El gadolinio se sintetiza en las estrellas mediante dos procesos principales: el proceso s (captura lenta de neutrones) en estrellas AGB (gigantes asintóticas) de baja masa y el proceso r (captura rápida de neutrones) durante eventos cataclísmicos como supernovas y fusiones de estrellas de neutrones. A diferencia del europio, el gadolinio presenta una contribución significativa del proceso s, estimada en aproximadamente 40-60% de su abundancia solar, con el resto proveniente del proceso r.
La abundancia cósmica del gadolinio es de aproximadamente 1,2×10⁻¹² veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo hace unas tres veces más abundante que el europio. Su producción mixta (s y r) lo convierte en un trazador útil para estudiar el equilibrio entre los dos procesos de nucleosíntesis en la evolución química galáctica. La relación gadolinio/europio (Gd/Eu) en las estrellas se utiliza a menudo como indicador de la contribución relativa del proceso s con respecto al proceso r.
Las abundancias de gadolinio en estrellas de diferentes metalicidades ayudan a rastrear la historia del enriquecimiento químico de la Galaxia. Las estrellas muy antiguas y pobres en metales muestran una relación Gd/Eu relativamente baja, lo que indica una dominancia inicial del proceso r. A medida que la Galaxia envejece y las estrellas AGB contribuyen más, la relación Gd/Eu aumenta, reflejando la creciente contribución del proceso s. Esta evolución es un indicador clave de la historia de la formación estelar y la nucleosíntesis en la Vía Láctea.
El gadolinio ha sido detectado en las atmósferas de ciertas estrellas peculiares, en particular las estrellas de tipo Ap (de polo magnético) donde puede ser sobreabundante en relación con el hierro hasta en un factor de 1000. En estas estrellas, el fuerte campo magnético y la baja convección permiten la separación por difusión de los elementos, lo que lleva a una estratificación atmosférica donde el gadolinio se acumula. El análisis de las líneas espectrales del gadolinio neutro (Gd I) e ionizado (Gd II) en estas estrellas proporciona restricciones importantes sobre los modelos de difusión y campo magnético estelar.
El gadolinio lleva el nombre del químico finlandés Johan Gadolin (1760-1852), pionero en la química de las tierras raras que descubrió el itrio en 1794. Este nombre honra sus contribuciones fundamentales al estudio de los minerales que contienen tierras raras. El elemento en sí fue aislado mucho después de su muerte, pero su nombre perpetúa su legado científico.
El gadolinio fue descubierto en 1880 por el químico suizo Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) en Ginebra. Al analizar muestras de didimio (que entonces se creía que era un solo elemento, pero que resultó ser una mezcla de neodimio y praseodimio) y cerita, Marignac observó líneas espectrales desconocidas. Aisló un nuevo óxido que inicialmente llamó "Yα", demostrando que se trataba del óxido de un nuevo elemento. Marignac era un experto en cristalografía y espectroscopia, técnicas cruciales para este descubrimiento.
En 1886, el químico francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (conocido por descubrir el galio) confirmó la existencia del nuevo elemento y propuso el nombre "gadolinio" en honor a Johan Gadolin. Lecoq de Boisbaudran logró separar el gadolinio de otras tierras raras con mayor pureza y determinó algunas de sus propiedades fundamentales. El aislamiento del gadolinio metálico puro se realizó mucho más tarde, en 1935, mediante la reducción del cloruro de gadolinio anhidro con calcio metálico.
El gadolinio está presente en la corteza terrestre a una concentración promedio de aproximadamente 6,2 ppm (partes por millón), lo que lo convierte en el 41º elemento más abundante, ligeramente más abundante que el boro o el nitrógeno. Entre las tierras raras, es de abundancia media. Los principales minerales que contienen gadolinio son la bastnasita ((Ce,La,Nd,Gd)CO₃F) y la monacita ((Ce,La,Nd,Gd,Th)PO₄), donde representa típicamente entre 0,5 y 1,5% del contenido total de tierras raras.
La producción mundial de óxidos de gadolinio es de aproximadamente 400 a 500 toneladas por año. China domina ampliamente la producción con alrededor del 85% del total mundial, seguida por Estados Unidos, Australia y Malasia. El precio del gadolinio varía considerablemente según la pureza y la demanda, con el óxido de gadolinio (Gd₂O₃) al 99,9% negociándose generalmente entre 50 y 150 dólares por kilogramo.
El gadolinio metálico se produce principalmente mediante la reducción del óxido Gd₂O₃ o del fluoruro GdF₃ con calcio metálico en atmósfera inerte. La producción anual mundial de gadolinio metálico es de aproximadamente 50 a 100 toneladas. El reciclaje del gadolinio procedente de imanes y residuos electrónicos aún es limitado, pero está ganando importancia por razones económicas y estratégicas, con tasas de recuperación que podrían aumentar significativamente en las próximas décadas.
El gadolinio (símbolo Gd, número atómico 64) es el octavo elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 64 protones, generalmente 94 neutrones (para el isótopo más abundante \(\,^{158}\mathrm{Gd}\)) y 64 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s². Esta configuración 4f⁷ semi-llena confiere al gadolinio propiedades magnéticas excepcionales.
El gadolinio es un metal plateado, maleable y dúctil. Su propiedad más notable es su ferromagnetismo a temperatura ambiente entre los lantánidos. El gadolinio se vuelve ferromagnético por debajo de su temperatura de Curie de 20 °C (293 K). Por encima de esta temperatura, es paramagnético. Es uno de los pocos elementos (junto con el hierro, el níquel y el cobalto) que presenta un comportamiento ferromagnético a temperatura ambiente. El gadolinio también tiene la sección transversal de absorción de neutrones térmicos más alta de todos los elementos estables (49.000 barns).
El gadolinio se funde a 1313 °C (1586 K) y hierve a 3273 °C (3546 K), presentando puntos de fusión y ebullición elevados típicos de los lantánidos. El gadolinio cristaliza en una estructura hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente. Presenta una anomalía de dilatación térmica: se contrae cuando se calienta hasta aproximadamente 200 °C antes de dilatarse normalmente. El gadolinio es un mal conductor eléctrico, con una conductividad unas 20 veces menor que la del cobre.
El gadolinio es moderadamente reactivo. Se oxida lentamente en aire seco para formar un óxido negro Gd₂O₃. En aire húmedo o al calentarse, la oxidación se acelera. El gadolinio reacciona con el agua lentamente en frío y más rápidamente en caliente para formar hidróxido de gadolinio(III) Gd(OH)₃ y desprender hidrógeno. Se disuelve en ácidos minerales diluidos con desprendimiento de hidrógeno. El gadolinio metálico debe conservarse bajo aceite mineral o en atmósfera inerte para evitar la oxidación progresiva.
Punto de fusión del gadolinio: 1586 K (1313 °C).
Punto de ebullición del gadolinio: 3546 K (3273 °C).
Temperatura de Curie del gadolinio: 293 K (20 °C) - ferromagnético por debajo.
Sección transversal de absorción de neutrones: 49.000 barns (la más alta entre los elementos estables).
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Gadolinio-154 — \(\,^{154}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 90 | 153,920865 u | ≈ 2,18 % | Estable | Isótopo estable pero ligeramente radiactivo con una vida media extremadamente larga (> 1,1×10²¹ años). |
| Gadolinio-155 — \(\,^{155}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 91 | 154,922622 u | ≈ 14,80 % | Estable | Isótopo estable con la sección transversal de absorción de neutrones más alta entre los isótopos naturales. |
| Gadolinio-156 — \(\,^{156}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 92 | 155,922122 u | ≈ 20,47 % | Estable | Isótopo estable más abundante del gadolinio natural. |
| Gadolinio-157 — \(\,^{157}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 93 | 156,923960 u | ≈ 15,65 % | Estable | Isótopo estable con una sección transversal de absorción de neutrones extremadamente alta (254.000 barns). |
| Gadolinio-158 — \(\,^{158}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 94 | 157,924103 u | ≈ 24,84 % | Estable | Isótopo estable mayoritario, que representa aproximadamente un cuarto del gadolinio natural. |
| Gadolinio-160 — \(\,^{160}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 96 | 159,927054 u | ≈ 21,86 % | Estable | Isótopo estable, el más pesado de los isótopos naturales del gadolinio. |
| Gadolinio-152 — \(\,^{152}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 88 | 151,919791 u | ≈ 0,20 % | 1,08×10¹⁴ años | Radiactivo alfa con vida media extremadamente larga. Presente en trazas en la naturaleza. |
N.B. :
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El gadolinio tiene 64 electrones repartidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s² es única porque presenta una subcapa 4f semi-llena (7 electrones) y un electrón en la subcapa 5d, lo que le confiere una estabilidad particular según la regla de Hund. Esta configuración también puede escribirse como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(25) P(3), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁷ 5s² 5p⁶ 5d¹ 6s².
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones repartidos en 2s² 2p⁶. Esta capa está completa, formando una configuración de gas noble.
Capa M (n=3): contiene 18 electrones repartidos en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye a la pantalla electrónica.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones repartidos en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable.
Capa O (n=5): contiene 25 electrones repartidos en 5s² 5p⁶ 4f⁷ 5d¹. La subcapa 4f semi-llena y la presencia de un electrón 5d caracterizan la química y el magnetismo del gadolinio.
Capa P (n=6): contiene 3 electrones en las subcapas 6s² y 5d¹ (aunque 5d pertenece a la capa n=5, está energéticamente cerca de 6s).
El gadolinio tiene efectivamente 10 electrones de valencia: siete electrones 4f⁷, dos electrones 6s² y un electrón 5d¹. Sin embargo, en la práctica química, el gadolinio presenta casi exclusivamente el estado de oxidación +3. En este estado, el gadolinio pierde sus dos electrones 6s, su electrón 5d y un electrón 4f para formar el ion Gd³⁺ con la configuración electrónica [Xe] 4f⁷. Este ion tiene exactamente siete electrones en la subcapa 4f (semi-llena), lo que le confiere una estabilidad excepcional y propiedades magnéticas notables.
A diferencia del europio y el iterbio, el gadolinio no presenta un estado de oxidación +2 estable en condiciones acuosas ordinarias. Algunos compuestos de gadolinio(II) existen, como el diyoduro GdI₂, pero son muy reductores y se oxidan rápidamente en presencia de humedad u oxígeno. El estado +3 es tan estable que el gadolinio se considera el lantánido más "térreo" en su comportamiento químico.
El ion Gd³⁺ presenta varias propiedades físicas importantes: es paramagnético con siete electrones no apareados (momento magnético de 7,94 μB), tiene un radio iónico de 107,8 pm (para una coordinación 8), y posee una luminiscencia débil en comparación con otros lantánidos como el europio o el terbio, pero se utiliza en algunos materiales fosforescentes.
El gadolinio metálico se oxida lentamente en aire seco a temperatura ambiente, formando una fina capa de óxido de gadolinio(III) Gd₂O₃ de color blanco que se adhiere al metal y lo protege parcialmente de una oxidación más profunda. Cuando se calienta por encima de 200 °C, la oxidación se acelera y el metal puede inflamarse en el aire, quemándose para formar el óxido: 4Gd + 3O₂ → 2Gd₂O₃. En polvo fino, el gadolinio es pirofórico y puede inflamarse espontáneamente en el aire.
El gadolinio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de gadolinio(III) Gd(OH)₃ y desprender gas hidrógeno: 2Gd + 6H₂O → 2Gd(OH)₃ + 3H₂↑. El hidróxido precipita en forma de un sólido blanco gelatinoso poco soluble. La reacción no es tan vigorosa como con los metales alcalinos o incluso con algunos otros lantánidos como el europio, pero es notable y requiere precauciones al almacenar el metal.
El gadolinio reacciona con todos los halógenos para formar los trihaluros correspondientes: 2Gd + 3F₂ → 2GdF₃ (fluoruro blanco); 2Gd + 3Cl₂ → 2GdCl₃ (cloruro blanco). Se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos (ácido clorhídrico, sulfúrico, nítrico) con desprendimiento de hidrógeno y formación de las sales correspondientes de Gd³⁺: 2Gd + 6HCl → 2GdCl₃ + 3H₂↑.
El gadolinio reacciona con el hidrógeno a temperatura moderada (300-400 °C) para formar el hidruro GdH₂, luego GdH₃ a mayor temperatura. Con el azufre, forma el sulfuro Gd₂S₃. Reacciona con el nitrógeno a alta temperatura (>1000 °C) para formar el nitruro GdN, y con el carbono para formar el carburo GdC₂. El gadolinio también forma numerosos complejos de coordinación con ligandos orgánicos, explotados en particular en los agentes de contraste para resonancia magnética.
La propiedad más notable del gadolinio es su ferromagnetismo cerca de la temperatura ambiente. Con una temperatura de Curie de 20 °C (293 K), el gadolinio es ferromagnético por debajo de esta temperatura y paramagnético por encima. Este efecto se debe a los siete electrones no apareados en la subcapa 4f del ion Gd³⁺, que generan un fuerte momento magnético. El gadolinio también presenta un efecto magnetocalórico gigante, lo que significa que su temperatura cambia significativamente cuando se somete a un campo magnético. Esta propiedad se explota en la refrigeración magnética, una tecnología de enfriamiento eficiente desde el punto de vista energético.
La aplicación más importante del gadolinio es su uso en agentes de contraste para imágenes por resonancia magnética (IRM). Los iones Gd³⁺ poseen siete electrones no apareados, lo que les confiere un fuerte momento magnético y una capacidad excepcional para reducir el tiempo de relajación T1 de los protones de agua en los tejidos biológicos. Cuando se inyectan en el cuerpo, los complejos de gadolinio aceleran la alineación de los spines de los protones de agua después del pulso de radiofrecuencia, produciendo una señal de IRM más intensa (imagen más clara) en las regiones donde se acumulan.
El gadolinio libre (Gd³⁺) es tóxico, por lo que debe quelarse (unirse a una molécula orgánica) para ser utilizado de forma segura en humanos. Los quelatos más comunes son el DTPA (ácido dietilentriaminopentaacético), el DOTA (ácido tetraazaciclododecano-1,4,7,10-tetraacético) y sus derivados. Estas moléculas encierran estrechamente al ion Gd³⁺, impidiendo su liberación en el organismo y permitiendo su rápida eliminación renal. Se realizan millones de inyecciones cada año en todo el mundo con un perfil de seguridad generalmente excelente.
Los agentes de contraste a base de gadolinio son esenciales para detectar y caracterizar numerosas patologías: tumores cerebrales y otros cánceres, inflamaciones, lesiones de la médula espinal, enfermedades vasculares (angiografía por IRM), patologías cardíacas y enfermedades desmielinizantes como la esclerosis múltiple. Permiten visualizar la vascularización tumoral, detectar roturas de la barrera hematoencefálica y mejorar la detección de pequeñas lesiones. Diferentes agentes están diseñados para distribuciones tisulares específicas (hepáticas, renales, etc.).
El gadolinio presenta un "efecto magnetocalórico gigante" cerca de su temperatura de Curie (20 °C). Cuando se aplica un campo magnético a un material magnetocalórico como el gadolinio, los momentos magnéticos se alinean, lo que reduce la entropía magnética del sistema. Para mantener la entropía total (y cumplir con las leyes de la termodinámica), la entropía de la red cristalina aumenta, lo que se traduce en un aumento de la temperatura. Cuando se retira el campo, ocurre el proceso inverso y el material se enfría.
La refrigeración magnética que utiliza gadolinio o sus aleaciones ofrece ventajas potenciales considerables: ausencia de refrigerantes dañinos para la capa de ozono o con alto potencial de calentamiento global, eficiencia energética potencialmente un 20 a 30% superior a la de los compresores tradicionales, funcionamiento más silencioso y diseño mecánico simplificado. Los prototipos suelen utilizar lechos de granalla de gadolinio o aleaciones Gd-Si-Ge. Las investigaciones actuales buscan desarrollar materiales magnetocalóricos a base de gadolinio menos costosos y eficaces en un rango más amplio de temperaturas.
Las aplicaciones previstas incluyen aire acondicionado doméstico y automotriz, refrigeración comercial, criogenia (enfriamiento a muy baja temperatura en cascada con otros materiales) y enfriamiento electrónico de alto rendimiento. Aunque comercialmente limitada en la actualidad debido al costo del gadolinio y a desafíos técnicos, esta tecnología representa una vía prometedora para un enfriamiento sostenible.
El gadolinio tiene la sección transversal de absorción de neutrones térmicos más alta de todos los elementos estables (49.000 barns en promedio para la mezcla isotópica natural, con picos de 254.000 barns para el isótopo Gd-157). Esta propiedad lo convierte en un material de elección para el control y la protección contra neutrones en la industria nuclear.
En los reactores nucleares, el gadolinio se utiliza en forma de óxido (Gd₂O₃) mezclado con el combustible (uranio o plutonio) como "veneno consumible" para compensar el exceso de reactividad al inicio del ciclo. Al absorber neutrones, controla la reacción en cadena. A medida que el reactor funciona, el gadolinio se "quema" (transmuta en otros elementos), dejando lugar a una mayor reactividad que compensa el agotamiento del combustible. También se utiliza en ciertas barras de control y pantallas de protección.
Los compuestos de gadolinio (óxidos, fluoruros) se utilizan en detectores de neutrones y convertidores para imágenes de neutrones. Cuando un neutrón es absorbido por un núcleo de gadolinio, desencadena la emisión de rayos gamma o partículas cargadas detectables. Las pantallas de gadolinio permiten convertir un flujo de neutrones en una imagen visible, técnica utilizada en investigación, control no destructivo y seguridad (detección de materiales nucleares).
Las sales de gadolinio libres (no queladas) son moderadamente tóxicas. La inyección de Gd³⁺ libre puede causar hipocalcemia grave (relacionada con la competencia con el calcio), náuseas, vómitos y, en dosis altas, trastornos cardíacos y la muerte. El mecanismo de toxicidad implica principalmente el bloqueo de los canales de calcio. La DL50 (dosis letal media) del cloruro de gadolinio en ratas es de aproximadamente 100-200 mg/kg por vía intravenosa. Afortunadamente, los agentes de contraste para IRM utilizan complejos quelados muy estables que minimizan la liberación de Gd³⁺ libre.
Una preocupación importante asociada con los agentes de contraste a base de gadolinio es la fibrosis sistémica nefrogénica (FSN), una enfermedad rara pero grave y a veces mortal que afecta a pacientes con insuficiencia renal grave. La FSN se caracteriza por un engrosamiento y endurecimiento de la piel y los órganos internos. Está relacionada con la liberación de gadolinio libre a partir de ciertos quelatos menos estables (lineales vs. macrocíclicos) en pacientes cuyos mecanismos de excreción renal están comprometidos. Este descubrimiento ha llevado a restricciones de uso y a una preferencia por agentes macrocíclicos más estables en pacientes de riesgo.
Estudios recientes han demostrado que pequeñas cantidades de gadolinio pueden retenerse a largo plazo en el cerebro y otros tejidos (huesos, piel) incluso en pacientes con función renal normal, especialmente con agentes lineales. Las implicaciones clínicas a largo plazo de esta retención aún son inciertas y son objeto de investigación activa. Hasta la fecha, no se han demostrado consecuencias negativas claras, pero por principio de precaución, las autoridades reguladoras recomiendan utilizar la dosis efectiva más baja y preferir agentes más estables.
Las preocupaciones ambientales se centran principalmente en la extracción minera de tierras raras, común a todos estos elementos. El gadolinio liberado al medio ambiente a través de efluentes médicos (orina de pacientes después de una IRM) está bajo estudio, aunque las cantidades son pequeñas y las formas generalmente queladas. El reciclaje del gadolinio a partir de residuos electrónicos e imanes usados es un tema económico y estratégico creciente para garantizar el suministro y reducir el impacto ambiental de la extracción primaria. Los procesos hidrometalúrgicos permiten recuperar el gadolinio con altos rendimientos.
Para minimizar los riesgos, las prácticas médicas han evolucionado: evaluación de la función renal antes de la inyección (aclaramiento de creatinina), uso preferente de agentes macrocíclicos estables, respeto estricto de las contraindicaciones en pacientes con riesgo de FSN y justificación cuidadosa de cada examen que requiera contraste. La investigación continúa para desarrollar nuevos agentes aún más estables, biodegradables o dirigidos específicamente a ciertas patologías, con el fin de maximizar el beneficio diagnóstico al tiempo que se minimizan los riesgos potenciales.
