Gadolinium: Het element

Het element gadolinium werd in 1880 ontdekt door de zwitser Jean C G de Marignac. Hij onderzocht de ingredienten van het mineraal Samarskit door ze te isoleren d.m.v. verschil in oplosbaarheid in een Kaliumsulfaat-oplossing. Afhankelijk van de oplosbaarheid scheiden zich de verschillen stoffen af. In een ervan vond hij in het spectrum de Spektraallijnen van een onbekend element. In 1886 heeft men het element Gadolinium (Gd) genoemd, als eerbetoon aan de Fin Johan Gadolin. Metallic Gadolinium werd voor het eerst gewonnen in 1935 door Felix Trombe.

Plaats van het element gadolinium in het periodiek systeem

Gadolinium is een chemisch element met het symbool Gd en atoomnummer 64. In het periodiek systeem staat het in de lanthaniden reeks en behoort dus bij de zeldzame aardmetalen. Het zilverwit tot grijs-witte glanzende zeldzame aardmetaal is taai, buigzaam en ferromagnetisch.

Algemene eigenschappen van het element gadolinium

Chemische eigenschappen van gadolinium

Fysische eigenschappen van gadolinium

Isotopen van gadolinium

Gadolinium bestaat uit 6 stabiele isotopen, 154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd en 160Gd, en 1 radioisotoop 152Gd.
Er zijn 29 radioisotopen, de meest stabiele is 152Gd met een halveringstijd van 1.08×1014 jaar, en 150Gd met een halfveringstijd van 1.79×10↑6 jaar. De resterende radioactive isotopen hebben een halveringstrijd van enkele seconden tot 75 jaar.

Stabielste isotopen van gadolinium

Voorkomen en productie

Het element komt in veel mineralen van de zeldzame aardmetalen voor, maar alleen in verbindingen, samen met andere lanhtaniden. Gadoliniumgehalte in mineralen monaziet 1,5 tot 2 % en in bastnasiet ((La,Ce,Y)CO3F) 0,15 tot 0,7 %.
Doordat de lanthaniden op elkaar lijken qua gedrag is scheiding van gadolinium van de andere lanthaniden moeilijk. De belangrijkste leveranciers zijn China, de VS, Brazilië, Sri Lanka, India en Australië. De reserves zijn circa een miljoen ton. Wereldproductie zuivere gadolinium is circa 400 ton per Jaar.

Gebruikseigenschappen van gadolinium

• Gadolinium heeft vanwege de aanwezige isotoop Gd-157 de hoogste "neutron- absorptie-vermogen" van alle stabiele elementen.
• In tegenstelling tot andere zeldzame aardmetalen is metallisch gadolinium relatief stabiel in droge lucht. Echter, het wordt aangetast in vochtige lucht. Er ontstaat een slecht hechtende gadolinium(III)oxide(Gd2O3) laag die afbladdert, en steeds weer oppervlak bloot legt die geoxideerd wordt etc.
• Het kristalliseert in een hexagonaal roosterstructuur(HCP). Boven 1262 ° C is de structuur een kubisch ruimtelijk gecenterd rooster(KRC), bij een druk boven 6,5 GPa zijn de atomen in evenwicht bij een dubbele hexagonale kristalstructuur. Een kubisch vlakken gecenterd rooster (KVR) is stabiel bij drukken boven 26 GPa.
• Gadolinium is naast dysprosium, holmium, erbium, terbium en thulium een van de lanthaniden die ferromagnetisch is. Met een Curie temperatuur van 292,5 K (19.3 ° C), boven deze temperatuur is het metaal paramagnetisch.
• Door deze magnetische eigenschappen heeft gadolinium een temperatuurafhankelijke warmtecapaciteit. Bij lage temperaturen (minder dan 4 K) geldt, als voor alle metalen, de elektronische warmtecapaciteit Cel. Voor hogere temperaturen geldt de Debye warmtecapaciteit (de Debye temperatuur = 163.4 K).
• Gadolinium maakt deel uit van de keramische de hoge-temperatuur supergeleider. Het zuivere element is niet supergeleidend.
• Stof van metalen gadolinium is brand- en explosie gevaarlijk.
• Gadolinium toont amagnetocalorisch effect waarbij de temperatuur stijgt wanneer het in een magnetisch veld komt en vermindert wanneer het magnetisch veld verlaat.
• Gadolinium Gd(111)verbindt zich met meeste elementen: stikstof, koolstof, zwavel, fosfor, boor, selenium, silicium en arseen. Bij hogere temperaturen vormt het binaire verbindingen: 4 Gd + 3 O2 → 2 Gd2O3.
• Gadolinium is een sterk reductiemiddel die metaaloxiden reduceert tot hun elementen. Gadolinium reageert langzaam met koud water en snel met warm water tot gadolinium hydroxyde: 2 Gd + 6 H2O → 2 Gd (OH) 3 + 3 H2
• Gadoliniummetaal wordt aangetast door verdund zwavelzuur, er ontstaat een oplossing met Gd(III)ionen:

2 Gd + 3 H2SO4 + 18 H2O → 2 [Gd(H2O) 9] 3+ + 3 SO2-4 + 3 H2

• Gadolinium metaal reageert met halogenen (X2) bij temperatuur van ongeveer 200 ° C: 2 Gd + 3 X2 → 2 GdX3

Toepassingen van gadolinium

• Toepassing gadolinium in radarapparatuur / Bron: Troy Clarke, Wikimedia Commons (Publiek domein)
  Gadolinium wordt gebruikt voor de bereiding van yttrium-gadolinium-granaat ondermeer toegepast in de magnetron.
• Gadolinium wordt gebruikt voor het maken van gadolinium- yttrium- granaat (Gd: Y3Al5O12); het heeft microgolf toepassingen en wordt gebruikt in de fabricage van verschillende optische onderdelen en als substraatmateriaal voor magneto-optische films.
• Gadolinium gallium-granaat (GGG, Gd3Ga5O12) wordt gebruikt voor imitatiediamanten en computer bubble geheugen (bubble geheugen gemaakt van kleine magnetische belletjes, die zijn opgenomen in een film van speciaal materiaal)
• Gadolinium oplossingen als elektrolyt in vaste oxidebrandstofcel (SOFC).
• Oxysulphides gebruikt voor de productie van groene fosforescent voor luminescerende schermen. Gadolinium verbindingen worden gebruikt voor het maken van groen fosforescerende stof voor kleurentelevisiebuizen. (Nederlandse term is fosforescent of fosforescerende stof)
• Gebruikt in herschrijfbare compact discs.
• Koelapparaten die werken volgens adiabatische magnetisatie kunnen gadolinium bevatten.
• In sommige legeringen wordt gadolinium gebruikt om de mechanische en chemische eigenschappen te verbeteren; het toevoegen van 1% gadolinium aan ijzer- en chroomlegeringen maakt de legering beter bestand tegen hogere bedrijfs temperatuur en tegen oxidatie.
• Gadolinium wordt soms toegevoegd in splijtstofstiften voor kernreactoren wegens de hoge "neutronenabsorptevermogen" van oneven isotopen 155 en 157. de hoge aanvangsreactiviteit van een nieuwe kernlading wordt vertraagd tot een deel van de oneven gadolinium isotopen door neutronenvangst zijn omgezet in even isotopen.
• Het wordt gebruikt als secundaire, noodstopvoorziening in sommige typen kernreactoren.
• Neutronen absorberende gadoliniummetaal of -zout wordt gebruikt voor het afscherming in neutronenradiografie.

Medische toepassingen van gadolinium

• Intraveneus gadolinium(III) verbindingen zoals gadopentetaat dimeglumine, dienen als contrastmiddelen in MRI onderzoek. Middelen zoals een oplossing van het gadoliniumcomplex in DTPA worden aan kankerpatiënten gegeven. Ze binden zich aan kankerweefsel en door het paramagnetische moment van de Gd3+-ionen worden de aangetaste weefsels duidelijker zichtbaar in de MRI-scan. Dus gebruikt als contrastmiddel om beelden in de medische magnetische resonantie scan te verbeteren. Het gadoliniumcomplex wordt vrij snel met de urine afgevoerd.
• 157Gd is effectief in gebruik om tumoren te behandelen in neutron therapie.
• Gadolinium is paramagnetisch bij 20 °C, met een ferromagnetische Curie punt van 20 ° C. Paramagnetische ionen, zoals gadolinium, bewegen anders binnen een magnetisch veld. door deze eigenschap verbetert de beeldvorming bij magnetische resonantie (MRI scan).
• Vrije gadolinium-ionen hopen zich op in lever en in skelet. Gadolinium beïnvloedt het vermogen tot samentrekken van de hartspier en remmen de bloedstolling.
• De toxiciteit van vrije gadolinium is hoog, in gecomplexeerde vorm, zoals de huidige goedgekeurde gadolinium contrastmiddelen blijft de toxiciteit onder controle.
• Gadolinium kan de lever beschadigen bij langdurige contact. MRI-contrastmiddelen gebaseerd op gadolinium, zoals gadobutrol, kunnen bij patiënten met slechte nierfunctie een soort sclerodermie(auto-immuunziekte die verharding (sclerosering) van bindweefsel veroorzaakt) veroorzaken.

Milieu en volksgezondheid

In het algemeen levert gadolinium geen gevaar op v0or het milieu. In water-oplosbare zouten van gadolinium(III) zijn giftig voor zoogdieren bij langdurig contact. Chelaatvormer gadolinium(III) verbindingen zijn minder toxisch. Gadolinium(III) wordt uit het lichaam afgevoerd voor ionen reageren met het lichaamsweefsel.