钆（原子序数为64的金属元素）
VLoG
次浏览
更新时间：2023-05-20
钆
原子序数为64的金属元素
钆（英文：Gadolinium）为第六周期IIIB族f区元素，符号为Gd，原子序数为64。是在地壳稀土元素中含量排行第六的镧系金属，纯态的钆具有银白色光泽，延展性好。钆呈铁磁性，这意味着它与铁钴一样会受到磁体的强烈吸引。可与水、稀酸反应放出氢气，与氧气反应生成产物三氧化二钆。
基本信息
中文名
钆
英文名
gadolinium
别名
钆元素
拼音
gá
元素符号
Gd
原子序数
64
原子质量
157.2
元素类别
镧系元素
族
IIIB族
周期
第六周期
区
f区
电子排布
[Xe] 4f7 5d1 6s2
CAS编号
7440-54-2
相对分子质量
157.25
物理性质
外观
银白色金属
熔点
1312°C
沸点
3273 °C
密度
7.90 g/cm³
水溶性
不溶于水
熔化热
10.05 kJ/mol
汽化热
397.5 kJ/mol
比热容
37.03 J/mol·K(25 °C,100 kPa)
原子性质
氧化态
Gd
电负性
1.20（鲍林标度）
原子半径
180pm
危险性
警示术语
危险
GHS分类
H228 （19.61%）： 易燃固体 [危险易燃固体]
H261（80.39%）：与水接触释放易燃气体[与水接触会释放易燃气体的危险物质和混合物]
P210： 远离热源、热表面、火花、明火和其他点火源。禁止吸烟。
钆一般多作为混合稀土使用，也可用作石油、化工和环保催化剂，化合物可用于制备彩电显像管和计算机显示器中的磷光体。
在医疗方面用作静脉注射用的含钆对比剂（GBCA），主要用于磁共振成像（MRI）检查时增强内脏器官、血管和组织的影像质量。
钆可沉积在人体和动物器官中，例如脑、骨和皮肤等。在进行多次增强造影MRI扫描后，可能会造成钆在脑部逐渐沉积的风险。
发展历史
法国化学家Jean de Marignac和Paul Emile Ricochet de Boisbaudelin于1886年从矿物钇-硅-铍中共同发现并鉴定了钆元素，并经双方同意将该元素命名为钆( Gadolinium)，从此确立了钆元素的存在。钆元素采用芬兰著名化学家约翰·加多林（Gadolin）的名字命名，以此来纪念他对镧系元素的研究做出的重大贡献。
1961年，针对金属内的元素迁移方法首次应用于稀土提炼中。
分布范围
与大多数稀土一样，提炼钆最重要的钆矿物是独居石和氟碳铈。
铈独居石是一种稀土元素和钙钍的混合物，主要作为副矿物，产在花岗岩、正长岩、片麻岩和花岗伟晶岩中，与花岗岩有关的热液矿床中也有产出。主要矿床是滨海砂矿和冲积砂矿。世界上最重要的滨海砂矿床分布在澳大利亚沿海、巴西及印度沿海等。此外，斯里兰卡、马达加斯加、南非、马来西亚、泰国、韩国、朝鲜等地也有含独居石的重砂矿床。我国的白云鄂博也是钵独居石的重要产地。市售的钆是通过离子交换从钆矿石中提取的。
钆也可以从稀土中提取。2022年中国稀土矿产量最高，另外产量较大的矿区分布在美国、澳大利亚以及缅甸，2022年全球稀土总产量达30万吨。世界稀土储备量达13百万吨，其中中国储量最高，其次是越南。中国的稀土资源非常丰富，就工业储量而言，位居世界第一，主要分布在内蒙古白云鄂博矿区、广东省以及广西壮族自治区，另外还有江西庐南、寻乌等地，这种矿的钆含量高，便于制备钆和提取其他重稀土金属，提供了丰富的原料。
理化性质
物理性质
金属钆的一般状态下为块体，经过SPS烧结可依次转化为原始颗粒烧结态——非晶态——非晶、纳米晶混合态——纳米晶态。
室温下钆是顺磁性，冷却后呈现铁磁性，其特性可以用来改善永磁体。钆元素在室温下有很强的磁热效应，其温度会随磁场强度的变化而变化。
化学性质
与稀酸反应
钆溶于酸，生成相应的盐，并放出氢气。
与氧气反应（燃烧或缓慢氧化）
钆在氧气中燃烧生成白色的三氧化二钆粉末。
在潮湿空气中，因形成松散易脱落的片状白色氧化物覆盖表面而非常缓慢地失去光泽，这些氧化物会从金属表面剥离而把新鲜的金属表面暴露于空气中，因此金属会在空气中一直遭到腐蚀。
钆的化合物
钆的氢氧化物
钆的非金属化合物
氧化轧(GdO）
由钆盐煅烧制得，可溶于酸生成对应的盐。
含氧酸盐
硫酸[Gd2(SO4)3]
(2) 氧化钆易溶于硫酸而生成八水合硫酸钆的闪光结晶。
钆的放射性同位素
在核反应方面，钆是稳定元素，但钆152是放射性同位素，能进行α衰变
制备方法
工业制法
电解精炼法
电解法提纯钆利用特殊的纯稀土金属作为电解阴极，粗稀土钆作为可溶性阳极，在合适的电解工艺条件下，粗钆会形成一定浓度的钆离子，溶解在液体中，再沉淀在阴极上。
此方法具有控制杂质元素使与阳极金属分离，不干扰提纯的优点。
电解精炼钆的设备见图所示。
真空熔炼法
在真空或负压的惰性气氛中，将杂质从金属熔点以上的液态金属中挥发出来。这种方法的优点是可去除稀土金属中的矿渣和多余的还原剂，并可附带去除高饱和蒸气压下的金属和非金属杂质以及一些气态的杂质。
事实证明，通过真空溶解的预纯化可以获得高纯度的稀土金属，其纯度在99.5%~99.9%之间（质量分数，以下类似）。
真空蒸馏法
真空蒸馏法的提纯包括升华和蒸发，Gd通常通过蒸馏法提纯。如果蒸馏温度过低，可以有效去除饱和蒸汽压稍低的金属杂质和大部分坩埚杂质，但稀土金属的蒸发速度过低，与炉内残留气体碰撞的概率相对较高，导致O、N等气体杂质增多，提纯周期较长。
这种方法是3N级以上稀土金属批量化制备的主流技术，对于4N级以上高纯稀土金属，需要多次蒸馏提纯。
熔盐（电化学）脱氧法
通过利用稀土金属和熔盐之间的氧气分布差异，使氧气从金属中进入熔盐中；或者通过直流电将熔盐中净化的稀土金属作为阴极，高纯度石墨或碳棒作为阳极，金属中的O与活性金属（如Ca金属）反应并进入熔盐，到达阳极表面产生CO或CO2，从而实现脱氧。
区域熔炼法
这是一种在金属样品上移动一个狭窄的熔化区，利用固相和液相之间的杂质浓度差异进行杂质分离的精炼方法。当固相和液相共存时，固相和液相的杂质浓度不同，该比率被称为分布系数k。对于k<1的杂质，熔化区移动到钢锭的另一端，钢锭在熔化区的开始就被净化；对于k>1的杂质，熔化区移动到钢锭的另一端；如果k≈1，就不会达到提纯的效果。
经区域熔炼后，杂质在料棒两端富集，切除掉端部后，可获得高纯度的稀土金属，稀土金属的纯度可达到 4N 级以上。
固态电迁移法
在提纯过程中，首先对炉子进行抽真空和烧制，以去除炉壁、管道和炉子部件上的吸附气体，然后将待提纯的料装入炉内，抽空至l0⁻⁷Pa或更高的压力，并接受直流或脉冲电流，或恒定真空并充入惰性气氛，通过电流加热至恒定温度达到提纯的目标。
实验室制法
等离子体熔炼提纯
在高温下，气态氢离解形成H原子，H原子在原子上具有很强的还原性，有利于金属中气态杂质的去除；当Ar+H₂作为等离子体源时，稀土金属中的O、N和C等杂质与H原子反应，形成H₂O、NH₃和CH₄，同样实现了杂质的去除。
电子束熔炼提纯
在真空条件下，通过电子束在水冷铜坩埚中加热金属材料来提纯稀土金属的方式，通常用于提纯难熔金属，主要是去除稀土金属中具有高饱和蒸汽压的杂质和一些气态的杂质。事实证明，利用电子束对La金属进行熔化和精炼可以有效地去除Mg、Li、Mn、Cr、Fe和Ti等杂质。另一方面，杂质Ni和Si的饱和蒸汽压比La高得多，它们难以被清除。
固相外吸气法
这种机制利用的是：当吸附剂在密封的真空环境中被加热到高温时，吸附剂和被提纯金属中的非金属杂质之间的结合力会变得更强，从而使非金属杂质从待提纯金属中扩散到吸附剂上并被清除。
应用领域
工业方面
作为中子吸收剂
钆的两种同位素都是最有效的中子吸收剂，尽管它们的稀有性限制了它们的使用，但它们仍然被广泛用于制造核反应堆控制棒，用来吸收中子以确保停止反应堆的连锁反应，另外钆还作为合金添加剂使特种钢获得特殊的性质。
作为磷光来源
像许多镧系元素一样，钆化合物被用来在彩色电视管和计算机显示器中产生磷光。钆是铁磁性的，与铁钴一样，会被磁铁强烈吸引。
用于中子射线摄影
钆已被成功地用于新的中子射线摄影技术，以检测有问题的金属部件。它被用于航空航天和造船业，用来检测船体的裂缝和结构缺陷。
磁性致冷剂
用作磁性冷却剂的元素钆，在室温条件中有着强烈的磁热效应，温度表现随磁场的强度改变而不同。原理是在冷却过程中，由于磁偶极子的取向，磁性材料在一定的外部磁场影响下会发热。当磁场被移除，材料处于隔绝传热状态时，材料的温度会下降。
这种磁冷却使得减少冰箱中的制冷剂（如CFC氟利昂）的使用和快速降低温度成为可能。为此，全世界都在努力使用钆元素及其合金来制造高效的磁性冷却器。由于其独特的优势，如环境友好、低噪音、低能耗、小尺寸、易维护和长寿命等等，磁制冷是前景明朗的 一项"绿色 "技术，有望取代CFCs。
其他
通常情况下，钆作为一种混合稀土的材料被应用，除此之外它还在石油、环境催化剂和化学材料中被运用。钆还用于光纤、光盘（结合了磁性和光学特性）和防止核辐射的材料中。
医疗方面
作为造影剂
钆造影剂（钆对比剂，gadolinium⁃based contrastagents，GACAs）广泛用于磁共振成像（MRI），通过减少质子弛豫时间来增强病变组织和正常组织的对比度，能够改善器官、血管和组织的图像质量。钆造影剂的使用有利于疾病定位和定性诊断。
安全事宜
毒性
毒理学研究
钆的推荐注射剂量为0.1mmol/kg体重（0.2mL/kg)。一些特殊的制剂允许最大至0.3mmol/kg体重或大多数钆制剂的3倍剂量。在老鼠试验中得到的致死剂量（LD50—杀死半数受试对象的剂量）为6~20mmol/kg。其总不良反应发生率为3%~5%。
除了安全性，剂量也应该需要进行临床评估。因为剂量增加到一个点，观察病变和结果的能力也应随之增加。标准的最佳剂量是基于体重计算出来的。在一些情况下，较高弛豫率的试剂能够使信号强度增加，而如果使用标准的制剂则需要双倍的剂量才能达到同样的效果。
钆为一种重金属被人们所认识，而天然的重金属包括对人类来说是可以致死的。人体内可以结合Gd的位点位于细胞膜、转运蛋白、酶和骨基质[和（或）网状内皮组织系统：肺、肝脏、脾和骨]。由于人体无法排泄这些金属，它们可以在人体组织中停留较长时间，因此钆在自然状态下有剧毒和累积毒性。
游离的钆离子不会被排出体外，而是在体内积聚，因此会对人体产生毒性。而钆离子与螯合物（如DTPA）的结合会构成一个线性或更稳定的大环结构，可以减少其毒性，并确保它们全部从肾脏迅速排出。
降低毒性措施
结合螯合剂
螯合剂对金属离子有高亲和性，可以与金属离子的部分位点结合，能够将钆离子与这样的螯合剂结合可以极大地降低毒性且可以被人体轻松排出体外。一位有正常肾功能的患者，钆的生物半衰期小于2小时。如果患者的肾功能受损，这个时间就会延长。不同类型的钆试剂是不同的。
使用高效钆制剂
部分钆制剂可以用更小的剂量达到与一定量标准钆制剂相同的的效果。在全球有很多顺磁性的钆试剂被批准使用（这些试剂因其螯合物不同而不同），一些试剂是线性分子而其他的是大环分子，一些试剂是离子型的其他的是非离子型的，大多数试剂由肾脏排出体外。例如一种钆螯合物—钆贝葡胺（Gd-BOPTA），通过肾脏（小部分）也通过肝胆系统排泄，因此可用于肝脏成像，这种试剂有比标准钆制剂更高的弛豫率。因此，Gd-BOPTA按标准剂量注射（0.1mmol/kg体重）会产生标准钆制剂双倍剂量的增强效果。
健康危害
钆元素滞留体内
与钆相关的对比剂极少存在安全隐患。为了将钆作为一种对比剂安全地使用，通常将钆与一种分子结合或螯合。结合的稳定性是其安全性的一项重要考虑因素。如果分子不稳定（即钆很容易与螯合物分离）将会使钆元素滞留体内。
钆制剂的副作用
钆的大多数副作用是温和的，持续时间短。副作用的总频率为3%至5%，包括恶心、头痛和注射部位症状。过敏反应是其中很罕见的，但有过敏、哮喘或对药物、碘造影剂或钆有不良反应史的患者更可能出现不良反应，这些患者应谨慎对待钆制剂的使用。钆喷酸葡胺和欧乃影会导致血清铁的可逆性增加，在一些使用钆喷酸葡胺的病例中能够检测到胆红素含量的上升。
钆制剂的禁忌症
患肾衰竭又被注射钆的患者表现为“树皮样”的皮肤，被误诊为硬皮病。这种情况被称为肾源性纤维化皮肤病（NFD），不仅影响皮肤,也影响器官系统。由此，这种情况被称为NSF。NSF是一种实际没有任何治愈方法的致死性疾病，尽管治疗确实有所帮助,但必须立刻治疗。很多NSF的症状会自对比剂注射起几天到几个星期都不出现。在肾功能正常的患者中没有NSF的病例报道，因此肾衰竭是钆制剂的禁忌证，而肾衰竭的患者是应用钆的相对警惕人群。
钆沉积体内
2017年5月，FDA评估了已发表的研究报告，表明钆可能沉积在人类和动物器官中，包括大脑、骨骼和皮肤，并收集不良事件报告。包括欧洲药品管理局和加拿大卫生部在内的国外监管机构也公布了有关GBCA安全性的信息，警告说反复进行造影剂增强MRI扫描后钆会在大脑中逐渐沉积的风险。
现有的证据表明，线性和大环类GBCA均会在大脑中发生痕量钆沉积，但线性的沉积量比大环类高。应谨慎使用GBCA，在必须使用的情况下，应使用最低批准剂量，并在重复给药前仔细进行获益风险评估。
研究表明，重复注射GBCA会导致钆在大脑内部肿块中沉积，而且沉积量与注射剂量呈线性关系，但钆沉积的机制及其对神经系统的影响仍然需要紧急调查。
急救措施
对于意外过量可能会引起由钆喷酸葡胺注射液的高渗性导致的反应（肺动脉压升高，渗透性利尿，血容量过高和脱水），可通过血液透析从体内清除轧喷酸葡胺注射液。（在临床使用中，未观察到或报告过继发于钆喷酸葡胺（常用的磁共振成像造影剂）药物过量的中毒征象）
