가돌리늄은 화학 원소로, 원소 기호는 Gd, 원자 번호는 64이다. 주기율표에서 6주기 란타넘족(희토류)에 속하는 은백색의 연성과 전성이 있는 금속이다. 원자량은 157.25 g/mol이며, 밀도는 7.90 g/cm³, 녹는점은 약 1,585 K(1,312°C), 끓는점은 약 3,546 K(3,273°C)이다. 전자 배치는 [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s²이며, 주요 산화 상태는 +3이다.
발견 및 명칭 유래
가돌리늄은 1880년 스위스의 화학자 장 샤를 갈리사르 드 마리냐크(Jean Charles Galissard de Marignac)가 분광기를 이용하여 처음 발견하였다. 마리냐크는 가돌리나이트(gadolinite)라는 광물과 세라이트(cerite)에서 새로운 원소로 인한 선 스펙트럼을 관찰하였고, 이후 가돌리늄 산화물(가돌리나)을 분리하는 데 성공하였다. 1886년 프랑스의 화학자 폴 에밀 르코크 드 부아보드랑(Paul Émile Lecoq de Boisbaudran)이 순수한 형태의 가돌리늄을 최초로 분리하였다.
원소명은 핀란드의 화학자이자 지리학자인 요한 가돌린(Johan Gadolin, 1760~1852)의 이름에서 유래하였다. 가돌린은 희토류 원소 연구의 선구자로, 그의 이름을 딴 광물 가돌리나이트를 통해 이 원소가 명명되었다.
물리적·화학적 특성
가돌리늄은 공기 중의 산소나 수증기와 반응하여 표면에 검은색 산화물(Gd₂O₃) 피막을 형성한다. 실온에서는 조밀 육방 격자(hcp) 구조의 α상을 가지며, 1,235°C 이상으로 가열하면 체심 입방 구조의 β상으로 전환된다.
자기적 특성이 두드러진다. 퀴리 온도가 약 20°C(293 K)로, 이 온도 이하에서는 강자성(ferromagnetic)을 띠며 니켈보다 자석에 잘 붙는다. 20°C 이상에서는 상자성(paramagnetic)을 나타내지만 자성이 여전히 강하다. 또한 자기장에 들어가면 온도가 올라가고 자기장에서 나오면 온도가 내려가는 자기 열량 효과(magnetocaloric effect)를 보인다.
동위 원소
자연에는 6가지의 안정한 동위 원소(¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd, ¹⁶⁰Gd)와 1가지의 방사성 동위 원소(¹⁵²Gd)가 존재한다. 이 중 ¹⁵⁸Gd이 가장 풍부하며 존재 비율은 약 24.84%이다. ¹⁵⁷Gd은 안정한 핵종 중에서 중성자 포획 단면적이 가장 큰 것으로 알려져 있다. 방사성 동위 원소 ¹⁵²Gd은 1.08×10¹⁴년의 매우 긴 반감기를 가지며 알파 붕괴한다.
존재 및 생산
가돌리늄은 지각에 약 6.2 ppm 정도 함유되어 있으며, 다양한 광물에 분포한다. 반응성이 커 순수한 상태로는 자연에서 발견되지 않으며, 주로 모나자이트(monazite)와 배스트네사이트(bastnäsite) 등의 광물에서 다른 희토류 원소들과 함께 채굴된다. 주요 생산국은 중국, 미국, 브라질, 인도, 호주 등이며, 연간 약 400톤 가량의 순수한 가돌리늄이 생산된다.
용도
가돌리늄은 여러 특수 분야에서 활용된다.
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의료 분야(MRI 조영제): 가돌리늄(III) 이온이 강한 상자성을 띠는 성질을 이용하여 자기공명영상(MRI)의 조영제로 사용된다. 가돌리늄 킬레이트 화합물 형태로 정맥 주사되며, 영상의 대비를 높여 진단 정확도를 향상시킨다. 단, 수용성 가돌리늄 이온은 독성이 있으나 킬레이트화하면 신장을 통해 배출되어 상대적으로 안전하다.
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원자력 분야: ¹⁵⁵Gd과 ¹⁵⁷Gd은 중성자 흡수 능력이 뛰어나 원자로의 중성자 흡수재 및 제어봉 재료로 사용된다. 또한 중성자 방사선 촬영과 중성자 포획 치료에도 활용된다.
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합금 재료: 철, 크로뮴 등의 금속에 약 1%의 가돌리늄을 첨가하면 금속의 가공성과 고온에서의 산화 저항성이 향상된다.
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형광체: 3가 가돌리늄 이온을 포함하는 화합물은 녹색 형광을 발하며, 컬러 텔레비전 브라운관, X선 스크린 등의 형광체로 사용된다.
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자기 냉동: 가돌리늄 합금이 상온 부근에서 자기 열량 효과를 나타내는 특성을 이용하여, 환경 친화적인 차세대 냉동 기술인 자기 냉동 시스템 연구에 활용된다.
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기타: 마이크로파 발생 소자, 광자기 디스크 재료, 반도체 제조 등에도 사용된다.
