HOLMIUM: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, CHEMISCHE STRUKTUR UND VERWENDUNG - CHEMIE - 2025

Das Holmium ist ein metallisches Element, das zum Block des Periodensystems gehört, insbesondere zur Periode der Lanthaniden. Es ist daher ein Mitglied der Seltenen Erden, zusammen mit Erbium, Yttrium, Dysprosium und Ytterbium. All dies besteht aus einer Reihe von Mineralien (Xenotim oder Gadolinit), die mit herkömmlichen chemischen Methoden nur schwer zu trennen sind.

Sein chemisches Symbol ist Ho mit einer Ordnungszahl von 67 und einer geringeren Häufigkeit als die Nachbarn Dysprosium ( ₆₆ Dy) und Erbium ( ₆₈ Er). Es wird dann gesagt, dass es der Oddo-Harkins-Regel gehorcht. Holmium ist eines dieser seltenen Metalle, die fast niemand kennt oder von seiner Existenz vermutet; Selbst unter Chemikern wird es selten sehr oft erwähnt.

Reinstprobe aus metallischem Holmium. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

In der Medizin ist Holmium für den Einsatz seines Lasers in Operationen zur Bekämpfung von Prostatakrankheiten bekannt. Aufgrund seiner ungewöhnlichen magnetischen Eigenschaften ist es auch das vielversprechende Material für die Herstellung von Elektromagneten und Quantencomputern.

Die dreiwertigen Holmiumverbindungen Ho ³⁺ weisen insbesondere die Farbe auf, die von dem Licht abhängt, mit dem sie bestrahlt werden. Wenn es fluoresziert, ändert sich die Farbe dieser Verbindungen von gelb nach rosa. Ebenso geschieht es mit seinen Lösungen.

Geschichte

Die Entdeckung von Holmium wird zwei Schweizer Chemikern, Marc Delafontaine und Jacques-Louis Soret, zugeschrieben, die es 1878 bei der Analyse von Seltenerdmineralien in Genf spektroskopisch nachweisen konnten. Sie nannten es Element X.

Nur ein Jahr später, 1879, gelang es dem schwedischen Chemiker Per Teodor Cleve, Holmiumoxid ausgehend von Erbia, Erbiumoxid (Er ₂ O ₃ ) abzutrennen . Dieses Oxid, das durch andere Verunreinigungen kontaminiert war, zeigte eine braune Farbe, die er "Holmia" nannte, was auf Lateinisch Stockholm bedeutet.

Cleve erhielt auch ein anderes grünes Material: "Thulia", das Thuliumoxid ist. Das Problem bei dieser Entdeckung ist, dass keiner der drei Chemiker eine ausreichend reine Probe von Holmiumoxid erhalten konnte, da diese durch Atome von Dysprosium, einem anderen Lanthanoidmetall, kontaminiert war.

Erst 1886 isolierte der fleißige französische Chemiker Paul Lecoq de Boisbaudran Holmiumoxid durch fraktionierte Ausfällung. Dieses Oxid wurde anschließend chemischen Reaktionen unterzogen, um Holmiumsalze herzustellen, die 1911 vom schwedischen Chemiker Otto Holmberg reduziert wurden. und so erschienen die ersten Proben von metallischem Holmium.

Gegenwärtig werden Holmiumionen, Ho ³⁺ , jedoch durch Ionenaustauschchromatographie extrahiert, anstatt auf herkömmliche Reaktionen zurückzugreifen.

Holmium-Eigenschaften

Aussehen

Silbriges, weiches, duktiles und formbares Metall.

Ordnungszahl

67 ( ₆₇ Ho)

Molmasse

164,93 g / mol

Schmelzpunkt

1461 ºC

Siedepunkt

2600 ºC

Dichte

Bei Raumtemperatur: 8,79 g / cm ³

Gerade wenn es schmilzt oder schmilzt: 8,34 g / cm ³

Schmelzwärme

17 kJ / mol

Verdampfungswärme

251 kJ / mol

Molare Wärmekapazität

27,15 J / (mol K)

Elektronegativität

1,23 auf der Pauling-Skala

Ionisierungsenergien

Erstens: 581,0 kJ / mol (Ho ⁺ gasförmig)

Zweitens: 1140 kJ / mol (Ho ²⁺ gasförmig)

Drittens: 2204 kJ / mol (Ho ³⁺ gasförmig)

Wärmeleitfähigkeit

16,2 W / (m K)

Elektrischer widerstand

814 nΩ m

Oxidationszahlen

Holmium kann in seinen Verbindungen mit den folgenden Zahlen oder Oxidationsstufen auftreten: 0, +1 (Ho ⁺ ), +2 (Ho ²⁺ ) und +3 (Ho ³⁺ ). Von allen ist die +3 bei weitem die häufigste und stabilste. Daher ist Holmium ein dreiwertiges Metall, das Verbindungen (ionisch oder teilweise ionisch) bildet, an denen es als Ho ³⁺ -Ion teilnimmt .

Beispielsweise hat Holmium in den folgenden Verbindungen eine Oxidationszahl von +3: Ho ₂ O ₃ (Ho ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), Ho (OH) ₃ , HoI ₃ (Ho ³⁺ I ₃ ^- ) und Ho ₂ (SO ₄ ) ₃ .

Ho ³⁺ und seine elektronischen Übergänge sind dafür verantwortlich, dass die Verbindungen dieses Metalls braun-gelbe Farben annehmen. Wenn diese jedoch mit fluoreszierendem Licht bestrahlt werden, werden sie rosa. Gleiches gilt für ihre Lösungen.

Isotope

Holmium kommt in der Natur als einzelnes stabiles Isotop vor: ¹⁶⁵ Ho (100% Häufigkeit). Es gibt jedoch künstliche Radioisotope mit langen Halbwertszeiten. Zwischen ihnen haben wir:

- ¹⁶³ Ho (t _1/2 = 4570 Jahre)

- ¹⁶⁴ Ho (t _1/2 = 29 Minuten)

- ¹⁶⁶ Ho (t _1/2 = 26.763 Stunden)

- ¹⁶⁷ Ho (t _1/2 = 3,1 Stunden)

Magnetische Ordnung und Moment

Holmium ist ein paramagnetisches Metall, kann jedoch bei einer Temperatur von 19 K ferromagnetisch werden und sehr starke magnetische Eigenschaften aufweisen. Es wird auch von mit dem größten magnetischen Moments (10,6 μ gekennzeichnet _B ) unter allen chemischen Elementen sowie eine ungewöhnliche magnetische Permeabilität.

Reaktivität

Holmium ist ein Metall, das unter normalen Bedingungen nicht zu schnell rostet, daher braucht es Zeit, um seinen Glanz zu verlieren. Wenn es jedoch mit einem Feuerzeug erhitzt wird, wird es aufgrund der Bildung einer Oxidschicht gelblich:

4 Ho + 3 O ₂ → 2 Ho ₂ O ₃

Reagiert mit verdünnten oder konzentrierten Säuren unter Bildung ihrer jeweiligen Salze (Nitrate, Sulfate usw.). Überraschenderweise reagiert es jedoch nicht mit Flusssäure, da eine Schicht aus HoF ₃ es vor seinem Abbau schützt.

Holmium reagiert auch mit allen Halogenen unter Bildung ihrer jeweiligen Halogenide (HoF ₃ , HoCl ₃ , HoBr ₃ und HoI ₃ ).

Chemische Struktur

Holmium kristallisiert zu einer kompakten hexagonalen Struktur, hcp (hexagonal dicht gepackt). Theoretisch bleiben Ho-Atome dank der Metallbindung, die die Elektronen ihrer 4f-Orbitale bilden, gemäß ihrer elektronischen Konfiguration kohäsiv:

4f ¹¹ 6s ²

Solche Wechselwirkungen sowie die Energieanordnung seiner Elektronen definieren die physikalischen Eigenschaften von Holmium. Diesem Metall ist kein anderes Allotrop oder Polymorph bekannt, auch nicht unter hohem Druck.

Anwendungen

Kernreaktionen

Das Holmiumatom ist ein guter Neutronenabsorber, weshalb es hilft, die Entwicklung von Kernreaktionen zu steuern.

Spektroskopie

Holmiumoxidlösungen werden zur Kalibrierung von Spektrophotometern verwendet, da ihr Absorptionsspektrum unabhängig von den darin enthaltenen Verunreinigungen fast immer konstant bleibt. Es zeigt auch sehr charakteristische scharfe Banden, die mit dem Holmiumatom und nicht mit seinen Verbindungen verbunden sind.

Farbstoff

Holmiumatome können Glas und künstlichen Zirkonoxid-Edelsteinen eine rötliche Färbung verleihen.

Magnete

Bei extrem niedrigen Temperaturen (30 K oder weniger) weist Holmium interessante magnetische Eigenschaften auf, die zur Herstellung starker Elektromagnete verwendet werden, um das resultierende Magnetfeld zu konzentrieren.

Solche magnetischen Materialien sind für die Kernspinresonanz vorgesehen; für die Entwicklung von Festplatten mit Speichern, die in der Größenordnung von Petabyte oder Terabyte schwingen; und möglicherweise für die Herstellung von Quantencomputern.

Holmiumlaser

Ein Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) -Kristall kann mit Holmiumatomen dotiert werden, um Strahlung mit einer Wellenlänge von 2 um zu emittieren. Das heißt, wir haben einen Holmiumlaser. Dank dessen kann Tumorgewebe präzise geschnitten werden, ohne Blutungen zu verursachen, da die zugeführte Energie die Wunden sofort kauterisiert.

Dieser Laser wurde wiederholt in Prostata- und Zahnarztpraxen sowie zur Beseitigung von Krebszellen und Nierensteinen eingesetzt.

Verweise

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