Gadolinium

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Gadolinium, Gd, 64
Elementkategorie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	Vorlage:CASRN
EG-Nummer	231-162-2
ECHA-InfoCard	100.028.329
Massenanteil an der Erdhülle	5,9 ppm (45. Rang)<ref name="Harry H. Binder">Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.</ref>
Atomar<ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Gadolinium) entnommen.</ref>
Atommasse	157,25(3)<ref name="CIAAW">CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.</ref> u
Atomradius (berechnet)	188 (233) pm
Kovalenter Radius	196 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f7 5d1 6s2
1. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
2. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
3. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
4. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
5. Ionisierungsenergie	Vorlage:ZahlExp ≈ Vorlage:ZahlExp
Physikalisch<ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Gadolinium) entnommen.</ref>
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	7,886 g/cm3 (25 °C)<ref name=Greenwood>N. N. Greenwood und A. Earnshaw: Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1579.</ref>
Magnetismus	ferromagnetisch (Curie-Temp. 292,5 K)<ref name="CRC">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.</ref>
Schmelzpunkt	1591 ± 10 K<ref>Rudy J. M. Konings, Ondrej Beneš: The Thermodynamic Properties of the f-Elements and Their Compounds. I. The Lanthanide and Actinide Metals. In: Journal of Physical and Chemical Reference Data. Band 39, Nr. 4, 2010, Artikel 043102, doi:10.1063/1.3474238.</ref> (1318 ± 10 °C)
Siedepunkt	3273 K<ref name="Zhang">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.</ref> (3000 °C)
Molares Volumen	19,90 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	301 kJ·mol−1<ref name="Zhang"/>
Schmelzenthalpie	10,0 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	2680 m·s−1 bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	0,763 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	11 W·m−1·K−1
Chemisch<ref>Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Gadolinium) entnommen.</ref>
Oxidationszustände	+2, +3
Elektronegativität	1,20 (Pauling-Skala)
Isotope
Weitere Isotope siehe Vorlage:Infobox Chemisches Element/Isotope
NMR-Eigenschaften
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref name="GESTIS">Eintrag zu Gadolinium, Pulver in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFAVorlage:Abrufdatum (JavaScript erforderlich)</ref> Pulver Achtung	Gefahrensymbol
	Gefahrensymbol
H- und P-Sätze	H: 228‐260
	P: 210‐231+232‐241‐280‐240‐501<ref name="GESTIS" />
	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[Bearbeiten]

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.<ref>Jean Charles Galissard de Marignac: Sur les terres de la samarskite. In: Comptes Rendus. 1880, 90, S. 899–903 (Digitalisat auf Gallica).</ref> Nachdem die Existenz von Y_α von William Crookes<ref>William Crookes: Sur la terre Y_α. In: Comptes Rendus. 1886, 102, S. 646–647 (Digitalisat auf Gallica).</ref> 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.<ref> Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: Le Yα de Marignac est définitevement nomme Gadolinium. In: Comptes Rendus. 1886, 102, S. 902 (Digitalisat auf Gallica).</ref><ref>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.</ref>

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.<ref> Félix Trombe: L'isolement de gadolinium. In: Comptes Rendus. 1935, 200, S. 459–461 (Digitalisat auf Gallica).</ref> Kurze Zeit später entdeckte er zusammen mit Georges Urbain und Pierre-Ernest Weiss den Ferromagnetismus des Elements.<ref> Georges Urbain, Pierre-Ernest Weiss Félix Trombe: Un nouveau métal ferromagnetique, le gadolinium. In: Comptes Rendus. 1935, 200, S. 2132–2134 (Digitalisat auf Gallica).</ref>

Vorkommen[Bearbeiten]

Datei:Lepersonnite-(Gd)-Studtite-Curite-201137.jpg

Lepersonnit-(Gd) (flach) zusammen mit Studtit (Nadeln) auf Curit (orange)

Gadolinium ist auf der Erde ein nicht sehr häufiges Element, seine Häufigkeit in der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 6,2 ppm. Es liegt damit in seiner Häufigkeit hinter den meisten leichten Seltenen Erden wie Cer, Neodym oder Samarium, aber vor den meisten schweren wie Erbium, Ytterbium oder Holmium.<ref>David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 85. Auflage. (Internet-Version: 2005), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Geophysics, Astronomy, and Acoustics, S. 14-14.</ref> Unter den Seltenen Erden wird es mit Yttrium und den Elementen von Terbium bis Lutetium zu den schweren Seltenen Erden (Heavy Rare Earth Elements, HREE) gezählt.<ref name="EncyclopediaGeochem"/>

Wie alle Seltenen Erden ist Gadolinium lithophil und daher vor allem in der kontinentalen Erdkruste zu finden, nur wenig im Erdmantel. Seltene Erden werden zudem zu den inkompatiblen Elementen gezählt, jedoch ist es bei verschiedenen Gesteinen und Lanthanoiden unterschiedlich ausgeprägt. Während leichte Lanthanoide stark inkompatibel sind, ist dies bei schweren weniger der Fall. Vor allem in Granat werden HREE wie Gadolinium bevorzugt eingebaut.<ref>Martin Okrusch, Hartwig E. Frimmel: Mineralogie. 10. Auflage, Springer, 2022, ISBN 978-3-662-64064-7, S. 765–769.</ref>

Gadolinium kommt in Mineralen stets zusammen mit den anderen Lanthanoiden vor. Die wichtigsten gadoliniumhaltigen Minerale sind Gadolinit-(Y), Xenotim, Bastnäsit, Allanit und Britholit.<ref name="EncyclopediaGeochem">Scott M. McLennan: Gadolinium. In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 525–526.</ref> Xenotim hat beispielsweise mit einem Anteil von etwa 2,3 %<ref>Athanasios K. Karamalidis, Roderick Eggert: Rear Eath Elements: Sustainable Recovery, Processing, and Purification. Wiley, 2024, ISBN 978-1-119-51503-6, S. 120.</ref> und Gadolinit-(Y) einer Probe aus Yokkaichi in Japan sogar 2,93 %<ref>Gadolinite-(Y). In: John W. Anthony, Richard A. Bideaux, Kenneth W. Bladh, Monte C. Nichols (Hrsg.): Handbook of Mineralogy, Mineralogical Society of America. 2001 (online, pdf).</ref> Auch Monazit enthält je nach Lagerstätte 1,5 bis 2 % Gadolinium und das Element kann daraus extrahiert werden.<ref>Joaquim Sanz, Oriol Tomasa, Abigail Jimenez-Franco, Nor Sidki-Rius: Elements and Mineral Resources. Springer, 2022, ISBN 978-3-030-85889-6, S. 281–284.</ref><ref name="Ullmann" details="S. 186">Ian McGill: Rear Earth Elements. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2012, doi:10.1002/14356007.a22_607.</ref> Bastnäsit enthält dagegen nur geringe Mengen Gadolinium.<ref name="Ullmann" details="S. 186"/>

Es sind mehrere seltene Minerale bekannt, in denen Gadolinium das häufigste Seltenerdmetall ist. Dazu zählen Lepersonnit-(Gd), ein radioaktives Carbonat mit der Verhältnisformel CaGd₂(UO₂)₂₄(CO₃)₈Si₄O₂₈·60H₂O<ref>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 (PDF-Datei; 623 kB)).</ref> sowie die gadoliniumhaltigen Mitglieder der Monazit- und Xenotim-Mischkristallreihen. Diese sind dimorph mit der idealen Zusammensetzung Gd(PO₄). Alle drei Minerale sind sehr selten mit einem oder zwei bekannten Fundorten. Lepersonnit-(Gd) wurde in der Shinkolobwe-Mine in der Demokratischen Republik Kongo, die anderen beiden im Uranvorkommen Zimná Voda bei Prakovce in der Slowakei sowie Monazit-(Gd) zusätzlich bei Thurein-taung im Distrikt Pyin U Lwin in Myanmar gefunden.<ref>Gadolinium. In: mindat.org, Hudson Institute of Mineralogy, abgerufen am 1. Juli 2026.</ref>

Die kommerziell wichtigste Quelle für Gadolinium sind ionenadsorbierende Tonminerale (Regolith-hosted ion-adsorption deposits, IADs). Diese entstehen bei der Verwitterung von Muttergesteinen vor allem in den Subtropen und adsorbieren die in den Ausgangsgesteinen enthaltenen Seltenerdmetalle. IAD-Vorkommen besitzen zwar nur einen relativ geringen Anteil an Seltenerdelementen von 0,05 bis 0,2 %, diese lassen sich jedoch relativ einfach durch Auslaugen aus den Tonmineralen lösen.<ref name="SupergeneMineralDeposits">Charles D. Beard, Eva Marquis, Martin P. Smith, Martin Yan Hei Li, Guillaume Estrade, Kathryn M. Goodenough: Ion Adsorption Mineralisation in Regolith-Hosted REE Deposits. In: Rob J. Bowell, Charles R. M. Butt (Hrsg.): Geology, Geochemistry and Formation of Supergene Mineral Deposits in Deeply Weathered Terrain. Springer, 2025, ISBN 978-3-031-75732-7, S. 365–367.</ref>

Die wichtigsten Vorkommen von ionenadsorbierenden Tonmineralen liegen im Süden Chinas, aber auch in Myanmar, Vietnam, Malawi, Brasilien, den Philippinen und den Vereinigten Staaten sind Vorkommen bekannt. Kommerziell ausgebeutet werden vor allem die Vorkommen in Südchina und Myanmar.<ref name="Nature Communications">A. Borst, Martin Smith, Adrian A. Finch, Guillaume Estrade, Cristina Villanova-de-Benavent, Peter Nason, Eva Marquis, Nicola J. Horsburgh, Kathryn Goodenough, Cheng Xu, Jindřích Kynický, Kalotina Geraki: Adsorption of rare earth elements in regolith-hosted clay deposits. In: Nature Communications. 2020, Band 11, Nr. 1, Artikel 4386, doi:10.1038/s41467-020-17801-5.</ref> Die chinesischen Tonmineral-Vorkommen enthalten etwa 10 ppm Gadolinium, es sind noch einige Vorkommen mit höheren Gehalten von bis zu 83 ppm in der Colossus-Lagerstätte bei Poços de Caldas in Brasilien bekannt.<ref>Kenneth D. Collerson, Roussos Dimitrakopoulos, Guy Greville: A Meaningful metric to compare the value and Prospectivity of Clay-Hosted regolith rare earth element deposits. In: Ore Geology Reviews. Band 180, 2025, Artikel 106582, doi:10.1016/j.oregeorev.2025.106582.</ref>

Die Konzentration von Gadolinium in Gewässern ist sehr gering.<ref name="EncyclopediaGeochem"/> Dennoch hat man in diesen eine positive Gadolinium-Anomalie festgestellt, sie entalten also mehr Gadolinium, als nach dem relativen Häufigkeitsverhältnis der Seltenen Erden zu erwarten wäre. Ein wesentlicher Grund hierfür ist anthropogen und liegt an der Verwendung von sehr stabilen gadoliniumhaltigen Komplexen wie Gd-DTPA als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomografie, die ins Abwasser gelangen. Aber auch eine natürliche Gadolinium-Anomalie konnte beobachtet werden, möglicherweise durch eine Fällung von HREE als Phosphat beim Verwittern von eisenreichen Gesteinen wie Basalt verursacht.<ref>Michael Bau, Peter Dulski: Anthropogenic origin of positive gadolinium anomalies in river waters. In: Earth and Planetary Science Letters. Band 143, Nr. 1–4, 1996, S. 245–255, doi:10.1016/0012-821X(96)00127-6.</ref><ref>Peter Möller, Peter Dulski, Marco De Lucia: REY Patterns and Their Natural Anomalies in Waters and Brines: The Correlation of Gd and Y Anomalies. In: Hydrology. Band 8, Nr. 3, 2021, Artikel 116, doi:10.3390/hydrology8030116.</ref>

Gewinnung und Darstellung[Bearbeiten]

Aufgrund der nur geringen Mengen des in den Erzen enthaltenen Gadoliniums und der Ähnlichkeit mit den anderen Lanthanoiden ist dessen Separierung 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.<ref>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.</ref><ref name="Ullmann"/>

Die Gewinnung elementaren Gadoliniums ist über die Reduktion von Gadolinium(III)-fluorid mit Calcium möglich.<ref name="Ullmann"/>

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

Eigenschaften[Bearbeiten]

Datei:Gadolinium.jpg

Elementares Gadolinium

Datei:Gd Heat Capacity DE.svg

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

Physikalische Eigenschaften[Bearbeiten]

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.<ref>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.</ref> Oberhalb von 1262 °C geht die Struktur in eine kubisch-raumzentrierte Struktur über.<ref>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.</ref>

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.<ref>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.</ref><ref>D. Errandonea, R. Boehler, B. Schwager, M. Mezouar: Structural studies of gadolinium at high pressure and temperature. In: Physical Review B. 75, 2007, doi:10.1103/PhysRevB.75.014103.</ref>

Gadolinium ist neben Dysprosium, Holmium, Erbium, Terbium und Thulium eines der Lanthanoide, das ferromagnetisch ist. 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.<ref>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.</ref> Oberhalb dieser Temperatur ist es paramagnetisch mit einer magnetischen Suszeptibilität χ_m von 0,12.<ref name="CRC"/>

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<ref name="Tsang">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.</ref><ref>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.</ref>). Für höhere Temperaturen ist die Debyesche Wärmekapazität (mit der Debye-Temperatur Θ_D = 163,4 K<ref name="Tsang"/>) ausschlaggebend. Knapp unterhalb der Curie-Temperatur nimmt die Wärmekapazität stark zu, was auf das Spinsystem zurückzuführen ist. Sie erreicht 56 J·mol⁻¹·K⁻¹ bei 290 K, um bei höheren Temperaturen sprunghaft auf unter 31 J·mol⁻¹·K⁻¹ einzubrechen.<ref name="jelinek">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.</ref>

Gadolinium ist Bestandteil keramischer Hochtemperatur-Supraleiter des Typs Ba₂GdCu₃O_7-x mit einer Sprungtemperatur von 94,5 K.<ref>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.</ref> Das reine Element ist nicht supraleitfähig.<ref>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.</ref>

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 radioaktive Xe-135 erreicht mit 2,65 Millionen barn reichlich das Zehnfache von Gd-157. Die hohe Abbrandrate (burn-out-rate) schränkt eine Verwendung als Steuerstab in Kernreaktoren aber erheblich ein.

Chemische Eigenschaften[Bearbeiten]

In trockener Luft ist Gadolinium beständig, in feuchter Luft bildet es eine nichtschützende, lose anhaftende und abblätternde Oxidschicht aus. Mit Wasser reagiert es langsam. In verdünnten Säuren wird es gelöst. Stäube von metallischem Gadolinium sind feuer- und explosionsgefährlich.

Verwendung[Bearbeiten]

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

Gadolinium-Gallium-Granat wurde zur Herstellung von Magnetblasenspeichern genutzt.

Zusätze von 1 % Gadolinium erhöhen die Bearbeitbarkeit und die Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit von Eisen- und Chrom legierungen. 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 Ozonschicht-schädigende Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) auskommen und besäßen keine verschleißenden mechanischen Teile. Umgekehrt lässt sich ein Motor durch Versorgung mit warmem und kaltem Wasser betreiben. Dadurch ließe sich z. B. die Restenergie aus warmen industriellen Abwässern gewinnen.<ref>Grüner Strom aus neuen Quellen, NZZ, 19. November 2016.</ref>

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.<ref>Patent DE4423128A1: Reaktorkern für einen Siedewasserkernreaktor. Veröffentlicht am 26. Januar 1995.‌</ref> Durch Neutroneneinfang werden dabei immer schwerere Isotope des Gadoliniums gebildet bis schließlich Transmutation erfolgt.

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.<ref>Christos M. Michail: Die Seite Vorlage:Webarchiv/styles.css hat keinen Inhalt.Luminescence Efficiency of Gd₂O₂S:Eu Powder Phosphors as X-ray to Light Converter (Memento vom 23. April 2015 im Internet Archive) (PDF; 239 kB), in: e-Journal of Science & Technology.</ref>

MRT-Kontrastmittel[Bearbeiten]

Intravenös injizierte Gadolinium(III)-Verbindungen wie Gadopentetat-Dimeglumin dienen als Kontrastmittel bei Untersuchungen im Kernspintomographen (MRT). Durch die sieben ungepaarten Elektronen in der f-Schale sind Gadoliniumionen 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. Gadolinium wird bspw. intravenös verabreicht, um Tumoren und entzündliche Veränderungen im Gehirn darzustellen. Bei Störungen der Blut-Liquor-Schranke kommt es zu einer Anreicherung im verdächtigen Bereich und liefert somit wichtige diagnostische Informationen.

Wegen der hohen Giftigkeit von freien Gadolinium-Ionen werden in MRT-Kontrastmitteln Komplexierungsmittel mit hoher Komplexierungskonstante verwendet, wie die Chelate DTPA (Diethylentriaminpentaessigsäure) und DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure), vgl. auch mit Gadotersäure. Gadolinium kann sich nach Angaben der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA im Gehirn ablagern<ref>FDA evaluating the risk of brain deposits with repeated use of gadolinium-based contrast agents for magnetic resonance imaging (MRI). In: FDA Drug Safety Communication. Food and Drug Administration, 18. August 2017, abgerufen am 26. September 2024. </ref>. Der Berufsverband Deutscher Nuklearmediziner (BDN) rät, die Mittel vorerst nur bei unvermeidbaren Untersuchungen einzusetzen.<ref>Kerstin Ullrich: MRT-Kontrastmittel kann im Gehirn zurückbleiben. In: Pressemitteilungen. Berufsverband Deutscher Nuklearmediziner e. V., 5. Februar 2016, abgerufen am 26. September 2024. </ref>

Verbindungen[Bearbeiten]

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.
Gadolinium(III)-nitrat Gd(NO₃)₃

Physiologie[Bearbeiten]

Es ist keine biologische Funktion des Gadoliniums bekannt.

Toxizität[Bearbeiten]

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.<ref name="Kühn">Jens Kühn: @1@2Vorlage:Toter Link/apps.drg.dePhysikochemische Eigenschaften von MRT Kontrastmitteln. (Seite nicht mehr abrufbar. Suche im Internet Archive) (PDF-Datei; 2,49 MB).</ref>

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.<ref name="unimed">Sichere MRT-Diagnostik mit Gadotersäure. In: universimed.com. 24. Mai 2011, archiviert vom Vorlage:IconExternal am 8. Februar 2013; abgerufen am 22. Februar 2012. </ref>

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. Eine neue Studie liefert Hinweise darauf, dass Gadolinium in Kontrastmitteln nach mehrmaligen MRTs zu Ablagerungen und eventuell auch Strukturschädigungen im Gehirn führen könnte.<ref name="DOI10.1148/radiol.13131669">Tomonori Kanda, Kazunari Ishii, Hiroki Kawaguchi, Kazuhiro Kitajima, Daisuke Takenaka: High Signal Intensity in the Dentate Nucleus and Globus Pallidus on Unenhanced T1-weighted MR Images: Relationship with Increasing Cumulative Dose of a Gadolinium-based Contrast Material. In: Radiology. 2013, S. 131669, doi:10.1148/radiol.13131669.</ref><ref>Peter Jaeggi, Ulrike Barwanietz, Candy Sauer: Schädliche Kontrastmittel? – Wie gefährlich sind MRT? (mp3-Audio; 24 MB; 27:55 Minuten) In: SWR2 Wissen. 9. März 2020, abgerufen am 5. Januar 2023 (pdf; 194 kB). </ref> Ob es wirklich zu einer Schädigung kommt, konnte jedoch noch nicht festgestellt werden.