Гольмий химический элемент

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; t_пл 14605 С; t_кип 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