El material de contraste es inyectado por vía intravenosa, permitiendo algunos de los siguientes estudios médicos:
-Estado de evolución de tumores cancerosos
-Imágenes cardíacas de perfusión, con la caracterización del tejido cardíaco y la cuantificación de la fibrosis miocárdica
-Diagnóstico en pacientes con anormalidades del sistema nervioso central, etc.
La solución de contraste de gadolinio es inyectada directamente en las articulaciones de la rodilla, el codo y el hombro, para lograr imágenes de resonancia magnética de su integridad y funcionamiento.
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