HOLMIUM: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, CHEMISCHE STRUCTUUR EN TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2026

Het holmium is een metalen element dat behoort tot het f-blok van het periodiek systeem, specifiek tot de periode van de lanthaniden. Het is daarom een ​​lid van de zeldzame aarden, samen met erbium, yttrium, dysprosium en ytterbium. Al deze vormen een reeks mineralen (xenotime of gadoliniet) die moeilijk te scheiden zijn met conventionele chemische methoden.

Het chemische symbool is Ho, met een atoomnummer van 67, en is minder overvloedig dan zijn buren dysprosium ( ₆₆ Dy) en erbium ( ₆₈ Er). Er wordt dan gezegd dat het de regel van Oddo-Harkins gehoorzaamt. Holmium is een van die zeldzame metalen waarvan bijna niemand het bestaan ​​ervan kent of vermoedt; zelfs onder chemici wordt het zelden heel vaak genoemd.

Ultrapuur monster van metallisch holmium. Bron: hoge resolutie afbeeldingen van chemische elementen

Op het gebied van de geneeskunde staat holmium bekend om het gebruik van zijn laser bij operaties om prostaataandoeningen te bestrijden. Het vertegenwoordigt ook het veelbelovende materiaal voor de fabricage van elektromagneten en kwantumcomputers, vanwege zijn ongebruikelijke magnetische eigenschappen.

De driewaardige holmiumverbindingen, Ho ³⁺ , hebben de bijzonderheid dat ze een kleur vertonen die afhankelijk is van het licht waarmee ze worden bestraald. Als het fluorescerend is, verandert de kleur van deze verbindingen van geel in roze. Op dezelfde manier gebeurt het met zijn oplossingen.

Geschiedenis

De ontdekking van holmium wordt toegeschreven aan twee Zwitserse chemici, Marc Delafontaine en Jacques-Louis Soret, die het in 1878 spectroscopisch ontdekten tijdens het analyseren van zeldzame aardmetalen in Genève. Ze noemden het element X.

Slechts een jaar later, in 1879, slaagde de Zweedse chemicus Per Teodor Cleve erin om holmiumoxide te scheiden uitgaande van erbia, erbiumoxide (Er ₂ O ₃ ). Dit oxide, vervuild door andere onzuiverheden, vertoonde een bruine kleur, die hij 'holmia' noemde, wat Stockholm betekent in het Latijn.

Ook kreeg Cleve een ander groen materiaal: 'thulia', dat is thuliumoxide. Het probleem met deze ontdekking is dat geen van de drie chemici in staat was om een ​​voldoende zuiver monster van holmiumoxide te verkrijgen, aangezien het was verontreinigd door atomen van dysprosium, een ander lanthanidemetaal.

Het duurde tot 1886 voordat de hardwerkende Franse chemicus, Paul Lecoq de Boisbaudran, holmiumoxide isoleerde door fractionele precipitatie. Dit oxide werd vervolgens onderworpen aan chemische reacties om holmiumzouten te produceren, die in 1911 werden gereduceerd door de Zweedse chemicus Otto Holmberg; en zo verschenen de eerste monsters van metallisch holmium.

Op dit moment worden holmiumionen, Ho ³⁺ , echter geëxtraheerd door ionenuitwisselingschromatografie, in plaats van hun toevlucht te nemen tot conventionele reacties.

Holmium eigenschappen

Fysiek uiterlijk

Zilverachtig, zacht, taai en buigzaam metaal.

Atoomnummer

67 ( ₆₇ Ho)

Molaire massa

164,93 g / mol

Smeltpunt

1461 ºC

Kookpunt

2600 ºC

Dichtheid

Bij kamertemperatuur: 8,79 g / cm ³

Net toen het smelt of smelt: 8,34 g / cm ³

Warmte van fusie

17 kJ / mol

Warmte van verdamping

251 kJ / mol

Molaire warmtecapaciteit

27.15 J / (mol K)

Elektronegativiteit

1,23 op de schaal van Pauling

Ionisatie-energieën

Ten eerste: 581,0 kJ / mol (Ho ⁺ gasvormig)

Ten tweede: 1140 kJ / mol (Ho ²⁺ gasvormig)

Ten derde: 2204 kJ / mol (Ho ³⁺ gasvormig)

Warmtegeleiding

16,2 W / (m · K)

Elektrische weerstand

814 nΩ m

Oxidatienummers

Holmium kan in zijn verbindingen aanwezig zijn met de volgende getallen of oxidatietoestanden: 0, +1 (Ho ⁺ ), +2 (Ho ²⁺ ) en +3 (Ho ³⁺ ). Van allemaal is de +3 verreweg de meest voorkomende en stabiele. Daarom is holmium een ​​driewaardig metaal dat verbindingen vormt (ionisch of gedeeltelijk ionisch) waar het deelneemt als een Ho ³⁺ -ion .

In de volgende verbindingen heeft holmium bijvoorbeeld een oxidatiegetal van +3: Ho ₂ O ₃ (Ho ₂ ³⁺ O ₃ ^2- ), Ho (OH) ₃ , HoI ₃ (Ho ³⁺ I ₃ ^- ) en Ho ₂ (SO ₄ ) ₃ .

Ho ³⁺ en zijn elektronische overgangen zijn ervoor verantwoordelijk dat de verbindingen van dit metaal bruingele kleuren krijgen. Wanneer deze echter worden bestraald met fluorescerend licht, worden ze roze. Hetzelfde geldt voor hun oplossingen.

Isotopen

Holmium komt in de natuur voor als een enkele stabiele isotoop: ¹⁶⁵ Ho (100% abundantie). Er zijn echter door de mens gemaakte radio-isotopen met een lange halfwaardetijd. Tussen hen hebben we:

- ¹⁶³ Ho (t _1/2 = 4570 jaar)

- ¹⁶⁴ Ho (t _1/2 = 29 minuten)

- ¹⁶⁶ Ho (t _1/2 = 26.763 uur)

- ¹⁶⁷ Ho (t _1/2 = 3,1 uur)

Magnetische volgorde en moment

Holmium is een paramagnetisch metaal, maar het kan ferromagnetisch worden bij een temperatuur van 19 K en vertoont zeer sterke magnetische eigenschappen. Het wordt ook gekenmerkt doordat de grootste magnetische moment (10,6 μ _B ) onder alle chemische elementen, evenals een ongebruikelijke magnetische permeabiliteit.

Reactiviteit

Holmium is een metaal dat onder normale omstandigheden niet te snel roest, waardoor het even duurt voordat het zijn glans verliest. Bij verhitting met een aansteker wordt het echter gelig door de vorming van een oxidelaag:

4 Ho + 3 O ₂ → 2 Ho ₂ O ₃

Reageert met verdunde of geconcentreerde zuren om hun respectievelijke zouten te produceren (nitraten, sulfaten, enz.). Verrassend genoeg reageert het echter niet met fluorwaterstofzuur, aangezien een laag HoF _{3 het} beschermt tegen de afbraak ervan.

Holmium reageert ook met alle halogenen om hun respectievelijke halogeniden te produceren (HoF ₃ , HoCl ₃ , HoBr ₃ en HoI ₃ ).

Chemische structuur

Holmium kristalliseert tot een compacte hexagonale structuur, hcp (hexagonal close-pack). In theorie blijven Ho-atomen samenhangend dankzij de metaalbinding die wordt gevormd door de elektronen van hun 4f-orbitalen, volgens hun elektronische configuratie:

4f ¹¹ 6s ²

Dergelijke interacties, evenals de energierangschikking van zijn elektronen, bepalen de fysieke eigenschappen van holmium. Er is geen andere allotroop of polymorf bekend voor dit metaal, zelfs niet onder hoge druk.

Toepassingen

Nucleaire reacties

Het holmiumatoom is een goede neutronenabsorbeerder en daarom helpt het de ontwikkeling van kernreacties te beheersen.

Spectroscopie

Holmiumoxide-oplossingen worden gebruikt om spectrofotometers te kalibreren, omdat hun absorptiespectrum bijna altijd constant blijft, ongeacht de onzuiverheden die het bevat. Het vertoont ook zeer karakteristieke scherpe banden die verband houden met het holmiumatoom, en niet met zijn verbindingen.

Kleurstof

Holmium-atomen zijn in staat om een ​​roodachtige kleur te geven aan glas en kunstmatige zirkonia-edelstenen.

Magneten

Bij extreem lage temperaturen (30K of minder) vertoont holmium interessante magnetische eigenschappen, die worden gebruikt om krachtige elektromagneten te maken, waar het helpt om het resulterende magnetische veld te concentreren.

Dergelijke magnetische materialen zijn bedoeld voor nucleaire magnetische resonantie; voor de ontwikkeling van harde schijven, met geheugens die oscilleren in de volgorde van petabytes of terabytes; en mogelijk voor de fabricage van kwantumcomputers.

Holmium-laser

Een yttrium-aluminium-granaat (YAG) -kristal kan worden gedoteerd met holmiumatomen om straling uit te zenden met een golflengte van 2 µm; dat wil zeggen, we hebben een holmiumlaser. Dankzij dit kan tumorweefsel nauwkeurig worden gesneden zonder bloedingen te veroorzaken, aangezien de geleverde energie de wonden onmiddellijk dichtschroeit.

Deze laser is herhaaldelijk gebruikt bij prostaat- en tandheelkundige ingrepen en om kankercellen en nierstenen te verwijderen.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde . (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Holmium. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Royal Society of Chemistry. (2020). Periodiek systeem: Holmium. Hersteld van: rsc.org
4. Dr. Doug Stewart. (2020). Holmium Element Feiten / Chemie. Hersteld van: chemicool.com
5. Steve Gagnon. (sf). Het Element Holmium. Hersteld van: education.jlab.org
6. De redactie van Encyclopaedia Britannica. (3 april 2019). Holmium. Encyclopædia Britannica. Hersteld van: britannica.com
7. Judy Lynn Mohn Rosebrook. (2020). Holmium. Hersteld van: utoledo.edu