Gadolinium

Gadolinium ⓘ
Gefahren
	GHS-Kennzeichnung:
Piktogramme
Signalwort	Gefahr
Gefahrenhinweise	H261
Sicherheitshinweise	P231+P232, P422
NFPA 704 (Feuerdiamant)	0 0 1 W

Gadolinium, ₆₄Gd ⓘ
Gadolinium
Aussprache	/ˌɡædəˈlɪniəm/ (GAD-ə-LIN-ee-əm)
Erscheinungsbild	silbrig-weiß
Standard-Atomgewicht Ar°(Gd)	157.25±0.03; 157,25±0,03 (abgekürzt);
Gadolinium im Periodensystem
	Europium ← Gadolinium → Terbium
Ordnungszahl (Z)	64
Gruppe	Gruppe k.A.
Periode	Periode 6
Block	f-Block
Elektronen-Konfiguration	[[[Xenon\|Xe]]] 4f7 5d1 6s2
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 25, 9, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei STP	fest
Schmelzpunkt	1585 K (1312 °C, 2394 °F)
Siedepunkt	3273 K (3000 °C, 5432 °F)
Dichte (nahe r.t.)	7,90 g/cm3
in flüssigem Zustand (bei mittlerem Druck)	7,4 g/cm3
Schmelzwärme	10,05 kJ/mol
Verdampfungswärme	301,3 kJ/mol
Molare Wärmekapazität	37,03 J/(mol-K)
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	0, +1, +2, +3 (ein schwach basisches Oxid)
Elektronegativität	Pauling-Skala: 1.20
Ionisierungsenergien	1: 593,4 kJ/mol ; 2.: 1170 kJ/mol ; 3.: 1990 kJ/mol ; ;
Atomradius	empirisch: 180 pm
Kovalenter Radius	196±6 pm
	Spektrallinien von Gadolinium
Sonstige Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	primordial
Kristallstruktur	hexagonal dicht gepackt (hcp)
Schallgeschwindigkeit dünner Stab	2680 m/s (bei 20 °C)
Thermische Ausdehnung	α poly: 9,4 µm/(m⋅K) (bei 100 °C)
Wärmeleitfähigkeit	10,6 W/(m⋅K)
Elektrischer Widerstand	α, poly: 1.310 µΩ⋅m
Magnetische Ordnung	ferromagnetisch-paramagnetischer Übergang bei 293,4 K
Molare magnetische Suszeptibilität	+755000,0×10-6 cm3/mol (300,6 K)
Elastizitätsmodul	α-Form: 54,8 GPa
Schermodul	α-Form: 21,8 GPa
Elastizitätsmodul	α-Form: 37,9 GPa
Poissonzahl	α-Form: 0.259
Vickers-Härte	510-950 MPa
CAS-Nummer	7440-54-2
Geschichte
Benennung	nach dem Mineral Gadolinit (das wiederum nach Johan Gadolin benannt wurde)
Entdeckung	Jean Charles Galissard de Marignac (1880)
Erste Isolierung	Lecoq de Boisbaudran (1886)
Hauptisotope von Gadolinium
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Gadolinium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Gd und der Ordnungszahl 64. Gadolinium ist ein silbrig-weißes Metall, wenn die Oxidation entfernt wird. Es ist nur leicht verformbar und gehört zu den duktilen Seltenen Erden. Gadolinium reagiert mit Luftsauerstoff oder Feuchtigkeit langsam und bildet einen schwarzen Überzug. Unterhalb seines Curie-Punktes von 20 °C (68 °F) ist Gadolinium ferromagnetisch und zieht ein Magnetfeld stärker an als Nickel. Oberhalb dieser Temperatur ist es das am stärksten paramagnetische Element. In der Natur kommt es nur in oxidierter Form vor. Wenn es abgetrennt wird, enthält es in der Regel Verunreinigungen der anderen Seltenen Erden aufgrund ihrer ähnlichen chemischen Eigenschaften. ⓘ

Gadolinium wurde 1880 von Jean Charles de Marignac entdeckt, der sein Oxid mit Hilfe der Spektroskopie nachwies. Es ist nach dem Mineral Gadolinit benannt, einem der Minerale, in denen Gadolinium vorkommt, das wiederum nach dem finnischen Chemiker Johan Gadolin benannt ist. Reines Gadolinium wurde erstmals um 1886 von dem Chemiker Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran isoliert. ⓘ

Gadolinium besitzt ungewöhnliche metallurgische Eigenschaften, die so weit gehen, dass bereits 1 % Gadolinium die Verarbeitbarkeit und Oxidationsbeständigkeit von Eisen, Chrom und verwandten Metallen bei hohen Temperaturen erheblich verbessern kann. Gadolinium als Metall oder Salz absorbiert Neutronen und wird daher manchmal zur Abschirmung in der Neutronenradiographie und in Kernreaktoren verwendet. ⓘ

Wie die meisten Seltenen Erden bildet auch Gadolinium dreiwertige Ionen mit fluoreszierenden Eigenschaften, und Gadolinium(III)-Salze werden in verschiedenen Anwendungen als Leuchtstoffe verwendet. ⓘ

Gadolinium(III)-Ionen in wasserlöslichen Salzen sind für Säugetiere sehr giftig. Chelatbildende Gadolinium(III)-Verbindungen verhindern jedoch, dass das Gadolinium(III) dem Organismus ausgesetzt wird, und der größte Teil wird von gesunden Nieren ausgeschieden, bevor es sich in den Geweben ablagern kann. Aufgrund ihrer paramagnetischen Eigenschaften werden Lösungen von chelatierten organischen Gadoliniumkomplexen als intravenös verabreichte MRT-Kontrastmittel auf Gadoliniumbasis in der medizinischen Magnetresonanztomographie verwendet. Die Ablagerung in den Geweben des Gehirns, des Herzmuskels, der Niere, anderer Organe und der Haut erfolgt in unterschiedlichen Mengen und hängt hauptsächlich von der Nierenfunktion, der Struktur der Chelate (linear oder makrozyklisch) und der verabreichten Dosis ab. ⓘ

Geschichte

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. Nachdem die Existenz von Y_α von William Crookes 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. ⓘ

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. Kurze Zeit später entdeckte er zusammen mit Georges Urbain und Pierre-Ernest Weiss den Ferromagnetismus des Elements. ⓘ

Vorkommen

Gadolinium ist auf der Erde ein seltenes Element, sein Anteil an der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 6,2 ppm. ⓘ

Das Element kommt in vielen Mineralen der Seltenerdmetalle in unterschiedlichen Gehalten vor. Besonders hoch ist der Gadoliniumgehalt in Mineralen der Yttererden wie Xenotim. In Xenotimvorkommen aus Malaysia beträgt der Gadoliniumanteil etwa 4 %. Aber auch Monazit enthält je nach Lagerstätte 1,5 bis 2 % des Elements, in Bastnäsit ist der Anteil mit 0,15 bis 0,7 % dagegen geringer. Es ist nur ein einziges Mineral bekannt, in dem Gadolinium das Seltenerdmetall mit dem höchsten Anteil ist. Dabei handelt es sich um das sehr seltene Uranylcarbonat Lepersonnit-(Gd) mit der chemischen Zusammensetzung Ca(Gd,Dy)₂(UO₂)₂₄(SiO₄)₄(CO₃)₈(OH)₂₄ · 48H₂O. ⓘ

Gadolinit ⓘ

Gewinnung und Darstellung

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. ⓘ

Die Gewinnung elementaren Gadoliniums ist über die Reduktion von Gadolinium(III)-fluorid mit Calcium möglich.

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

Gadoliniummetall wird aus seinem Oxid oder seinen Salzen durch Erhitzen mit Calcium bei 1.450 °C (2.640 °F) in einer Argonatmosphäre gewonnen. Gadoliniumschwamm kann durch Reduktion von geschmolzenem GdCl3 mit einem geeigneten Metall bei Temperaturen unter 1.312 °C (dem Schmelzpunkt von Gd) bei reduziertem Druck hergestellt werden. ⓘ

Eigenschaften

Elementares Gadolinium ⓘ

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

Physikalische Eigenschaften

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. Oberhalb von 1262 °C geht die Struktur in eine kubisch-raumzentrierte Struktur über. ⓘ

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. ⓘ

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. Oberhalb dieser Temperatur ist es paramagnetisch mit einer magnetischen Suszeptibilität χ_m von 0,12. ⓘ

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). Für höhere Temperaturen ist die Debyesche Wärmekapazität (mit der Debye-Temperatur Θ_D = 163,4 K) ausschlaggebend. Unterhalb der Curie-Temperatur nimmt die Wärmekapazität dann stark zu, was auf das Spinsystem zurückzuführen ist. Sie erreicht 56 J·mol⁻¹·K⁻¹ bei 290 K, um bei höheren Temperaturen fast schlagartig auf unter 31 J·mol⁻¹·K⁻¹ einzubrechen. ⓘ

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

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. ⓘ

Gadolinium ist das achte Mitglied der Lanthanidenreihe. Im Periodensystem steht es zwischen den Elementen Europium zu seiner Linken und Terbium zu seiner Rechten und oberhalb des Actinids Curium. Es ist ein silbrig-weißes, verformbares, dehnbares Seltenerd-Element. Seine 64 Elektronen sind in der Konfiguration [Xe]4f⁷5d16s2 angeordnet. ⓘ

Wie die meisten anderen Metalle der Lanthanidenreihe verwendet Gadolinium in der Regel drei Elektronen als Valenzelektronen, da die verbleibenden 4f-Elektronen danach zu stark gebunden sind: Dies liegt daran, dass die 4f-Orbitale am stärksten durch den trägen Xenon-Elektronenkern zum Kern vordringen, gefolgt von 5d und 6s, und dies nimmt mit höherer Ionenladung zu. Bei Raumtemperatur kristallisiert es in der hexagonalen, dicht gepackten α-Form, doch beim Erhitzen auf Temperaturen über 1.235 °C wandelt es sich in seine β-Form um, die eine kubisch-raumzentrierte Struktur aufweist. ⓘ

Einzelne Gadoliniumatome können isoliert werden, indem man sie in Fullerenmoleküle einkapselt, wo sie mit einem Transmissionselektronenmikroskop sichtbar gemacht werden können. Einzelne Gd-Atome und kleine Gd-Cluster können in Kohlenstoff-Nanoröhren eingebaut werden. ⓘ

Chemische Eigenschaften

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 löst es sich auf. Stäube von metallischem Gadolinium sind feuer- und explosionsgefährlich. ⓘ

Verwendung

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

Gadolinium-Gallium-Granat wurde zur Herstellung von Magnetblasenspeichern genutzt. Auch in der Herstellung von wiederbeschreibbaren Compact Discs findet es Anwendung. ⓘ

Zusätze von 1 % Gadolinium erhöhen die Bearbeitbarkeit und die Hochtemperatur- und Oxidationsbeständigkeit von Eisen- und Chromlegierungen. 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 warmen und kaltem Wasser betreiben. Dadurch ließe sich z. B. die Restenergie aus warmen industriellen Abwässern gewinnen. ⓘ

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. ⓘ

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. ⓘ

Medizinische Verwendung: MRT

Intravenös injizierte Gadolinium(III)-Verbindungen wie Gadopentetat-Dimeglumin dienen als Kontrastmittel bei Untersuchungen im Kernspintomographen. Dazu werden wegen der hohen Giftigkeit von freien Gadolinium-Ionen Komplexierungsmittel mit hoher Komplexierungskonstante, wie die Chelate DTPA (Diethylentriaminpentaessigsäure) und DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure, mit Gd = Gadotersäure), verwendet. 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. Aber Gadolinium kann sich nach Angaben der US-amerikanischen Arzneimittelbehörde FDA im Gehirn ablagern. Der Berufsverband Deutscher Nuklearmediziner (BDN) rät, die Mittel vorerst nur bei unvermeidbaren Untersuchungen einzusetzen. Gadolinium wird intravenös verabreicht, um bspw. 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. ⓘ

Chemische Verbindungen

Wie die meisten Seltenerdmetalle nimmt Gadolinium in den meisten seiner Verbindungen die Oxidationsstufe +3 an. Selten kann Gadolinium jedoch auch in den Oxidationsstufen 0, +1 und +2 vorkommen. Alle vier Trihalogenide sind bekannt. Alle sind weiß, mit Ausnahme des Iodids, das gelb ist. Das am häufigsten vorkommende Halogenid ist Gadolinium(III)-chlorid (GdCl₃). Das Oxid löst sich in Säuren unter Bildung von Salzen, wie z. B. Gadolinium(III)-nitrat. ⓘ

Gadolinium(III) bildet, wie die meisten Lanthanidionen, Komplexe mit hoher Koordinationszahl. Diese Tendenz wird durch die Verwendung des Chelatbildners DOTA, eines oktadentaten Liganden, veranschaulicht. Salze von [Gd(DOTA)]- sind nützlich für die Magnetresonanztomographie. Es wurde eine Vielzahl verwandter Chelatkomplexe entwickelt, darunter Gadodiamid. ⓘ

Es sind reduzierte Gadoliniumverbindungen bekannt, insbesondere im festen Zustand. Gadolinium(II)-Halogenide werden durch Erhitzen von Gd(III)-Halogeniden in Gegenwart von metallischem Gd in Tantalbehältern gewonnen. Gadolinium bildet auch das Sesquichlorid Gd₂Cl₃, das durch Glühen bei 800 °C (1.470 °F) weiter zu GdCl reduziert werden kann. Dieses Gadolinium(I)-chlorid bildet Plättchen mit schichtartiger, graphitähnlicher Struktur. ⓘ

Gallium-Gadolinium-Granat Ga₃Gd₅O₁₂
Gadotersäure
Gadopentetat-Dimeglumin ⓘ

Physiologie

Gadolinium hat keine bekannte biologische Funktion, aber seine Verbindungen werden als Forschungsinstrumente in der Biomedizin verwendet. Gd³⁺-Verbindungen sind Bestandteile von MRT-Kontrastmitteln. Es wird in verschiedenen elektrophysiologischen Experimenten zu Ionenkanälen verwendet, um Natrium-Leckkanäle und aktivierte Ionenkanäle zu blockieren. Kürzlich wurde Gadolinium zur Messung des Abstands zwischen zwei Punkten in einem Protein mit Hilfe der paramagnetischen Elektronenresonanz verwendet, ein Verfahren, für das Gadolinium dank seiner EPR-Empfindlichkeit bei W-Band-Frequenzen (95 GHz) besonders geeignet ist. ⓘ

Toxizität

Als freies Ion wird Gadolinium oft als hochgiftig beschrieben, aber MRT-Kontrastmittel sind Chelatverbindungen und gelten als sicher genug, um bei den meisten Menschen verwendet zu werden. Die Toxizität freier Gadolinium-Ionen bei Tieren ist auf die Störung einer Reihe von Prozessen zurückzuführen, die von Kalzium-Ionen-Kanälen abhängen. Die 50%ige tödliche Dosis beträgt etwa 0,34 mmol/kg (IV, Maus) oder 100-200 mg/kg. Toxizitätsstudien an Nagetieren zeigen, dass die Chelatisierung von Gadolinium (die auch seine Löslichkeit verbessert) seine Toxizität im Vergleich zum freien Ion um den Faktor 50 verringert (d. h. die tödliche Dosis für das Gd-Chelat steigt um das 50-fache). Es wird daher angenommen, dass die klinische Toxizität von Kontrastmitteln auf Gadoliniumbasis (GBCAs) beim Menschen von der Stärke des Chelatbildners abhängt; diese Forschung ist jedoch noch nicht abgeschlossen. Weltweit sind etwa ein Dutzend verschiedener Gd-chelatierter Mittel als MRT-Kontrastmittel zugelassen. ⓘ

Bei Patienten mit Nierenversagen besteht das Risiko einer seltenen, aber schwerwiegenden Erkrankung, der so genannten nephrogenen systemischen Fibrose (NSF), die durch die Verwendung von Kontrastmitteln auf Gadoliniumbasis verursacht wird. Die Krankheit ähnelt dem Skleromyxödem und in gewissem Maße der Sklerodermie. Sie kann Monate nach der Injektion eines Kontrastmittels auftreten. Dass sie mit Gadolinium und nicht mit dem Trägermolekül zusammenhängt, wird dadurch bestätigt, dass sie mit verschiedenen Kontrastmitteln auftritt, bei denen Gadolinium von sehr unterschiedlichen Trägermolekülen getragen wird. Aus diesem Grund wird die Verwendung dieser Mittel für Personen mit Nierenversagen im Endstadium nicht empfohlen, da sie eine Notfalldialyse benötigen. Ähnliche, aber nicht identische Symptome wie bei NSF können bei Personen mit normaler oder nahezu normaler Nierenfunktion innerhalb von Stunden bis zu zwei Monaten nach der Verabreichung von GBCAs auftreten; für diesen Zustand wurde die Bezeichnung "Gadoliniumdepositionskrankheit" (GDD) vorgeschlagen, die bei Fehlen einer präexistenten Erkrankung oder einer später entwickelten Erkrankung eines anderen bekannten Prozesses auftritt. In einer Studie aus dem Jahr 2016 wurde über zahlreiche anekdotische Fälle von GDD berichtet. In dieser Studie wurden die Teilnehmer jedoch aus Online-Selbsthilfegruppen für Personen rekrutiert, die sich selbst als von Gadoliniumtoxizität betroffen bezeichneten, und es wurden keine relevanten medizinischen Anamnesen oder Daten erhoben. Es gibt noch keine endgültigen wissenschaftlichen Studien, die die Existenz dieser Erkrankung belegen. ⓘ

In den aktuellen Leitlinien der Canadian Association of Radiologists heißt es, dass Dialysepatienten nur dann Gadoliniummittel erhalten sollten, wenn dies unbedingt erforderlich ist, und dass sie nach der Untersuchung eine Dialyse erhalten sollten. Wenn bei einem Dialysepatienten eine kontrastverstärkte MRT-Untersuchung durchgeführt werden muss, wird empfohlen, bestimmte risikoreiche Kontrastmittel zu vermeiden, nicht aber, eine niedrigere Dosis in Betracht zu ziehen. Das American College of Radiology empfiehlt, kontrastverstärkte MRT-Untersuchungen als Vorsichtsmaßnahme so kurz wie möglich vor der Dialyse durchzuführen, obwohl nicht bewiesen ist, dass dies die Wahrscheinlichkeit der Entwicklung von NSF verringert. Die FDA empfiehlt, bei der Wahl des GBCA-Typs bei Patienten, die lebenslang mehrere Dosen benötigen, bei Schwangeren, Kindern und Patienten mit entzündlichen Erkrankungen die Möglichkeit einer Gadoliniumretention zu berücksichtigen. ⓘ

Anaphylaktoide Reaktionen sind selten und treten bei etwa 0,03-0,1 % auf. ⓘ

Die langfristigen Umweltauswirkungen der Gadolinium-Kontamination durch den menschlichen Gebrauch sind Gegenstand laufender Forschungsarbeiten. ⓘ

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. ⓘ

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. ⓘ

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. Ob es wirklich zu einer Schädigung kommt, konnte jedoch noch nicht festgestellt werden. ⓘ

Merkmale

Eine Probe von Gadoliniummetall ⓘ

Isotope

Das natürlich vorkommende Gadolinium besteht aus sechs stabilen Isotopen, ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁵Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁷Gd, ¹⁵⁸Gd und ¹⁶⁰Gd, und einem Radioisotop, ¹⁵²Gd, wobei das Isotop ¹⁵⁸Gd am häufigsten vorkommt (24,8 % natürliche Häufigkeit). Der vorhergesagte doppelte Betazerfall von ¹⁶⁰Gd wurde nie beobachtet (eine experimentelle untere Grenze seiner Halbwertszeit von mehr als 1,3×10²¹ Jahren wurde gemessen). ⓘ

29 Radioisotope von Gadolinium wurden beobachtet, wobei die stabilsten ¹⁵²Gd (natürlich vorkommend) mit einer Halbwertszeit von etwa 1,08×10¹⁴ Jahren und ¹⁵⁰Gd mit einer Halbwertszeit von 1,79×10⁶ Jahren sind. Alle übrigen radioaktiven Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als 75 Jahren. Die meisten von ihnen haben eine Halbwertszeit von weniger als 25 Sekunden. Gadolinium-Isotope haben vier metastabile Isomere, von denen ^143mGd (t_1/2= 110 Sekunden), ^145mGd (t_1/2= 85 Sekunden) und ^141mGd (t_1/2= 24,5 Sekunden) die stabilsten sind. ⓘ

Die Isotope mit einer geringeren Atommasse als das häufigste stabile Isotop, ¹⁵⁸Gd, zerfallen in erster Linie durch Elektroneneinfang zu Isotopen von Europium. Bei höheren Atommassen ist der primäre Zerfallsmodus der Betazerfall, und die Hauptprodukte sind Isotope von Terbium. ⓘ

Gefahren
GHS-Kennzeichnung:
Piktogramme
Signalwort	Gefahr
Gefahrenhinweise	H261
Sicherheitshinweise	P231+P232, P422
NFPA 704 (Feuerdiamant)	0 0 1 W