Gadolinium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP
¹⁴⁸Gd	{syn.}	74,6 a	α	3,271	¹⁴⁴Sm
¹⁴⁹Gd	{syn.}	9,28 d	ε	1,314	¹⁴⁹Eu
¹⁵⁰Gd	{syn.}	1.790.000 a	α	2,809	¹⁴⁶Sm
¹⁵¹Gd	{syn.}	124 d	ε	0,464	¹⁵¹Eu
¹⁵²Gd	{syn.}	1,08 · 10¹⁴ a	α	2,205	¹⁴⁸Sm
¹⁵³Gd	{syn.}	241,6 d	ε	0,485	¹⁵³Eu
¹⁵⁴Gd	2,18 %	Stabil
¹⁵⁵Gd	14,80 %	Stabil
¹⁵⁶Gd	20,47 %	Stabil
¹⁵⁷Gd	15,65 %	Stabil
¹⁵⁸Gd	24,84 %	Stabil
¹⁵⁹Gd	{syn.}	18,479 h	β-	0,971	¹⁵⁹Tb
¹⁶⁰Gd	21,86 %	≥ 1,3 · 10²¹ a	β-β-	k.A.	¹⁶⁰Dy

NMR-Eigenschaften

	Spin	γ in rad/(T·s)	E	f_L bei B = 4,7 T in M Hz
¹⁵⁵Gd	-7/2	1,022 · 10⁷	0,000279	7,64
¹⁵⁷Gd	-3/2	1,277 · 10⁷	0,000544	9,55

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung

Gefahrensymbole
unbekannt Bitte ergänzen!

R- und S-Sätze

R: ?

S: ?

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Gadolinium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Gd und der Ordnungszahl 64.

Elementares Gadolinium

[Bearbeiten] Geschichte

Das erste Element der Yttererden im Periodensystem wurde 1880 spektroskopisch durch Jean Charles Galissard de Marignac im Didym und Gadolinit gefunden. 1886 stellte er es als weißes Oxid aus Sarmaskit her und nannte es Y aus Sarmaskit. 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.

[Bearbeiten] Vorkommen

Natürlich kommt Gadolinium nur in Verbindungen vor. Technisch bedeutsam sind Monazit und Bastnäsit. Die Gadolinitvorkommen in der Grube Ytterby, nördlich von Stockholm, sind heute erschöpft.

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

Nach einer aufwändigen 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 zusätzlichen Umschmelzung im Vakuum.

[Bearbeiten] Eigenschaften

Das silbrigweiß bis grauweiß glänzende 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 beständig, in feuchter Luft bildet es eine nichtschützende, lose anhaftende und abblätternde Oxidschicht aus. Mit Wasser reagiert es langsam. In verdünnten Säuren löst es sich auf.
Gadolinium hat mit 49000 barn den höchsten Einfangquerschnitt für thermische Neutronen aller bekannten Elemente. Die hohe Abbrandrate (burn-out-rate) schränkt 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 Curie-Temperatur von 16 °C gebracht werden.

Entgegen vielen Literaturangaben ist Gadolinium nicht supraleitfähig. Dies begründet sich auch auf die Erfahrung, dass Verunreinigungen ferromagnetischer Stoffe wie Eisen und Gadolinium die Supraleitfähigkeit anderer Elemente zerstört. Es sind aber keramische Hochtemperatur-Supraleiter des Typs Ba₂GdCu₃O_7-x mit einer Sprungtemperatur zwischen 80 - 85 K bekannt.

Stäube von metallischem Gadolinium sind feuer- und explosionsgefährlich.

[Bearbeiten] Verwendung

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

Intravenös gespritzte Gadolinium(III)-Verbindungen 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 (Diethylentriaminpentaessigsäure) und DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododecantetraessigsäure, Gadotersäure), verwendet. Durch die 7 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 Qualität einer MRT-Aufnahme erheblich.
Auch für Untersuchungen am Gehirn können diese Kontrastmittel verwendet werden, da die Gadolinium-Komplexe die Blut-Hirn-Schranke bei gesunden Patienten nicht überwinden können und somit eine Blut-Hirn-Schrankenstörung ein Hinweis auf ein pathologisches Geschehen (z.B. Mangeldurchblutung, Tumor, Entzündung) ist.

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

Zusätze von 1 % Gadolinium erhöhen die Bearbeitbarkeit und die Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit von Eisen- und Chromlegierungen.

Gadolinium könnte, da es einen Curie-Punkt nahe der Zimmertemperatur besitzt, in Kühlgeräten, die nach dem Prinzip der adiabitischen Magnetisierung funktionieren, Verwendung finden. Solche Kühlgeräte würden ohne die Ozonschicht schädigende Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) auskommen und besäßen keine dem Verschleiß unterlegenen mechanischen Teile.

[Bearbeiten] Physiologie

Von Gadolinium ist keine biologische Funktion bekannt.

[Bearbeiten] Toxizität

Freie Gadolinium-Ionen verhalten sich ähnlich wie Calcium-Ionen, das heißt, sie werden vorwiegend in der Leber und im Knochensystem eingebaut und können dort über Jahre verbleiben. Freies Gadolinium beeinflusst außerdem als Calciumantagonist - die Ionenradien von Calcium und Gadolinium sind nahezu gleich - die Kontraktilität des Myokards und hemmt das Gerinnungssystem^[1].

Intravenös applizierte Lösungen von freien Gadolinium-Ionen wirken akut toxisch. Von der Toxizität betroffen sind unter anderem die glatte und die quergestreifte Muskulatur, die Funktion der Mitochondrien und die Blutgerinnung. ^[2]

Die Toxizität von freiem Gadolinium ist als hoch einzustufen. In komplexierter Form, so wie das Gadolinium in den zugelassenen Kontrastmitteln vorliegt, ist es dagegen unter Berücksichtigung der Kontraindikationen im Allgemeinen gut verträglich. Seit 2006 gibt es zunehmend Berichte, dass es bei niereninsuffizienten Patienten nach Gabe von Gd-DOTA, einem bestimmten Gadoliniumchelat, zu dem Krankheitsbild der nephrogenen systemischen Fibrose kommen kann.