Gadolinium

Gadolinium is een scheikundig element met symbool Gd en atoomnummer 64. Het is een zilverwit lanthanoïde.

Gadolinium
1 18 1 H 2 Periodiek systeem 13 14 15 16 17 He 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba ↓ Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra ↓↓ Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og   Lanthanoïden La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Actinoïden Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Algemeen
Naam	Gadolinium
Symbool	Gd
Atoomnummer	64
Groep	Scandiumgroep
Periode	Periode 6
Blok	f-blok
Reeks	Lanthanoïden
Kleur	Zilverwit
Chemische eigenschappen
Atoommassa (u)	157,25
Elektronenconfiguratie	[Xe]4f7 5d1 6s2
Oxidatietoestanden	+3
Elektronegativiteit (Pauling)	1,20
Atoomstraal (pm)	179
1e ionisatiepotentiaal (kJ·mol−1)	593,40
2e ionisatiepotentiaal (kJ·mol−1)	1166,52
3e ionisatiepotentiaal (kJ·mol−1)	1990,51
Fysische eigenschappen
Dichtheid (kg·m−3)	7900
Smeltpunt (K)	1586
Kookpunt (K)	3540
Aggregatietoestand	Vast
Smeltwarmte (kJ·mol−1)	15,5
Verdampingswarmte (kJ·mol−1)	311
Kristalstructuur	Hex
Molair volume (m3·mol−1)	19,90 · 10−6
Specifieke warmte (J·kg−1·K−1)	230
Elektrische weerstand (μΩ·cm)	140,5
Warmtegeleiding (W·m−1·K−1)	10,6
SI-eenheden en standaardtemperatuur en -druk worden gebruikt, tenzij anders aangegeven
Portaal    Scheikunde

Ontdekking

In 1880 merkte de Zwitserse chemicus Jean Charles Galissard de Marignac op dat het materiaal dat in die tijd bekendstond als didymium en het mineraal gadoliniet een overeenkomende spectrumlijn vertoonde, die later werd toegeschreven aan gadolinium. In 1886 isoleerde Paul Émile Lecoq de Boisbaudran voor het eerst gadoliniumoxide uit het mineraal. Het duurde echter tot het begin van de 20e eeuw voordat Georges Urbain metallisch gadolinium kon isoleren. Deze Franse chemicus heeft tussen 1895 en 1912 een aantal elementen voor het eerst kunnen isoleren door middel van fractionele destillatie.

Gadolinium is vernoemd naar de Finse chemicus en geoloog Johan Gadolin.

Toepassingen

Zowel in de industrie als in de medische wetenschap wordt gadolinium gebruikt voor uiteenlopende toepassingen:

• In magnetrons en de microgolftechnologie wordt gadolinium-yttrium-granaat (GYG) gebruikt.^[1]

• In beeldbuizen wordt gadolinium gebruikt als fosforescent.^[1]
• In meerdere legeringen wordt gadolinium gebruikt om eigenschappen van metalen te verbeteren; het toevoegen van 1% gadolinium aan ijzer- en chroomlegeringen maakt het materiaal bestand tegen hoge temperaturen en roest.^[1]
• Compact discs bevatten gadolinium.
• Contrastmiddel bij MRI-scans. Middelen zoals Gadobutrol of een oplossing van het gadoliniumcomplex in DTPA worden aan vermoedelijke kankerpatiënten gegeven. Door lokale veranderingen in het vaatbed van het kankerweefsel en vanwege het grote paramagnetische moment van het Gd³⁺-ion worden deze weefsels veel beter zichtbaar in een MRI-scan. Na afloop van het onderzoek wordt het complex geleidelijk door de nieren uitgescheiden. Gadoxetaat is ook een contrastmiddel. Het bindt zich gemakkelijker aan gezond nierweefsel dan aan kankercellen of beschadigd weefsel. Ook wordt gadolinium gebruikt om bloedvaten zichtbaar te maken.
• Gadolinium wordt soms toegevoegd in splijtstofstiften voor kernreactoren gebruikmakend van de uitzonderlijk hoge werkzame doorsnede van de oneven isotopen 155 en 157 voor thermische neutronen. Aldus is het de bedoeling de hoge initiële reactiviteit van een nieuwe kernlading tijdelijk te onderdrukken tot het grootste deel van de oneven gadoliniumisotopen door neutronenvangst omgezet is in even isotopen.

Opmerkelijke eigenschappen

Gadolinium is een zilverwit buigzaam en makkelijk te vervormen metaal met een metallieke glans. Bij standaard temperatuur en druk heeft het een compacte hexagonale kristalstructuur in alfavorm. Bij verhitting boven 1535 K verandert dat in de lichaamscentrische kubische bètavorm. Gadolinium reageert minder makkelijk met zuurstof dan de meeste andere lanthanoïden. Het reageert langzaam met water en lost op in de meeste verdunde zuren.

Gadolinium heeft een elektronenconfiguratie [Xe]4f⁷5d¹6s². Zoals de meeste elementen van de lanthanoïdereeks heeft het de neiging de drie buitenste elektronen af te staan (gadoliniumchemie wordt hier geheel door beheerst). Het vormt Gd³⁺-ionen met een [Xe]4f⁷ configuratie. Hiermee is de f-schil precies halfvol. Volgens de regel van Hund heeft de hoge spintoestand met alle elektronspins parallel en spinkwantumgetal S=7/2 de laagste energie. Dit is het hoogste spinkwantumgetal van enig ion.

In het element kunnen de magnetische momenten van de individuele atomen koppelen. Gadolinium is daarom een van de vier ferromagnetische metalen, naast ijzer, nikkel en kobalt. Hoewel het magnetisch moment bijzonder groot is, is de koppeling niet bijzonder sterk. Het curiepunt ligt rond kamertemperatuur.

Verschijning

In de natuur komt gadolinium niet voor als vrij element, maar het komt voor in meerdere mineralen waarin ook andere lanthanoïden worden aangetroffen zoals gadoliniet, monaziet en bastnäsiet. De meeste gebruikte isolatiemethode is reductie van watervrij gadoliniumfluoride met calcium.

Isotopen

Zie Isotopen van gadolinium voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Stabielste isotopen
Iso	RA (%)	Halveringstijd	VV	VE (MeV)	VP
148Gd	syn	74,6 j	α	3,271	144Sm
150Gd	syn	1,79·106 j	α	2,809	146Sm
152Gd	syn	1,08·1014 j	α	2,205	148Sm
154Gd	2,18	stabiel met 90 neutronen
155Gd	14,80	stabiel met 91 neutronen
156Gd	20,47	stabiel met 92 neutronen
157Gd	15,65	stabiel met 93 neutronen
158Gd	24,84	stabiel met 94 neutronen
160Gd	21,86	stabiel met 96 neutronen

Gadolinium komt in zes stabiele isotopen voor in de natuur. Daarnaast komt er één radioactieve isotoop voor met een halveringstijd van 1,08·10¹⁴ jaar. In totaal zijn er 30 radio-isotopen bekend.

Toxicologie en veiligheid

Van gadolinium is bekend dat het leverschade kan aanrichten bij langdurige blootstelling. Aangezien het gebruik van gadolinium aanzienlijk is (bijvoorbeeld voorheen, als fosforescent in beeldbuizen) is dat een belangrijke reden om het materiaal zorgvuldig te behandelen. MRI-contrastmiddelen gebaseerd op gadolinium, zoals gadobutrol, lijken bij toepassing bij patiënten met een zeer slechte nierfunctie een soort sclerodermie te kunnen veroorzaken: nefrogene systemische fibrose.