Chapitres
Présentation
Le gadolinium est un élément chimique qui porte le numéro 64 dans la classification périodique des éléments.
Informations générales | |
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Symbole | Gd |
Numéro atomique | 64 |
Famille | Lanthanide |
Période | 6 |
Bloc | f |
Masse volumique | 7,901 g.com-3 |
Couleur | Blanc argenté |
Propriétés atomiques | |
Masse atomique | 157,25 u |
Rayon atomique | 188 pm |
Configuration électronique | [Xe] 6s2 4f7 5d1 |
Électrons par niveau d'énergie | 2 | 8 | 18 | 25 | 9 | 2 | 3 |
Oxyde | Base |
Système cristallin | Hexagonal compact |
Propriétés physiques | |
État ordinaire | Solide |
Point de fusion | 1 313°C |
Point d'ébullition | 3 273°C |
Définitions
- Numéro atomique : Le numéro atomique d’un atome représente le nombre de protons de ce dernier
- Famille : L’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée) a regroupé en 10 familles les éléments chimiques qui présentent des propriétés physiques et chimiques semblables
- Groupe : Chaque groupe correspond aux éléments chimiques présents dans une même colonne du tableau périodique des éléments
- Période : Chaque période correspond aux éléments chimiques présents dans une même ligne du tableau périodique des éléments. Ils partagent également le même nombre de couches électroniques. On en compte 7 au maximum
- Bloc : Les éléments périodiques sont classés par bloc selon leurs propriétés et selon les couches électroniques jusqu’auxquelles elles sont remplies
- Dureté : La dureté d’un matériau représente la résistance qu’il oppose à la pénétration. On peut la mesurer selon plusieurs méthodes : la méthode par pénétration, la méthode par rayage ou encore la méthode par rebondissement
- Point de fusion : Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l’élément chimique fond, passant ainsi de l’état solide à l’état liquide
- Point d’ébullition : Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l’élément chimique bout, passant ainsi de l’état liquide à l’état gazeux
Rappel : La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C’est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque. Sa dernière révision date de 2016 par l’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l’évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.
L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science. L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.
Un peu d'histoire
Étymologie
Le mot gadolinium est dérivé du nom du chimiste et géologue finnois Johan Gadolin. C'est ce scientifique qui a découvert la gadolinite, roche dont le nom provient lui-même de son découvreur.
Premières découvertes
C'est en 1794 que Johan Gadolin découvre, dans les environs du village d'Ytterby en Suède, une roche qui sera, par la suite, baptisée Gadolinite. Cette même roche, en 1880, sera étudiée par le chimiste suisse Jean-Charles Galissard de Marignac qui effectuera une analyse spectroscopique d'échantillons obtenus à partir de gadolinite. Il repérera alors des raies correspondant à un élément chimique encore inconnu à cette époque. Il faudra alors attendre 1886 pour que le chimiste français Paul Emile Lecoq de Boisbaudran isole le gadolinium.
Présence à l'état naturel
Etant un terre rare, le gadolium est présent dans la croûte terrestre. Les terres rares, malgré ce qu’on peut croire, ne sont pas tellement rares. Les oxydes des terres rares sont souvent les sous-produits de l’exploitation de minerai.
Les terres rares est un groupe de métaux possédant des propriétés proches du scandium 21Sc, de l’yttrium 39Y, et des quinze lanthanides.
Le gadolinium est caractérisé par une diversité minéralogique très faible. En effet, il n'existe qu'un minéral connu dont il est le constituant principal : la lepersonnite (Gd). Le gadolinium est plutôt présent en solution solide dans divers minéraux riches en terres rares.
Extraction
Aujourd'hui, le gadolinium est principalement extrait de :
- La monazite, de formule (Ce,La,Th,Nd,Y)PO4
- La bastnäsite, de formule (Ce,La,Y)CO3F
Propriétés physiques et chimiques du gadolinium
Comme dit précédemment, le gadolinium est un métal faisant partie des terres rares. De couleur gris argent, ce métal est malléable et ductile à température ambiante. Le gadolinium est capable de cristalliser dans un système hexagonal compact à température ambiante. Cependant, il possède également une autre forme allotropique que l'on appelle aussi forme bêta. Cette forme bêta cristallise dans le système cristallin cubique centré à une température de 1 508 K.
L'allotropie est la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes. Une forme allotropique peuvent avoir des propriétés physique, comme la couleur et la dureté, et une réactivité chimique différentes même si elles sont composées d'atomes identique. Les transformations d'une forme allotropique à l'autre peuvent être induites par des changements de pression et de température ou même par une réaction chimique. Certaines formes ne sont stables que sous certaines conditions définies de température et de pression.
Plutôt stable à l'air sec, le gadolinium s'oxyde rapidement dans l'air humide. En revanche, il réagit lentement avec l'eau et est soluble dans les acides dilués. Le gadolium est souvent considéré comme l'un des quatre éléments ferromagnétiques, mais son point de Curie, noté TC, est très bas (environ 292 K)
Il existe, dans un matériau dit ferromagnétique, une température de Curie (encore appelé point de Curie) notée TC qui est la température à partir de laquelle le matériau perd son aimantation permanente.
Le gadolinium est le métal présentant la plus grande capacité d'absorption des neutrons thermiques parmi tout les éléments naturels.
Utilisations
Le gadolinium est utilisé dans divers secteurs :
- Il est possible d'ajouter du gadolinium à de l'acier au chrome pour améliorer la dureté et les propriétés de transformation de l'alliage.
- Le granat de gadolinium-galium (aussi abrégé GGG), de formule Gd3Ga5O12, est utilisé pour fabriquer des lasers. On peut augmenter la puissance du laser en le dopant avec du néodyme, de l'ytterbium ou du dysprosium. Actuellement, des développements sont en cours dans le but de mettre au point de laser à rayon X utilisant le néodyme et le granat de gadolinium-galium.
- Le granat de gadolinium-galium est également utilisé en tant que substrat dans la fabrication de composants hyperfréquence en couche mince.
- Le gadolinium est utilisé comme substance phosphorescente dans les tubes cathodiques.
- Le gadolinium permet, grâce à ces propriétés, la confection d'alliages supraconducteurs.
- Complexé avec un chélateur ou un ligand, le gadolinium est utilisé comme agent de contraste dans l'imagerie par résonance magnétique (IRM).
- Le gadolium, sous sa forme oxydée de formule Gd2O3, est utilisé comme absorbant neutronique dans certains réacteurs nucléaires pour limiter la réactivité en début de vie. En effet, le gadolium présente de bonne propriétés neutrophage.
- Actuellement, une équipe française teste un réfrigérateur qui fonctionnerait en magnétisant le gadolinium.
Toxicité
Puisqu'il entre en compétition avec le calcium dans certain processus calcium-dépendants du corps humain (comme la respiration, les battements du muscle cardiaque, la contraction des muscles ou même la coagulation sanguine), le gadolinium présente une certaine toxicité telle qu'il peut mener à de graves dommages selon sa concentration. Le gadolinium a tendance à s'accumuler dans le cerveau. Mais certains chélates de gadolium ne causent pas de déficit neurologique. C'est un métal lourd qui est toxique (voire même mortel) pour les personnes présentant des insuffisances rénales, il peut même provoquer une réaction inflammatoire. C'est pour cela que les composés du gadolinium, dont certains sont utilisés en médecine en tant qu'agent de contraste pour l'imagerie par résonance magnétique (aussi appelée IRM), sont obligatoirement complexés pour annuler toute toxicité.
Les ions du gadolinium en solution aqueuse
L'ion gadolinium III, de formule Gd3+, est un cation monoatomique présentant un défaut de 3 électrons. Il peut être obtenu par réaction entre le gadolinium métallique et un acide.
Composés à base de gadolinium
L'oxyde de gadolinium, de formule Gd2O3, est l'oxyde produit lors de la combustion du gadolinium métallique.
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