Gadolinium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Gd und der Ordnungszahl 64. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden.
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, Yα. Daneben fand er in einer weiteren Fraktion das ihm ebenfalls unbekannte Yβ, hierbei stellte sich jedoch schnell heraus, dass es sich um das schon von Marc Delafontaine und Paul Émile Lecoq de Boisbaudran gefundene Samarium handelte.Jean Charles Galissard de Marignac: Sur les terres de la samarskite. In: Comptes Rendus. 1880, 90, S. 899–903 (). Nachdem die Existenz von Yα von William CrookesWilliam Crookes: Sur la terre Yα. In: Comptes Rendus. 1886, 102, S. 646–647 (). 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. Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: Le Yα de Marignac est définitevement nomme Gadolinium. In: Comptes Rendus. 1886, 102, S. 902 ().W. Crookes: On Some New Elements in Gadolinite and Samarskite, Detected Spectroscopically. In: Proceedings of the Royal Society of London. 40, 1886, S. 502–509, doi:10.1098/rspl.1886.0076.
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. Félix Trombe: L'isolement de gadolinium. In: Comptes Rendus. 1935, 200, S. 459–461 (). Kurze Zeit später entdeckte er zusammen mit Georges Urbain und Pierre-Ernest Weiss den Ferromagnetismus des Elements. Georges Urbain, Pierre-Ernest Weiss Félix Trombe: Un nouveau métal ferromagnetique, le gadolinium. In: Comptes Rendus. 1935, 200, S. 2132–2134 ().
Vorkommen mini|links|Lepersonnit-(Gd) (flach) zusammen mit Studtit (Nadeln) auf Curit (orange) Gadolinium ist auf der Erde ein nicht sehr häufiges Element, seine Häufigkeit in der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 6,2 ppm. Es liegt damit in seiner Häufigkeit hinter den meisten leichten Seltenen Erden wie Cer, Neodym oder Samarium, aber vor den meisten schweren wie Erbium, Ytterbium oder Holmium. Unter den Seltenen Erden wird es mit Yttrium und den Elementen von Terbium bis Lutetium zu den schweren Seltenen Erden (Heavy Rare Earth Elements, HREE) gezählt.
Wie alle Seltenen Erden ist Gadolinium lithophil und daher vor allem in der kontinentalen Erdkruste zu finden, nur wenig im Erdmantel. Seltene Erden werden zudem zu den inkompatiblen Elementen gezählt, jedoch ist es bei verschiedenen Gesteinen und Lanthanoiden unterschiedlich ausgeprägt. Während leichte Lanthanoide stark inkompatibel sind, ist dies bei schweren weniger der Fall. Vor allem in Granat werden HREE wie Gadolinium bevorzugt eingebaut.Martin Okrusch, Hartwig E. Frimmel: Mineralogie. 10. Auflage, Springer, 2022, ISBN 978-3-662-64064-7, S. 765–769.
Gadolinium kommt in Mineralen stets zusammen mit den anderen Lanthanoiden vor. Die wichtigsten gadoliniumhaltigen Minerale sind Gadolinit-(Y), Xenotim, Bastnäsit, Allanit und Britholit.Scott M. McLennan: Gadolinium. In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 525–526. Xenotim hat beispielsweise mit einem Anteil von etwa 2,3 %Athanasios K. Karamalidis, Roderick Eggert: Rear Eath Elements: Sustainable Recovery, Processing, and Purification. Wiley, 2024, ISBN 978-1-119-51503-6, S. 120. und Gadolinit-(Y) einer Probe aus Yokkaichi in Japan sogar 2,93 %Gadolinite-(Y). In: John W. Anthony, Richard A. Bideaux, Kenneth W. Bladh, Monte C. Nichols (Hrsg.): Handbook of Mineralogy, Mineralogical Society of America. 2001 (online, pdf). Auch Monazit enthält je nach Lagerstätte 1,5 bis 2 % Gadolinium und das Element kann daraus extrahiert werden.Joaquim Sanz, Oriol Tomasa, Abigail Jimenez-Franco, Nor Sidki-Rius: Elements and Mineral Resources. Springer, 2022, ISBN 978-3-030-85889-6, S. 281–284.Ian McGill: Rear Earth Elements. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim 2012, doi:10.1002/14356007.a22_607. Bastnäsit enthält dagegen nur geringe Mengen Gadolinium.
Es sind mehrere seltene Minerale bekannt, in denen Gadolinium das häufigste Seltenerdmetall ist. Dazu zählen Lepersonnit-(Gd), ein radioaktives Carbonat mit der Verhältnisformel CaGd2(UO2)24(CO3)8Si4O28·60H2OM. Deliens und P. Piret: Bijvoetite et lepersonnite, carbonates hydratés d'uranyle et des terres rares de Shinkolobwe, Zaire. In: Canadian Mineralogist. 1982, 20, S. 231–238 (Abstract in American Mineralogist (PDF-Datei; 623 kB)). sowie die gadoliniumhaltigen Mitglieder der Monazit- und Xenotim-Mischkristallreihen. Diese sind dimorph mit der idealen Zusammensetzung Gd(PO4). Alle drei Minerale sind sehr selten mit einem oder zwei bekannten Fundorten. Lepersonnit-(Gd) wurde in der Shinkolobwe-Mine in der Demokratischen Republik Kongo, die anderen beiden im Uranvorkommen Zimná Voda bei Prakovce in der Slowakei sowie Monazit-(Gd) zusätzlich bei Thurein-taung im Distrikt Pyin U Lwin in Myanmar gefunden.Gadolinium. In: mindat.org, Hudson Institute of Mineralogy, abgerufen am 1. Juli 2026.
Die kommerziell wichtigste Quelle für Gadolinium sind ionenadsorbierende Tonminerale (Regolith-hosted ion-adsorption deposits, IADs). Diese entstehen bei der Verwitterung von Muttergesteinen vor allem in den Subtropen und adsorbieren die in den Ausgangsgesteinen enthaltenen Seltenerdmetalle. IAD-Vorkommen besitzen zwar nur einen relativ geringen Anteil an Seltenerdelementen von 0,05 bis 0,2 %, diese lassen sich jedoch relativ einfach durch Auslaugen aus den Tonmineralen lösen.Charles D. Beard, Eva Marquis, Martin P. Smith, Martin Yan Hei Li, Guillaume Estrade, Kathryn M. Goodenough: Ion Adsorption Mineralisation in Regolith-Hosted REE Deposits. In: Rob J. Bowell, Charles R. M. Butt (Hrsg.): Geology, Geochemistry and Formation of Supergene Mineral Deposits in Deeply Weathered Terrain. Springer, 2025, ISBN 978-3-031-75732-7, S. 365–367.
Die wichtigsten Vorkommen von ionenadsorbierenden Tonmineralen liegen im Süden Chinas, aber auch in Myanmar, Vietnam, Malawi, Brasilien, den Philippinen und den Vereinigten Staaten sind Vorkommen bekannt. Kommerziell ausgebeutet werden vor allem die Vorkommen in Südchina und Myanmar.A. Borst, Martin Smith, Adrian A. Finch, Guillaume Estrade, Cristina Villanova-de-Benavent, Peter Nason, Eva Marquis, Nicola J. Horsburgh, Kathryn Goodenough, Cheng Xu, Jindřích Kynický, Kalotina Geraki: Adsorption of rare earth elements in regolith-hosted clay deposits. In: Nature Communications. 2020, Band 11, Nr. 1, Artikel 4386, . Die chinesischen Tonmineral-Vorkommen enthalten etwa 10 ppm Gadolinium, es sind noch einige Vorkommen mit höheren Gehalten von bis zu 83 ppm in der Colossus-Lagerstätte bei Poços de Caldas in Brasilien bekannt.Kenneth D. Collerson, Roussos Dimitrakopoulos, Guy Greville: A Meaningful metric to compare the value and Prospectivity of Clay-Hosted regolith rare earth element deposits. In: Ore Geology Reviews. Band 180, 2025, Artikel 106582, .
Die Konzentration von Gadolinium in Gewässern ist sehr gering. Dennoch hat man in diesen eine positive Gadolinium-Anomalie festgestellt, sie entalten also mehr Gadolinium, als nach dem relativen Häufigkeitsverhältnis der Seltenen Erden zu erwarten wäre. Ein wesentlicher Grund hierfür ist anthropogen und liegt an der Verwendung von sehr stabilen gadoliniumhaltigen Komplexen wie Gd-DTPA als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomografie, die ins Abwasser gelangen. Aber auch eine natürliche Gadolinium-Anomalie konnte beobachtet werden, möglicherweise durch eine Fällung von HREE als Phosphat beim Verwittern von eisenreichen Gesteinen wie Basalt verursacht.Michael Bau, Peter Dulski: Anthropogenic origin of positive gadolinium anomalies in river waters. In: Earth and Planetary Science Letters. Band 143, Nr. 1–4, 1996, S. 245–255, .Peter Möller, Peter Dulski, Marco De Lucia: REY Patterns and Their Natural Anomalies in Waters and Brines: The Correlation of Gd and Y Anomalies. In: Hydrology. Band 8, Nr. 3, 2021, Artikel 116, .
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.Clifford G. Brown, Leonard G. Sherrington: Solvent extraction used in industrial separation of rare earths. In: Journal of Chemical Technology and Biotechnology. 29, 1979, S. 193–209, doi:10.1002/jctb.503290402.
Die Gewinnung elementaren Gadoliniums ist über die Reduktion von Gadolinium(III)-fluorid mit Calcium möglich. 2 GdF3 + 3 Ca -> 2 Gd + 3 CaF2
Gadolinium wird nur in geringerem Umfang produziert und benötigt. Wichtigster Produzent ist, wie bei allen Seltenerdmetallen, die Volksrepublik China.
Eigenschaften miniatur|Elementares Gadolinium miniatur|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.J. Banister, S. Legvold, F. Spedding: Structure of Gd, Dy, and Er at Low Temperatures. In: Physical Review. 94, 1954, S. 1140–1142, doi:10.1103/PhysRev.94.1140. Oberhalb von 1262 °C geht die Struktur in eine kubisch-raumzentrierte Struktur über.F.H. Spedding, J.J. Hanak, A.H. Daane: High temperature allotropy and thermal expansion of the rare-earth metals. In: Journal of the Less Common Metals. 3, 1961, S. 110–124, doi:10.1016/0022-5088(61)90003-0.