Gadolinio

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Gadolinio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
bianco argenteo
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico gadolinio, Gd, 64
Serie lantanidi
Gruppo, periodo, blocco --, 6, f
Densità 7901 kg/m3
Durezza n.d.
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 157,25 amu
Raggio atomico (calc.) 180 pm
Raggio covalente 196±6 pm
Configurazione elettronica [Xe]4f75d16s2
e per livello energetico 2, 8, 18, 25, 9, 2
Stati di ossidazione 3 (debolmente basico)
Struttura cristallina esagonale
Proprietà fisiche
Stato della materia solido (ferromagnetico)
Punto di fusione 1585 K (1312 °C)
Punto di ebollizione 3546 K (3273 °C)
Volume molare 19,90 × 10-6  m3/mol
Entalpia di vaporizzazione 301,3 kJ/mol
Calore di fusione 10,05 kJ/mol
Tensione di vapore 2,44 × 104  Pa a 1585 K
Velocità del suono 2680 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS 7440-54-2
Elettronegatività 1,2 (scala di Pauling)
Calore specifico 230 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica 7,36 × 105 /m ohm
Conducibilità termica 10,6 W/(m*K)
Energia di prima ionizzazione 593,4 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 1170 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 1990 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione 4250 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP
152Gd 0,20% 1,08 × 1014  anni α 2,205 148Sm
154Gd 2,18% Gd è stabile con 90 neutroni
155Gd 14,80% Gd è stabile con 91 neutroni
156Gd 20,47% Gd è stabile con 92 neutroni
157Gd 15,65% Gd è stabile con 93 neutroni
158Gd 24,84% Gd è stabile con 94 neutroni
160Gd 21,86% >1,3 × 1021  anni β-β- 1,7 160Dy
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Il gadolinio è l'elemento chimico di numero atomico 64. Il suo simbolo è Gd.

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Il gadolinio è un metallo delle cosiddette terre rare ha aspetto bianco-argenteo, è duttile e malleabile. Cristallizza a temperatura ambiente in una forma α esagonale compatta, scaldato a 1508 K si trasforma in una forma cristallina β cubica a corpo centrato.

A differenza degli altri lantanidi, il gadolinio è relativamente stabile all'aria, purché secca. In presenza di umidità, si copre rapidamente del proprio ossido che, scrostandosi, espone all'attacco nuove superfici di metallo vivo. Reagisce lentamente con l'acqua e si scioglie negli acidi diluiti.

Il gadolinio ha la sezione d'urto verso la cattura di neutroni termici più alta di qualsiasi materiale noto (49.000 barn), ma ha anche un'elevata velocità di esaurimento che ne limita l'utilità come materiale di fabbricazione delle barre di controllo dei reattori nucleari.

Il gadolinio diventa superconduttivo a temperature inferiori a 1,083 K. È fortemente magnetico a temperatura ambiente ed è l'unico metallo non appartenente al gruppo dei metalli di transizione a mostrare proprietà magnetiche.

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

Il gadolinio viene usato per produrre granati all'ittrio-gadolinio, utilizzati nei dispositivi a microonde; sali di gadolinio sono impiegati anche per produrre fosfori per i televisori a colori.

Lo ione Gd3+ è paramagnetico, perché ha 7 elettroni spaiati nell'orbitale 4f (il che rende conto della sensazionale stabilità dello ione), è quindi usato in soluzione, complessato da leganti ciclici poliamminopolicarbossilici, come mezzo di contrasto intravenoso nell'imaging a risonanza magnetica a scopo diagnostico.

Il gadolinio viene inoltre usato per la produzione di compact disc e di dispositivi di memoria per computer. Trova infine impiego anche in sistemi di spegnimento di emergenza in reattori nucleari, in special modo in reattori di tipo CANDU, per la sua elevata sezione di cattura dei neutroni termici.

Il gadolinio possiede insolite proprietà metallurgiche; per semplice addizione dell'1% di gadolinio al ferro, al cromo ed alle loro leghe se ne migliora la lavorabilità e la resistenza alle alte temperature ed all'ossidazione.

L'elevato momento magnetico del gadolinio e la sua bassa temperatura di Curie – vicina alla temperatura ambiente – rende il gadolinio idoneo alla realizzazione di sensori magnetici di temperatura.

Storia[modifica | modifica sorgente]

Nel 1880, il chimico svizzero Jean Charles Galissard de Marignac osservò le linee spettrali del gadolinio in campioni di didimio e di gadolinite. Fu poi il francese Paul Emile Lecoq de Boisbaudran a separare la gadolinia (ovvero l'ossido di gadolinio (III)) dall'ittria di Mosander nel 1886. L'elemento puro è stato isolato solo in tempi relativamente recenti.

Come il minerale gadolinite, il gadolinio deve il suo nome al chimico e geologo finlandese Johan Gadolin.

Ruolo biologico[modifica | modifica sorgente]

Il gadolinio non ha alcun ruolo biologico noto.

Biochimica del Gadolinio[modifica | modifica sorgente]

Come ione Gd3+, il gadolinio è un acido di Lewis duro e ennacoordinato, caratteristica che lo rende eccezionalmente affine a basi come H2O ed OH-. La prima rende conto della difficoltà di lavorazione metallorganica dello ione in soluzione, la seconda della sua tossicità: a pH fisiologico e in presenza di fosfati liberi, precipita come idrossido (gelatinoso incolore) e come fosfato (bianco polveroso). I complessi carichi vengono eliminati con le urine, inoltre, non sono in grado di attraversare la barriera ematoencefalica integra, ma solo quando è interrotta o alterata nella sua permeabilità (lesione neoplastiche, demielinizzazioni recenti, flogosi); anche per questo vengono utilizzati come mezzo di contrasto in risonanza magnetica.

Mezzo di contrasto per MRI[modifica | modifica sorgente]

La presenza di un centro paramagnetico, influenza i tempi di riallineamento del vettore magnetizzazione dei protoni dell'acqua, la cui risonanza è misurata nella MR a scopo diagnostico. Dal momento che le lesioni neoplastiche sono più ricche di acqua rispetto alle zone circostanti e che il mezzo di contrasto tende a stabilirvisi, generando un segnale più intenso rispetto al tessuto sano.
Sono molti i fattori che influenzano l'efficacia del mezzo di contrasto; essi cambiano la loro influenza sulla relassività dei protoni a seconda della posizione del protone stesso rispetto al centro paramagnetico (sfera interna o coordinazione diretta; sfera esterna o interazioni non covalenti). Ne ricordiamo alcuni: la distanza protone-Gd (più breve è la distanza più velocemente il vettore magnetizzazione si riorienterà), il tempo di vita dell'acqua legata (più protoni subiscono l'influenza diretta del Gd, più saranno i vettori riorientati rapidamente).

Per questo sono stati messi a punto dei leganti azamacrociclici poliamminopolicarbossilici che, con una cinetica lentissima, riescono a complessare 8 dei 9 siti di coordinazione dello ione. Portano però problemi di ingombro sterico, rendendo, talvolta, difficilmente accessibile l'unica molecola d'acqua di coordinazione. Il capostipite è il DOTA (come sale megluminico dell'acido gadoterico), con i suoi derivati liposomiali, come il DOTA.DSA, che hanno una funzione con una doppia coda lipofila, simile a quella dei fosfolipidi.

Legante azamacrociclico DOTA

Un altro tipo di leganti utilizzati sono il DTPA (acido dietilen-triamino-pentacetico o acido pentetico)[1] a formare il Gd-DTPA (sale dimegluminico dell'acido gadopentetico). DTPA e i suoi derivati, come il MS-325, contenenti una struttura lipofila.

Chelante DTPA

Disponibilità[modifica | modifica sorgente]

Il gadolinio in natura non si trova allo stato nativo, ma solo combinato in minerali quali la gadolinite, la monazite e la bastnasite.

Viene preparato per scambio ionico ed estrazione in solvente, oppure per riduzione del suo fluoruro anidro con calcio metallico.

Composti[modifica | modifica sorgente]

Tra i composti del gadolinio si annoverano:

Isotopi[modifica | modifica sorgente]

Il gadolinio in natura si presenta come una miscela di 5 isotopi stabili, 154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd, e di due radioattivi, 152Gd e 160Gd. 158Gd è il più abbondante (24,84%).

Del gadolinio sono stati individuati 30 isotopi radioattivi, di cui il più stabile è 160Gd (emivita: 1,3 × 1021  anni), 152Gd (1,08 × 1014  anni) e 150Gd (1,79 × 106  anni). Tutti gli altri hanno emivite inferiori a 74,7 anni e la maggior parte di essi inferiore a 24,6 secondi. Sono inoltre noti 4 metastati, i cui più stabili sono 143mGd (emivita: 110 secondi), 145mGd (85 secondi) e 141mGd (24,5 secondi).

La principale modalità di decadimento per gli isotopi più leggeri di 158Gd è la cattura elettronica con conversione in isotopi dell'europio; per quelli più pesanti è il decadimento beta con conversione in isotopi del terbio.

Precauzioni[modifica | modifica sorgente]

Simboli di rischio chimico

infiammabile
attenzione


frasi H: 261
consigli P: 231+232 - 422 [2][3]


Le sostanze chimiche
vanno manipolate con cautela

Avvertenze

Analogamente agli altri lantanidi, i composti del gadolinio sono considerati a tossicità medio-bassa, benché la loro tossicità non sia stata ancora studiata in dettaglio. I sali di gadolinio sono irritanti della cute e delle mucose. Per la sua tossicità, quando è usato come mezzo di contrasto paramagnetico in risonanza magnetica, viene legato a un composto chelante.

Nel 2007 i produttori di mezzi di contrasto a base di gadolinio hanno reso noto al personale sanitario importanti revisioni riguardanti la prescrizione di questi prodotti apportate dall’FDA (Food and Drug Administration) per l’impiego nella risonanza magnetica per immagini (MRI): segnalazioni successiva al loro utilizzo hanno mostrato che l’uso di questi agenti aumenta il rischio di sviluppare una grave condizione medica, chiamata fibrosi nefrogenica sistemica nei pazienti con insufficienza renale grave, acuta o cronica (velocità di filtrazione glomerulare < 30 ml/min/1,73 m2) e nei pazienti con disfunzione renale dovuta a sindrome epato-renale nel periodo perioperatorio del trapianto di fegato.

La fibrosi nefrogenica sistemica conduce ad eccessiva formazione di tessuto connettivo a livello della cute e degli organi interni. La fibrosi nefrogenica sistemica è una malattia progressiva e può essere debilitante, con esito, talora, fatale.

Ad oggi l’FDA, avendo ricevuto la segnalazione di più di 250 casi di fibrosi nefrogenica sistemica dopo somministrazione dei mezzi di contrasto basati sul gadolinio, ha pertanto deciso di inserire nella scheda tecnica di questi prodotti un esplicito avvertimento in tal senso.

Anche l'Agenzia italiana del farmaco, al pari dell'FDA statunitense, segnala fibrosi nefrogenica dopo somministrazione di gadolinio[4].

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ .torrinomedica.it
  2. ^ Sigma Aldrich; rev. del 17.05.2012
  3. ^ Conservare il contenuto sotto atmosfera di gas inerte.
  4. ^ Fibrosi sistemica nefrogenica e gadolinio BIF XV N.2 2008 AGENZIA ITALIANA DEL FARMACO http://www.aifa.gov.it/allegati/bif1_09_giornalisti.pdf

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

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