Gadolinium

Gadolinium ist ein chemisches Element aus der Gruppe der Lanthoide bzw. der Seltenen Erden.

Übersicht: Allgemeine Daten zum Gadolinium

Bezeichnung:Gadolinium Symbol:Gd Ordnungszahl:64 Atommasse:157,25(3) u Periodensystem-Stellung:Lanthanoide, 6. Periode, f-Elemente Gruppen-Zugehörigkeit:Seltene Erden Entdeckung:1880 - Jean Charles Galissard de Marignac. Erste Isolierung: 1886 - Lecoq de Boisbaudran. Bedeutung des Namens:Benannt nach Johan Gadolin (finnischer Chemiker). Irdisches Vorkommen:Seltenes Element mit einem Anteil von 5,9 ppm an der Erdhülle. Englischer Name:Gadolinium CAS-Nummer:7440-54-2 InChI-Key:UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N

Das Gadolinium-Atom

Identifikations-Merkmal für das Gd-Atom - und somit für das Element Gadolinium - ist die Anzahl der Protonen im Atomkern (Kernladungszahl oder Protonenzahl) und - im ungeladenen Zustand - die gleiche Anzahl an Elektronen in der Atomhülle; diese beträgt jeweils 64 und bestimmt die Atomzahl, Atomnummer bzw. die Ordnungszahl des Gadoliniums.

Für Unterschiede bei den Gd-Atomkernen bei gleichbleibender Kernladungszahl sorgen die Kernbausteine der Neutronen. Diese Atomsorten werden unter dem Begriff Gadolinium-Isotope bzw. -Nuklide zusammengefasst (Isotopen-Daten: siehe dort).

Die irdischen Gadolinium-Vorkommen bestehen aus einem Isotopengemisch; die relative Atommasse wird daher mit 157,25(3) u angegeben.

Elektronenkonfiguration

Symbol

Kurzform

[Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s²

Ionisierungsenergien

Die folgende Tabelle listet die Bindungsenergien bzw. die Ionisierungsenergien IE des Gadoliniums auf, also die erforderliche Energie in Elektronenvolt (eV), um ein bestimmtes Elektron von einem Gd-Atom zu trennen.

1. IE:

6,14980 eV

2. IE:

12,09 eV

3. IE:

20,63 eV

4. IE:

44,0 eV

5. IE:

6. IE:

Elektronenbindungsenergie

Die nachfolgende Tabelle listet die Elektronenbindungsenergien der einzelnen Gadolinium-Elektronen in den jeweiligen Orbitalen auf. Die Werte sind in Elektronenvolt (eV) angegeben.

K	LI	LII	LIII
1s	2s	2p_1/2	2p_3/2
50239	8376	7930	7243

MI	MII	MIII	MIV	MV
3s	3p_1/2	3p_3/2	3d_3/2	3d_5/2
1881	1688	1544	1221,9	1189,6

NI	NII	NIII	NIV	NV	NVI	NVII
4s	4p_1/2	4p_3/2	4d_3/2	4d_5/2	4f_5/2	4f_7/2
378,6	286	271	-	142,6	8,6	8,6

OI	OII	OIII	OIV	OV
5s	5p_1/2	5p_3/2	5d_3/2	5d_5/2
36	28	21

Weitere Daten

Atomradius:233 pm (berechnet)
180 pm (empirisch, nach Slater) Kovalente Radien:196(6) pm (nach Cordero et al.)
169 pm (in Einfach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
135 pm (in Zweifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
132 pm (in Dreifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.) Van-der-Waals-Radius:172 pm Molvolumen:19,90 cm³ mol^-1 Fluoreszenz-Ausbeute:ω_K: 0,932; ω_L1: 0,102; ω_L2: 0,175; ω_L3: 0,167 Coster-Kronig-Übergänge:F₁₂: 0,19; F₁₃: 0,279; F₂₃: 0,15

Spektrallinien des Gadoliniums

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Emissionsspektrum des Gadoliniums mit den charakteristischen Spektrallinien im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm:

Chemie des Gadoliniums

Gadolinium liegt in der überwiegenden Mehrzahl seiner Verbindungen in der Oxidationsstufe +III vor und teilt seine Valenzelektronen bereitwillig mit den meisten der anderen Elemente, um Gadolinium(III)-Verbindungen zu bilden. Binäre Strukturen entstehen bei erhöhter Temperatur mit Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor, Bor, Selen, Silicium und Arsen.

Reduzierte Gadolinium-Verbindungen sind insbesondere im festen Zustand bekannt. So können Gadolinium (II)-halogenide durch Erhitzen von Gd(III) -halogeniden in Gegenwart von metallischem Gd in Tantalbehältern dargestellt werden.

Gadolinium bildet auch Sesquichlorid der Formel Gd₂Cl₃, das durch Tempern bei 800 °C weiter zum Gadolinium(I)-chlorid (GdCl) reduziert werden kann; dieses bildet Plättchen mit einer schichtförmigen, graphitartigen Struktur.

Im Gegensatz zu den anderen Seltenerdelementen ist metallisches Gadolinium in trockener Luft relativ stabil. In feuchter Luft läuft es jedoch schnell dunkel an und bildet ein lose anhaftendes Schicht aus Gadolinium(III)-oxid (Gd₂O₃), die - ähnlich dem Rost - abplatzt und weiteres Gadolinium der Oxidation aussetzt.

Gadolinium ist ein starkes Reduktionsmittel, welche Oxide mehrerer Elemente reduziert und so die Metalle freisetzt. Darüber hinaus ist es elektropositiv und reagiert langsam mit kaltem Wasser und sehr viel schneller mit heißem Wasser unter Bildung von Gadoliniumhydroxid (Gd(OH)₃) und elementarem Wasserstoff.

Chemische Daten

Elektronegativität:1,20 nach PaulingElektronaffinität:0,137 eV bzw. 13,22 kJ mol^-1Oxidationsstufen:+3 (+2, +1)

Material- und physikalische Eigenschaften des Gadoliniums

Die nachfolgende Übersicht führt einige physikalische Daten sowie Materialeigenschaften des reinen Gadoliniums auf.

Schmelzpunkt:1313 °C Schmelzenthalpie (molar):10,05 kJ mol^-1 Siedepunkt:3273 °C Verdampfungsenthalpie:311,7 kJ mol^-1 Wärmekapazität:37,03 J mol^-1 K^-1 (molar)
0,236 J g^-1 K^-1 (spezifisch) Debye-Temperatur:182 K Thermische Leitfähigkeit:10,6 W m^-1 K^-1 Wärmeausdehnung:9,4 μm m^-1 K^-1 bei 100 °C Elektrische Leitfähigkeit:0,763 × 10⁶ A V^-1 m^-1 Elektrischer Widerstand:1310 μΩ × m bei 20 °C Dichte:7,886 g cm^-3 bei 25 °C
7,4 g cm^-3 (flüssig, am Schmelzpunkt) Elastizitätsmodul:54,8 GPa, α-Gd (Young Modulus) Kompressionsmodul (isotherm):38,3 GPa 300 K Kompressibilität (isotherm):0,0261 GPa^-1 300 K Poisson-Zahl:0,259 (Querdehnzahl, dimensionslos) Kristallstruktur:hexagonal-dichteste Kugelpackung - hcp Gitterkonstanten:a = 363 pm, c = 578 pm Härte:nach Vickers: 0,57 GPa Magnetismus:ferromagnetisch/paramagnetisch Magnetische Suszeptibilität:755000,00 × 10^-5 cm³ mol^-1 bei 27,45 °C Curie-Temperatur:19,3 °C Schallgeschwindigkeit:2680 m s^-1 bei 20 °C Standard-Bildungsenthalpie:0,0 kJ mol^-1 (Feststoff, Kristall)
397,5 kJ mol^-1 (gasförmig) Gibbs Freie Enthalpie:359,8 kJ mol^-1 (gasförmig) Molare Standard-Entropie:68,1 J mol^-1 K^-1 (Feststoff, Kristall)
194,3 J mol^-1 K^-1 (gasförmig)

Gefahren und Sicherheit

Achtung

(Allgemeine Hinweise ohne Gewähr auf Richtigkeit und Vollständigkeit)

Gadolinium-Pulver:

H228 - Entzündbarer Feststoff.

H260 - In Berührung mit Wasser entstehen entzündbare Gase, die sich spontan entzünden können.

Externe Informationsangebote

Gruppenelemente - Informationen

Lanthanoid Trennung 1
Gewinnung und Trennung von Lanthanoiden. FH Münster - Format: PDF

Lanthanoid Trennung 2
Gewinnung und Trennung von Lanthanoiden. FH Münster - Format: PDF

Lanthanoide
Vorlesungsmaterialien: Chemie der Metalle. Universität Freiburg

Lanthanoide
Allgemeines, Trennung, Gewinnung, Eigenschaften, 4f-Orbitale etc.. Universität Bielefeld

Einzelne Verbindungen

Gadolinium und Gadoliniumverbindungen
Chemikalien-Datenbank: physikalische und chemische Eigenschaften, Sicherheitsdatenblätter, kommerziell verfügbaren Stoffen und Verbindungen; verschiedene Suchkriterien einschließlich Struktursuche

Analyse und Bestimmung

Gadolinium-basierte Kontrastmittel in biologischen Proben
Untersuchungen zur Aufnahme und Verteilung von gadoliniumbasierten Kontrastmitteln in biologischen Proben mittels Laserablation mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie. Dissertation Chemie, HU Berlin, (2016) - Format: PDF

Geochemie und Biogeochemie

Gadoliniumhaltige Minerale
Informationen zum Gadolinium und den Gadoliniummineralien. Mineralien Atlas

Geochemie der Seltenen Erden
Umfassendes Vorlesungsskript. Universität Köln - Format: PDF

Migration
Untersuchungen zur Migration von Europium und Gadolinium in Kaolinit als Modellmineral für eine Endlagerstätte. Dissertation, 2007. Universität des Saarlandes

Seltene Erden
Rohstoffwirtschaftlicher Steckbrief. BGR

Seltene Erdmetalle
Gewinnung, Verwendung und Recycling - Format: PDF

Seltenerdmineralien
Auflistung und prozentuale Zusammensetzung der einzelnen in der Natur auftretenden, Seltene Erden enthaltenen Mineralien

Umweltchemie

Gadoliniumhaltige Kontrastmittel
Umweltverhalten und Ökotoxikologie von gadoliniumhaltigen Magnetresonanztomographie-Kontrastmitteln. Dissertation, 2008. TU Berlin

Toxikologie, Medizin, Physiologie

AAZTA-basierter Liganden
Synthese neuer AAZTA-basierter Liganden und ihrer Gd(III)-Komplexe als Kontrastmittel für die MR-Bildgebung. Universität Würzburg, 2012

Cytotoxizität
... gadoliniumhaltiger Kontrastmittel auf renale Tubuluszellen in vitro: Vergleich eines nichtionischen iodhaltigen Röntgenkontrastmittels mit gadoliniumhaltigen Kontrastmitteln bei gleichen molaren Konzentrationen und Konzentrationen gleicher Röntgendichte. Universität Erlangen-Nürnberg, 2011

Dissertationen

Aufnahme und Verteilung von gadoliniumbasierten Kontrastmitteln
Untersuchungen zur Aufnahme und Verteilung von gadoliniumbasierten Kontrastmitteln in biologischen Proben mittels Laserablation mit induktiv gekoppelter Plasma-Massenspektrometrie. Dissertation, HU Berlin, (2016)

Cluster-Komplexe
... der Seltenerdmetalle Gadolinium und Lutetium mit endohedralen Übergangsmetall-Atomen. Universität Köln

Elektronische Struktur
... im Volumen und an der Oberfläche von Lanthanidmaterialen. Eine Röntgenemissions- und inverse Photoemissionsstudie. Dissertation, 2000. FU Berlin

Gadoliniumcarbid
Synthese, strukturelle und physikalische Charakterisierung von Seltenerdcarbiden. Dissertation, 2007. Universität Köln

Gadolinium-MRT-Kontrastmitteln in Umweltmatrizes
Dissertation, HU Berlin, (2017)

Hochauflösende Resonanzionisationsspektroskopie
… an Samarium und Gadolinium. Dissertation, 2002. Universität Mainz

Newsarchiv

Gadolinium als Umweltindikator

Gadolinium im Berliner Trinkwasser: Zunahme der Belastung in West-Berlin zwischen 2009 und 2012.

Je höher die Belastung mit dem gesundheitlich unbedenklichen Kontrastmittel-Gadolinium ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass auch andere abwasserbürtige Stoffe wie Arzneimittelrückstände und Körperpflegeprodukte ins Trinkwasser gelangt sind.

[Karte: Michael Bau und Nathalie Tepe, Jacobs Universität Bremen].

Gadolinium-Aufnahme durch Pflanzen

Kontrastmittelaufnahme von Pflanzen nachgewiesen: Forscher haben Kresse über mehrere Tage mit kontrastmittelhaltigem Gießwasser gegossen und die Substanzen dann in den Blättern nachgwiesen.

Bild: Probenentnahme am Berliner Teltowkanal. Das Kontrastmittel Gadolinium kann über Klärwasser in die Nahrungskette gelangen.

[Bildquelle: BAM]

Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 02.02.2020.

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