HOLMIUM: HISTORIA, OMINAISUUDET, KEMIALLINEN RAKENNE JA KÄYTÖT - KEMIA - 2024

Holmium on metallinen alkuaine, joka kuuluu f lohkon jaksollisen, erityisesti ajan lantanideista. Siksi se on harvinaisten maametallien jäsen, yhdessä erbiumin, yttriumin, dysprosiumin ja ytterbiumin kanssa. Kaikki nämä muodostavat sarjan mineraaleja (ksenotime tai gadoliniitti), joita on vaikea erottaa tavanomaisilla kemiallisilla menetelmillä.

Sen kemiallinen symboli on Ho, jonka atomiluku on 67, ja se on vähemmän runsas kuin naapurinsa dysprosium (₆₆ Dy) ja erbium (₆₈ Er). Sitten sanotaan, että se noudattaa Oddo-Harkins-sääntöä. Holmium on yksi niistä harvinaisista metalleista, joiden käytöstä melkein kukaan ei tiedä tai epäillään; jopa kemistien keskuudessa, se mainitaan harvoin hyvin usein.

Ultrapuhdas näyte metallisesta holmiumista. Lähde: Hi-Res-kuvat kemiallisista elementeistä

Lääketieteen aloilla holmiumi tunnetaan laserin käytöstä leikkauksissa leikkaamaan eturauhasen sairauksia. Se edustaa myös lupaavaa materiaalia sähkömagneettien ja kvantitietokoneiden valmistukseen epätavallisten magneettisten ominaisuuksiensa vuoksi.

Kolmiarvoisilla holmiyhdisteillä, Ho ^{3+: lla}, on ^erityisyys, että niiden väri riippuu valosta, jolla ne säteilytetään. Jos se on fluoresoiva, näiden yhdisteiden väri muuttuu keltaisesta vaaleanpunaiseksi. Samoin se tapahtuu ratkaisuillaan.

Historia

Holmiumin löytö johtuu kahdesta sveitsiläisestä kemististä, Marc Delafontaineista ja Jacques-Louis Soretistä, jotka havaitsivat sen vuonna 1878 spektroskooppisesti analysoidessaan harvinaisten maametallien mineraaleja Genevessä. He kutsuivat sitä elementiksi X.

Vain vuotta myöhemmin, vuonna 1879, Ruotsin kemisti Per Teodor Cleve onnistunut erittelemään holmium oksidi alkaen ERBIA, Erbium oksidi (Er ₂ O ₃). Tämä muiden epäpuhtauksien saastuttama oksidi osoitti ruskeaa väriä, jonka hän nimitti ”holmiaksi”, mikä tarkoittaa Tukholmaa latinaksi.

Cleve sai myös toisen vihreän materiaalin: 'thulia', joka on periumoksidi. Tämän löytön ongelmana on, että yksikään kolmesta kemististä ei kyennyt saamaan riittävän puhdasta näytettä holmiumoksidista, koska se oli saastunut dysprosiumin, toisen lantanidimetallin, atomilla.

Vasta vuonna 1886 työteliäs ranskalainen kemisti Paul Lecoq de Boisbaudran eristi holmiumoksidin fraktioidulla saostuksella. Tämän oksidin jälkeen suoritettiin kemialliset reaktiot holmisuolojen tuottamiseksi, jotka ruotsalainen kemisti Otto Holmberg pelkisti vuonna 1911; ja siten ensimmäiset näytteet metallisesta holmiumista ilmestyivät.

Nykyisin kuitenkin holmi-ioneja, Ho ³⁺, uutetaan ioninvaihtokromatografialla tavanomaisten reaktioiden käyttämisen sijasta.

Holmiumin ominaisuudet

Fyysinen ulkonäkö

Hopeinen, pehmeä, muovautuva ja muovattava metalli.

Atominumero

67 (₆₇ Ho)

Moolimassa

164,93 g / mol

Sulamispiste

1461 ° C

Kiehumispiste

2600 ° C

Tiheys

Huoneen lämpötilassa: 8,79 g / cm ³

Juuri kun se sulaa tai sulaa: 8,34 g / cm ³

Fuusion lämpö

17 kJ / mol

Höyrystymislämpö

251 kJ / mol

Molaarinen lämpökapasiteetti

27,15 J / (mol K)

elektronegatiivisuus

1,23 Paulingin asteikolla

Ionisaatioenergiat

Ensimmäinen: 581,0 kJ / mol (Ho ⁺ kaasumainen)

Toinen: 1140 kJ / mol (Ho ²⁺ kaasumainen)

Kolmas: 2204 kJ / mol (Ho ³⁺ kaasumainen)

Lämmönjohtokyky

16,2 W / (mK)

Sähkövastus

814 nm

Hapetusnumerot

Holmiumi voi esiintyä yhdisteissään seuraavilla luku- tai hapetustiloilla: 0, +1 (Ho ⁺), +2 (Ho ²⁺) ja +3 (Ho ³⁺). Kaikista niistä +3 on ylivoimaisesti yleisin ja vakaa. Siksi holmium on kolmiarvoinen metalli, joka muodostaa yhdisteitä (ionisia tai osittain ionisia), joissa se osallistuu Ho ³⁺ -ionina.

Esimerkiksi seuraavissa yhdisteissä holmiumin hapetusluku on +3: Ho ₂ O ₃ (Ho ₂ ³⁺ O ₃ ²), Ho (OH) ₃, Ho 1 ₃ (Ho ³⁺ I ₃ ^-) ja Ho ₂ (SO ₄) ₃.

Ho ³⁺ ja sen elektroniset siirtymät ovat vastuussa siitä, että tämän metalliyhdisteet vaikuttavat ruskeankeltaisilta väreiltä. Kuitenkin, kun näitä säteilytetään fluoresoivalla valolla, ne muuttuvat vaaleanpunaisiksi. Sama pätee heidän ratkaisuihinsa.

isotoopit

Holmiumia esiintyy luonnossa yhtenä pysyvänä isotooppina: ¹⁶⁵ Ho (100%: n runsaus). On kuitenkin ihmisen tekemiä radioisotooppeja, joiden puoliintumisaika on pitkä. Niiden välillä meillä on:

- ¹⁶³ Ho (t _1/2 = 4570 vuotta)

- ¹⁶⁴ Ho (t _1/2 = 29 minuuttia)

- ¹⁶⁶ Ho (t _1/2 = 26 763 tuntia)

- ¹⁶⁷ Ho (t _1/2 = 3,1 tuntia)

Magneettinen järjestys ja hetki

Holmium on paramagneettinen metalli, mutta siitä voi tulla feromagneettinen 19 K lämpötilassa, ja sillä on erittäin vahvat magneettiset ominaisuudet. Se on myös tunnettu siitä, jolla on suurin magneettinen momentti (10,6 μ _B) kaikkien alkuaineita, sekä epätavallinen magneettinen permeabiliteetti.

reaktiivisuus

Holmium on metalli, joka ei ruostu liian nopeasti normaaleissa olosuhteissa, joten kiillon menettäminen vie aikaa. Kuumennettaessa sytyttimellä, se muuttuu kellertäväksi oksidikerroksen muodostumisen vuoksi:

4 Ho + 3 O ₂ → 2 Ho ₂ O ₃

Reagoi laimeiden tai väkevöityjen happojen kanssa, jolloin muodostuu vastaavat suolat (nitraatit, sulfaatit jne.). Yllättäen se ei kuitenkaan reagoi fluorivetyhapon kanssa, koska HoF _3- kerros suojaa sitä hajoamiselta.

Holmium reagoi myös kaikki halogeenit niiden vastaavien halogenidit (HoF ₃, HOCI ₃, HOBr ₃ ja Hoi ₃).

Kemiallinen rakenne

Holmium kiteytyy kompaktiksi kuusikulmaiseksi rakenteeksi, hcp (heksagonaalinen tiiviisti pakattu). Teoriassa Ho-atomit pysyvät koheesioina metallisen sidoksen ansiosta, jonka niiden 4f-orbitaalien elektronit muodostavat niiden elektronisen konfiguraation mukaisesti:

4f ¹¹ 6s ²

Tällaiset vuorovaikutukset samoin kuin sen elektronien energiajärjestely määrittelevät holmiumin fysikaaliset ominaisuudet. Mikään muu allotrooppi tai polymorfi ei tunneta tätä metallia, edes korkeassa paineessa.

Sovellukset

Ydinreaktiot

Holmiatomi on hyvä neutronien absorboija, minkä vuoksi se auttaa hallitsemaan ydinreaktioiden kehittymistä.

spektroskopia

Holmiumoksidiliuoksia käytetään spektrofotometrien kalibrointiin, koska niiden absorptiospektri pysyy vakiona melkein aina riippumatta siitä, mitä se sisältää. Se osoittaa myös erittäin ominaisia ​​teräviä nauhoja, jotka liittyvät holmi-atomiin, eikä sen yhdisteisiin.

väriaine

Holmiumiatomit kykenevät tarjoamaan punertavan värin lasille ja keinotekoisille kuutio-zirkoniumoksikkelille.

Magneetit

Äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa (30 K tai vähemmän) holmiumilla on mielenkiintoisia magneettisiä ominaisuuksia, joita käytetään voimakkaiden sähkömagneettien valmistukseen, missä se auttaa keskittämään syntyvän magneettikentän.

Tällaiset magneettiset materiaalit on tarkoitettu ydinmagneettiseen resonanssiin; kiintolevyjen kehittämiseen muistoilla, jotka värähtelevät petatavujen tai teratavujen järjestyksessä; ja mahdollisesti kvantitietokoneiden valmistukseen.

Holmium-laser

Ytrium / alumiinigranaatti (YAG) -kristalli voidaan seostella holmi-atomeilla säteilyn lähettämiseksi aallonpituudella 2 um; eli meillä on holmium-laser. Sen ansiosta kasvainkudos voidaan leikata tarkasti aiheuttamatta verenvuotoa, koska syötetty energia kauteroi haavat välittömästi.

Tätä laseria on käytetty toistuvasti eturauhasen ja hammasleikkauksissa sekä syöpäsolujen ja munuaiskivien poistamiseksi.

Viitteet

1. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Holmium. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Royal Society of Chemistry. (2020). Jaksollinen taulukko: Holmium. Palautettu osoitteesta: rsc.org
4. Dr. Doug Stewart. (2020). Holmium-elementti tosiasiat / kemia. Palautettu osoitteesta: chemicool.com
5. Steve Gagnon. (SF). Elementti Holmium. Palautettu osoitteesta: education.jlab.org
6. Encyclopaedia Britannican toimittajat. (3. huhtikuuta 2019). Holmium. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com
7. Judy Lynn Mohn Rosebrook. (2020). Holmium. Palautettu osoitteesta utoledo.edu