Gadolinium

Eigenschaften
[Xe]4f75d16s2 64 Gd Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Gadolinium, Gd, 64
Serie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-54-2
Atomar
Atommasse	157,25 u
Atomradius (berechnet)	188 (233) pm
Elektronenkonfiguration	[Xe]4f75d16s2
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 18, 25, 9, 2
Austrittsarbeit	3,1 eV
1. Ionisierungsenergie	593,4 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1170 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	1990 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	7,901 g/cm3
Magnetismus	paramagnetisch
Schmelzpunkt	1585 K (1312 °C)
Siedepunkt	3523 K (3250 °C)
Molares Volumen	19,90 · 10-6 m3/mol
Verdampfungswärme	359,4 kJ/mol
Schmelzwärme	10,05 kJ/mol
Dampfdruck	24400 Pa bei 1585 K
Schallgeschwindigkeit	2680 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität	230 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	0,736 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	10,6 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	2 , 3
Oxide (Basizität)	(leicht basisch)
Normalpotential
Elektronegativität	1,20 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 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 0,20 % 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−1·s−1 E fL bei B = 4,7 T in MHz 155Gd 3/2 1,022 · 107 0,000279 7,64 157Gd 3/2 1,277 · 107 0,000544 9,55
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [1] Leicht- entzündlich (F) R- und S-Sätze R: 15 S: 7/8-43
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. Es gehört zur Gruppe der Lanthanoide (6. Periode, f-Block).

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Vorkommen 3 Gewinnung und Darstellung 4 Eigenschaften 5 Verwendung 6 Verbindungen 7 Physiologie 7.1 Toxizität 8 Einzelnachweise 9 Weblinks

Geschichte

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.

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.

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.

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 ferromagnetische Curie-Temperatur von 16°C gebracht werden.^[2]

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.

Verwendung

Gadolinium wird zur Herstellung von Gadolinium-Yttrium-Granat für Mikrowellenanwendungen verwendet. Oxysulfide dienen zur Herstellung von grünem Leuchtstoff für 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 (Diethylentriaminpentaessigsäure) und DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure, mit Gd = Gadotersäure), 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 für Untersuchungen am Gehirn können diese Kontrastmittel verwendet werden, da die Gadolinium-Komplexe die Blut-Hirn-Schranke bei gesunden Patienten nicht überwinden und somit eine Blut-Hirn-Schrankenstörung  – ein Hinweis auf ein pathologisches Geschehen (z.B. Mangeldurchblutung, Tumor, Entzündung)  – sichtbar machen können.

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. Entsprechende Gadoliniumeisenkobalt-Legierungen können zur optomagnetischen Datenspeicherung eingesetzt werden.

Gadolinium könnte, da es einen Curie-Punkt nahe der Zimmertemperatur besitzt, in Kühlgeräten, die nach dem Prinzip der adiabatischen Magnetisierung funktionieren, Verwendung finden. Solche Kühlgeräte würden ohne die Ozonschicht schädigende Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) auskommen und besäßen 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 Reaktivität des Reaktors begrenzt. Mit zunehmendem Abbrand der Brennelemente wird auch das Gadolinium abgebaut.^[3]

Verbindungen

• Gallium-Gadolinium-Granat Ga₃Gd₅O₁₂
• Gadolinium(II)-iodid GdI₂; schwarze Substanz, die ferromagnetisch ist.
• Gadolinium(III)-fluorid GdF₃
• Gadolinium(III)-oxid Gd₂O₃

Physiologie

Von Gadolinium ist keine biologische Funktion bekannt.

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.^[4]

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.^[5]

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 verschiedenen Chelaten des Gadoliniums, insbesondere Gd-DTPA, zu dem Krankheitsbild der nephrogenen systemischen Fibrose kommen kann.

Einzelnachweise

1. ↑ Eintrag zu Gadolinium in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 28. April 2008 (JavaScript erforderlich)
2. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
3. ↑ www.patent-de.com.
4. ↑ Gertraud Prinz, Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie.
5. ↑ Universimed.com.

Weblinks

• Los Alamos National Laboratory – Gadolinium (englisch)
• WebElements.com – Gadolinium (englisch)
• EnvironmentalChemistry.com – Gadolinium (englisch)
• It's Elemental – Gadolinium (englisch)