O gadolínio é sintetizado nas estrelas por dois processos principais: o processo s (captura lenta de nêutrons) em estrelas AGB (gigantes assintóticas) de baixa massa e o processo r (captura rápida de nêutrons) durante eventos cataclísmicos como supernovas e fusões de estrelas de nêutrons. Ao contrário do európio, o gadolínio apresenta uma contribuição significativa do processo s, estimada em cerca de 40-60% de sua abundância solar, com o restante proveniente do processo r.
A abundância cósmica do gadolínio é de cerca de 1,2×10⁻¹² vezes a do hidrogênio em número de átomos, tornando-o cerca de três vezes mais abundante que o európio. Sua produção mista (s e r) faz dele um traçador útil para estudar o equilíbrio entre os dois processos de nucleossíntese na evolução química galáctica. A razão gadolínio/európio (Gd/Eu) nas estrelas é frequentemente usada como indicador da contribuição relativa do processo s em relação ao processo r.
As abundâncias de gadolínio em estrelas de diferentes metalicidades ajudam a rastrear a história do enriquecimento químico da Galáxia. Estrelas muito antigas e pobres em metais mostram uma razão Gd/Eu relativamente baixa, indicando uma dominância inicial do processo r. À medida que a Galáxia envelhece e as estrelas AGB contribuem mais, a razão Gd/Eu aumenta, refletindo a crescente contribuição do processo s. Essa evolução é um indicador-chave da história da formação estelar e da nucleossíntese na Via Láctea.
O gadolínio foi detectado nas atmosferas de certas estrelas peculiares, especialmente estrelas do tipo Ap (de polo magnético) onde pode ser superabundante em relação ao ferro em até um fator de 1000. Nessas estrelas, o forte campo magnético e a fraca convecção permitem a separação por difusão dos elementos, levando a uma estratificação atmosférica onde o gadolínio se acumula. A análise das linhas espectrais do gadolínio neutro (Gd I) e ionizado (Gd II) nessas estrelas fornece restrições importantes aos modelos de difusão e campo magnético estelar.
O gadolínio recebe seu nome do químico finlandês Johan Gadolin (1760-1852), pioneiro na química das terras raras que descobriu o ítrio em 1794. Esse nome homenageia suas contribuições fundamentais para o estudo de minerais contendo terras raras. O elemento em si foi isolado muito depois de sua morte, mas seu nome perpetua seu legado científico.
O gadolínio foi descoberto em 1880 pelo químico suíço Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894) em Genebra. Ao analisar amostras de didímio (que então se acreditava ser um único elemento, mas que se revelou ser uma mistura de neodímio e praseodímio) e cerita, Marignac observou linhas espectrais desconhecidas. Ele isolou um novo óxido que inicialmente chamou de "Yα", demonstrando que se tratava do óxido de um novo elemento. Marignac era especialista em cristalografia e espectroscopia, técnicas cruciais para essa descoberta.
Em 1886, o químico francês Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran (conhecido por ter descoberto o gálio) confirmou a existência do novo elemento e propôs o nome "gadolínio" em homenagem a Johan Gadolin. Lecoq de Boisbaudran conseguiu separar o gadolínio das outras terras raras com maior pureza e determinou algumas de suas propriedades fundamentais. O isolamento do gadolínio metálico puro foi realizado muito mais tarde, em 1935, pela redução do cloreto de gadolínio anidro com cálcio metálico.
O gadolínio está presente na crosta terrestre em uma concentração média de cerca de 6,2 ppm (partes por milhão), o que o torna o 41º elemento mais abundante, ligeiramente mais abundante que o boro ou o nitrogênio. Entre as terras raras, é de abundância média. Os principais minérios contendo gadolínio são a bastnasita ((Ce,La,Nd,Gd)CO₃F) e a monazita ((Ce,La,Nd,Gd,Th)PO₄), onde representa tipicamente 0,5 a 1,5% do teor total de terras raras.
A produção mundial de óxidos de gadolínio é de cerca de 400 a 500 toneladas por ano. A China domina amplamente a produção, com cerca de 85% do total mundial, seguida pelos Estados Unidos, Austrália e Malásia. O preço do gadolínio varia consideravelmente de acordo com a pureza e a demanda, com o óxido de gadolínio (Gd₂O₃) a 99,9% sendo negociado geralmente entre 50 e 150 dólares por quilograma.
O gadolínio metálico é produzido principalmente pela redução do óxido Gd₂O₃ ou do fluoreto GdF₃ com cálcio metálico em atmosfera inerte. A produção anual mundial de gadolínio metálico é de cerca de 50 a 100 toneladas. A reciclagem do gadolínio proveniente de ímãs e resíduos eletrônicos ainda é limitada, mas está ganhando importância por razões econômicas e estratégicas, com taxas de recuperação que poderiam aumentar significativamente nas próximas décadas.
O gadolínio (símbolo Gd, número atômico 64) é o oitavo elemento da série dos lantanídeos, pertencente às terras raras do bloco f da classificação periódica. Seu átomo possui 64 prótons, geralmente 94 nêutrons (para o isótopo mais abundante \(\,^{158}\mathrm{Gd}\)) e 64 elétrons com a configuração eletrônica [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s². Essa configuração 4f⁷ semi-preenchida confere ao gadolínio propriedades magnéticas excepcionais.
O gadolínio é um metal prateado, maleável e dúctil. Sua propriedade mais notável é seu ferromagnetismo à temperatura ambiente entre os lantanídeos. O gadolínio torna-se ferromagnético abaixo de sua temperatura de Curie de 20 °C (293 K). Acima dessa temperatura, é paramagnético. É um dos poucos elementos (junto com o ferro, o níquel e o cobalto) a apresentar comportamento ferromagnético à temperatura ambiente. O gadolínio também possui a maior seção de choque de absorção de nêutrons térmicos de todos os elementos estáveis (49.000 barns).
O gadolínio funde a 1313 °C (1586 K) e ferve a 3273 °C (3546 K), apresentando pontos de fusão e ebulição elevados típicos dos lantanídeos. O gadolínio cristaliza em uma estrutura hexagonal compacta (HC) à temperatura ambiente. Apresenta uma anomalia de dilatação térmica: contrai-se quando aquecido até cerca de 200 °C antes de se dilatar normalmente. O gadolínio é um mau condutor elétrico, com condutividade cerca de 20 vezes inferior à do cobre.
O gadolínio é moderadamente reativo. Oxida-se lentamente ao ar seco para formar um óxido preto Gd₂O₃. Em ar úmido ou quando aquecido, a oxidação acelera. O gadolínio reage lentamente com água fria e mais rapidamente com água quente para formar hidróxido de gadolínio(III) Gd(OH)₃ e liberar hidrogênio. Dissolve-se em ácidos minerais diluídos com liberação de hidrogênio. O gadolínio metálico deve ser armazenado sob óleo mineral ou em atmosfera inerte para evitar a oxidação progressiva.
Ponto de fusão do gadolínio: 1586 K (1313 °C).
Ponto de ebulição do gadolínio: 3546 K (3273 °C).
Temperatura de Curie do gadolínio: 293 K (20 °C) - ferromagnético abaixo.
Seção de choque de absorção de nêutrons: 49.000 barns (a mais alta entre os elementos estáveis).
| Isótopo / Notação | Prótons (Z) | Nêutrons (N) | Massa atômica (u) | Abundância natural | Meia-vida / Estabilidade | Desintegração / Observações |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Gadolínio-154 — \(\,^{154}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 90 | 153,920865 u | ≈ 2,18 % | Estável | Isótopo estável, mas levemente radioativo com uma meia-vida extremamente longa (> 1,1×10²¹ anos). |
| Gadolínio-155 — \(\,^{155}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 91 | 154,922622 u | ≈ 14,80 % | Estável | Isótopo estável com a maior seção de choque de absorção de nêutrons entre os isótopos naturais. |
| Gadolínio-156 — \(\,^{156}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 92 | 155,922122 u | ≈ 20,47 % | Estável | Isótopo estável mais abundante do gadolínio natural. |
| Gadolínio-157 — \(\,^{157}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 93 | 156,923960 u | ≈ 15,65 % | Estável | Isótopo estável com uma seção de choque de absorção de nêutrons extremamente alta (254.000 barns). |
| Gadolínio-158 — \(\,^{158}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 94 | 157,924103 u | ≈ 24,84 % | Estável | Isótopo estável majoritário, representando cerca de um quarto do gadolínio natural. |
| Gadolínio-160 — \(\,^{160}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 96 | 159,927054 u | ≈ 21,86 % | Estável | Isótopo estável, o mais pesado dos isótopos naturais do gadolínio. |
| Gadolínio-152 — \(\,^{152}\mathrm{Gd}\,\) | 64 | 88 | 151,919791 u | ≈ 0,20 % | 1,08×10¹⁴ anos | Radioativo alfa com meia-vida extremamente longa. Presente em traços na natureza. |
N.B. :
Camadas eletrônicas: Como os elétrons estão organizados ao redor do núcleo.
O gadolínio possui 64 elétrons distribuídos em seis camadas eletrônicas. Sua configuração eletrônica [Xe] 4f⁷ 5d¹ 6s² é única porque apresenta uma subcamada 4f semi-preenchida (7 elétrons) e um elétron na subcamada 5d, o que lhe confere uma estabilidade particular de acordo com a regra de Hund. Essa configuração também pode ser escrita como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(25) P(3), ou de forma completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f⁷ 5s² 5p⁶ 5d¹ 6s².
Camada K (n=1): contém 2 elétrons na subcamada 1s. Essa camada interna está completa e é muito estável.
Camada L (n=2): contém 8 elétrons distribuídos em 2s² 2p⁶. Essa camada está completa, formando uma configuração de gás nobre.
Camada M (n=3): contém 18 elétrons distribuídos em 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Essa camada completa contribui para a blindagem eletrônica.
Camada N (n=4): contém 18 elétrons distribuídos em 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Essa camada forma uma estrutura estável.
Camada O (n=5): contém 25 elétrons distribuídos em 5s² 5p⁶ 4f⁷ 5d¹. A subcamada 4f semi-preenchida e a presença de um elétron 5d caracterizam a química e o magnetismo do gadolínio.
Camada P (n=6): contém 3 elétrons nas subcamadas 6s² e 5d¹ (embora 5d pertença à camada n=5, está energeticamentre próxima de 6s).
O gadolínio possui efetivamente 10 elétrons de valência: sete elétrons 4f⁷, dois elétrons 6s² e um elétron 5d¹. No entanto, na prática química, o gadolínio apresenta quase exclusivamente o estado de oxidação +3. Nesse estado, o gadolínio perde seus dois elétrons 6s, seu elétron 5d e um elétron 4f para formar o íon Gd³⁺ com a configuração eletrônica [Xe] 4f⁷. Esse íon possui exatamente sete elétrons na subcamada 4f (semi-preenchida), o que lhe confere estabilidade excepcional e propriedades magnéticas notáveis.
Ao contrário do európio e do itérbio, o gadolínio não apresenta um estado de oxidação +2 estável em condições aquosas comuns. Alguns compostos de gadolínio(II) existem, como o diiodeto GdI₂, mas são altamente redutores e oxidam rapidamente na presença de umidade ou oxigênio. O estado +3 é tão estável que o gadolínio é considerado o lantanídeo mais "terroso" em seu comportamento químico.
O íon Gd³⁺ apresenta várias propriedades físicas importantes: é paramagnético com sete elétrons não pareados (momento magnético de 7,94 μB), tem um raio iônico de 107,8 pm (para uma coordenação 8), e possui luminescência fraca em comparação com outros lantanídeos como o európio ou o térbio, mas é usado em alguns materiais fosforescentes.
O gadolínio metálico oxida-se lentamente ao ar seco à temperatura ambiente, formando uma fina camada de óxido de gadolínio(III) Gd₂O₃ de cor branca que adere ao metal e o protege parcialmente de uma oxidação mais profunda. Quando aquecido acima de 200 °C, a oxidação acelera e o metal pode inflamar-se no ar, queimando para formar o óxido: 4Gd + 3O₂ → 2Gd₂O₃. Em pó fino, o gadolínio é pirofórico e pode inflamar-se espontaneamente no ar.
O gadolínio reage lentamente com água fria e mais rapidamente com água quente para formar hidróxido de gadolínio(III) Gd(OH)₃ e liberar gás hidrogênio: 2Gd + 6H₂O → 2Gd(OH)₃ + 3H₂↑. O hidróxido precipita como um sólido branco gelatinoso pouco solúvel. A reação não é tão vigorosa quanto com os metais alcalinos ou mesmo com alguns outros lantanídeos como o európio, mas é notável e requer precauções no armazenamento do metal.
O gadolínio reage com todos os halogênios para formar os tri-haletos correspondentes: 2Gd + 3F₂ → 2GdF₃ (fluoreto branco); 2Gd + 3Cl₂ → 2GdCl₃ (cloreto branco). Dissolve-se facilmente em ácidos minerais diluídos (ácido clorídrico, sulfúrico, nítrico) com liberação de hidrogênio e formação dos sais correspondentes de Gd³⁺: 2Gd + 6HCl → 2GdCl₃ + 3H₂↑.
O gadolínio reage com hidrogênio em temperatura moderada (300-400 °C) para formar GdH₂, depois GdH₃ em temperaturas mais altas. Com enxofre, forma o sulfeto Gd₂S₃. Reage com nitrogênio em alta temperatura (>1000 °C) para formar o nitreto GdN, e com carbono para formar o carbeto GdC₂. O gadolínio também forma muitos complexos de coordenação com ligantes orgânicos, explorados especialmente em agentes de contraste para ressonância magnética.
A propriedade mais notável do gadolínio é seu ferromagnetismo próximo à temperatura ambiente. Com uma temperatura de Curie de 20 °C (293 K), o gadolínio é ferromagnético abaixo dessa temperatura e paramagnético acima. Esse efeito é devido aos sete elétrons não pareados na subcamada 4f do íon Gd³⁺, que geram um forte momento magnético. O gadolínio também apresenta um efeito magnetocalórico gigante, o que significa que sua temperatura muda significativamente quando submetido a um campo magnético. Essa propriedade é explorada na refrigeração magnética, uma tecnologia de resfriamento eficiente em termos de energia.
A aplicação mais importante do gadolínio é seu uso em agentes de contraste para imagem por ressonância magnética (IRM). Os íons Gd³⁺ possuem sete elétrons não pareados, o que lhes confere um forte momento magnético e uma capacidade excepcional de reduzir o tempo de relaxação T1 dos prótons de água nos tecidos biológicos. Quando injetados no corpo, os complexos de gadolínio aceleram o alinhamento dos spins dos prótons de água após o pulso de radiofrequência, produzindo um sinal de IRM mais intenso (imagem mais clara) nas regiões onde se acumulam.
O gadolínio livre (Gd³⁺) é tóxico e, portanto, deve ser quelado (ligado a uma molécula orgânica) para ser usado com segurança em humanos. Os quelatos mais comuns são o DTPA (ácido dietilenotriaminopentacético), o DOTA (ácido tetraazaciclododecano-1,4,7,10-tetraacético) e seus derivados. Essas moléculas encapsulam firmemente o íon Gd³⁺, impedindo sua liberação no organismo e permitindo sua rápida eliminação renal. Milhões de injeções são realizadas todos os anos em todo o mundo com um perfil de segurança geralmente excelente.
Os agentes de contraste à base de gadolínio são essenciais para detectar e caracterizar muitas patologias: tumores cerebrais e outros cânceres, inflamações, lesões da medula espinhal, doenças vasculares (angiografia por IRM), patologias cardíacas e doenças desmielinizantes como a esclerose múltipla. Eles permitem visualizar a vascularização tumoral, detectar rupturas da barreira hematoencefálica e melhorar a detecção de pequenas lesões. Diferentes agentes são projetados para distribuições teciduais específicas (hepáticas, renais, etc.).
O gadolínio apresenta um "efeito magnetocalórico gigante" próximo à sua temperatura de Curie (20 °C). Quando um campo magnético é aplicado a um material magnetocalórico como o gadolínio, os momentos magnéticos se alinham, reduzindo a entropia magnética do sistema. Para manter a entropia total (e respeitar as leis da termodinâmica), a entropia da rede cristalina aumenta, resultando em um aumento de temperatura. Quando o campo é removido, ocorre o processo inverso e o material resfria.
A refrigeração magnética usando gadolínio ou suas ligas oferece vantagens potenciais consideráveis: ausência de refrigerantes nocivos à camada de ozônio ou com alto potencial de aquecimento global, eficiência energética potencialmente 20 a 30% superior aos compressores tradicionais, operação mais silenciosa e projeto mecânico simplificado. Os protótipos geralmente usam leitos de grânulos de gadolínio ou ligas Gd-Si-Ge. As pesquisas atuais visam desenvolver materiais magnetocalóricos à base de gadolínio menos custosos e eficazes em uma faixa mais ampla de temperaturas.
As aplicações visadas incluem ar-condicionado doméstico e automotivo, refrigeração comercial, criogenia (resfriamento a temperaturas muito baixas em cascata com outros materiais) e resfriamento eletrônico de alto desempenho. Embora comercialmente limitada no momento devido ao custo do gadolínio e desafios técnicos, essa tecnologia representa um caminho promissor para um resfriamento sustentável.
O gadolínio possui a maior seção de choque de absorção de nêutrons térmicos de todos os elementos estáveis (49.000 barns em média para a mistura isotópica natural, com picos de 254.000 barns para o isótopo Gd-157). Essa propriedade o torna um material de escolha para o controle e proteção contra nêutrons na indústria nuclear.
Em reatores nucleares, o gadolínio é usado na forma de óxido (Gd₂O₃) misturado ao combustível (urânio ou plutônio) como "veneno queimável" para compensar o excesso de reatividade no início do ciclo. Ao absorver nêutrons, controla a reação em cadeia. À medida que o reator opera, o gadolínio é "queimado" (transmutado em outros elementos), dando lugar a uma reatividade aumentada que compensa o esgotamento do combustível. Também é usado em certas barras de controle e blindagens.
Os compostos de gadolínio (óxidos, fluoretos) são usados em detectores de nêutrons e conversores para imagem de nêutrons. Quando um nêutron é absorvido por um núcleo de gadolínio, desencadeia a emissão de raios gama ou partículas carregadas detectáveis. Telas de gadolínio permitem converter um fluxo de nêutrons em uma imagem visível, técnica usada em pesquisa, controle não destrutivo e segurança (detecção de materiais nucleares).
Os sais de gadolínio livres (não quelados) são moderadamente tóxicos. A injeção de Gd³⁺ livre pode causar hipocalcemia grave (relacionada à competição com o cálcio), náuseas, vômitos e, em doses altas, distúrbios cardíacos e morte. O mecanismo de toxicidade envolve principalmente o bloqueio dos canais de cálcio. A DL50 (dose letal mediana) do cloreto de gadolínio em ratos é de cerca de 100-200 mg/kg por via intravenosa. Felizmente, os agentes de contraste para IRM usam complexos quelados muito estáveis que minimizam a liberação de Gd³⁺ livre.
Uma preocupação importante associada aos agentes de contraste à base de gadolínio é a fibrose nefrogênica sistêmica (FNS), uma doença rara, mas grave e às vezes fatal, que afeta pacientes com insuficiência renal grave. A FNS é caracterizada por espessamento e endurecimento da pele e órgãos internos. Está relacionada à liberação de gadolínio livre a partir de certos quelatos menos estáveis (lineares vs. macrocíclicos) em pacientes cujos mecanismos de excreção renal estão comprometidos. Essa descoberta levou a restrições de uso e à preferência por agentes macrocíclicos mais estáveis em pacientes de risco.
Estudos recentes mostraram que pequenas quantidades de gadolínio podem ser retidas a longo prazo no cérebro e outros tecidos (ossos, pele) mesmo em pacientes com função renal normal, especialmente com agentes lineares. As implicações clínicas a longo prazo dessa retenção ainda são incertas e são objeto de pesquisa ativa. Até o momento, nenhuma consequência negativa foi claramente demonstrada, mas por princípio de precaução, as autoridades reguladoras recomendam usar a dose efetiva mais baixa e preferir agentes mais estáveis.
As preocupações ambientais dizem respeito principalmente à mineração de terras raras, comum a todos esses elementos. O gadolínio liberado no meio ambiente por meio de efluentes médicos (urina de pacientes após uma IRM) está sob estudo, embora as quantidades sejam pequenas e as formas geralmente queladas. A reciclagem do gadolínio a partir de resíduos eletrônicos e ímãs usados é uma questão econômica e estratégica crescente para garantir o suprimento e reduzir o impacto ambiental da extração primária. Processos hidrometalúrgicos permitem recuperar o gadolínio com altos rendimentos.
Para minimizar os riscos, as práticas médicas evoluíram: avaliação da função renal antes da injeção (clearance de creatinina), uso preferencial de agentes macrocíclicos estáveis, respeito estrito às contraindicações em pacientes com risco de FNS e justificativa cuidadosa de cada exame que requer contraste. A pesquisa continua para desenvolver novos agentes ainda mais estáveis, biodegradáveis ou direcionados especificamente a certas patologias, a fim de maximizar o benefício diagnóstico, minimizando os riscos potenciais.
Berílio (Z=4): um metal
raro com propriedades excepcionais 
