Gadolinium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

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Vorkommen und Gewinnung

Gadolinium gehört zu den Seltenen Erden, die bei Lanthan erklärt sind. Es kommt in Monazit, Bastnäsit und Xenotim vor und ist in der Erdkruste häufiger als Arsen. Die Trennung von den Nachbarelementen gelingt über Flüssig-Flüssig-Extraktion oder Ionenaustausch, das Metall entsteht anschließend durch Reduktion des Fluorids mit Calcium.

Der Name führt nach Ytterby bei Stockholm. Dort wurde ein schwarzes Mineral gefunden, das der Finne Johan Gadolin im Jahr 1794 untersuchte. Er entdeckte darin ein neues Oxid, die Yttererde. Es war das erste Seltene-Erden-Oxid, das man als solches erkannte. Später nannte man das Mineral Gadolinit. Das Element Gadolinium steckt darin nur in kleiner Menge, es überwiegen andere Seltene Erden, vor allem Yttrium.

Das Element selbst entdeckte der Schweizer Chemiker Jean Charles Galissard de Marignac im Jahr 1880. Er fand in Material aus Samarskit Spektrallinien, die einem unbekannten Stoff gehörten. Benannt wurde es nach dem Mineral und damit nach Gadolin.

Eigenschaften und Reaktionen

Gadolinium ist das achte Lanthanoid. In Periode 6 grenzt es links an Europium und rechts an Terbium. Die Konfiguration [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s² zeigt eine Besonderheit: Ein Elektron sitzt in der 5d-Unterschale, weil die halb gefüllte 4f-Unterschale mit sieben Elektronen besonders stabil ist. Mit einer Elektronegativität von 1,2 ist das Element ein typisches Metall. Bei 1313 °C schmilzt es, bei 3273 °C siedet es, und die Dichte beträgt 7,9 g/cm³.

Sieben ungepaarte Elektronen in der 4f-Unterschale machen das Gd³⁺-Ion stark paramagnetisch. Das Metall selbst ist unterhalb von etwa 20 Grad Celsius ferromagnetisch wie Eisen, Cobalt und Nickel, darüber nicht mehr. Diese Grenze heißt Curie-Temperatur. Gadolinium ist das einzige Lanthanoid, bei dem sie nahe der Raumtemperatur liegt. Ein kaltes Stück wird von einem Magneten angezogen, ein warmes kaum noch.

Nahe der Curie-Temperatur ist der magnetokalorische Effekt besonders stark. Legt man ein Magnetfeld an, richten sich die Atom-Magnete aus, und das Metall erwärmt sich um einige Grad. Nimmt man das Feld weg, kühlt es sich wieder ab. Gibt man die entstandene Wärme zwischendurch ab, lässt sich so ohne Kompressor kühlen. Das erforscht man für Magnetkühlschränke, bisher vor allem als Prototypen.

In trockener Luft ist das Metall recht beständig, in feuchter läuft es an und bildet eine lockere Oxidschicht. Mit Wasser reagiert es langsam, in der Wärme schneller unter Bildung von Wasserstoff. In Verbindungen ist Gd³⁺ farblos.

Verwendung in Alltag und Technik

Im MRT liefern die Wasserstoffkerne des Körperwassers das Signal. Das Gd³⁺-Ion mit seinen sieben ungepaarten Elektronen beschleunigt die Rückkehr dieser Kerne in ihren Ausgangszustand, und Gewebe in der Nähe erscheint auf dem Bild heller. Ärzte erkennen so Tumoren, Entzündungsherde und Gefäßveränderungen. Das freie Ion ist giftig, unter anderem weil es ähnlich groß ist wie Ca²⁺ und dessen Aufgaben stört. Deshalb spritzt man es als fest gebundenen Komplex mit einem organischen Molekül. Die Niere scheidet die Komplexe innerhalb von Stunden aus.

Bei normaler Nierenfunktion gelten die Kontrastmittel als gut verträglich. Bei schwerer Niereninsuffizienz traten mit älteren, weniger stabilen Mitteln Fälle von nephrogener systemischer Fibrose auf, einer schweren Bindegewebserkrankung. Geringe Mengen Gadolinium können in den Knochen und, wie man seit 2014 weiß, auch im Gehirn zurückbleiben. Ein Gesundheitsschaden ist bei Menschen mit gesunden Nieren bisher nicht belegt. Europäische Behörden haben einige der weniger stabilen Mittel eingeschränkt oder vom Markt genommen, und Ärzte wägen Nutzen und Risiko ab. Spuren der stabilen Komplexe findet man inzwischen in Flüssen und im Trinkwasser großer Städte, weit unter den Mengen, bei denen man Schäden erwartet.

Zweitens ist Gadolinium ein Neutronenfänger. Seine Isotope Gadolinium-155 und Gadolinium-157 fangen langsame Neutronen stärker ein als jedes andere stabile Isotop. In Kernkraftwerken mischt man Gadoliniumoxid in einen Teil des Brennstoffs, damit frische Brennelemente nicht zu heftig reagieren. Das Gadolinium wird dabei langsam verbraucht.

Kristalle aus Gadolinium-Silicat dienen außerdem als Szintillatoren in PET-Geräten.

Kurz gefragt

Welche Ordnungszahl hat Gadolinium (Gd)?

Häufige Fragen