اكتشاف عنصر الغادولينيوم

في الكيمياء يعد عنصر الغادولينيوم أحد العناصر الكيميائية، ويمتلك الرمز Gd ورقم ذري مقداره 64 في الجدول الدوري، كما ويصنف على أنه أحد اللانثانيدات، ويكون هذا العنصر على شكل مادة صلبة في درجة حرارة الغرفة.

اكتشاف عنصر الغادولينيوم

اسم الغادولينيوم مشتق من معدن الجادولينيت الذي وجد فيه، والذي قد تم تسميته على اسم الكيميائي الفنلندي للأرض النادرة يوهان جادولين، كما وقد تم اكتشاف الغادولينيوم بواسطة الكيميائي السويسري جان تشارلز جاليسار دي مارينياك في عام 1886 ميلادي، الذي قام بإنتاج أكسيدًا أبيض في معدن السمارسكيتي، وفي عام 1886 ميلادي أطلق الكيميائي الفرنسي بول إميل ليكوك دي بواسبودران اسم الغادولينيوم.

لوحظ الدليل الطيفي لوجود عنصر الغادولينيوم لأول مرة من قبل الكيميائي السويسري جان تشارلز جاليسارد دي مارينياك في ديديميا المعادن والجادولينيت ((Ce ، La ، Nd ، Y) 2FeBe2Si2O10) في عام 1880 ميلادي، أما في هذه الأيام فإنه يتم الحصول على عنصر الغادولينيوم بشكل أساسي من معادن المونازيت ((Ce ، La ، Th ، Nd ، Y) PO4) وباستناسيت ((Ce ، La ، Y) CO3F).

قام الكيميائي الفنلندي جادولين بالحصول على معدن الأرض النادر من معدن الغادولينيت، حيث تم فصل جادولينيا، أكسيد الغادولينيوم بواسطة مارينياك في عام 1880 ميلادي، كما وقد تم عزله بواسطة ليكوك دي بواسبودران بشكل مستقل عن إيتريا موساندر في عام 1886 ميلادي.

كما هو الحال مع المعادن الأرضية النادرة الأخرى ذات الصلة فإن معدن الغادولينيوم أبيض فضي، ويمتلك بريق معدني خاص به، وهو أيضا معدن مرن وقابل للطرق، وفي درجة حرارة الغرفة يتبلور معدن الغادولينيوم في شكل ألفا سداسي الشكل ومعبأ بشكل وثيق، أما عند التسخين إلى 1235 درجة مئوية يتحول من ألفا غادولينيوم إلى شكل بيتا والذي له هيكل مكعب محوره الجسم.

معدن الغادولينيوم مستقر نسبيًا في الهواء الجاف ولكنه يتلوث في الهواء الرطب ويشكل طبقة أكسيد غير ملتصقة بشكل غير محكم تسقط وتعرض المزيد من السطح للأكسدة، كما ويتفاعل المعدن ببطء مع الماء ويذوب في الحمض المخفف، وهناك معلومات تفيد أن معدن الغادولينيوم يحتوي على أعلى مقطع عرضي لالتقاط النيوترون الحراري من أي عنصر معروف (وتساوي تقريبا 49000 حظيرة).

يمتلك عنصر الغادولينيوم أكبر قدرة على التقاط النيوترونات الحرارية لجميع العناصر المعروفة، كما ويمكن أن يتم استخدامه كقضبان تحكم للمفاعلات النووية، ولكن لسوء الحظ فإن النظيرين الأنسب لالتقاط النيوترونات هما نظير الغادولينيوم 155 ونظير الغادولينيوم 157 موجودان في الغادولينيوم بكميات صغيرة نسبيا، ونتيجة لذلك تفقد قضبان التحكم في الغادولينيوم فعاليتها بسرعة.

يمكن أن يتم دمج معدن الغادولينيوم مع معدن الإيتريوم لتكوين العقيق الذي له تطبيقات في تكنولوجيا الميكروويف، كما أنه من الممكن أن يتم خلط معدن الغادولينيوم بمعدن الحديد ومعدن الكروم والمعادن الأخرى لتحسين قدرتها على العمل ومقاومتها لدرجات الحرارة المرتفعة والأكسدة، كما أنه تستخدم مركبات الغادولينيوم في صنع الفسفور للتلفزيونات الملونة.

يتم استخدام عقيق الغادولينيوم والإيتريوم في تطبيقات الميكروويف، كما وتستخدم مركبات الغادولينيوم كفسفور في أجهزة التلفزيون الملون، وحقيقة فإن معدن الغادولينيوم له خصائص فائقة التوصيل، أي ما يصل إلى 1 في المائة من الغادولينيوم يحسن قابلية التشغيل ومقاومة الحديد والكروم والسبائك ذات الصلة لدرجات الحرارة العالية والأكسدة.

يتميز مركب كبريتات إيثيل الغادولينيوم بخصائص ضوضاء منخفضة للغاية وقد تجد استخدامها في تكرار أداء مكبرات الصوت مثل المازر، معدن الغادولينيوم مغنطيسي حديدي، وهو فريد من نوعه بسبب حركته المغناطيسية العالية ودرجة حرارة كوري الخاصة والتي فوقها تتلاشى المغناطيسية الحديدية الموجودة في درجة حرارة الغرفة، مما يعني أنه من الممكن استخدامه كمكون مغناطيسي يمكنه الشعور بالحرارة والبرودة.

يوجد الغادولينيوم في العديد من المعادن الأخرى بما في ذلك معدني المونازيت والباستنايت وكلاهما يمتلكان أهمية تجارية، ومع تطور تقنيات التبادل الأيوني واستخراج المذيبات تحسنت بشكل كبير توافر وأسعار الغادولينيوم والمعادن الأرضية النادرة الأخرى، ومن الممكن أن يتم تحضير المعدن عن طريق عملية اختزال الفلوريد اللامائي بالكالسيوم المعدني.

الغادولينيوم الطبيعي عبارة عن مزيج من سبعة نظائر مختلفة، ولكن لقد تم التعرف الآن على سبعة وعشرون نظيرًا من نظائر الغادولينيوم، على الرغم من أن اثنين من هذه النظائر وهما النظير (155-Gd) والنظير (157-Gd) لهما خصائص التقاط ممتازة إلا أنهما موجودان بشكل طبيعي فقط في تركيزات منخفضة، ونتيجة لذلك يتمتع النظائر بمعدل احتراق سريع للغاية وله استخدام محدود كمواد قضيب تحكم نووي.

لقد ثبت أن إضافة النظير (157-Gd) إلى علاج التقاط النيوترون (NCT) أكثر فعالية في استهداف الأورام من الطريقة السابقة باستخدام النظير (10-B) فقط للعلاج، كما ويتم استخدام النظير (153-Gd) مع عمر نصف يبلغ 0.66 سنة في إنتاج مصادر خط الفوتون، وهو عبارة عن مصدر بصري ينبعث واحدًا أو أكثر من الخطوط الضيقة طيفيًا بدلاً من الطيف المستمر، ولتصنيع مصادر خط النظير (153-Gd) يتم استخدام النظير (153-Gd) أيضًا كمصدر للفوتون لتقنية قياس امتصاص الفوتون المزدوج (DPA) والتي تُستخدم لقياس محتوى المعادن في العظام (BMC)، كما وأجريت دراسات لهذه التقنية على الخيول والبشر.

كما وتساعد عوامل التباين المستندة إلى الغادولينيوم (GBCAs) الأطباء على رؤية الأنسجة غير الطبيعية في فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) بمزيد من التفاصيل، كما ويساعد الأطباء في تشخيص الالتهابات والأورام والجلطات الدموية من خلال تزويدهم بصور أكثر وضوحًا وإشراقًا من داخل الجسم.

غالبًا ما تكون الآثار الجانبية لعوامل التباين القائمة على الغادولينيوم خفيفة، حيث تشمل الآثار الجانبية الأكثر شيوعًا ألم موضع الحقن والغثيان والحكة والطفح الجلدي والصداع  والدوخة، وغالبًا ما تظهر الآثار الجانبية الخطيرة ولكن النادرة مثل سمية الغادولينيوم والتليف الجهازي الكلوي أو NSF في المرضى الذين يعانون من مشاكل الكلى الحادة.

معلومات عامة عن عنصر الغادولينيوم

الغادولينيوم هو عبارة عن أحد العناصر الأرضية النادرة الخفيفة، والتي تنتمي إلى سلسلة اللانثانيدات  فيما يلي بعض الحقائق المثيرة للاهتمام حول هذا المعدن:

• معدن الغادولينيوم هو عبارة عن معدن فضي ومرن ومطيل مع لمعان معدني، كما إنه فلوري ويميل إلى أن يكون له صبغة صفراء باهتة.

• عنصر الغادولينيوم مثل العناصر الأرضية النادرة الأخرى غير متواجد في شكل نقي في الطبيعة، حيث أن المصدر الأساسي للعنصر هو معدن الجادولينيت، كما ويوجد أيضًا في خامات الأرض النادرة الأخرى مثل معدن المونازيت ومعدن الباستناسيت.

• في درجات الحرارة المنخفضة، يكون الغادولينيوم أكثر مغناطيسية من الحديد، والغادولينيوم مغنطيسي مما يعني أن درجة حرارته تزداد عند وضعه في مجال مغناطيسي وتنخفض عند إزالته من الحقل.

• كان الكيميائي والمهندس الفرنسي فيليكس ترومبي أول من قام بتنقية الغادولينيوم في عام 1935 ميلادي.

• المعدن النقي من الغادولينيوم مستقر إلى حد ما في الهواء ولكنه يتلوث في الهواء الرطب، إذ يتفاعل ببطء في الماء ويذوب في الحمض المخفف، في درجات الحرارة العالية كما ويتفاعل الغادولينيوم مع الأكسجين.

• يحتوي المعدن الأرضي النادر على درجة حرارة خاصة من كوري تختفي فوقها المغناطيسية الحديدية مما يؤدي إلى إمكانية استخدامه كمكون مغناطيسي يمكنه الشعور بالحرارة والبرودة.

• النظائر المشعة: يحتوي الغادولينيوم على 27 نظيرًا بنصف عمر معروف بأعداد كتلتها تتراوح من 137 إلى 164، حيث أن الغادولينيوم الطبيعي هو خليط من سبعة نظائر.