GADOLINIUM

Gd, atomnr. 64, molvekt 157,25 g, elektronkonfigurasjon (Xe)+4f7-5d1-6s2, smeltepunkt 1312 °C, kokepunkt 3266 °C, tetthet 7,9004 g/cm³ (25 °C). Gadolinium hører til gruppe 3 (3b) i det periodiske systemet, også kjent som 'de sjeldne jord(arts)metallene.' Det har (1981) 23 kjente isotoper og isomerer, hvorav 7, 152, 154-8 og 160 forekommer i naturen. Den førstnevnte er radioaktiv og går ved utsendelse av alfapartikler og en halveringstid på 1,1x10¹⁴ år over til samarium 148. Det eksisterer også to andre betastabile isotoper, d.v.s. de er stabile overfor den vanligste formen av radioaktivitet, der nøytroner i kjernen går over til protoner ved å sende ut et elektron (betapartikkel) eller motsatt vei ved å sende ut et positron (positiv beta, elektronets antipartikkel) eller fange inn et elektron. De to er 148 og 150, og de desintegrerer ved å sende ut alfapartikler med halveringstider på h.h.v. 90 og 1,8 millioner år. Neodym, samarium og gadolinium er de tre letteste grunnstoffene som viser normal alfa-instabilitet, og det skyldes det fylte nøytronskallet på 82 nøytroner som disse ligger litt i overkant av. Slik som alkalimetallene gjerne avgir et elektron for å få et fylt edelgasskall av elektroner rundt seg, avgir disse kjernene gjerne en pakke kjernepartikler i form av en alfa for å nærme seg nøytronskallet. Det er det samme som skjer etter bly, hvor vi har 126-skallet av nøytroner. Der forsterkes effekten av at det er 82 protoner også. Skallene gjelder for begge typer kjernepartikler uavhengig av hverandre.

To gadoliniumisotoper, 155 og 157, har absorpsjonstverrsnitt (et mål for tilbøyelighet til å absorbere) for termiske nøytroner (slike som brukes i atomreaktorer) som overgår alle andre kjente stabile nuklider. 157 har rekorden på 254000 b og 155 har 61000. En naturlig isotopblanding av gadolinium har et tverrsnitt på 49000 b, høyere enn noen andre grunnstoffer.

HISTORIE
Vaka vanha Väinämöinen, Då den vise Väinämöinen
kun ei saanunna sanoja ej har hittat galderorden
tuolta Tuonelan ko'ista, där i Tuonis dystra trakter,
Manalan ikimajoista, invid Manas mörka hyddor,
ain' yhä ajattelevi, grubblar han alltjämt och grunnar,
pitkin päätänsä pitävi, spörjer i sitt stille sinne
mistäpä sanoja saisi, var han månde söka sejdord,
loisi lempiluottehia. leta efter goda galdrar.

Paimen vastahan tulevi; En dag möter han en herde -
hänpä tuon sanoiksi virkki: herden talar så och säger:
"Saat tuolta sata sanoa, "Du får säkert hundra sejdord,
tuhat virren tutkelmusta tusentals med goda galdrar
suusta Antero Vipusen, utav Antero Vipuinen,
vatsasta varaväkevän." ur den vise mannens mage."

Itse virsikäs Vipuinen, Sejdsångkunnige Vipuinen,
mies vanha varaväkevä, gubben med de goda galdrar,
tuo viruvi virsinensä, sover nu med sina sånger,
luottehinensa lojuvi; vilar ibland visdomsorden;
haapa kasvoi hartioilla, på hans axlar växa aspar,
kiovu kulmilla yleni, men en björk vid ögonbrynen
leppä leukaluun nenässä, och en al vid underkäken;
pajupehko parran päällä, vide skjuter upp ur skägget,
otsalla oravikuusi, vid hans tänder står en torrtall,
havuhonka hampahilla. men en grenrik gran på pannan.

Tuossa vanhan Väinämöisen, Gamle vise Väinämöinen,
suun ohella seistessänsä, där han stod en stund vid munnen,
jalka toinen torkahtavi, slant ett slag med ena foten,
vasen jalka vaapahtavi vacklade med vänstre benet
suuhun Antero Vipusen, in i munnen på Vipuinen,
leukaluulle luikahutti. halkade på jättens hakben.

Heti virsikäs Vipuinen Sejdsångkunnige Vipuinen
avoi suunsa suuremmaksi, spärrar upp det stora svalget,
leukapielensä levitti, breder ut det öppna gapet,
- nieli miehen miekkoinensa, sväljer karl och svärd och rustning -
kulahutti kulkkuhunsa gamle vise Väinämöinen
tuon on vanhan Väinämöisen. glider ned i jättens glupsvalg.

Silloin vanha Väinämöinen Gamle vise Väinämöinen
löihen itsensä sepoksi, gör sig till en smed bland smeder,
takoa taputtelevi, sedan börjer han att smida,
lyöä lynnähyttelevi; dundra med sin stora slägga;
takoi yön lepeämättä, hamrar hela långa natten,
päivän pouahuttamatta hamrar hela dagen sedan
vatsassa varaväkevän, i den vise mannens mage,
mahtipontisen povessa. undergörarns innandöme.

Silloin virsikäs Vipuinen Sejdsångkunnige Vipuinen
itse tuon sanoiksi virkki: tog omsider så till orda:
"Enpä liene mointa syönyt: "Tocket har jag aldrig tuggat -
syet suuhuni tulevat, glödkol stötas upp i strupen,
kekälehet kielelleni, bränder tränga ut på tungan,
rauan kuonat kulkkuhuni! järnslagg slungas genom svalget.
Lähe nyt, liika liikkumamies Drag då strax åstad, din stolle,
paha, pakenemahan han, giv dig genast av, din usling,
ennen päivän nousemista, före dagens första gryning,
koi-jumalan koittamista!" förrän morgonrodnan randas!"

Vaka vanha Väinämöinen Gamle vise Väinämöinen
silloin tuon sanoiksi virkki: sade så, tog så till orda:
"Hyvä tääll' on ollakseni, "Här har jeg ju gott att vara,
armas aikaellakseni: här är livet lätt att leva:
maksat leiväksi pätevi, Lever bryter jag som brödlev,
marut maksan särpimeksi, njurtalg njuter jag som sovel,
keuhkot käypi keitokseksi, lungmos sörplar jag som soppa,
rasvat ruoiksi hyviksi. tuggar tarmkäx dessemellan.
Asetan alasimeni Tunga städet skall jag trycka
ayvemmin syänlihoille, djupare mot hjärteroten,
painan paljani lujemmin tyngre skall jag slå med släggan
paikoille pahemmillenki, där det gör dig allra ondast;
ettet pääse päivinäsi, du skall aldrig slippa undan,
selviä sinä ikänä, aldrig undgå denna pina
kun en saa sanoja kuulla, förrän jag får spörja sejdord,
luoa lempiluottehia, får besked om goda galdrar,
kuula kyllältä sanoja, förrn jag lärt mig många lönnord,
tuhansia tutkelmoita." tusentals fördolda trollord."

Silloin virsikäs Vipuinen, Sejdsångkunnige Vipuinen,
tuo vanha varaväkevä, gamle galderrike gubben,
jonk' oli suussa suuri tieto, som har mycken makt i munnen,
mahti ponnetoin povessa, i sin barm ovansklig visdom,
aukaisi sanaisen arkun, öppnade sin ordakista,
virsilippahan levitti gläntande på galderskrinet
lauloaksensa hyviä, för att sjunga sköna sånger,
parahia pannaksensa, kväda sina bäste kväden,
noita syntyjä syviä, djupa ord av urtids visdom,
ajan alkuluottehia, gamla goda ursprungsgaldrar,
joit' ei laula kaikki lapset, som ej alla unga sjunga,
ymmärrä yhet urohot ej ens alla hjältar makta
tällä inhalla iällä, ibland detta slemma släkte
katovalla kannikalla. i den yttersta av åldrar.

Lauloi synnyt syitä myöten, Sejdord kvad han som det hövdes,
luottehet lomia myöten, galdrar där de hörde hemma;
kuinka Luojansa luvalla, visste väl hur världen uppstod
kaikkivallan vaatimalla landet höjde sig ur havet,
itsestänsä ilma syntyi, vattnet vek från fasta marken,
ilmasta vesi erosi, träd og gräs och örter grodde
veestä manner maatelihe, så som Skaparen har skipat,
manterelle kasvut kaikki. den Allsvåldige har velat;
Lauloi kuun kuvoannasta, talade om månens tillkomst,
auringon asetannasta, om hur solen först blev synlig,
ilman pielten pistännästä, himlavalvets stolpar ställdes,
taivosen tähytännästä. fästet blev med stjärnor fullsatt.

Siinä virsikäs Vipuinen Sejdsångkunnige Vipuinen
kyllä lauloi ja osasi! röjde där ovansklig visdom;
Ei ole kuultu eikä nähty aldrig har man hört och skådat
parempata laulajata! någonsin en större sejdman!

- fra Kalevala. (Svensk oversettelse ved Björn Collinder.)

Det var en spent fjortenåring som 10/4 1775 sto foran en gruppe ærverdig utseende, gulgrønne trebygninger i bykjernen i Åbo, Finlands største by og guvernørresidens. Bygningene han hadde foran seg var Åbo Akademi, landets eneste høyere utdanningsinstitusjon. Han skulle innskrives som student. Han var Johan Gadolin. Ved siden av seg hadde han faren Jacob Gadolin, professor i matematikk, fysikk og teologi ved akademiet og mangeårig riksdagsmann for prestestanden.

Og Jacob Gadolin visste hva han ville med sin sønn. Han var født 1719 og ble selv tidlig skrevet inn på akademiet, som 17-åring. Han var fra først av innstilt på å følge i sin fars, kontraktprost Jacob Gadolins fotspor og konsentrere seg om teologien, men nå hadde akademiet, som var grunnlagt av generalguvernør Per Brahe i 1640 som Finlands første høyere læresete og fra først av arbeidet under en strengt ortodoks teologisk ånd, begynt å ta opp mer verdslige fag også. Den unge prestesønnen fikk en interesse for de eksakte vitenskaper, som nå i det som senere skulle kalles opplysningstiden hadde begynt å oppvise bemerkelsesverdige fremskritt ute i verden. I 1744, som 25-åring, fikk han en doktorgrad i matematikk og et professorat i astronomi sto klart for ham ved akademiet allerede i 1748. Det neste, i fysikk, kom i 1753. Men da sto han foran det store vendepunktet i sitt liv.

"Din far vil tale med deg," var beskjeden han fikk, denne sikkert solblanke dagen - østersjøklimaet er ganske tørt - i provinshovedstaden (Helsingfors overtok ikke denne statusen før etter at landet var overgitt til russerne i 1814). Den eldre Jacob Gadolin var gammel og syk, og lenket til sengen. Det var noe alvorlig han hadde på hjertet, det merket han, den yngre Jacob, sønnen, på atmosfæren i huset, på stemningen hos de som tok imot ham da han kom, på den dystre og tause minen faren satte opp da han nærmet seg sengen.

Døren til sykeværelset slo tungt og gjallende igjen etter ham og skjulte samtalen for de som var tilstede. Den varte lenge. Ingen vet hva denne samtalen handlet om eller om den virkelig fant sted, men faktum er at den unge Jacob høsten 1755 tar sete i riksdagen for prestestanden og blir sittende der med få avbrudd fram til to år før sin død i 1802. I 1756 tar han en doktorgrad i teologi ved universitetet i Greifswald i det dengang svenske Forpommern. I 1757 gifter han seg med en biskopdatter. Faren får oppleve alt dette, men dør så i 1758, 80 år gammel. I 1762 får den yngre Jacob Gadolin også et professorat i teologi ved akademiet og i 1788 blir han selv utnevnt til biskop over Åbo län. Men det fikk den eldre Jacob aldri se.

Heldigvis slapp den unge Johan Gadolin å bruke slike midler som Väinämöinen i sin søken etter visdom. Men østersjøvintre og somre kom og gikk mens han strevde med den vanskelige matematikken i akademisalene. Over ham våket den strenge Jacob, og gutten gjorde gode fremskritt under hans og andre læreres kyndige veiledning. Snart behersket han matematikken tilstrekkelig godt, og var klar for neste trinn i sin akademikarrière.

Den som skulle veilede ham i dette var Pehr Adrian Gadd, som hadde professorater i fysikk, økonomi og kjemi ved akademiet. Men dette var bare det han hadde professorater i. Gadd var en kraftpatriot av rang og mente at det var med vitenskapens hjelp at man best kunne tjene fosterlandet. Foruten de nevnte fagene engasjerte han seg i arbeidet for å fremme nyttige ting som geologi og mineralogi, botanikk, zoologi og landbruksvitenskap og virket dessuten for å fremme vakrere seder og bedre helse blant den brede lag av sine landsmenn. Han satte dype spor etter seg i alle den ufrie nasjonens erhvervsgrener.

Gadd var den første kjemiprofessor ved akademiet og det var på hans initiativ at det i 1764 hadde fått sitt første laboratorium. Det var dette faget, som på denne tiden gjennomlevde den ene revolusjonen etter den andre, som skulle bli den unge Johans løpebane. Slik var det bestemt.

Men den unge Johan sugde til seg kjemi, og snart hadde de ikke mer av det slaget å tilby ham der på institusjonen. I 1779 sendte derfor Pappa Jacob ham over Østersjøen til Stockholm og Uppsala, hvor han studerte under Torbern Bergman og knøt forbindelser med flere andre ledende svenske vitenskapsmenn. Vel tilbake i Åbo fikk han en stilling som amanuensis i 1782, og bega seg i 1786 på en reise til Danmark, Sachsen, Nederlandene, England og Irland. Sammen med Richard Kirwan og Adair Crawford utførte han kalorimetriske målinger, som var kommet på moten etter Lavoisiers avhandlinger om emnet. I 1788 vendte han tilbake til Åbo og ble året etter utnevnt til kjemiprofessor, som 28-åring.

Han la seg i selen i undervisningen, som for en stor del foregikk i hans private laboratorium, siden akademiet ikke hadde fasiliteter for opplæringen. Dette var verdens første laboratoriekurs for kjemistudenter. Han skrev også en utmerket elementær lærebok, "Inledning til chemien," den første svenskspråklige lærebok i kjemi, som ble flittig benyttet av studentene. Mellom 1788 og 1803, hans mest produktive tid, publiserte han nærmere 40 kjemiske avhandlinger. Han trakk seg formuende tilbake i 1822 og døde i 1852, 92 år gammel.

Hans eget vitenskapelige arbeide fortsatte å dreie seg om varmelæren, og han var en foregangsmann når det gjaldt forsiktighetsregler ved målingene. Han var fra først av flogistonist, men nærmet seg etterhvert Lavoisiers mer moderne syn på forbrenningen. Han var også en forgjenger til Berzelius i å fremme affinitetsbegrepet og de kjemiske forbindelsenes konstante sammensetning. Han gjorde også viktige arbeider i analytisk kjemi. Særlig med jernanalyser. Dessuten interesserte han seg for mineralogi.

En dag i det revolusjonens år 1794, det året da Lavoisier satte sitt hode til for kjemien, fikk han en tung, svart steinprøve til analyse. Det var et mineral som løytnant Carl Axel Arrhenius hadde funnet i et steinbrudd ved Ytterby i Roslagen i den svenske skjærgården og derfor kalte ytterbitt. Etter Lavoisiers revolusjonerende avhandling i 1789 hadde kjemikere i alle land været muligheten av å utvide listen av grunnstoffer ytterligere. Klaproth hadde vært snar ute med sitt "uranit". Nå var det Johan Gadolin sin tur til å bli oppdager.

Egentlig var det jern han så etter i det svarte mineralet, og han fant også en liten mengde jern. Men med sine analytiske ferdigheter var det ikke vanskelig for ham å fastslå at det inneholdt omtrent 38 % av en ukjent jordart. Den nye jordarten ble undersøkt av A.G. Ekeberg, M.H. Klaproth og N.-L. Vauquelin, og det ble vanlig å kalle den yttria etter mineralet, og grunnstoffet yttrium, men for å hedre den egentlige oppdageren omdøpte de siden mineralet til gadolinitt.

Nå var yttria-jordartens historie ikke slutt med dette. Mellom 1843 og 1907 ble erbia, terbia, ytterbia, scandia, holmia, thulia, dysprosia og lutetia oppdaget i den samme ytterjord-fraksjonen. Og det fantes en annen fraksjon også.

I året 1751 oppdaget Axel Fredrik Cronstedt i en gruve ved Bastnäs i Sverige et tungt mineral som til da ikke var kjent. Dette mineralet fikk sitt nåværende navn i 1803, da Martin Heinrich Klaproth i Tyskland og samtidig Jöns Jacob Berzelius og Wilhelm Hisinger i Sverige analyserte det og fant et nytt oksyd (eller 'jordart' i datidens terminologi) som de kalte ceria, til minne om den nyoppdagede småplaneten Ceres. Mineralet er nå kjent som ceritt.

Om ceria var oksydet av et nytt grunnstoff eller en blanding av flere var omdiskutert til 1839-41, da den svenske legen, kjemikeren og mineralogen Carl Gustaf Mosander klarte å separere ut en ny bestanddel av det. Den nye komponenten kalte han lanthana. Siden fant han at også dette oksydet hadde komponenter, men beholdt dette navnet på den ene av dem. Den andre kalte han didymia (etter gr. didymos 'tvilling') fordi det var en 'tvilling' til lanthana.

Mye kjemi ble gjort på didymia de neste førti årene, og man regnet det for å være oksydet av et enkelt grunnstoff, som ble kalt didymium. Riktignok uttrykte allerede i 1853 Jean-Charles Galissard de Marignac en mistanke om at didymia ikke var rent, og spektroskopiske arbeider av Marc Delafontaine og Paul Émile Lecoq de Boisbaudran indikerte at spekteret av didymia varierte etter hvor det var blitt utvunnet fra.

I 1879 klarte Boisbaudran å skille ut et nytt oksyd fra en didymialøsning utvunnet av samarskitt, og siden spekteret viste seg å være forskjellig sluttet han at det måtte være en ny jordart, samaria, og at den inneholdt et nytt grunnstoff, samarium.

Men samaria var heller ikke rent. Allerede året etter separerte Marignac noe fra samarskitt som han ga den foreløpige betegnelsen Y(a). Den nå 63 år gamle Marignac forfulgte ikke dette sporet, så det var Boisbaudran som i 1886 etter å ha separert nok en ny fraksjon fra samaria som han nå hadde utvunnet fra gadolinitt, navnga det nye grunnstoffet etter mineralet. Da han fant ut at substansen var identisk med Marignacs Y(a), skrev han til ham og fikk hans samtykke i å bruke dette navnet.

Omkring 1637 ble Anders Matsson født på Magnu gård (skrives idag Maunu) i Hallu by, Nykyrko i Åbo län. Magnu var ikke noe småbruk, og Anders fikk seg derfor også kirkelige hverv. Og med det nystiftede akademiet i virksomhet var det naturlig at han ville gi en av sønnene sine en sjanse til å få et virkelig embete i kirken. Valget falt på Jacob Andersson Magnu, som fikk seg en nødtørftig eksamen og virket et liv som kontraktprost i Virmo, Åbo län. Embedsmann Jacob var både glad og stolt over sjansen han hadde fått av sin far bonden. Men i de kretser han hadde tenkt å bevege seg i var det ikke det mest gunstige å skilte med et bondsk opphav. Og det simple Magnu-navnet kunne ikke høve seg for en embetsmannsfamilie. På akademiet hadde han fått en viss skolering både i hebraisk og latin og faktisk liknet Magnu ganske mye på det latinske magnus, som betyr stor. Så fant han et hebraisk ord med noenlunde samme betydning: gadol. Gadol... Hmmm, hva mer? Gadol...in - som i Razin, Fomin, Pusjkin? Ja, Gadolin skulle familien hete, syntes han. Det hørtes fint og utenlandsk ut. Utenlandsk, som også så mange av embedsmannskollegaene var. Dette var den eldste Jacob Gadolin, kontraktprosten, som den solrike dagen midt på 1750-tallet innkalte sin sønn av samme navn til alvorlig samtale.

Det hebraiske gadol, gadal betyr 'vokse, bli stor' og har sammenheng
med en semittisk rot g-d-l med grunnbetydning 'sterk, kraftig, stor'. Den finnes også i hebraisk gadwg 'tommelfinger, stortå', syrisk g-d-l 'vokse, bli stor, stige opp' og arabisk gadaila, gazula 'bli stor, være kraftig'.

GEOLOGI
Gadolinium utgjør 0,0006 % av, og ligger på delt 42. plass i hyppighet i den faste, øvre jordskorpen. Det er en av de vanligste av de sjeldne jordartene, og har bare cerium, yttrium, lantan, thorium og neodym foran seg. Det hører heller ikke til de sjeldneste grunnstoffene og ligger nøyaktig midt på av de 83 som har noen selvstendig eksistens i naturen.

Av universet som helhet utgjør gadolinium 0,00001 masse-%, etter vanlige estimater. Det ligger der på 58.-plass, men det er normalt i forhold til de andre sjeldne jordmetallene. De er sjeldnere der oppe enn her nede.

Naturlig gadolinium på Jorda er en blanding av isotopene 152 (0,20 atom-%), 154 (2,18), 155 (14,80), 156 (20,47), 157 (15,65), 158 (24,84) og 160 (21,66). Forklaringen på de lave hyppighetene av de to første ligger i måten grunnstoffer dannes på i universet. I dette området av det periodiske systemet er det de såkalte s- og r-prosessene som er de viktigste. Begge går ut på at atomkjernene innfanger nøytroner som er slått løs fra andre kjerner i forskjellige kjerneprosesser. Forskjellen er at i s-(slow-)prosessen går det relativt sakte mens i r-(rapid)prosessen går det FORT.

I s-prosessen tas nøytronene inn ett om gangen ettersom de dukker opp, og når det skjer øker nukleontallet med 1 mens kjerneladningen (som er det samme som atomnummeret, som bestemmer hvilket grunnstoff det er snakk om) blir den samme. Noen ganger hender det at den nye isotopen som blir resultatet er radioaktiv, og den sender da ut en negativt ladet betapartikkel slik at den positive kjerneladningen og dermed atomnummeret øker. Slik kommer vi trinn for trinn videre i det periodiske systemet. Fordi det er lenge mellom nøytronene ved denne prosessen, rekker de nye radioaktive isotopene ofte å betadesintegrere til det neste grunnstoffet før de opptar et nytt nøytron og blir en ny isotop av det samme grunnstoffet.

Slik er det ikke i r-prosessen. Den er forbundet med virkelig katastrofale begivenheter hvor atomkjernene hamres og slås i stykker og det er *tett* mellom nøytronene. Her kan en kjerne oppta et virkelig stort antall nøytroner omtrent samtidig, og det må utsendes en rekke betapartikler før man begynner å nærme seg stabilitetsområdet. Denne prosessen er observert her nede på vår lille planet, i hydrogenbombeeksplosjoner. Den andre foregår regelmessig i atomreaktorer.

Gadolinium 154 lider under at det også finnes en stabil 154-isotop med to atomnummer lavere, altså av samarium, og den nås derfor ikke av r-prosessen. At de andre uodde gadoliniumisotopene er drøye 10 ganger hyppigere enn 154, betyr ikke at r-prosessen er over 10 ganger så viktig som s-prosessen i dette området, for s-prosessen har også en forhindring i det at europium 153 når den har opptatt et nøytron går over til Eu 154, som sender ut en betapartikkel og blir til Gd 154, men halveringstiden for denne prosessen er så mye som 8,8 år, slik at det er sjanser for at den opptar et nytt nøytron før betadesintegrasjonen skjer.

Gadolinium 152 har samme hyppighet som en nøytronskyggenuklide, d.v.s. en som ikke kan nås hverken med r- eller s-prosessene, men dannes ved kollisjonsprosesser mellom energirike kjerner. Likevel kan den faktisk nås av s-prosessen, fordi samarium 151 er radioaktiv og går over til det stabile europium 151, som opptar et nøytron og blir det radioaktive Eu 152, som kan bli til Gd 152. Problemet er bare det at Sm 151 har så lang halveringstid som 93 år, og Eu 152 er ikke bare delt i to isomerer hvorav den ene har en halveringstid på 13,33 år, den har også minst like stor sannsynlighet for å gå over til samarium 152 som den samme isotopen av gadolinium ved desintegrasjonen. Disse flaskehalsene fungerer tilsammen som en "skygge," og vi kan regne med at iallfall en stor del av det Gd 152 som finnes er dannet ved kollisjonsprosesser.

Gadolinium og de andre lantanidene er så like kjemisk og vanskelige å skille fra hverandre at de alltid forekommer sammen i naturen. Men på grunn av den såkalte lantanidekontraksjonen, en gradvis minking i ioneradien utover i lantaniderekken, vil de senere lantanidene ha en tendens til å gruppere seg med de små Y- og Sc-ionene i sine egne mineraler, de såkalte ytterittene, mens de tidligere grupperer seg i sine, de såkalte cerittene. Gadolinium ligger på grensen mellom de to gruppene, og normalt inneholder cerittmineraler maksimalt ca. 1/20 så mye gadolinium som cerium, mens ytterittene har omtrent 1/15 så mye gadolinium som yttrium. Gadolinium regnes (1977) ikke som hovedbestanddel i noen mineraler.

Gadolinium og de andre lantanidene finnes vidt utbredt i jordskorpen, også i andre enn sine egne mineraler. Men lantanidene har også egne, og de rikeste konsentrasjonene er i karbonatitter, dannet av magma fra karbondioksydrike regioner litt dypt i jordmantelen, eller i såkalte pegmatitter på steder hvor jordskorpemateriale har blitt smeltet til granittmagma og senere ligget og krystallisert langsomt på relativt store dyp. Ioner med høy ladningstetthet som lantanideionene og mange andre litt sjeldnere stoffer danner deformerte aluminosilikatkomplekser som ikke lett kan bygges inn i granittens feltspatkrystaller og konsentreres derfor i pegmatitten, som krystalliserer sist. Hydrotermalforekomster der stoffer løst i sterkt opphetet vann har reagert med de omgivende mineralene, er sjeldnere, men forekommer. I karbonatittmagmaen bindes lantanider sterkt i karbonatkomplekser, men de lettere sterkere enn de tyngre, så det er cerittmineralene som dominerer der. I pegmatittene danner de tyngste lantanidene de mest deformerte aluminosilikatkompleksene, men disse er også de letteste å bryte opp slik at de frie ionene kan slippe inn i feltspaten, og også pegmatittene er derfor oftest rikere på cerittmineraler. De hydrotermale forekomstene er derimot ofte rikere på ytteritter.

Mange lantaniderike pegmatittforekomster finnes i Norge, særlig i Telemark, bl.a. i Evje/Iveland, Tørdal, Ulefoss, Langesundsområdet. Også i Østfold og Nordland finnes det betydelige forekomster. Det interessante med de norske pegmatittforekomstene er at det oftest er ytterittmineralene som dominerer.

De viktigste malmmineralene er monazitt, (Ce,La,Nd,Th)PO₄, og xenotim, YPO₄. Gadolinitt har sammensetningen Be₂FeY₂Si₂O₁₀. Det er et nokså sjeldent mineral utenfor skandinavia, men i Norge og tildels også Sverige finnes det rikelig av det. Det er mer gadolinitt i Norge enn noe annet sted i verden. Monazitt inneholder rundt 2 % gadolinium mens xenotim kan komme opp i det dobbelte. Viktige produksjonsland er Sverige, Norge, Brasil, Australia, India, Russland, Georgia, Azerbajdsjan og USA.

KJEMI
Gadolinium er et sølvhvitt, smidig metall. Det har en varmeledningsevne på 0,105 W/cm/K ved 25 °C, dårlig til metall å være, men typisk for gruppen. Det har også svært høy elektrisk resistivitet ved romtemperatur, 140,5 mikrohm-cm. Av metallene overgås dette bare av mangan og plutonium. Gadolinium har i grunntilstanden 7 uparede f-elektroner som spinner samme vei, og har derfor gode magnetiske egenskaper. Det er det eneste grunnstoffet som ved siden av jern-gruppen viser ferromagnetisme ved tilnærmet romtemperatur, men curietemperaturen er bare 16 °C. Metallet har et ualminnelig komplisert spektrum, selv til lantanide å være, og har en mengde sterke linjer. De på 3646 og 3768 Å er de sterkeste, men mange andre ligger like under. Ved romtemperatur krystalliserer gadolinium heksagonalt, og må opphetes til 1262 °C, tett oppunder smeltepunktet, før det skjer en overgang til det kubisk romsentrerte beta-gadolinium.

Som de andre lantanidene er gadolinium et reaktivt metall. Det er forholdsvis stabilt i tørr luft, men i fuktig luft dannes en oksydfilm som flasser av og utsetter overflaten for videre oksydasjon. Det reagerer sakte med vann og er løselig i fortynnede syrer. Det brenner i luft ved oppvarming til 150-180 °C.

Gadolinium har et halvfylt f-skall pluss tre valenselektroner, og har ikke andre normale oksydasjonstall enn +3. Med det halvfylte skallet er det ikke rom for elektronoverganger i synlig lys, siden energiavstanden til den andre halvdelen er for stor, så følgelig er gadoliniumionet uten farge og saltene fargeløse eller hvite når ikke anionet setter farge på dem. Hydratiserte gadolinium(III)ioner i vannløsning har en viss tendens til å hydrolysere og er svakt sure:
[Gd(H₂O)₈]³⁺ + H₂O = [Gd(H₂O)₇(OH)]²⁺ + H₃O⁺.

Et dihydrid, GdH₂, dannes av bestanddelene ved 300 °C. Det har halvlederegenskaper og kan ta opp mer hydrogen i hulrom i krystallgitteret. Magnetiske målinger har vist at gadolinium i dihydridet foreligger som treverdige ioner. Gadolinium danner også et trihydrid som har en annen krystallstruktur enn dihydridet og i motsetning til tilsvarende forbindelsene for de andre lantanidene ikke har det ekstra hydrogenet lagret i hulrom i strukturen. Men dihydridet kan ta opp ekstra hydrogen lik de andre dihydridene.

Gadolinium danner intermetalliske forbindelser med litt elektronegative metaller, fra mangangruppen og utover.

Med karbon dannnes bl.a. et dikarbid som har metallisk ledningsevne, men hydrolyserer lett til hydroksyd og hydrokarboner (mest acetylen). Karbidene har egenskaper som ligger mellom de intermetalliske, de organometalliske og de ioniske forbindelsene.

Gadoliniumkarbonat, Gd₂(CO₃)₃, felles hydratisert i blanding med forskjellige bikarbonater når en Gd-løsning tilsettes karbonat eller bikarbonat. Det kan fås renere hvis acetat- eller propionatløsninger kokes med karbondioksyd under høyt trykk. Gadoliniumoksalat, Gd₂(C₂O₄)₃, er også uløselig i vann, men begge løses i overskudd av anionene p.g.a. kompleksdannelse. Derimot er altså fettsyresaltene, bl.a. acetat og propionat løselige i vann.

Gadoliniumnitrat-heksahydrat, Gd(NO₃)₃.6H₂0 krystalliserer ved fordamping fra en løsning av metallet i fortynnet salpetersyre. Denne forbindelsen har en svært høy løselighet i vann, men derimot er et pentahydrat registrert som uløselig. Nitratkomplekser av lantanider med tributylfosfat, f.eks. Gd[(C₄H₉)₃PO₄]₃(NO₃)₃, er viktige for separasjon p.g.a. sin løselighet i upolare organiske løsningsmidler.

Gadoliniumfosfatet, GdPO₄, er i motsetning til nitratet uløselig, men det finnes et gadoliniumdimetylfosfat, Gd[(CH₃)₂PO₄]₃, som har god løselighet i vann.

Seskvioksydet Gd₂O₃, dannes når metallet brenner i luft. Trihydroksydet, Gd(OH)₃, felles når gadoliniumløsninger tilsettes base. Ved sterk oppvarming fås oksydhydroksyd GdOOH. Seskvisulfidet, Gd₂S₃, er som de andre tilsvarende lantanideforbindelsene en halvleder. Det er mulig å lage tilsynelatende toverdige sulfider, selenider og tellurider også av gadolinium, med formel GdS, GdSe og GdTe. Disse forbindelsende har et metallisk utseende og også en metallisk elektrisk ledningsevne.

Et gadoliniumsulfat-oktahydrat, Gd₂(SO₄)₃.8H₂O, kan krystalliseres fra en løsning av gadolinium- og sulfationer. Det løses i vann, men tungt. Dobbeltsulfater med alkalimetaller er i motsetning til de tilsvarende forbindelsene med de lettere lantanidene løselige i alkalisulfatløsninger. Sulfittet er tyngre løselig enn sulfatet, mens tiosulfatet er lettere. Med overskudd av tiosulfat kan det dannes tiosulfatkomplekser. Tilsvarende sulfathydratet finnes det et selenat, Gd₂(SeO₄)₃.8H₂O, som har en perleglans i krystallene og er løselig i vann.

Gadolinium reagerer lett med halogener ved romtemperatur og danner trihalogenider. Fluoridet, GdF₃, er typisk for gruppen uløselig i vann, mens kloridet GdCl₃, bromidet GdBr₃ og jodidet GdI₃ lett løses. Ved reaksjon mellom trihalogenidene og seskvioksydet ved flere hundre grader fås oksyhalogenider, f.eks. GdOF og GdOCl. Også heksahydratiserte halogenider som fås ved avdamping av vannløsninger gir disse forbindelsene ved oppvarming, heller enn de vannfrie halogenidene. Halogenidkomplekser har lite betydning i vannløsning, men kan dannes i fast fase. Ved å smelte sammen kloridet med gadoliniummetall kan man få ikkestøkiometriske forbindelser med formelt oksydasjonstall helt ned i 1,58, men magnetiske målinger viser at gadolinium foreligger som treverdig ion i krystallstrukturen. Disse forbindelsene har en metalliknende karakter.

Gadoliniumbromat, Gd(BrO₃)₃, er lett løselig i vann. Det tilsvarende jodatet og også perjodatet er tyngre løselig, mens perkloratet, Gd(ClO₄)₃, er uhyre lett vannløselig og fås sterkt hydratisert fra løsning. Det vannfrie perkloratet er meget sterkt hygroskopisk og løselig også i acetonitril og andre polare løsningsmidler.

Gadolinium har som de andre lantanidene ingen storslagen komplekskjemi, men de stabile kompleksene med chelatdannende oksygenholdige organiske ligander som etylendiamin-N,N,N',N'-tetraacetat (EDTA) er viktige p.g.a. separasjon i ionebytterkolonne, hvor de enkelte lantanidenes forskjellige affinitet til EDTA utnyttes. Andre slike chelater er forbindelsene med diketoner. Fluorerte derivater av slike diketonater er flyktige og kan utnyttes til separasjon ved gasskromatografi. Komplekser med andre oksygenligander er ikke så stabile som chelatene, men f.eks. trifenylfosfinoksyd, trifenylarsinoksyd og pyridin-N-oksyd danner stabile krystallinske salter som Gd(NO₃)₃[OAs(C₆H₅)₃]₄ og [Gd(C₅H₅NO)₈](ClO₄)₃. Også komplekser med nitrogenligander er kjent, f.eks. med forskjellige aminer, med tiocyanat og med porfyrin. Dessuten er gadolinium ved siden av neodym og europium de eneste lantanidene som danner det pyramideformede trimetylsilanamidet, Gd[N(Si(CH₃)₃)₂]₃. Også visse svovelligander som ditiokarbamater og ditiofosfinater kan danne gadoliniumkomplekser.

Som de andre sjeldne jordmetallene danner gadolinium lett organometalliske forbindelser med cyklopentadien, f.eks. Gd(C₅H₅)₃, og dets derivater. En annen gruppe som er lett å fremstille er med cyklooktatetraen, f.eks. Gd₂(C₈H₈)₃. I slike forbindelser opptrer den organiske delen som et anion p.g.a. gadoliniums elektropositivitet, men en god pi-donor kan også bindes til en lantanide. Andre forbindelser er slike med bare sigma-bindinger, slik som ionet [Gd(C₆H₅)₄]^- og komplekset Gd[(CH₂)₂P(CH₃)₂]₃.

Analyse:

Lantanideioner i løsning påvises kvalitativt ved å felle med fluorid. Gadoliniumioner spesielt påvises spektroskopisk. For kvantitativ bestemmelse overføres substansen som skal analyseres til vannfase ved å løse den i syre eller smelte dem med natriumperoksyd, karbonat eller pyrosulfat og deretter tilsette syre. Lantanidioner fjernes deretter fra løsningen ved å felle med oksalsyre mens man holder pH rundt 1-2. Bunnfallet filtreres fra. Oksalatet glødes til oksyd ved 900-1000 °C og veies etter at praseodym- og terbiumoksydene er blitt redusert til seskvioksyder med hydrogen.

Hvis man istedet for oksalsyre feller med natriumsulfat faller de letteste lantanidene (cerittene) ut mens de tyngre forblir i løsning. For bestemmelse av gadolinium i en blanding av lantanider er spektrofotometriske metoder effektive på grunn av lantanideionenes skarpe absorpsjonsbånd. Blandingen overføres til perklorat eller klorid fordi disse anionene interfererer minst med lantanidespektrene. På grunn av kompleksiteten av disse spektraene må man bruke instrumenter med meget god oppløsningsevne.

Nøytronaktiveringsanalyse er mulig for gadolinium. Isotopen 159 har en hensiktsmessig halveringstid på 18,56 timer og iallfall en noenlunde lett identifiserbar gammalinje på 364 keV.

Fremstilling:

Et stykke xenotim eller et annet gadoliniummineral kokes med sterk svovelsyre til det meste er løst, gjerne i flere timer. Den resulterende blandingen kjøles ved tilsetning av rikelig kaldt vann og filtreres. Filtratet tilsettes rikelig oksalsyre, og bunnfallet som nå danner seg inneholder oksalat av lantanider, thorium og noen få andre urenheter. Når det er filtrert fra kan de forskjellige lantanidene separeres fra hverandre med ionebytting. En kolonne fylles med EDTA og en sitratløsning av lantanideblandingen skylles gjennom. Er kornstørrelsen på EDTA-kornene og diameteren på kolonnen kjent, kan ankomsten av de forskjellige lantanidene fra bunnen av kolonnen beregnes. Gadoliniumcitratet overføres til oksyd, f.eks. ved felling med oksalsyre og gløding, og oksydet overføres til klorid ved oppvarming med ammoniumklorid ved 3-400 °C. Kloridet er hygroskopisk og må beskyttes mot fuktighet. Metallet fremstilles av kloridet enten ved elektrolyse av smeltet klorid eller ved reduksjon med natrium ved 1000-1500 °C uten lufttilgang.

Idag foregår produksjonen industrielt ved reduksjon av oksydet med et 10% overskudd av lantan i en tantaldigel ved slike temperaturer at metallet damper av og avsetter seg på kaldere deler av apparaturen.

Demonstrasjonsforsøk:

Gadoliniums magnetisme kan være en interessant ting å demonstrere. En stav gadoliniummetall beskyttes mot luft f.eks. ved å dyppe den i lakk, legges til kjøling i et vanlig kjøleskap og magnetiseres ved strykning slik som jern. De magnetiske egenskapene vises fram på vanlige måter helt til staven er blitt så oppvarmet at de er borte. Vis også magnetresonansbilder tatt opp med gadolinium-kontrastmidler og forklar prinsippet.

Noen gadoliniumforbindelser:

Gadolinium-seskvioksyd(gadolinia), et amorft, hvitt og hygroskopisk pulver med tetthet 7,407 g/cm³ og smeltepunkt 2330 °C. Meget tungt løselig i vann, men løses lett i syrer, også svake organiske. Fås når metallet brenner og når forskjellige oksosalter glødes i luft. Tar lett opp vann og karbondioksyd fra luft slik at det dannes karbonater og hydroksyder.

Gadoliniumsulfat oktahydrat. Fargeløse, monokline krystaller. Tetthet 3,010 g/cm³. Tungt løselig i kaldt vann og i likhet med de andre lantanide(III)sulfatene enda tyngre løselig i varmt. Dannes f.eks. når seskvioksydet løses i 18 M svovelsyre under oppvarming. P.g.a. de magnetiske egenskapene ble temperaturer på under 1 K første gang oppnådd ved magnetkjøling av dette sulfatet.

Gadoliniumklorid. Fargeløse, monokline, prismatiske krystaller. Tetthet 4,52 g/cm³. Sm.p. 609 °C. Løselig i vann.

BIOLOGI
Det er ikke kjent at gadolinium spiller noen rolle i det naturlige stoffskiftet hos noen dyre- eller plantearter. Det har samme giftvirkninger og medisinske effekt som lantan (s.d.).

UTNYTTELSE
Gadolinium brukes i visse elektroniske komponenter og som legeringsmetall. En tilsetning på 1 % i jern- krom- o. tilsv. legeringer gir betydelig økt smidighet og bestandighet mot varme og oksydering. Den unike evnen til å absorbere termiske nøytroner gjør metallet velegnet som kontrollmateriale for atomreaktorer. Ikke bare absorberer det bedre enn noe annet grunnstoff som helhet, men siden de effektive isotopene utgjør over 30 % av det totale blir det også senere utbrukt enn noen av de andre alternativene.

Gadoliniumoksyd brukes som bestanddel i høytemperaturapplikasjoner. Kunstige gadolinium-yttriumgranater brukes i mikrobølgeapparatur. Gadoliniumforbindelser er også brukt til å lage fosforer i fargefjernsynsskjermer.

Organiske gadoliniumkomplekser, f.eks. mellom gadolinium og dietylentriamin-N,N,N',N',N"-pentaacetat (DTPA) er i utstrakt bruk som kontrastmidler for magnetresonansavbildning (MRI), d.v.s. en slags "røntgenbilder" som baserer seg på kjernemagnetisk resonans og brukes mer og mer i medisinsk diagnose. I et magnetfelt roterer spinnaksen til hydrogenkjernene eller andre kjerner rundt feltlinjene, det sendes ut en puls radiobølger av en bestemt frekvens som får kjernene til å skifte rotasjonsvinkel, og kjernene induserer en strøm (MR-signal) i en detektorspole når de vipper tilbake igjen. Et gadoliniumatom hvor 7 av elektronene spinner samme vei har et stort magnetisk moment og innvirker på magnetfeltet rundt kjernene omkring slik at de vipper raskere tilbake enn andre kjerner. Dermed vil MR-signalene bli forskjellig fra signalene i andre områder som ikke inneholder gadolinium. I det organiske komplekset er gadoliniumionet innesluttet i det organiske molekylet og skilles derfor ganske raskt ut uten at det innvirker på kroppens biokjemi.

Hovedkilder:

Prof.dr.phil. Haakon Haraldsen (Asch.konv.leks.5.utg.b.7)
CRC Handbook of Chemistry anf Physics, 57th ed. 1976-77.
F. Albert Cotton & Geoffrey Wilkinson "Advanced Inorganic Chemistry" Wiley, New York, 1988.
Therald Moeller "The Chemistry of the Lanthanides" Pergamon Press 1975.
W. Seelmann-Eggebert, G. Pfennig, H. Münzel, H. Klewe-Nebenius "Karlsruher Nuklidkarte" 5. Auflage 1981, Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH, Institut für Radiochemie.
Michael Fleischer "Glossary of Mineral Species" Mineralogical Record, Bowie, Maryland, 1977.
Günter K Muecke & Peter Möller "The Not-So-Rare Earths" Scientific American, New York, 1988.
Gunnar Myhr, Knut Nordlid, Atle Bjørnerud og Elin Galtung Lihaug "Fokus på MRI og bruk av kontrastmidler" Nycomed Imaging AS, Oslo 1996.
Mary Elvira Weeks "Discovery of the Elements" Journal of Chemical Education, Easton, Pennsylvania, 1956.
"Kalevala (Uuden Kalevalan kahdeskymmeneskolmas painos.)" Suomalaisen Kirjallisuuden Seura, Helsinki 1951.
"Kalevala" overs. Björn Collinder, Forumbiblioteket, Uddevalla, 1960.

:-) LEF