Quest’anno sono indeciso:Gadolinio o Terbio?

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo

Continuiamo la serie di post sugli elementi con il medesimo numero atomico dell’età di chi ne parla, da un’idea di Gianfranco Scorrano.

a cura di Claudio Della Volpe

Fra un mese il Sole sarà ancora nella costellazione della Bilancia quando col mio compleanno passerò dal dominio del Gadolinio (n.a. 64) a quello del Terbio (n.a. 65). In effetti mi si attribuisce allo Scorpione, ma si sa che l’astrologia è in ritardo sull’astronomia quasi di una intera costellazione.

 gadolinioterbio

Entrambi gli elementi rientrano in un gruppo noto come Lantanidi o terre rare; veramente la cosa è complicata; IUPAC aveva raccomandato di chiamare terre rare il gruppo dei 17 formato da Lantanidi + Scandio e Yttrio, come indicato in questo grafico:terbio1

Come vedete la cosa si è evoluta e adesso questa divisione si è moltiplicata in terre rare leggere (light, LREE) e pesanti (heavy, HREE) e sia il Gadolinio che il Terbio rientrano in questa seconda categoria.

Dato che negli atomi a molti elettroni la energia degli elettroni è funzione non solo del numero quantico principale ma anche della forma dell’orbitale, ossia degli altri numeri quantici, gli elettroni 4f risultano interni, non ionizzabili e non ci caratterizzano, mentre tutti noi abbiamo all’esterno elettroni 6s e 5d; in pratica sembriamo molto simili e siamo difficili da separare.

Prendiamo il caso del Ce; lui è Ce ([Xe] 4f1 5d1 6s2 e quando si ionizza perde elettroni d ed s e diventa Ce ([Xe] 4f1)+3; similmente i miei due elementi Gd ([Xe] 4f7 5d1 6s2 e Tb [Xe] 4f9 6s2; il primo quando si ionizza si trasforma in uno ione +3 fatto così: (Gd [Xe] 4f7 mentre il Tb si ionizza Tb ([Xe] 4f8)+3, molto simile dunque, ma può perfino, per assomigliarmi, seppur raramente diventare proprio uguale ma con una carica in più: Tb ([Xe] 4f7)+4, insomma non è facile distinguerci, da ioni abbiamo tutti orbitali f esterni con 3 cariche in genere, raramente con un numero di cariche diverse, dei veri gemelloni.

Quando ci scoprirono nel 1787, lo fece uno studente di nome Arrhenius, (ma Carl Axel non Svante, attenzione) che studiava con un tal Berzelius, lo conoscete? Beh ci scoprì in un posto della Svezia, nel piccolo paesino di Ytterby, (in una delle isolette vicine a Stoccolma) pensate un pò; e da lì sono venuti i nomi di alcuni di noi fra cui Erbio, Terbio e Ytterbio; Arrhenius mandò un campione al professor Gadolin, dell’Università di Abo e lui scoprì guarda caso appunto il …….Gadolinio.

terbio2

In effetti questo nome di terre rare è un nome che falsa le cose; diciamo la verità noi vecchi 60enni non siamo affatto rari; oh scusate! volevo dire le terre rare non son affatto rare. La cosa è diversa: siamo piuttosto “terre disperse”, ecco questo è il termine esatto, disperse, ciascuna nel suo guscio, non tendiamo a fare gruppo, a concentrarci in depositi seri, in miniere sfruttabili (questo vale anche per i vecchiotti…… eccetto il fortunato caso della redazione di questo blog).

Eppure la nostra abbondanza complessiva nella crosta terrestre è molto alta; nessuna delle terre rare è meno abbondante dell’argento o dell’oro e alcuni fratelli come il Cerio sono perfino più abbondanti del piombo o dello stagno, pensate un pò, ma ve ne parleranno loro quando sarà il momento.

terbio3

Ora perchè sia così non è molto chiaro; qualcuno dice che date le dimensioni degli ioni (fra l’altro tutti molto simili come abbiamo visto) che formiamo non riusciamo a entrare comodamente in minerali diffusi e comuni e quindi siamo dispersi un pò dappertutto. Questo di fatto è vero, perchè quasi tutti noi facciamo principalmente ioni +3 e il nostro raggio a questa carica (circa 90-100picometri, ossia millesimi di miliardesimo di metro) è significativamente maggiore degli altri ioni con la stessa carica se si eccettuano gli atomi radioattivi del gruppo degli attinidi, ma quella è gente assolutamente instabile di carattere e molto difficile da frequentare e da sostituire, perchè quando meno te lo aspetti esplode!!

Questa situazione di solitudine e dispersione rende la nostra estrazione, molto, molto costosa e succede che certi paesi pur avendo dei depositi decenti non li sfruttano; attualmente il mercato del nostro gruppo di vecchiotti, pardon di terre rare, è tutto in mano ai cinesi; sarebbe il caso di sviluppare dei metodi di recupero seri; eh già perchè le terre-“disperse”-più-che-rare sono diventate anche molto utili.

Il gadolinio viene usato per produrre granati all’ittrio-gadolinio, utilizzati nei dispositivi a microonde; o anche per produrre fosfori per i televisori a colori.

Abbiamo visto prima che lo ione Gd3+  ha 7 elettroni spaiati nell’orbitale 4f (il che rende conto della sensazionale stabilità dello ione), e questo lo rende paramagnetico; è quindi usato in soluzione, complessato da leganti ciclici poliamminopolicarbossilici, come mezzo di contrasto intravenoso nell’imaging a risonanza magnetica a scopo diagnostico.

Il gadolinio viene inoltre usato per la produzione di compact disc e di dispositivi di memoria per computer. Trova infine impiego anche in sistemi di spegnimento di emergenza in reattori nucleari, in special modo in reattori di tipo CANDU, per la sua elevata sezione di cattura dei neutroni termici.

Il gadolinio possiede insolite proprietà metallurgiche; per semplice addizione dell’1% di gadolinio al ferro, al cromo ed alle loro leghe se ne migliora la lavorabilità e la resistenza alle alte temperature ed all’ossidazione.

L’elevato momento magnetico del gadolinio e la sua bassa temperatura di Curie – vicina alla temperatura ambiente – rende il gadolinio idoneo alla realizzazione di sensori magnetici di temperatura.

Il Terbio invece è usato per drogare il fluoruro di calcio, il tungstato di calcio ed il molibdato di stronzio, per fare giunzioni p-n ossia per costruire transistors ed altri componenti elettronici, nonché insieme all’ossido di zirconio come stabilizzante delle celle a combustibile che operano ad alta temperatura.

Viene usato in leghe metalliche ed il suo ossido è impiegato per la preparazione dei fosfori verdi delle lampade a fluorescenza e degli schermi televisivi, soprattutto per fare la componente verde, mentre quella blu viene dall’europio +2 e quella rossa dall’europio +3. Quando guardate uno schermo pensate a me insomma, sono lì nascosto nei verdi.

Insomma usi a non finire nella moderna tecnologia e conseguentemente necessità di imparare a riciclare questi elementi, cosa che ancora non si fa se non forse per il Cerio delle marmitte catalitiche.

Questa balzana idea di Osmio Scorrano, di apparentarci ognuno con un elemento che abbia lo stesso numero atomico dell’età mi ha fatto pensare ad una cosa. E se correlassimo la distribuzione degli elementi e quella delle età cosa avverrebbe?

La piramide delle età della popolazione è più o meno così:

terbio4

A sinistra in un paese ricco di giovani e giovanissimi; la popolazione si espande poi e va in stato quasi stazionario, ma può anche “invecchiare” come avviene in paesi come il nostro o in molti di quelli ad antica industrializzazione quando i vecchi diventano più numerosi dei giovanissimi. L’asse verticale rappresenta le età crescenti verso l’alto mentre l’asse orizzontale esprime l’abbondanza relativa di uomini e donne sui due lati; potete tranquillamente usarne una sola metà per avere un’idea, dato il diffuso (sia pur non assoluto) equilibrio tra i due generi.

Paragonate per esempio la giovane Angola

terbio5

con la relativamente vecchia Cina:

terbio6

Beh se lo confrontiamo a quello che succede nel caso degli elementi troviamo una interessante analogia, tuttavia considerate che di solito qui l’asse del numero atomico (che corrisponderebbe a quello delle età) è orizzontale e l’abbondanza verticale e di solito è anche un’asse logaritmico non lineare, quindi almeno ruotate la parte sinistra di 90° per fare un paragone, una cosa così:

terbio7

L’abbondanza degli elementi dell’universo appare invece così:

terbio8

Quindi, a meno di qualche irregolarità, appare più simile a quello di un paese relativamente giovane ma con qualche problema di storia; quei minimi di abbondanza che per gli elementi corrispondono a minimi di stabilità o dei dettagli della nucleosintesi stellare (Berillio , Boro, Fluoro) (si veda anche https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosynthesis) possono trovarsi anche nel caso delle popolazioni, ma per motivi affatto diversi, per esempio per guerre o epidemie che in certo anno hanno fatto scomparire di prevalenza quella certà età.

Notate che noi del gruppo delle terre rare abbiamo una cosa veramente particolare:

terbio9

le nostre abbondanze (anche qua la scala verticale è logaritmica) oscillano in su e in giù al crescere del numero atomico; sono Gadolinio ancora per un mese e sono più abbondante del Terbio, i numeri pari sono tutti più abbondanti dei dispari nelle terre rare; notate ancora altre cose, per esempio la diversa abbondanza di molti dei maggiori metalli di uso industriale indicati in rosso e di quelli preziosi in viola; noi terre rare in blu non sfiguriamo affatto, come dicevo prima siamo dispersi più che rari.

Proprio come i vecchi moderni, stentiamo a stare insieme, viviamo in solitudine, vecchi “nucleari”.

Voi che ne dite?

  • le immagini degli elementi del sistema periodico sono tratte dal progamma Periodic Table sistemaperiodico

3 thoughts on “Quest’anno sono indeciso:Gadolinio o Terbio?

  1. Salve,

    premetto che non sono un chimico ne un esperto materiali, sto però ricercando informazioni sul gadolinio che saturazione magnetica ha il materiale a temperatura ambiente? E’ possibile fare un magnete permanente con Gadolinio magari combinandolo così GdFeCo per aumentare il punto di Curie? Che tipo di proprietà magnetiche avrebbe? Mi interessa in particolare sapere a quanti Tesla arriverebbe un magnete del genere. Leggevo in un post non so se sia vero che combinandolo con un altro rare earth può raggiungere livelli di saturazione di 6T se usato come core per un elettromagnete è vero? Se fosse combinato in questo modo CoFeVGd si ottere un materiale soft magnetic o un semi hard quindi possibile magnetizzarlo? Sempre in questa configurazione quanti Tesla si otterrebero?
    Mi servirebbe un magnete permanente che super gli 1.5T di Br è per questo motivo che faccio queste domande.

    Ringrazio spero mi possiate aiutare

    Saluti
    Ugo

  2. Non sono un esperto di magneti, ma mi risulta che al momento non ci siano magneti permanenti sopra 1.4 Tesla e quelli esistenti mi risultano fatti di NIB, Neodimio-Ferro-Boro; sopra questi valori di induzione magnetica occorre passare agli elettromagneti e lì valori di quel tipo sono anche bassi perchè a seconda del metodo si arriva anche a 45Tesla. Capisco che il Gadolinio con i suoi 7 elettroni spaiati possa apparire come un candidato ideale ma al momento non mi risulta sia usato nei magneti permanenti, forse mi sbaglio; spero che qualche altro collega possa dare informazioni aggiornate

  3. Le do del tu. Ringrazio si conosco i magneti al Neodimio ne ho comperati già diversi ma al massimo come giustamente fai notare arrivano ad un massimo di 1.4T, massimo che ho ho trovato 1.47T. Purtroppo per l’applicazione a cui sto pensando non avrei a disposizione molta corrente per poterlo fare con un elettromagnete ed in più dovrei invertire la corrente in maniera ciclica e immagino fare questo tipo operazione velocemente potrebbe essere un problema quando gli ordini di grandezza salgono.
    Secondo voi se compro del GdFe che si vende e lo faccio magnetizzare cosa potrei ottenere come intensità di Br?
    Volevo sperimentare anche permendur 49, che è soft magnetic e ha una saturazione di 2.32T, con aggiunta di Gd oppure come dicevo GdFeCo non so in entrambi casi in che percentuali. Si vende anche il Gadolinio puro però è un pò costoso e non so da solo se magnetizzato cosa si ottiene.
    Che livello di saturazione magnetica ha il Gadolinio?Se lo volessi trovare sperimentalmente comprando del Gd puro al 99% cosa dovrei fare?
    Qualsiasi altra informazione sul Gadolinio è ben accetta.

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