Gadolinium

Eigenschaften
[Xe] 4f7 5d1 6s2 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
Massenanteil an der Erdhülle	5,9 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse	157,25 u
Atomradius (berechnet)	188 (233) pm
Kovalenter Radius	196 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f7 5d1 6s2
1. Ionisierungsenergie	593,4 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1170 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	1990 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	7,886 g/cm3 (25 °C)[3]
Magnetismus	ferromagnetisch (Curie-Temp. 292,5 K)[4]
Schmelzpunkt	1585 K (1312 °C)
Siedepunkt	3273 K[5] (3000 °C)
Molares Volumen	19,90 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	301 kJ/mol[5]
Schmelzwärme	10,0 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	2680 m/s bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	0,763 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	11 W/(m · K)
Chemisch [2]
Oxidationszustände	2, 3
Elektronegativität	1,20 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 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
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 Er(1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 155Gd 3/2 −0,821 · 107 3,07 157Gd 3/2 −1,077 · 107 4,03
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [6] Achtung H- und P-Sätze H: 261 P: 231+232-​422 [6] EU-Gefahrstoffkennzeichnung [7][8] 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 mit dem Elementsymbol Gd und der Ordnungszahl 64. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der seltenen Erden.

Geschichte

Das Element wurde erstmals 1880 vom Schweizer Chemiker Jean Charles Galissard de Marignac entdeckt. Er untersuchte dabei die Bestandteile von Samarskit und ihre unterschiedliche Löslichkeit in Kaliumsulfat-Lösungen. Es bildeten sich je nach Löslichkeit mehrere Fraktionen. In einer der Fraktionen fand er im Absorptionsspektrum die Spektrallinien eines unbekannten Elements. Dieses nannte er, da er nicht ausreichend Material für eine exakte Bestimmung erhalten konnte, Y_α. Daneben fand er in einer weiteren Fraktion das ihm ebenfalls unbekannte Y_β, hierbei stellte sich jedoch schnell heraus, dass es sich um das schon von Marc Delafontaine und Paul Émile Lecoq de Boisbaudran gefundene Samarium handelte.^[9] Nachdem die Existenz von Y_α von William Crookes^[10] und Paul Émile Lecoq de Boisbaudran bestätigt werden konnte, nannte Lecoq de Boisbaudran am 19. April 1886 das neue Element in Absprache mit Marignac Gadolinium, zu Ehren des finnischen Chemikers Johan Gadolin, mit dem Symbol Gd.^[11][12]

Metallisches Gadolinium wurde erstmals 1935 von Félix Trombe gewonnen. Er nutzte dafür die elektrolytische Reduktion einer Schmelze aus Gadolinium(III)-chlorid, Kaliumchlorid und Lithiumchlorid bei 625–675 °C an Cadmiumelektroden.^[13] Kurze Zeit später entdeckte er zusammen mit Georges Urbain und Pierre-Ernest Weiss den Ferromagnetismus des Elements.^[14]

Vorkommen

Gadolinium ist auf der Erde ein seltenes Element, sein Anteil an der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 6,2 ppm.^[4]

Das Element kommt in vielen Mineralen der Seltenerdmetalle in unterschiedlichen Gehalten vor. Besonders hoch ist der Gadoliniumgehalt in Mineralen der Yttererden wie Xenotim, in Xenotimvorkommen aus Malaysia beträgt der Gadoliniumanteil etwa 4 %. Aber auch Monazit enthält je nach Lagerstätte 1,5 bis 2 % des Elements, in Bastnäsit ist der Anteil mit 0,15 bis 0,7 % dagegen geringer.^[15] Es ist nur ein einziges Mineral bekannt, in dem Gadolinium das Seltenerdmetall mit dem höchsten Anteil ist. Dabei handelt es sich um das sehr seltene Uranylcarbonat Lepersonnit-(Gd) mit der chemischen Zusammensetzung Ca(Gd,Dy)₂(UO₂)₂₄(SiO₄)₄(CO₃)₈(OH)₂₄ · 48H₂O.^[16]

Gewinnung und Darstellung

Auf Grund der Ähnlichkeit, und da Gadolinium nur in geringen Mengen in den Erzen enthalten ist, ist die Abtrennung von den anderen Lanthanoiden schwierig. Nach dem Aufschluss der Ausgangsmaterialien wie Monazit oder Bastnäsit mit Schwefelsäure oder Natronlauge sind verschiedene Wege zur Abtrennung möglich. Neben Ionenaustausch ist besonders ein auf der Flüssig-Flüssig-Extraktion basierendes Verfahren wichtig. Dabei wird bei Bastnäsit als Ausgangsmaterial zunächst das Cer in Form von Cer(IV)-oxid abgetrennt und die verbleibenden Seltenen Erden in Salzsäure gelöst. Daraufhin werden mit Hilfe einer Mischung von DEHPA (Di(2-ethylhexyl)phosphorsäure) und Kerosin in Flüssig-Flüssig-Extraktion Europium, Gadolinium, Samarium und die schwereren Seltenerdmetalle von den leichten getrennt. Ersteres lässt sich chemisch durch Reduktion zu zweiwertigem Europium und Fällung als schwerlösliches Europium(II)-sulfat abtrennen. Für die Trennung von Gadolinium, Samarium und dem Rest wird wiederum die Flüssig-Flüssig-Extraktion genutzt. Die Mischung wird in verdünnter Salzsäure gelöst, mit einer Mischung von DEHPA und Trimethylbenzolen (Shellsol A) behandelt und in einer Mixer-Settler-Apparatur getrennt.^[17][15]

Die Gewinnung elementaren Gadoliniums ist über die Reduktion von Gadolinium(III)-fluorid mit Calcium möglich.^[15]

$ \mathrm {2\ GdF_{3}+3\ Ca\longrightarrow 2\ Gd+3\ CaF_{2}} $

Gadolinium wird nur in geringerem Umfang produziert und benötigt, wichtigster Produzent ist wie bei allen Seltenerdmetallen die Volksrepublik China.

Eigenschaften

Elementares Gadolinium

Wärmekapazität von Gadolinium. Grün: gesamte Wärmekapazität, rot: phononischer Anteil, blau: spinanteil, türkis: elektronischer Anteil

Physikalische Eigenschaften

Das silbrigweiß bis grauweiß glänzende Metall der seltenen Erden ist duktil und schmiedbar. Es kristallisiert in einer hexagonal-dichtesten Kristallstruktur mit den Gitterparametern a = 363 pm und c = 578 pm.^[18] Oberhalb von 1262 °C geht die Struktur in eine kubisch-raumzentrierte Struktur über.^[19]

Neben dieser Hochtemperaturphase sind mehrere Hochdruckphasen bekannt. Die Abfolge der Phasen entspricht dabei der der anderen Lanthanoide (außer Europium und Ytterbium). Auf die hexagonale Struktur folgt (jeweils bei Raumtemperatur) bei Drücken über 1,5 GPa eine Struktur vom Samarium-Typ, oberhalb von 6,5 GPa ist eine doppelt-hexagonale Kristallstruktur stabil. Eine kubisch-flächenzentrierte Packung ist bei Drücken zwischen 26 und 33 GPa am stabilsten. Bei noch größeren Drücken sind noch eine doppelt-kubisch-flächenzentrierte Struktur sowie das monokline Gd-VIII bekannt.^[20][21]

Gadolinium ist neben Dysprosium, Holmium, Erbium, Terbium und Thulium eines der Lanthanoide, das Ferromagnetismus besitzt. Mit einer Curie-Temperatur von 292,5 K (19,3 °C) besitzt es die höchste Curie-Temperatur aller Lanthanoide, nur Eisen, Cobalt und Nickel besitzen höhere.^[22] Oberhalb dieser Temperatur ist es paramagnetisch mit einer magnetischen Suszeptibilität χ_m von 0,12.^[4]

Aufgrund dieser magnetischen Eigenschaften hat Gadolinium auch eine sehr stark temperaturabhängige Wärmekapazität. Bei tiefen Temperaturen (unter 4 K) dominiert zunächst, wie bei Metallen üblich, die elektronische Wärmekapazität C_el (wobei C_el = γ·T mit γ = 6,38 mJ·mol⁻¹·K⁻² und T der Temperatur^[23][24]). Für höhere Temperaturen ist die Debyesche Wärmekapazität (mit der Debye-Temperatur Θ_D = 163,4 K^[23]) ausschlaggebend. Unterhalb der Curie-Temperatur nimmt die Wärmekapazität dann stark zu, was auf das Spinsystem zurückzuführen ist. Sie erreicht 56 J·mol⁻¹·K⁻¹ bei 290 K, um bei höheren Temperaturen fast schlagartig auf unter 31 J·mol⁻¹·K⁻¹ einzubrechen.^[25]

Gadolinium ist Bestandteil keramischer Hochtemperatur-Supraleiter des Typs Ba₂GdCu₃O_7-x mit einer Sprungtemperatur von 94,5 K.^[26] Das reine Element ist nicht supraleitfähig.^[27]

Gadolinium hat mit 49.000 barn wegen seines enthaltenen Isotops Gd-157 (mit 254.000 barn) den höchsten Einfangquerschnitt für thermische Neutronen aller bekannten stabilen Elemente (nur das instabile Xe-135 erreicht etwa das zehnfache von Gd-157). Die hohe Abbrandrate (burn-out-rate) schränkt eine Verwendung als Steuerstab in Kernreaktoren stark ein.

Chemische Eigenschaften

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. 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 findet es Anwendung.

Zusätze von 1 % Gadolinium erhöhen die Bearbeitbarkeit und die Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit von Eisen- und Chromlegierungen. Entsprechende Gadolinium-Eisen-Kobalt-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 Ozonschichtschädigende Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) auskommen und besäßen keine verschleißenden 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.^[28]

Mit Terbium dotiertes Gadolinium-Oxysulfid (Gd₂O₂S:Tb) ist ein in der Röntgentechnik häufig eingesetzter Szintillator. Gd₂O₂S:Tb emittiert Licht mit einer Wellenlänge von 545 nm.^[29]

Verbindungen

• Gadolinium(III)-oxid Gd₂O₃
• Gadolinium(III)-fluorid GdF₃
• Gadolinium(III)-chlorid GdCl₃
• Gadolinium(III)-bromid GdBr₃
• Gadolinium(III)-iodid GdI₃
• Gadolinium(II)-iodid GdI₂; schwarze Substanz, die ferromagnetisch ist.

• Gallium-Gadolinium-Granat Ga₃Gd₅O₁₂
• Gadotersäure
• Gadopentetat-Dimeglumin

Physiologie

Es ist keine biologische Funktion des Gadoliniums 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.^[30]

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.^[31]

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 verschiedener Chelate des Gadoliniums, insbesondere Gd-DTPA, zum Krankheitsbild der nephrogenen systemischen Fibrose kommen kann.

Einzelnachweise

1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Gadolinium) entnommen.
3. ↑ N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1579.
4. ↑ ^{4,0 4,1 4,2} Weast, Robert C. (ed. in chief): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990. Seiten E-129 bis E-145. ISBN 0-8493-0470-9. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert. Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „CRC“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.
5. ↑ ^{5,0 5,1} Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
6. ↑ ^{6,0 6,1} Datenblatt Gadolinium, chips, 99.9% trace metals basis bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 9. August 2011.
7. ↑ Seit 1. Dezember 2012 ist für Stoffe ausschließlich die GHS-Gefahrstoffkennzeichnung zulässig. Bis zum 1. Juni 2015 dürfen noch die R-Sätze dieses Stoffes für die Einstufung von Zubereitungen herangezogen werden, anschließend ist die EU-Gefahrstoffkennzeichnung von rein historischem Interesse.
8. ↑ Eintrag zu Gadolinium, Pulver in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 28. April 2008 (JavaScript erforderlich).
9. ↑ Jean Charles Galissard de Marignac: Sur les terres de la samarskite. In: Comptes Rendus. 1880, 90, S. 899–903 (Volltext auf Gallica).
10. ↑ William Crookes: Sur la terre Y_α. In: Comptes Rendus. 1886, 102, S. 646–647 (Volltext auf Gallica).
11. ↑ Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: Le Yα de Marignac est définitevement nomme Gadolinium. In: Comptes Rendus. 1886, 102, S. 902 (Volltext auf Gallica).
12. ↑ W. Crookes: On Some New Elements in Gadolinite and Samarskite, Detected Spectroscopically. In: Proceedings of the Royal Society of London. 40, 1886, S. 502–509, doi:10.1098/rspl.1886.0076.
13. ↑ Félix Trombe: L'isolement de gadolinium. In: Comptes Rendus. 1935, 200, S. 459–461 (Volltext auf Gallica).
14. ↑ Georges Urbain, Pierre-Ernest Weiss Félix Trombe: Un nouveau métal ferromagnetique, le gadolinium. In: Comptes Rendus. 1935, 200, S. 2132–2134 (Volltext auf Gallica).
15. ↑ ^{15,0 15,1 15,2} Ian McGill: Rear Earth Elements. In: Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2012, doi:10.1002/14356007.a22_607.
16. ↑ M. Deliens und P. Piret: Bijvoetite et lepersonnite, carbonates hydratés d'uranyle et des terres rares de Shinkolobwe, Zaire. In: Canadian Mineralogist. 1982, 20, S. 231–238 (Abstract in American Mineralogist).
17. ↑ Clifford G. Brown, Leonard G. Sherrington: Solvent extraction used in industrial separation of rare earths. In: Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 29, 1979, S. 193–209, doi:10.1002/jctb.503290402.
18. ↑ J. Banister, S. Legvold, F. Spedding: Structure of Gd, Dy, and Er at Low Temperatures. In: Physical Review. 94, 1954, S. 1140–1142, doi:10.1103/PhysRev.94.1140.
19. ↑ F.H. Spedding, J.J. Hanak, A.H. Daane: High temperature allotropy and thermal expansion of the rare-earth metals. In: Journal of the Less Common Metals. 3, 1961, S. 110–124, doi:10.1016/0022-5088(61)90003-0.
20. ↑ W.B. Holzapfel: Structural systematics of 4f and 5f elements under pressure. In: Journal of Alloys and Compounds. 223, 1995, S. 170–173, doi:10.1016/0925-8388(94)09001-7.
21. ↑ D. Errandonea, R. Boehler, B. Schwager, M. Mezouar: Structural studies of gadolinium at high pressure and temperature. In: Physical Review B. 75, 2007, S. , doi:10.1103/PhysRevB.75.014103.
22. ↑ C. Rau, S. Eichner: Evidence for ferromagnetic order at gadolinium surfaces above the bulk Curie temperature. In: Physical Review B. 34, 1986, S. 6347–6350, doi:10.1103/PhysRevB.34.6347.
23. ↑ ^{23,0 23,1} T.-W. Tsang, K. Gschneidner, F. Schmidt, D. Thome: Low-temperature heat capacity of electrotransport-purified scandium, yttrium, gadolinium, and lutetium. In: Physical Review B. 31, 1985, S. 235–244, doi:10.1103/PhysRevB.31.235.
24. ↑ T.-W. E. Tsang, K. Gschneidner, F. Schmidt, D. Thome: Erratum: Low-temperature heat capacity of electrotransport-purified scandium, yttrium, gadolinium, and lutetium. In: Physical Review B. 31, 1985, S. 6095–6095, doi:10.1103/PhysRevB.31.6095.
25. ↑ F. Jelinek, B. Gerstein, M. Griffel, R. Skochdopole, F. Spedding: Re-Evaluation of Some Thermodynamic Properties of Gadolinium Metal. In: Physical Review. 149, 1966, S. 489–490, doi:10.1103/PhysRev.149.489.
26. ↑ X.T. Xu, J.K. Liang, S.S. Xie, G.C. Che, X.Y. Shao, Z.G. Duan, C.G. Cui: Crystal structure and superconductivity of Ba?Gd?Cu?O system. In: Solid State Communications. 63, 1987, S. 649–651, doi:10.1016/0038-1098(87)90872-6.
27. ↑ Cristina Buzea, Kevin Robbie: Assembling the puzzle of superconducting elements: a review. In: Superconductor Science and Technology. 18, 2005, S. R1–R8, doi:10.1088/0953-2048/18/1/R01.
28. ↑ www.patent-de.com.
29. ↑ http://e-jst.teiath.gr/issue_15/Michail_15.pdf
30. ↑ Jens Kühn: Physikochemische Eigenschaften von MRT Kontrastmitteln.
31. ↑ Sichere MRT-Diagnostik mit Gadotersäure. universimed.com, 24. Mai 2011, abgerufen am 22. Februar 2012.

Weblinks

Commons: Gadolinium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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Wiktionary: Gadolinium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Karte der Gadolinium-Gehalte des Trinkwassers von Berlin (deutsch)
• Erläuterungen und Datentabelle zur Karte der Gadolinium-Gehalte des Trinkwassers von Berlin (deutsch)

Periodensystem der Elemente

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He

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