HOLMIUM: HISTORIE, VLASTNOSTI, CHEMICKÁ STRUKTURA A POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Holmium je kovový prvek, který patří do f bloku periodickou tabulku, konkrétně do období lanthanoidů. Je proto členem vzácných zemin spolu s erbiem, yttriem, dysprosiem a ytterbiem. Všechny tyto látky tvoří řadu minerálů (xenotimu nebo gadolinitu), které je obtížné oddělit běžnými chemickými metodami.

Jeho chemický symbol je Ho, má atomové číslo 67 a je méně hojný než jeho sousední dysprosium (₆₆ Dy) a erbium (₆₈ Er). Poté se říká, že se řídí pravidlem Oddo-Harkins. Holmium je jeden z těch vzácných kovů, které téměř nikdo nezná ani nemá podezření na jeho existenci; i mezi lékárnami je to velmi často zmiňováno.

Ultrapure vzorek kovového holmia. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

V oblasti medicíny je holmium známé pro použití svého laseru v ordinacích pro boj s nemocemi prostaty. Představuje také slibný materiál pro výrobu elektromagnetů a kvantových počítačů díky svým neobvyklým magnetickým vlastnostem.

Trojmocné sloučeniny holmia, Ho ³⁺, mají zvláštnost, že vykazují barvu závislou na světle, kterým jsou ozářeny. Pokud je fluorescenční, barva těchto sloučenin se změní ze žluté na růžovou. Stejně se to stane s jeho řešeními.

Dějiny

Objev holmia je připisován dvěma švýcarským chemikům, Marcovi Delafontaineovi a Jacquesovi-Louisovi Soretovi, kteří jej v roce 1878 spektroskopicky detekovali při analýze minerálů vzácných zemin v Ženevě. Říkali tomu prvek X.

Jen o rok později, v roce 1879 švédský chemik Per Teodor Cleve podařilo oddělit oxid holmium počínaje Erbia, oxidu erbia (Er ₂ O ₃). Tento oxid, kontaminovaný jinými nečistotami, vykazoval hnědou barvu, kterou nazval „holmia“, což v latině znamená Stockholm.

Cleve také získala další zelený materiál: 'thulia', což je oxid thulia. Problém tohoto objevu spočívá v tom, že žádný ze tří chemiků nebyl schopen získat dostatečně čistý vzorek oxidu holmia, protože byl kontaminován atomy dysprosia, dalšího kovu lanthanidu.

Teprve v roce 1886 izoloval těžce pracující francouzský chemik Paul Lecoq de Boisbaudran frakční srážení oxid holmium. Tento oxid později podstoupil chemické reakce na výrobu holmium solí, které byly redukovány v roce 1911 švédským chemikem Otto Holmbergem; a tak se objevily první vzorky kovového holmia.

V současné době se však holmium ionty, Ho ³⁺, extrahují iontoměničovou chromatografií, místo toho, aby se uchýlily k běžným reakcím.

Vlastnosti Holmium

Fyzický vzhled

Stříbřitý, měkký, tažný a kujný kov.

Protonové číslo

67 (₆₇ Ho)

Molární hmotnost

164,93 g / mol

Bod tání

1461 ° C

Bod varu

2600 ° C

Hustota

Při pokojové teplotě: 8,79 g / cm ³

Jen když se taví se nebo se taví: 8,34 g / cm ³

Teplo fúze

17 kJ / mol

Odpařovací teplo

251 kJ / mol

Molární tepelná kapacita

27,15 J / (mol K)

Elektronegativita

1,23 v Paulingově stupnici

Ionizační energie

První: 581,0 kJ / mol (Ho ⁺ plynný)

Za druhé: 1140 kJ / mol (Ho ²⁺ plynný)

Třetí: 2204 kJ / mol (Ho ³⁺ plynný)

Tepelná vodivost

16,2 W / (m K)

Elektrický odpor

814 nΩ m

Oxidační čísla

Holmium se může vyskytovat ve svých sloučeninách s následujícími čísly nebo oxidačními stavy: 0, +1 (Ho ⁺), +2 (Ho ²⁺) a +3 (Ho ³⁺). Ze všech je +3 zdaleka nejběžnější a nejstabilnější. Proto je holmium trojmocný kov vytvářející sloučeniny (iontové nebo částečně iontové), kde se podílí jako iont Ho ³⁺.

Například v následujících sloučeninách má holmium oxidační číslo +3: Ho ₂ O ₃ (Ho ₂ ³⁺ O ₃ ^2-), Ho (OH) ₃, HoI ₃ (Ho ³⁺ I ₃ ^-) a Ho ₂ (SO ₄) ₃.

Ho ³⁺ a jeho elektronické přechody jsou zodpovědné za to, aby sloučeniny tohoto kovu vypadaly hnědožluté barvy. Když jsou však ozářeny zářivkovým světlem, změní barvu na růžovou. Totéž platí pro jejich řešení.

Izotopy

Holmium se vyskytuje v přírodě jako jediný stabilní izotop: ¹⁶⁵ Ho (100% hojnost). Existují však radioizotopy vytvořené člověkem s dlouhými poločasy. Mezi nimi máme:

- ¹⁶³ Ho (t _1/2 = 4570 let)

- ¹⁶⁴ Ho (t _1/2 = 29 minut)

- ¹⁶⁶ Ho (t _1/2 = 26 763 hodin)

- ¹⁶⁷ Ho (t _1/2 = 3,1 hodiny)

Magnetický řád a moment

Holmium je paramagnetický kov, ale při teplotě 19 K se může stát feromagnetickým a vykazuje velmi silné magnetické vlastnosti. Vyznačuje se také největším magnetickým momentem (10,6 μ _B) mezi všemi chemickými prvky a také neobvyklou magnetickou permeabilitou.

Reaktivita

Holmium je kov, který za normálních podmínek nekoroduje příliš rychle, takže ztratí lesk. Při zahřátí zapalovačem se však nažloutne kvůli tvorbě oxidové vrstvy:

4 Ho + 3 O ₂ → 2 Ho ₂ O ₃

Reaguje se zředěnými nebo koncentrovanými kyselinami za vzniku příslušných solí (dusičnany, sírany atd.). Nicméně a překvapivě, že nereaguje s kyselinou fluorovodíkovou, protože vrstva Hof ₃ chrání před jeho degradací.

Holmium také reaguje se všemi halogeny za vzniku jejich příslušné halogenidy (HOF ₃, HClO ₃, HOBr ₃ a Hoi ₃).

Chemická struktura

Holmium krystalizuje do kompaktní hexagonální struktury, hcp (hexagonální těsně zabalené). Teoreticky Ho atomy zůstávají soudržné díky kovové vazbě tvořené elektrony svých 4f orbitálů, podle jejich elektronické konfigurace:

4f ¹¹ 6s ²

Takové interakce, stejně jako energetické uspořádání jeho elektronů, definují fyzikální vlastnosti holmia. U tohoto kovu není znám žádný jiný allotrop nebo polymorf, dokonce ani pod vysokým tlakem.

Aplikace

Jaderné reakce

Atom holmia je dobrým absorbérem neutronů, a proto pomáhá řídit vývoj jaderných reakcí.

Spektroskopie

Roztoky oxidu Holmium se používají ke kalibraci spektrofotometrů, protože jejich absorpční spektrum zůstává téměř vždy konstantní, bez ohledu na nečistoty, které obsahuje. Vykazuje také velmi charakteristické ostré pruhy spojené s atomem holmia, a nikoli s jeho sloučeninami.

Barvivo

Atomy Holmium jsou schopny poskytnout červeně zbarvené sklo a umělé kubické zirkoniové drahokamy.

Magnety

Při extrémně nízkých teplotách (30 K nebo méně) vykazuje holmium zajímavé magnetické vlastnosti, které se používají k výrobě silných elektromagnetů, kde pomáhá koncentrovat výsledné magnetické pole.

Tyto magnetické materiály jsou určeny pro jadernou magnetickou rezonanci; pro vývoj pevných disků, se vzpomínkami, které kmitají v řádu petabytů nebo terabytů; a možná výroba kvantových počítačů.

Holmium laser

Krystal yttrium-aluminium granát (YAG) může být dotován atomy holmium k vyzařování záření s vlnovou délkou 2 um; to znamená, že máme holmium laser. Díky tomu lze nádorovou tkáň přesně řezat, aniž by došlo ke krvácení, protože dodávaná energie rány okamžitě ruje.

Tento laser byl opakovaně používán v prostatických a stomatologických ordinacích a také k eliminaci rakovinných buněk a ledvinových kamenů.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Holmium. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Královská společnost chemie. (2020). Periodická tabulka: Holmium. Obnoveno z: rsc.org
4. Dr. Doug Stewart. (2020). Fakta / chemie společnosti Holmium Element. Obnoveno z: chemicool.com
5. Steve Gagnon. (sf). Prvek Holmium. Obnoveno z: education.jlab.org
6. Editors of Encyclopaedia Britannica. (3. dubna 2019). Holmium. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
7. Judy Lynn Mohn Rosebrook. (2020). Holmium. Obnoveno z: utoledo.edu