Гольмий — химический элемент ; он имеет символ Ho и атомный номер 67. Это редкоземельный элемент и одиннадцатый член ряда лантаноидов . Это сравнительно мягкий, серебристый, достаточно устойчивый к коррозии и ковкий металл. Как и многие другие лантаноиды, гольмий слишком реакционноспособен, чтобы его можно было найти в естественной форме, поскольку чистый гольмий медленно образует желтоватое оксидное покрытие при воздействии воздуха. В изолированном виде гольмий относительно стабилен в сухом воздухе при комнатной температуре. Однако он вступает в реакцию с водой и легко корродирует, а также горит на воздухе при нагревании.
В природе гольмий встречается вместе с другими редкоземельными металлами (например, тулием ). Это относительно редкий лантанид, составляющий 1,4 части на миллион земной коры , что по содержанию аналогично вольфраму . Гольмий был открыт путем выделения шведским химиком Пером Теодором Клеве . Он также был независимо открыт Жаком-Луи Соре и Марком Делафонтеном , которые вместе наблюдали его спектроскопически в 1878 году. Его оксид был впервые выделен из редкоземельных руд Клевом в 1878 году. Название элемента происходит от Holmia , латинского названия города. Стокгольма . [6] [7] [8]
Как и многие другие лантаноиды , гольмий содержится в минералах монаците и гадолините и обычно извлекается из монацита в промышленных масштабах с использованием методов ионного обмена . Его соединения в природе и почти во всей лабораторной химии трехвалентно окислены и содержат ионы Ho (III) . Ионы трехвалентного гольмия обладают флуоресцентными свойствами, аналогичными свойствам многих других редкоземельных ионов (при этом создавая собственный набор уникальных эмиссионных световых линий ), и поэтому используются так же, как и некоторые другие редкоземельные элементы, в некоторых лазерах и при окраске стекла.
Гольмий обладает самой высокой магнитной проницаемостью и магнитным насыщением среди всех элементов и поэтому используется для изготовления полюсных наконечников самых сильных статических магнитов . Поскольку гольмий сильно поглощает нейтроны , его также используют в качестве горючего яда в ядерных реакторах .
Гольмий — одиннадцатый представитель ряда лантаноидов . В периодической таблице он появляется в шестом периоде , между лантанидами диспрозия слева и эрбием справа, а также над актинидом эйнштейнием .
С температурой кипения 3000 К (2730 °С) гольмий является шестым по летучести лантаноидом после иттербия , европия , самария , тулия и диспрозия . При стандартных температуре и давлении гольмий, как и многие представители второй половины лантаноидов, обычно принимает гексагонально плотноупакованную (ГПУ) структуру. [9] Его 67 электронов расположены в конфигурации [Xe] 4f 11 6s 2 , так что у него есть тринадцать валентных электронов , заполняющих подоболочки 4f и 6s. [10]
Гольмий, как и все лантаноиды, парамагнитен при стандартных температуре и давлении. [11] Однако гольмий является ферромагнитным при температуре ниже 19 К (-254,2 ° C; -425,5 ° F). [12] Он имеет самый высокий магнитный момент (10,6 мкм Б ) любого встречающегося в природе элемента [13] и обладает другими необычными магнитными свойствами. В сочетании с иттрием он образует высокомагнитные соединения . [14]
Металлический гольмий медленно тускнеет на воздухе, образуя желтоватый оксидный слой, по внешнему виду напоминающий ржавчину железа . Он легко горит с образованием оксида гольмия (III) : [15]
Это относительно мягкий и податливый элемент, который достаточно устойчив к коррозии и химически стабилен в сухом воздухе при стандартных температуре и давлении . Однако во влажном воздухе и при более высоких температурах он быстро окисляется , образуя желтоватый оксид. [16] В чистом виде гольмий обладает металлическим ярким серебристым блеском.
Гольмий весьма электроположителен: по шкале электроотрицательности Полинга его электроотрицательность составляет 1,23. [17] Обычно он трехвалентен. Медленно реагирует с холодной водой и быстро с горячей водой с образованием гидроксида гольмия(III): [18]
Металлический гольмий реагирует со всеми стабильными галогенами : [19]
Гольмий легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием растворов , содержащих желтые ионы Ho(III), которые существуют в виде комплексов [Ho(OH 2 ) 9 ] 3+ : [19]
Как и многие лантаноиды, гольмий обычно находится в степени окисления +3 , образуя такие соединения, как фторид гольмия (III) (HoF 3 ) и хлорид гольмия (III) (HoCl 3 ). Гольмий в растворе находится в форме Ho 3+ в окружении девяти молекул воды. Гольмий растворяется в кислотах . [13] Однако также обнаружено, что гольмий существует в степенях окисления +2, +1 и 0. [20] [10]
Изотопы гольмия варьируются от 140 Ho до 175 Ho. Первичный режим распада до наиболее распространенного стабильного изотопа 165 Ho — это испускание позитронов , а основной режим после — бета-распад . Первичными продуктами распада до 165 Ho являются изотопы тербия и диспрозия , а после — изотопы эрбия . [21]
Природный гольмий состоит из одного первичного изотопа гольмия-165; [13] это единственный изотоп гольмия, который считается стабильным, хотя прогнозируется, что он подвергается альфа-распаду до тербия-161 с очень длительным периодом полураспада. [22] Из 35 известных синтетических радиоактивных изотопов наиболее стабильным является гольмий-163 ( 163 Ho) с периодом полураспада 4570 лет. [23] Все остальные радиоизотопы имеют период полураспада в основном состоянии не более 1,117 дней, причем самый длинный из них, гольмий-166 ( 166 Ho), имеет период полураспада 26,83 часа, [24] и большинство из них имеют период полураспада менее 3 часы.
166m1 Хо имеет период полураспада около 1200 лет. [25] Высокая энергия возбуждения, приводящая к особенно богатому спектру гамма-лучей распада , образующихся при снятии возбуждения метастабильного состояния, делает этот изотоп полезным в качестве средства для калибровки спектрометров гамма-излучения . [26]
Оксид гольмия(III) — единственный оксид гольмия. Меняет свой цвет в зависимости от условий освещения. При дневном свете имеет желтоватый цвет. В трихроматическом свете он кажется оранжево-красным, почти неотличимым от внешнего вида оксида эрбия при тех же условиях освещения. [27] Изменение цвета связано с резкими эмиссионными линиями трехвалентных ионов гольмия, действующих как красные люминофоры. [28] Оксид гольмия(III) выглядит розовым под люминесцентной лампой с холодным катодом.
Известны и другие халькогениды гольмия. Сульфид гольмия(III) имеет оранжево-желтые кристаллы в моноклинной кристаллической системе [21] с пространственной группой P 2 1 / m (№ 11). [29] Под высоким давлением сульфид гольмия (III) может образовываться в кубических и ромбических кристаллических системах . [30] Его можно получить реакцией оксида гольмия (III) и сероводорода при 1598 К (1325 ° C; 2417 ° F). [31] Известен также селенид гольмия(III). Ниже 6 К он антиферромагнитен. [32]
Известны все четыре тригалогенида гольмия. Фторид гольмия(III) представляет собой желтоватый порошок, который можно получить путем взаимодействия оксида гольмия(III) и фторида аммония с последующей кристаллизацией его из соли аммония, образовавшейся в растворе. [33] Хлорид гольмия (III) можно получить аналогичным способом, используя хлорид аммония вместо фторида аммония. [34] Он имеет слоистую структуру YCl 3 в твердом состоянии. [35] Эти соединения, а также бромид гольмия(III) и иодид гольмия(III) могут быть получены прямой реакцией элементов: [19]
Кроме того, йодид гольмия(III) можно получить прямой реакцией йодида гольмия и ртути(II) с последующим удалением ртути перегонкой . [36]
Гольмиорганические соединения очень похожи на соединения других лантаноидов , поскольку все они неспособны подвергаться π-связям . Таким образом, они в основном ограничиваются в основном ионными циклопентадиенидами ( изоструктурными с таковыми лантана) и простыми алкилами и арилами с σ-связью , некоторые из которых могут быть полимерными . [37]
Гольмий ( Holmia , латинское название Стокгольма ) был открыт швейцарскими химиками Жаком-Луи Соре и Марком Делафонтеном в 1878 году, которые заметили аберрантный спектрографический спектр излучения неизвестного тогда элемента (они назвали его «Элементом X»). [38] [39]
Шведский химик Пер Теодор Клев также независимо открыл этот элемент, когда работал над эрбией ( оксидом эрбия ). Он был первым, кто выделил новый элемент. [7] [6] [40] Используя метод, разработанный шведским химиком Карлом Густавом Мосандером , Клив первым удалил все известные загрязнения из эрбии. Результатом этих усилий стали два новых материала: коричневый и зеленый. Он назвал коричневое вещество holmia (в честь латинского названия родного города Клива, Стокгольма), а зеленое — thulia . Позже было обнаружено, что гольмия представляет собой оксид гольмия , а тулия — оксид тулия . [41]
В классической статье английского физика Генри Мозли об атомных номерах гольмию было присвоено значение 66. Препарат гольмия, который ему дали исследовать, был нечистым, в нем преобладал соседний (в то время еще не открытый) диспрозий. Он мог бы увидеть рентгеновские эмиссионные линии обоих элементов, но предположил, что доминирующие из них принадлежат гольмию, а не примеси диспрозия. [42]
Как и все другие редкоземельные элементы , гольмий в природе не встречается в свободном виде . Он встречается в сочетании с другими элементами в гадолините, монаците и других редкоземельных минералах. Минерал с преобладанием гольмия пока не обнаружен. Основными районами добычи являются Китай, США, Бразилия, Индия, Шри-Ланка и Австралия, запасы гольмия оцениваются в 400 000 тонн. [41] Годовое производство металлического гольмия составляет около 10 тонн в год. [43]
Гольмий составляет 1,3 части на миллион земной коры по массе. [44] Гольмий составляет 1 часть на миллион почв , 400 частей на квадрильон морской воды и почти не содержится в земной атмосфере , что очень редко для лантаноидов. [41] Его масса составляет 500 частей на триллион Вселенной. [45]
Гольмий в промышленных масштабах добывается путем ионного обмена из монацитового песка (0,05% гольмия), но его все еще трудно отделить от других редкоземельных элементов. Элемент был выделен восстановлением его безводного хлорида или фторида металлическим кальцием . [21] Его предполагаемое содержание в земной коре составляет 1,3 мг/кг. Гольмий подчиняется правилу Оддо-Харкинса : как элемент с нечетным номером, он менее распространен, чем диспрозий и эрбий. Однако это самый распространенный из нечетных тяжелых лантаноидов . Из лантаноидов на Земле менее распространены только прометий , тулий , лютеций и тербий. Основным источником тока являются некоторые ионно-адсорбционные глины южного Китая. Некоторые из них имеют редкоземельный состав, аналогичный составу ксенотима или гадолинита. Иттрий составляет около двух третей от общего количества по массе; гольмий составляет около 1,5%. [46] Гольмий относительно недорог для редкоземельного металла, его цена составляет около 1000 долларов США за кг. [47]
Стекло, содержащее оксид гольмия, и растворы оксида гольмия (обычно в хлорной кислоте ) имеют резкие пики оптического поглощения в спектральном диапазоне от 200 до 900 нм. Поэтому они используются в качестве калибровочного стандарта для оптических спектрофотометров . [48] [49] [50] Радиоактивный, но долгоживущий 166m1 Ho используется при калибровке гамма-спектрометров . [51]
Гольмий используется для создания сильнейших искусственно генерируемых магнитных полей , когда его помещают в высокопрочные магниты в качестве магнитного полюса (также называемого концентратором магнитного потока). [52] Гольмий также используется при производстве некоторых постоянных магнитов .
Железо- иттриевый гранат, легированный гольмием (YIG) и фторид лития иттрия находят применение в твердотельных лазерах , а Ho-YIG находит применение в оптических изоляторах и микроволновом оборудовании (например, сферах YIG ). Гольмиевые лазеры излучают на длине волны 2,1 микрометра. [53] Они используются в медицине, стоматологии и оптоволокне . [ 14] Его также рассматривают для использования при энуклеации простаты . [54]
Поскольку гольмий может поглощать нейтроны, образующиеся при ядерном делении , его используют в качестве горючего яда для регулирования ядерных реакторов. [41] Он используется в качестве красителя для фианита , придающего розовую окраску, [55] и для стекла , придающего желто-оранжевую окраску. [56] В марте 2017 года компания IBM объявила, что разработала метод хранения одного бита данных на одном атоме гольмия, установленном на слое оксида магния . [57] При наличии достаточных квантовых и классических методов управления гольмий может стать хорошим кандидатом для создания квантовых компьютеров . [58]
Гольмий не играет биологической роли в организме человека , но его соли способны стимулировать обмен веществ . [21] Люди обычно потребляют около миллиграмма гольмия в год. Растения с трудом поглощают гольмий из почвы. В некоторых овощах измеряли содержание гольмия, и оно составило 100 частей на триллион. [59] Гольмий и его растворимые соли слегка токсичны при проглатывании, но нерастворимые соли гольмия нетоксичны . Металлический гольмий в виде пыли представляет опасность пожара и взрыва. [60] [61] [62] Большие количества солей гольмия могут вызвать серьезные повреждения при вдыхании , пероральном употреблении или инъекции . Биологические эффекты гольмия в течение длительного периода времени неизвестны. Гольмий имеет низкий уровень острой токсичности . [63]
{{cite journal}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: другие ( ссылка )