Holmium

Holmium, ₆₇ Ho
Holmium
Wymowa	/ ˈ h oʊ l m ja ə m / <a i=11>( ( HOHL -mee-əm )
Wygląd	srebrzysty biały
Standardowa masa atomowa A r ° (Ho)
	164.930 329 ± 0,000 005 ; 164,93 ± 0,01 (w skrócie) ;
Holm w układzie okresowym
	dysproz ← holm → erb
liczba atomowa ( Z )	67
Grupa	grupy bloków f (bez liczby)
Okres	okres 6
Blok	blok f
Konfiguracja elektronów	[ Xe ] 4f 11 6s 2
Elektrony na powłokę	2, 8, 18, 29, 8, 2
Właściwości fizyczne
Faza w STP	solidny
Temperatura topnienia	1734 K (1461 °C, 2662 °F)
Temperatura wrzenia	2873 K (2600 ° C, 4712 ° F)
Gęstość (blisko rt )	8,79 g/cm 3
gdy ciecz (przy mp )	8,34 g/cm 3
Ciepło topnienia	17,0 kJ/mol
Ciepło parowania	251 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna	27,15 J/(mol·K)
Właściwości atomowe
Stany utleniania	0, +1, +2, +3 ( tlenek zasadowy )
Elektroujemność	Skala Paulinga: 1,23
Energie jonizacji	1. miejsce: 581,0 kJ/mol; 2.: 1140 kJ/mol; 3.: 2204 kJ/mol; ;
Promień atomowy	empiryczne: 176 godz
Promień kowalencyjny	192±7 wieczorem
	Widmowe linie holmu
Inne właściwości
Występowanie naturalne	pierwotny
Struktura krystaliczna	<a i=0>sześciokątne ściśle upakowane (hcp)
Prędkość dźwięku cienki pręt	2760 m/s (przy 20°C)
Rozszerzalność cieplna	poli: 11,2 µm/(m⋅K) (w temperaturze pokojowej )
Przewodność cieplna	16,2 W/(m⋅K)
Rezystancja	poli: 814 nΩ⋅m (w temperaturze pokojowej )
Zamawianie magnetyczne	paramagnetyczny
Moduł Younga	64,8 GPa
Moduł ścinania	26,3 GPa
Moduł objętościowy	40,2 GPa
Współczynnik Poissona	0,231
Twardość Vickersa	410–600 MPa
Twardość Brinella	500–1250 MPa
Numer CAS	7440-60-0
Historia
Odkrycie	Jacques-Louis Soret i Marc Delafontaine (1878)
Izotopy holmu
β- _	164 Er
	; Kategoria: Holm \| Bibliografia

Holm to pierwiastek chemiczny o symbolu Ho i liczbie atomowej 67. Jest to pierwiastek ziem rzadkich i jedenasty członek serii lantanowców . Jest stosunkowo miękkim, srebrzystym, dość na korozję i ciągliwym metalem . Podobnie jak wiele innych lantanowców, holm jest zbyt reaktywny, aby można go było znaleźć w postaci natywnej, ponieważ czysty holm powoli tworzy żółtawą powłokę tlenkową pod wpływem powietrza. Po wyizolowaniu holm jest stosunkowo stabilny w suchym powietrzu w temperaturze pokojowej. Jednak reaguje z wodą i łatwo koroduje, a także pali się w powietrzu po podgrzaniu.

W naturze holm występuje razem z innymi metalami ziem rzadkich (takimi jak tul ). Jest to stosunkowo rzadki lantanowiec, stanowiący 1,4 części na milion skorupy ziemskiej, w obfitości podobnej do wolframu . Holm został odkryty przez izolację szwedzkiego chemika Pera Theodora Cleve'a oraz niezależnie przez Jacquesa-Louisa Soreta i Marca Delafontaine'a , którzy obserwowali go spektroskopowo w 1878 roku. Jego tlenek został po raz pierwszy wyizolowany z rud metali ziem rzadkich przez Cleve'a w 1878 roku. Nazwa pierwiastka pochodzi od Holmia łacińska nazwa miasta Sztokholm .

Podobnie jak wiele innych lantanowców , holm znajduje się w minerałach monacytu i gadolinitu i jest zwykle komercyjnie wydobywany z monacytu przy użyciu technik wymiany jonowej . Jego związki w naturze i prawie w całej chemii laboratoryjnej są utlenione trójwartościowo i zawierają jony Ho (III). Trójwartościowe jony holmu mają właściwości fluorescencyjne podobne do wielu innych jonów metali ziem rzadkich (jednocześnie dając własny zestaw unikalnych linii emisji światła), a zatem są używane w taki sam sposób, jak niektóre inne pierwiastki ziem rzadkich w niektórych zastosowaniach laserowych i barwników do szkła.

Holmium ma najwyższą przenikalność magnetyczną i nasycenie magnetyczne ze wszystkich pierwiastków i dlatego jest używany do nabiegunników najsilniejszych magnesów statycznych . Ponieważ holm silnie pochłania neutrony, jest również używany jako palna trucizna w reaktorach jądrowych.

Charakterystyka

Właściwości fizyczne

Ho ₂ O ₃ , po lewej: naturalne światło, po prawej: pod lampą fluorescencyjną z zimną katodą

Holm jest jedenastym członkiem serii lantanowców . W układzie okresowym pojawia się między lantanowcami dysprozu po jego lewej stronie i erbem po jego prawej stronie, a powyżej einsteinu aktynowców . Jest to stosunkowo miękki i plastyczny element, dość korozję i stabilny w suchym powietrzu o standardowej temperaturze i ciśnieniu . W wilgotnym powietrzu iw wyższych temperaturach jednak szybko się utlenia , tworząc żółtawy tlenek. W czystej postaci holm ma metaliczny, jasny srebrzysty połysk. Z temperaturą wrzenia 2727 ° C, Holmium jest szóstym najbardziej lotnym lantanowcem po iterbie , europie , samarze , tulu i dysprozie . W warunkach otoczenia Holmium, podobnie jak wiele innych lantanowców z drugiej połowy, zwykle przyjmuje heksagonalnie upakowaną (hcp) . Jego 67 elektronów jest ułożonych w konfiguracji [Xe] 4f ¹¹ 6s ² , tak że ma trzynaście elektrony walencyjne wypełniające podpowłoki 4f i 6s.

Tlenek holmu ma dość dramatyczne zmiany koloru w zależności od warunków oświetleniowych. W świetle dziennym ma żółtobrązowy kolor. W świetle trójchromatycznym jest ogniście pomarańczowo-czerwony, prawie nie do odróżnienia od wyglądu tlenku erbu w tych samych warunkach oświetleniowych. Postrzegana zmiana koloru jest związana z ostrymi pasmami absorpcji holmu oddziałującymi z podzbiorem ostrych pasm emisji trójwartościowych jonów europu i terbu, działających jak luminofory.

Holm, podobnie jak wszystkie lantanowce (z wyjątkiem lantanu , iterbu i lutetu , które nie mają niesparowanych elektronów 4f), jest paramagnetykiem w warunkach otoczenia, ale jest ferromagnetykiem w temperaturach poniżej 19 K. Ma najwyższy moment magnetyczny ( 10,6 μ _B ) ze wszystkich naturalnie występujących pierwiastków i posiada inne niezwykłe właściwości magnetyczne. W połączeniu z itrem tworzy silnie magnetyczne związki.

izotopy

Naturalny holm składa się z jednego stabilnego izotopu , holmu-165. Znanych jest 35 syntetycznych izotopów promieniotwórczych; najbardziej stabilnym jest holm-163, którego okres półtrwania wynosi 4570 lat. Wszystkie inne radioizotopy mają okres półtrwania w stanie podstawowym nie dłuższy niż 1,117 dni, przy czym najdłuższy ( ¹⁶⁶ Ho) ma okres półtrwania 26,83 godziny, a większość ma okres półtrwania poniżej 3 godzin. Jednak metastabilny ^166m1 Ho ma okres półtrwania około 1200 lat ze względu na wysoki wirowanie . Fakt ten w połączeniu z wysoką energią wzbudzenia skutkuje szczególnie bogatym spektrum rozpadu promienie gamma wytwarzane, gdy stan metastabilny ulega deaktywacji, czyni ten izotop użytecznym w eksperymentach fizyki jądrowej jako środek do kalibracji odpowiedzi energetycznych i wewnętrznej wydajności spektrometrów promieniowania gamma .

Właściwości chemiczne

Holm metaliczny matowieje powoli w powietrzu, tworząc żółtawą warstwę tlenku , jak rdza żelaza . Spala się łatwo, tworząc tlenek holmu (III) :

4 Ho + 3 O ₂ → 2 Ho ₂ O ₃

Holm jest dość elektrododatni i ogólnie jest trójwartościowy. Reaguje powoli z zimną wodą i dość szybko z gorącą wodą, tworząc wodorotlenek holmu:

2 Ho (s) + 6 H ₂ O (l) → 2 Ho (OH) ₃ (aq) + 3 H ₂ (g)

Holm metaliczny reaguje ze wszystkimi stabilnymi halogenami:

2 Ho (s) + 3 F ₂ (g) → 2 HoF ₃ (s) [różowy]

2 Ho (s) + 3 Cl ₂ (g) → 2 HoCl ₃ (s) [żółty]

2 Ho (s) + 3 Br ₂ (g) → 2 HoBr ₃ (s) [żółty]

2 Ho (s) + 3 I ₂ (g) → 2 HoI ₃ (s) [żółty]

Holm łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonym kwasie siarkowym , tworząc roztwory zawierające żółte jony Ho(III), które występują jako kompleksy [Ho(OH ₂ ) ₉ ] ^{3+ :}

2 Ho (s) + 3 H ₂ SO ₄ (aq) → 2 Ho ³⁺ (aq) + 3 SO
²⁻₄ (aq) + 3 H ₂ (g)

Stany utleniania

Podobnie jak w przypadku wielu lantanowców, holm zwykle znajduje się na stopniu utlenienia +3, tworząc związki, takie jak fluorek holmu(III) (HoF3 ₎ i chlorek holmu(III) (HoCl3 ₎ . Holm w roztworze ma postać Ho ³⁺ otoczoną dziewięcioma cząsteczkami wody. Holm rozpuszcza się w kwasach . Jednak stwierdzono, że holm występuje również na stopniach utlenienia +2, +1 i 0.

Związki organoholmowe

Związki organoholmowe są bardzo podobne do tych z innych lantanowców , ponieważ wszystkie one mają wspólną niezdolność do tworzenia wiązań wstecznych π . Są one zatem w większości ograniczone do głównie jonowych cyklopentadienidów ( izostrukturalnych z tymi z lantanu ) oraz prostych alkili i arylów z wiązaniami σ , z których niektóre mogą być polimerowe .

Historia

Per Teodor Cleve około 1885 roku

Holmium ( Holmia , łacińska nazwa Sztokholmu ) zostało odkryte przez Jacques-Louis Soret i Marc Delafontaine w 1878 roku, którzy zauważyli nieprawidłowe pasma absorpcji spektrograficznej nieznanego wówczas pierwiastka (nazwali go „elementem X”).

Również Per Teodor Cleve niezależnie odkrył pierwiastek podczas pracy nad ziemią erbiową ( tlenek erbu ) i jako pierwszy go wyizolował. Stosując metodę opracowaną przez Carla Gustafa Mosandera , Cleve najpierw usunął wszystkie znane zanieczyszczenia z erbii. Efektem tych wysiłków były dwa nowe materiały, jeden brązowy i jeden zielony. Nazwał brązową substancję holmia (od łacińskiej nazwy rodzinnego miasta Cleve, Sztokholmu), a zieloną thulia. Później odkryto, że Holmia była tlenkiem holmu , a tulia była tlenkiem tulu .

W klasycznym artykule Henry'ego Moseleya na temat liczb atomowych holmowi przypisano liczbę atomową 66. Najwyraźniej preparat holmu, który otrzymał do zbadania, był rażąco nieczysty, zdominowany przez sąsiedni (i nienakreślony) dysproz. Widział linie emisyjne obu pierwiastków, ale założył, że dominujące należały do holmu, a nie do zanieczyszczenia dysprozem.

Występowanie i produkcja

Gadolinit

Podobnie jak wszystkie inne pierwiastki ziem rzadkich, holm nie występuje naturalnie jako wolny pierwiastek. Występuje w połączeniu z innymi pierwiastkami w gadolinicie (czarna część okazu pokazana po prawej), monacycie i innych minerałach ziem rzadkich. Nie znaleziono jeszcze żadnego minerału z dominacją holmu. Główne obszary wydobywcze to Chiny , Stany Zjednoczone , Brazylia , Indie , Sri Lanka i Australia z rezerwami holmu szacowanymi na 400 000 ton. Roczna produkcja holmu metalicznego wynosi około 10 ton rocznie.

Holm stanowi 1,4 części na milion skorupy ziemskiej pod względem masy. To czyni go 56. najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Holm stanowi 1 część na milion gleb , 400 części na kwadrylion wody morskiej i prawie nie występuje w ziemskiej atmosferze , co jest bardzo rzadkie w przypadku lantanowców. Stanowi 500 części na bilion masy wszechświata .

Jest komercyjnie wydobywany na drodze wymiany jonowej z piasku monacytowego (0,05% holmu), ale nadal trudno go oddzielić od innych pierwiastków ziem rzadkich. Pierwiastek został wyizolowany poprzez redukcję jego bezwodnego chlorku lub fluorku metalicznym wapniem . Jego szacowana liczebność w skorupie ziemskiej wynosi 1,3 mg/kg. Holm jest zgodny z regułą Oddo-Harkinsa : jako pierwiastek o numerach nieparzystych jest mniej obfity niż jego bezpośredni sąsiedzi o numerach parzystych, dysproz i erb . Jest to jednak najobficiej występujący z nieparzystych ciężkich lantanowców . Spośród lantanowców tylko promet , tul , lutet i terb są mniej obfite na Ziemi. Głównym źródłem prądu są niektóre gliny adsorpcyjne jonów z południowych Chin. Niektóre z nich mają skład pierwiastków ziem rzadkich podobny do tego, jaki można znaleźć w ksenotymie lub gadolinicie. Itr stanowi około 2/3 całości masy; holm wynosi około 1,5%. Oryginalne rudy same w sobie są bardzo ubogie, mogą zawierać tylko 0,1% lantanowców ogółem, ale można je łatwo wydobyć. Holm jest stosunkowo niedrogim metalem ziem rzadkich, którego cena wynosi około 1000 USD /kg.

Aplikacje

Roztwór 4% tlenku holmu w 10% kwasie nadchlorowym, trwale wtopiony w kuwetę kwarcową jako optyczny wzorzec kalibracji

Holm ma najwyższą siłę magnetyczną ze wszystkich pierwiastków i dlatego jest używany do tworzenia najsilniejszych sztucznie generowanych pól magnetycznych , gdy jest umieszczony w magnesach o wysokiej wytrzymałości jako element bieguna magnetycznego (zwany także koncentratorem strumienia magnetycznego). Jest również używany do produkcji niektórych magnesów trwałych. Ponieważ może absorbować neutrony powstałe w wyniku rozszczepienia jądrowego, jest również używany jako palna trucizna do regulacji reaktorów jądrowych.

Domieszkowany holmem granat itrowo-żelazowy (YIG) i fluorek itrowo-litowy (YLF) mają zastosowanie w laserach na ciele stałym , a Ho-YIG ma zastosowanie w izolatorach optycznych i sprzęcie mikrofalowym (np. Kule YIG ). Lasery holmowe emitują fale o długości 2,1 mikrometra. Są używane w zastosowaniach medycznych, dentystycznych i światłowodowych.

Holmium jest jednym z barwników stosowanych do cyrkonu i szkła , nadając żółte lub czerwone zabarwienie. Szkło zawierające tlenek holmu i roztwory tlenku holmu (zwykle w kwasie nadchlorowym ) ma ostre piki absorpcji optycznej w zakresie widmowym 200–900 nm. Dlatego są one używane jako wzorzec kalibracyjny dla spektrofotometrów optycznych i są dostępne w handlu.

Radioaktywny, ale długowieczny ^166m1 Ho (patrz " Izotopy " powyżej) jest używany do kalibracji spektrometrów promieniowania gamma.

W marcu 2017 roku IBM ogłosił, że opracował technikę przechowywania jednego bitu danych na pojedynczym atomie holmu osadzonym na warstwie tlenku magnezu .

Przy wystarczających kwantowych i klasycznych technikach sterowania Ho może być dobrym kandydatem do budowy komputerów kwantowych .

Rola biologiczna

Holm nie odgrywa żadnej roli biologicznej u ludzi , ale jego sole są w stanie stymulować przemianę materii . Ludzie zazwyczaj spożywają około miligrama holmu rocznie. Rośliny nie pobierają łatwo holmu z gleby. W niektórych warzywach zmierzono zawartość holmu i wyniosła ona 100 części na bilion.

Toksyczność

Duże ilości soli holmu mogą powodować poważne uszkodzenia, jeśli są wdychane , spożywane doustnie lub wstrzykiwane . Biologiczne skutki holmu w długim okresie czasu nie są znane. Holm ma niski poziom ostrej toksyczności .

Ceny

Cena 1 kilograma tlenku holmu 99,5% (FOB Chiny w RMB/Kg) jest podawana przez Instytut Pierwiastków Ziem Rzadkich i Metali Strategicznych poniżej 500 USD do marca 2011 r.; następnie gwałtownie wzrosła do nieco poniżej 4500 USD w lipcu 2011 r. i stopniowo spadała do 750 USD do połowy 2012 r. Średnia cena z ostatnich sześciu miesięcy (kwiecień-wrzesień 2022) podaje Instytut w następujący sposób: Holmium Oxide - 99,5%min EXW Chiny - 94,34 EUR/kg

Zobacz też

Bibliografia

Emsley, John (2011). Bloki konstrukcyjne natury: przewodnik AZ po elementach . Oxford University Press . ISBN 978-0-19-960563-7 .
Greenwood, Norman N .; Earnshaw, Alan (1997). Chemia pierwiastków (wyd. 2). Butterwortha-Heinemanna . ISBN 978-0-08-037941-8 .

Dalsza lektura

RJ Callow, Chemia przemysłowa lantanonów, itr, tor i uran , Pergamon Press, 1967.

Linki zewnętrzne

WebElements.com – Holmium (używany również jako odniesienie)
American Elements - Holmium American Elements (używane również jako odniesienie)
Holmium w układzie okresowym filmów (University of Nottingham)