Gadolinium, Gd, Ordnungszahl 64

Allgemeines

Gadolinium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Gd und der Ordnungszahl 64. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zÀhlt damit auch zu den Metallen der seltenen Erden.

Das erste Element der Yttererden im Periodensystem wurde 1880 spektroskopisch von Jean Charles Galissard de Marignac im Didym und Gadolinit gefunden. 1886 stellte er es als weißes Oxid aus Samarskit her und nannte es Y aus Samarskit. Im gleichen Jahr stellte Paul Emile Lecoq de Boisbaudran ebenfalls Gadoliniumoxid her und nannte das neue Element nach dem Entdecker des Minerals Gadolinit, dem finnischen Chemiker Johan Gadolin, Gadolinium.

Erst 1935 gelang Georges Urbain die Darstellung des Metalls.

NatĂŒrlich kommt Gadolinium nur in Verbindungen vor. Technisch bedeutsam sind Monazit und BastnĂ€sit. Die Gadolinitvorkommen in der Grube Ytterby, nördlich von Stockholm, sind heute erschöpft.

Gewinnung

Nach einer aufwendigen Abtrennung der anderen Gadoliniumbegleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zum Gadoliniuimfluorid umgesetzt. Anschließend wird dieses mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zum metallischen Gadolinium reduziert. Die Abtrennung verbleibender Calciumreste und Verunreinigungen erfolgt in einer zusĂ€tzlichen Umschmelzung im Vakuum.

Besonderheiten

Das silbrigweiß bis grauweiß glĂ€nzende Metall der seltenen Erden ist duktil und schmiedbar. Bei Temperaturen oberhalb 1508 K wandelt sich die dichteste Kugelpackung in eine kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur um. In trockener Luft ist Gadolinium relativ bestĂ€ndig, in feuchter Luft bildet es eine nichtschĂŒtzende, lose anhaftende und abblĂ€tternde Oxidschicht aus. Mit Wasser reagiert es langsam. In verdĂŒnnten SĂ€uren löst es sich auf.

Gadolinium hat mit 49.000 barn wegen seines enthaltenen Isotops Gd-157 (mit 254.000 barn) den höchsten Einfangquerschnitt fĂŒr thermische Neutronen aller bekannten stabilen Elemente (nur das instabile Xe-135 ĂŒbertrifft Gd-157 etwa um einen Faktor 10). Die hohe Abbrandrate (burn-out-rate) schrĂ€nkt eine Verwendung als Steuerstab in Kernreaktoren stark ein.

Zusammen mit Dysprosium, Holmium, Erbium und Terbium, die ebenso der Gruppe der Lanthanoiden zugeordnet sind, gehört es zu den einzigen Elementen – ausgenommen Eisen, Cobalt und Nickel – die einen Ferromagnetismus aufweisen. Jedoch muss es dazu erst unter seine ferromagnetische Curie-Temperatur von 292,5 K (19,3 °C) gebracht werden.[6]

Entgegen vielen Literaturangaben ist Gadolinium nicht supraleitfĂ€hig. Dies begrĂŒndet sich auch auf der Erfahrung, dass Verunreinigungen ferromagnetischer Stoffe wie Eisen und Gadolinium die SupraleitfĂ€higkeit anderer Elemente zerstört. Es sind aber keramische Hochtemperatur-Supraleiter des Typs Ba2GdCu3O7-x mit einer Sprungtemperatur zwischen 80–85 K bekannt.

StÀube von metallischem Gadolinium sind feuer- und explosionsgefÀhrlich.

Verwendung

Gadolinium wird zur Herstellung von Gadolinium-Yttrium-Granat fĂŒr Mikrowellenanwendungen verwendet. Oxysulfide dienen zur Herstellung von grĂŒnem Leuchtstoff fĂŒr nachleuchtende Bildschirme (Radar).

Intravenös injizierte Gadolinium(III)-Verbindungen, wie zum Beispiel Gadopentetat-Dimeglumin, dienen als Kontrastmittel bei Untersuchungen im Kernspintomographen. Dazu werden wegen der hohen Giftigkeit von freien Gadolinium-Ionen Komplexierungsmittel mit hoher Komplexierungskonstante, wie beispielsweise die Chelate DTPA (DiethylentriaminpentaessigsĂ€ure) und DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsĂ€ure, mit Gd = GadotersĂ€ure), verwendet. Durch die sieben ungepaarten Elektronen in der f-Schale ist Gadolinium stark paramagnetisch. Das Kontrastmittel ermöglicht so den umgebenden Protonen – im wesentlichen Wasser – schneller zu relaxieren. Dies erhöht die Kontrastunterschiede zwischen verschiedenen Geweben in einer MRT-Aufnahme erheblich.
Auch fĂŒr Untersuchungen am Gehirn können diese Kontrastmittel verwendet werden, da die Gadolinium-Komplexe die Blut-Hirn-Schranke bei gesunden Patienten nicht ĂŒberwinden und somit eine Blut-Hirn-Schrankenstörung – ein Hinweis auf ein pathologisches Geschehen (z.B. Mangeldurchblutung, Tumor, EntzĂŒndung) – sichtbar machen können.

Gadolinium-Gallium-Granat wurde zur Herstellung von Magnetblasenspeichern genutzt. Auch in der Herstellung von wiederbeschreibbaren Compact Discs findet es Anwendung.

ZusÀtze von 1 % Gadolinium erhöhen die Bearbeitbarkeit und die Hochtemperatur- und OxidationsbestÀndigkeit von Eisen- und Chromlegierungen. Entsprechende Gadoliniumeisenkobalt-Legierungen können zur optomagnetischen Datenspeicherung eingesetzt werden.

Gadolinium könnte, da es einen Curie-Punkt nahe der Zimmertemperatur besitzt, in KĂŒhlgerĂ€ten, die nach dem Prinzip der adiabatischen Magnetisierung funktionieren, Verwendung finden. Solche KĂŒhlgerĂ€te wĂŒrden ohne die Ozonschicht schĂ€digende Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) auskommen und besĂ€ĂŸen keine dem Verschleiß unterliegenden mechanischen Teile.

Gadolinium wird in Form von Gadoliniumoxid in modernen Brennelementen als abbrennbares Absorbermaterial verwendet, das nach einem Brennelementewechsel zu Beginn des Betriebszyklus die durch einen Überschuss an Kernbrennstoff entstehende zu hohe ReaktivitĂ€t des Reaktors begrenzt. Mit zunehmendem Abbrand der Brennelemente wird auch das Gadolinium abgebaut.[7]

Mit Terbium dotiertes Gadolinium-Oxysulfid (Gd2O2S:Tb) ist ein in der Röntgentechnik hÀufig eingesetzter Szintillator. Gd2O2S:Tb emittiert Licht mit einer WellenlÀnge von 545nm.

Es ist keine biologische Funktion des Gadoliniums bekannt.

Freie Gadolinium-Ionen verhalten sich Ă€hnlich wie Calcium-Ionen, das heißt, sie werden vorwiegend in der Leber und im Knochensystem eingebaut und können dort ĂŒber Jahre verbleiben. Freies Gadolinium beeinflusst außerdem als Calciumantagonist – die Ionenradien von Calcium und Gadolinium sind nahezu gleich – die KontraktilitĂ€t des Myokards und hemmt das Gerinnungssystem.[9]

Intravenös applizierte Lösungen von freien Gadolinium-Ionen wirken akut toxisch. Von der ToxizitÀt betroffen sind unter anderem die glatte und die quergestreifte Muskulatur, die Funktion der Mitochondrien und die Blutgerinnung.[10]

Die ToxizitĂ€t von freiem Gadolinium ist als hoch einzustufen. In komplexierter Form, so wie das Gadolinium in den zugelassenen Kontrastmitteln vorliegt, ist es dagegen unter BerĂŒcksichtigung der Kontraindikationen im Allgemeinen gut vertrĂ€glich. Seit 2006 gibt es zunehmend Berichte, dass es bei niereninsuffizienten Patienten nach Gabe verschiedener Chelate des Gadoliniums, insbesondere Gd-DTPA, zum Krankheitsbild der nephrogenen systemischen Fibrose kommen kann.

Allgemein
Name, Symbol

Ordnungszahl

Gadolinium, Gd, 64
Serie Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block La, 6, f
Aussehen silbrig weiß
CAS-Nummer 7440-54-2
Massenanteil an der ErdhĂŒlle 5,9 ppm
Atomar
Atommasse 157,25 u
Atomradius 188 pm
Kovalenter Radius 196 pm
Elektronenkonf. [Xe] 4f(7) 5d(1) 6s2
1. Ionisierungsenergie 593,4 KJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1170 KJ/mol
3. Ionisierungsenergie 1990 KJ/mol
Physikalisch
Aggregatszustand fest
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 7,886 g/cm3 (25 °C)
Magnetismus paramagnetisch (χm = 0,12)
Schmelzpunkt 1585 K (1312 C)
Siedepunkt 3523 K (3250 C)
Molares Volumen 19,90 * 10(-6)m(3)/mol
VerdampfungswÀrme 305 KJ/mol
SchmelzwÀrme 10,0 KJ/mol
Elektrische LeitfÀhigkeit 0,763*10(6) A/(V*m)
WÀrmeleitfÀhigkeit 11 W/(m*K)
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