HOLM: HISTORIA, WŁAŚCIWOŚCI, BUDOWA CHEMICZNA I ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Holm jest pierwiastek należący do F bloku układu okresowego, w szczególności w okresie lantanowców. Jest zatem członkiem ziem rzadkich, obok erbu, itru, dysprozu i iterbu. Wszystko to składa się na szereg minerałów (ksenotymu lub gadolinitu), które są trudne do oddzielenia konwencjonalnymi metodami chemicznymi.

Jej symbol chemiczny to Ho, o liczbie atomowej 67, występujący mniej licznie niż sąsiadujące z nią dysproz ( ₆₆ Dy) i erb ( ₆₈ Er). Mówi się wtedy, że przestrzega reguły Oddo-Harkinsa. Holm jest jednym z tych rzadkich metali, o których prawie nikt nie wie ani nie podejrzewa; nawet wśród chemików rzadko się o tym wspomina.

Ultraczysta próbka metalicznego holmu. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

W medycynie holm jest znany ze stosowania swojego lasera w zabiegach chirurgicznych w celu zwalczania chorób prostaty. Stanowi także obiecujący materiał do produkcji elektromagnesów i komputerów kwantowych ze względu na swoje niezwykłe właściwości magnetyczne.

Trójwartościowe związki holmu, Ho ³⁺ , charakteryzują się szczególnym zabarwieniem zależnym od światła, którym są naświetlane. Jeśli jest fluorescencyjny, kolor tych związków zmienia się z żółtego na różowy. Podobnie dzieje się z jego rozwiązaniami.

Historia

Odkrycie holmu przypisuje się dwóm szwajcarskim chemikom, Marcowi Delafontaine i Jacques-Louis Soretowi, którzy w 1878 roku wykryli go spektroskopowo podczas analizy minerałów ziem rzadkich w Genewie. Nazwali to elementem X.

Zaledwie rok później, w 1879 roku, szwedzkiemu chemikowi Per Teodor Cleve udało się oddzielić tlenek holmu, zaczynając od erbia, tlenek erbu (Er ₂ O ₃ ). Tlenek ten, zanieczyszczony innymi zanieczyszczeniami, miał brązowy kolor, który nazwał „holmia”, co po łacinie oznacza Sztokholm.

Cleve uzyskał również inny zielony materiał: „tulię”, czyli tlenek tulu. Problem z tym odkryciem polega na tym, że żadnemu z trzech chemików nie udało się uzyskać wystarczająco czystej próbki tlenku holmu, ponieważ była ona zanieczyszczona atomami dysprozu, innego metalu lantanowca.

Dopiero w 1886 roku ciężko pracujący francuski chemik Paul Lecoq de Boisbaudran wyodrębnił tlenek holmu przez wytrącanie frakcyjne. Tlenek ten został następnie poddany reakcjom chemicznym w celu wytworzenia soli holmu, które zostały zredukowane w 1911 roku przez szwedzkiego chemika Otto Holmberga; i tak pojawiły się pierwsze próbki metalicznego holmu.

Jednak obecnie jony holmu, Ho ³⁺ , są ekstrahowane metodą chromatografii jonowymiennej, zamiast uciekać się do konwencjonalnych reakcji.

Właściwości holmu

Wygląd fizyczny

Srebrzysty, miękki, ciągliwy i ciągliwy metal.

Liczba atomowa

67 ( ₆₇ Ho)

Masa cząsteczkowa

164,93 g / mol

Temperatura topnienia

1461 ºC

Temperatura wrzenia

2600 ºC

Gęstość

W temperaturze pokojowej: 8,79 g / cm ³

Kiedy się topi lub topi: 8,34 g / cm ³

Ciepło topnienia

17 kJ / mol

Ciepło parowania

251 kJ / mol

Molowa pojemność cieplna

27,15 J / (mol K)

Elektroujemność

1,23 w skali Paulinga

Energie jonizacji

Po pierwsze: 581,0 kJ / mol (Ho ^{+ w stanie} gazowym)

Po drugie: 1140 kJ / mol ( gazowy Ho ²⁺ )

Po trzecie: 2204 kJ / mol ( gazowy Ho ³⁺ )

Przewodność cieplna

16,2 W / (m · K)

Rezystancja

814 nΩ m

Liczby utleniania

Holm może występować w swoich związkach o następujących numerach lub stopniach utlenienia: 0, +1 (Ho ⁺ ), +2 (Ho ²⁺ ) i +3 (Ho ³⁺ ). Spośród nich +3 jest zdecydowanie najbardziej powszechnym i stabilnym. Dlatego holm jest metalem trójwartościowym, tworzącym związki (jonowe lub częściowo jonowe), w których uczestniczy jako jon Ho ³⁺ .

Na przykład w następujących związkach holm ma stopień utlenienia +3: Ho ₂ O ₃ (Ho ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), Ho (OH) ₃ , HoI ₃ (Ho ³⁺ I ₃ ^- ) i Ho ₂ (SO ₄ ) ₃ .

Ho ³⁺ i jego przejścia elektroniczne są odpowiedzialne za to, że związki tego metalu przybierają brązowo-żółte kolory. Jednak gdy są one naświetlane światłem fluorescencyjnym, zmieniają kolor na różowy. To samo dotyczy ich rozwiązań.

Izotopy

Holm występuje w przyrodzie jako pojedynczy stabilny izotop: ¹⁶⁵ Ho (100% obfitości). Jednak istnieją wytworzone przez człowieka radioizotopy o długim okresie półtrwania. Między nimi mamy:

- ¹⁶³ Ho (t _1/2 = 4570 lat)

- ¹⁶⁴ Ho (t _1/2 = 29 minut)

- ¹⁶⁶ Ho (t _1/2 = 26 763 godzin)

- ¹⁶⁷ Ho (t _1/2 = 3,1 godziny)

Magnetyczny porządek i moment

Holm jest metalem paramagnetycznym, ale w temperaturze 19 K może stać się ferromagnetyczny, wykazując bardzo silne właściwości magnetyczne. Charakteryzuje się on również poprzez największy moment magnetyczny (10,6 μ _B ) spośród pierwiastków, jak i nietypowe przenikalności magnetycznej.

Reaktywność

Holm to metal, który w normalnych warunkach nie rdzewieje zbyt szybko, więc utrata połysku wymaga czasu. Jednak po podgrzaniu zapalniczką zmienia kolor na żółtawy z powodu tworzenia się warstwy tlenku:

4 Ho + 3 O ₂ → 2 Ho ₂ O ₃

Reaguje z rozcieńczonymi lub stężonymi kwasami, tworząc ich odpowiednie sole (azotany, siarczany itp.). Jednak, co zaskakujące, nie reaguje z kwasem fluorowodorowym, ponieważ warstwa HoF ₃ chroni go przed jego degradacją.

Holm reaguje również ze wszystkimi halogenami, tworząc odpowiednie halogenki (HoF ₃ , HoCl ₃ , HoBr ₃ i HoI ₃ ).

Struktura chemiczna

Holm krystalizuje w zwartą strukturę heksagonalną, hcp (heksagonalny ciasno upakowany). Teoretycznie atomy Ho pozostają spójne dzięki metalicznemu wiązaniu utworzonemu przez elektrony ich orbitali 4f, zgodnie z ich konfiguracją elektroniczną:

4f ¹¹ 6s ²

Takie interakcje, jak również układ energetyczny jego elektronów, określają fizyczne właściwości holmu. Żaden inny alotrop lub polimorf nie jest znany dla tego metalu, nawet pod wysokim ciśnieniem.

Aplikacje

Reakcje jądrowe

Atom holmu jest dobrym absorberem neutronów, dlatego pomaga kontrolować rozwój reakcji jądrowych.

Spektroskopia

Do kalibracji spektrofotometrów stosuje się roztwory tlenku holmu, ponieważ ich widmo absorpcji pozostaje prawie zawsze stałe, niezależnie od zawartych w nim zanieczyszczeń. Pokazuje również bardzo charakterystyczne ostre pasma związane z atomem holmu, a nie z jego związkami.

Barwnik

Atomy holmu są zdolne do nadawania czerwonawego zabarwienia szkłu i sztucznym kamieniom cyrkonowym.

Magnesy

W ekstremalnie niskich temperaturach (30 K lub mniej) holm wykazuje interesujące właściwości magnetyczne, które są wykorzystywane do wytwarzania silnych elektromagnesów, w których pomaga skoncentrować powstałe pole magnetyczne.

Takie materiały magnetyczne są przeznaczone do jądrowego rezonansu magnetycznego; do opracowywania dysków twardych z pamięcią, która oscyluje w rzędzie petabajtów lub terabajtów; i ewentualnie do produkcji komputerów kwantowych.

Laser holmowy

Kryształ granatu itrowo-glinowego (YAG) można domieszkować atomami holmu, aby emitować promieniowanie o długości fali 2 µm; to znaczy mamy laser holmowy. Dzięki niemu można precyzyjnie przeciąć tkankę nowotworową bez powodowania krwawienia, gdyż dostarczona energia natychmiast kauteryzuje rany.

Laser ten był wielokrotnie używany w chirurgii prostaty i stomatologii, a także do eliminacji komórek rakowych i kamieni nerkowych.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Holmium. Odzyskane z: en.wikipedia.org
3. Królewskie Towarzystwo Chemii. (2020). Układ okresowy: Holm. Odzyskany z: rsc.org
4. Dr Doug Stewart. (2020). Fakty / chemia pierwiastka holmu. Źródło: chemicool.com
5. Steve Gagnon. (sf). Element Holmium. Pobrane z: education.jlab.org
6. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (03 kwietnia 2019). Holmium. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
7. Judy Lynn Mohn Rosebrook. (2020). Holmium. Odzyskany z: utoledo.edu