Гольмий (химический символ Ho) — это неорганический химический элемент, простое вещество с атомным номером 67.
Относиться к группе лантаноидов и считается редкоземельным элементом.
Серебристо-белый металл, проявляющий валентность +3 и известный своими уникальными магнитными свойствами.
Применяют в лазерах, в ядерной энергетике, а также в получении стекла и керамики.
Что такое гольмий
[Holmium; от лат. Holmia — Гольмия (назв. Стокгольма)], Но — химический элемент 3-й группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.
Атомный номер 67, атомная масса 164,9304; относится к редкоземельным элементам.
Металл гольмий светло-серого цвета; дистиллированный (чистотой выше 99,5%) — с блестящей поверхностью. В соединениях проявляет степень окисления +3.
Открыт в 1879 швед, химиком П. Клеве. Содержание в земной коре 1,3 X 10-7%.
Промышленными минералами для получения гольмия служат монацит, ксенотим и эвксенит.
Физические свойства
Гольмий полиморфен, температура полиморфного превращения 1430° С.
Кристаллическая решетка низкотемпературной модификации гольмия — гексагональная плотноупакованная типа магния, с периодами а = 3,5773 А и с = 5,6158 А.
Плотность 8,781 г/см3; tпл 14605 С; tкип 2700° С; коэфф. термического расширения 10,7 • 10 град ; коэфф. теплопроводности 0,0254 кал/см • сек • град.
Теплоемкость 6,50 кал/г-атом • град; электрическое сопротивление 94 мком X см; Кюри точка 19,4 К (—253,6° С).
Гольмий электронная конфигурация:
[Xe] 4f11 6s2
Электронная формула атома гольмия в порядке следования уровней:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f11 5s2 5p6 6s2
Сечение захвата тепловых нейтронов 65 барн; работа выхода электронов 3,09 эв. Модуль норм, упругости 6850 кгс/мм2; предел прочности 28,6 кгс/мм2; НВ — 50.
Легко поддается механической обработке.
Интересный факт: обладает самым высоким магнитным моментом среди всех природных химических элементов.
Химические свойства
Гольмий — химически активен; при высоких температурах активно взаимодействует с кислородом, галогенами, серой, азотом и др. неметаллами.
На воздухе окисляется. Сплавляется со многими металлами, плавят его в инертной среде или в вакууме.
Гольмий (Ho), как и другие лантаноиды, является довольно реакционноспособным металлом, хотя его активность и не так высока, как у щелочных или щелочноземельных металлов.
Он проявляет среднюю химическую активность среди лантаноидов.
Наиболее характерная степень окисления гольмия в соединениях — +3.
✅Реакция с кислородом (окисление)
Гольмий медленно окисляется на сухом воздухе при комнатной температуре, но при нагревании или во влажном воздухе реакция происходит быстрее.
Образуется оксид гольмия(III):
4Ho + 3O2 → 2Ho2O3
(Оксид гольмия(III) имеет бледно-желтый цвет)
✅Реакция с галогенами
Гольмий активно реагирует с галогенами (фтором, хлором, бромом, йодом) при нагревании, образуя соответствующие тригалогениды.
С фтором (F2): Гольмий относительно устойчив к действию фтора при комнатной температуре, но реагирует при нагревании.
2Ho + 3F2 → 2HoF3 (Фторид гольмия(III))
С хлором (Cl2):
2Ho + 3Cl2 → 2HoCl3 (Хлорид гольмия(III) — желтое вещество)
С бромом (Br2):
2Ho + 3Br2 → 2HoBr3 (Бромид гольмия(III))
С йодом (I2):
2Ho + 3I2 → 2HoI3 (Иодид гольмия(III))
✅Реакция с кислотами
Гольмий легко взаимодействует с большинством разбавленных неорганических кислот (кроме плавиковой кислоты HF, с которой образует нерастворимый фторид, пассивируя поверхность) с выделением водорода и образованием солей Ho3+.
С соляной кислотой (HCl):
2Ho + 6HCl → 2HoCl3 + 3H2↑ (Хлорид гольмия(III))
С серной кислотой (H2SO4):
2Ho + 3H2SO4 → Ho2(SO4)3 + 3H2↑ (Сульфат гольмия(III))
✅Реакция с водой
Гольмий реагирует с водой, особенно при нагревании, с образованием гидроксида гольмия (III) и выделением водорода.
2Ho + 6H2O → 2Ho(OH)3 + 3H2↑
Реакция с азотом и водородом
При нагревании гольмий может реагировать с азотом и водородом:
С азотом (N2):
2Ho + N2 → 2HoN (Нитрид гольмия)
С водородом (H2): Образует гидриды, например, HoH3.
Изотопы
Известны изотопы с массовыми числами от 160Но до 169Но, из них стабилен изотоп с массовым числом 165Но.
Стабильный изотоп гольмия 165Ho: Это единственный природный стабильный изотоп гольмия. Весь природный гольмий состоит исключительно из этого изотопа.
Радиоактивные изотопы
Известно множество искусственно полученных радиоактивных изотопов гольмия, с массовыми числами от 140Ho до 175Ho.
Большинство из них имеют очень короткие периоды полураспада (менее нескольких часов или даже минут).
Среди них выделяются несколько более долгоживущих:
163Ho: Это самый долгоживущий радиоизотоп гольмия с периодом полураспада 4570 лет. Он распадается путем электронного захвата.
166Ho: Этот изотоп имеет период полураспада 26,8 часа и распадается с испусканием бета-частиц и гамма-квантов.
Он используется в аналитической химии как радиоактивный индикатор и в медицине (например, в лечении ревматоидного артрита).
166m1Ho: Это метастабильный изомер изотопа 166Ho с периодом полураспада 1200 лет.
Он интересен тем, что производит богатый спектр гамма-излучения и используется в некоторых физических экспериментах.
Таким образом, если говорить о природном гольмии, он моноизотопный, то есть состоит только из одного стабильного изотопа 165Ho.
Получение
Получают гольмий металлотермическим восстановлением. Окислы гольмия обрабатывают до фторидов, затем восстанавливают кальцием и дистиллируют для получения чистого металла.
Основные этапы получения гольмия включают:
Добыча минерального сырья:
Гольмий содержится в различных редкоземельных минералах, таких как монацит, бастенезит, гадолинит и эвксенит.
Эти минералы добываются, в основном, в Китае, США, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии, России и Казахстане.
Разделение редкоземельных элементов:
Это самый сложный и трудоемкий этап. После извлечения редкоземельных оксидов из руды, необходимо отделить гольмий от других лантаноидов, которые имеют очень похожие химические свойства.
Для этого используются специализированные методы:
Ионный обмен: Один из наиболее эффективных методов разделения редкоземельных элементов.
Разделение происходит на ионообменных смолах, где ионы разных лантаноидов по-разному адсорбируются и элюируются.
Экстракция растворителями (жидкостная экстракция): Используется для селективного извлечения определенных лантаноидов из раствора с помощью органических растворителей.
Фракционная кристаллизация/перекристаллизация: Исторически использовался, но очень трудоемкий и менее эффективный метод, который включает многократное растворение и кристаллизацию солей лантаноидов.
Получение чистого соединения гольмия
После разделения получают чистое соединение гольмия, обычно оксид гольмия (Ho2O3), или соли, такие как фторид гольмия (HoF3) или хлорид гольмия (HoCl3).
Восстановление чистого гольмия (металлотермия):
Чистый металлический гольмий получают из его соединений (обычно фторида) путем восстановления активными металлами при высокой температуре.
Наиболее распространенный метод:
Восстановление фторида гольмия (HoF3) кальцием (Ca):
2HoF3 + 3Ca → 2Ho + 3CaF2
Эта реакция проводится в инертной атмосфере (например, в аргоне) при высоких температурах (порядка 1000-1500 °C) в специальных вакуумных или инертных печах.
Применение
Выпускают гольмий в виде слитков. Чистый гольмий используют для исследовательских целей.
Перспективен в сплавах с железом, кобальтом и никелем как магнитный материал.
Гольмий (Ho) имеет несколько специализированных применений, в основном благодаря его уникальным магнитным и оптическим свойствам:
В лазерах: Используется в некоторых специализированных лазерах, например, гольмиевых лазерах (Ho:YAG-лазеры) для медицины.
В ядерной энергетике: Из-за высокой способности поглощать нейтроны, используется в управляющих стержнях ядерных реакторов для контроля цепной реакции.
В производстве стекла и керамики: Оксид гольмия (Ho2O3) используется как краситель, придавая стеклу и фианиту желтый или красный оттенок. Также применяется для калибровки спектрофотометров.
Литература
Диогенов Г. Г. История открытия химических элементов. Савицкий Е. М., Терехова В.Ф. Металловедение редкоземельных металлов.
Часто задаваемые вопросы
Он относится к редкоземельным металлам, а внутри этой группы — к лантаноидам.
Он называется «редкоземельным» не потому, что его мало в земной коре (его относительно достаточно).
А потому, что его трудно добывать и, главное, очень сложно отделять от других похожих лантаноидов из-за их схожих химических свойств.
Обладает самым высоким магнитным моментом среди всех природных химических элементов.
Это делает его ценным для использования в магнитных технологиях, особенно при низких температурах.
Добавить комментарий
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.