Гольмий

Гольмий — химический элемент, относящийся к группе лантаноидов. Символ — Ho, атомный номер — 67. Редкоземельный элемент.

Гольмий
← Диспрозий | Эрбий →
67 Ho ↓ Es 67Ho
Внешний вид простого вещества
Сравнительно мягкий, ковкий, глянцевитый серебристый металл
Свойства атома
Название, символ, номер	Гольмий / Holmium (Ho), 67
Атомная масса (молярная масса)	164,93032(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f11 6s2
Радиус атома	179 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	158 пм
Радиус иона	(+3e) 89,4 пм
Электроотрицательность	1,23 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Ho←Ho3+ −2,33 В
Степени окисления	3
Энергия ионизации (первый электрон)	574,0 (5,95) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	8,795 г/см³
Температура плавления	1747 K
Температура кипения	2968 K
Уд. теплота испарения	301 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	27,15 Дж/(K·моль)
Молярный объём	18,7 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a=3,577 c=5,616 Å
Отношение c/a	1,570
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (16,2) Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-60-0

Элементарный гольмий — это относительно мягкий и пластичный серебристо-белый металл. Относительно стабилен в сухом воздухе при комнатной температуре и горит в воздухе при нагревании. Растворяется в кислотах. Содержится в таких минералах как монацит и гадолинит и обычно извлекается из монацита с использованием методов ионного обмена. Гольмий обладает самой высокой магнитной проницаемостью среди всех элементов и поэтому используется для полюсов самых сильных статических магнитов. Поскольку гольмий сильно поглощает нейтроны, он также используется в качестве выгорающего поглотителя в ядерных реакторах.

История

В 1879 году швейцарский химик и физик Жак-Луи Соре методом спектрального анализа обнаружил в «эрбиевой земле» новый элемент.

Происхождение названия

Название элементу дал шведский химик П. Т. Клеве в честь Стокгольма (его старинное латинское название Holmia), так как минерал, из которого сам Клёве в 1879 году выделил оксид нового элемента, был найден близ столицы Швеции.

Нахождение в природе

Содержание гольмия в земной коре составляет 1,3⋅10⁻⁴ % по массе, в морской воде 2,2⋅10⁻⁷ %. Вместе с другими редкоземельными элементами содержится в минералах монаците, бастенезите, эвксените, апатите и гадолините.

Среди космических объектов аномально высоким содержанием гольмия отличается звезда Пшибыльского.

Месторождения

Гольмий входит в состав лантаноидов, которые часто встречаются в Китае, США, Казахстане, России, Украине, Шри-Ланке, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии. Запасы гольмия которых оцениваются в 400 000 тонн.

Гольмий является редким металлом и 56-м наиболее распространенным элементом в земной коре. Он почти не содержится в атмосфере Земли. Он составляет 500 частей на триллион вселенной по массе.

Получение

Получают восстановлением фторида гольмия HoF₃ кальцием.

Цены

Цены на оксид гольмия чистотой 99—99,99 % в 2006 году составили около 120—191 долларов за 1 кг. В 2009 году цена гольмия составили около 1 тыс. долларов США за 1 кг.

Химические свойства

Медленно окисляется на воздухе, образуя Ho₂O₃. Взаимодействует с кислотами (кроме HF), образуя соли Ho³⁺. Реагирует при нагревании с хлором, бромом, азотом и водородом. Устойчив к действию фтора.

Применение

Гольмий — моноизотопный элемент (гольмий-165).

Получение сверхсильных магнитных полей: гольмий сверхвысокой чистоты применяется для изготовления полюсных наконечников сверхпроводящих магнитов для получения сверхсильных магнитных полей. В этом же отношении важное значение играет сплав гольмий-эрбий.

Изотопы: радиоактивный изотоп гольмия — гольмий-166 находит применение в аналитической химии в качестве радиоактивного индикатора.

Металлургия: добавлением гольмия к сплавам алюминия резко уменьшают газосодержание в них.

Лазерные материалы: ионы гольмия служат для генерации лазерного излучения в инфракрасной области спектра, длина волны — 2,05 мк.

Термоэлектрические материалы: термоЭДС монотеллурида гольмия составляет 40 мкВ/К.

Ядерная энергетика: борат гольмия применяется в атомной технике.

Технологии: атом гольмия — первый атом, на который была записана информация, которая при считывании могла быть расшифрована 4 способами (00, 01, 10, 11)

(То есть 2 атома гольмия, находящиеся рядом, соответственно Ho(A) и Ho(B) могли при считывании представить 4 варианта по флуктуации спинов: A↑B↑, A↑B↓, A↓B↑, A↓B↓.)

IBM Research нашло применение атома гольмия следующим образом: атом гольмия устанавливается на подложку из оксида магния. В этом случае гольмий приобретает свойства магнитной бистабильности, то есть имеет два стабильных магнитных состояния с различными спинами.

Исследователи использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и прикладывают к атому напряжение в 150 мВ при 10 мкА. Такой большой приток электронов заставляет атом гольмия изменить магнитное спиновое состояние. Поскольку каждое из двух состояний имеет различные профили проводимости, игла СТМ способна определить, в котором из них находится атом. Это выполняется путем приложения меньшего напряжения (75 мВ) и измерения сопротивления.

Дабы убедиться, что атом гольмия менял своё магнитное состояние и это не было побочным эффектом работы СТМ, учёные разместили рядом атом железа, реагирующий на магнитные колебания. Это позволило подтвердить, что во время эксперимента удалось на длительное время сохранить магнитное состояние атома.

Таким образом, этот атом стал первым, на который была записана информация в 1 бит.

Биологическая роль

Гольмий не играет биологической роли в организме человека, но его соли способны стимулировать обмен веществ. Люди обычно потребляют около миллиграмма гольмия в год. Растения с трудом поглощают гольмий из почвы. При измерении содержания гольмия в некоторых овощах было измерено, что его содержание составило 1/10¹⁰ частей.

Большое количество солей гольмия может привести к серьёзным повреждениям при дыхании, приеме внутрь или инъекции. Биологические эффекты гольмия в течение длительного периода времени не известны. Гольмий имеет низкий уровень острой токсичности.