Введение

Холмий — химический элемент с символом Ho и атомным номером 67. Это редкоземельный элемент, одиннадцатый член лантаноидной серии. Это относительно мягкий, серебристый, достаточно устойчивый к коррозии и ковкий металл. Как и многие другие лантаноиды, холмий слишком реакционноспособен, чтобы встречаться в самородном виде, поскольку чистый холмий медленно образует желтоватый оксидный слой при контакте с воздухом. В изолированном состоянии холмий относительно стабилен в сухом воздухе при комнатной температуре. Однако он реагирует с водой и легко подвергается коррозии, а также сгорает на воздухе при нагревании. В природе холмий встречается вместе с другими редкоземельными металлами (например, с тулием). Это относительно редкий лантаноид, составляющий 1,4 части на миллион в земной коре, что сопоставимо с содержанием вольфрама. Холмий был открыт шведским химиком Пером Теодором Клеве посредством его выделения. Он также был независимо открыт Жаком Луи Соре и Марком Делафонтеном, которые совместно наблюдали его спектроскопически в 1878 году. Оксид холмия впервые был выделен Клеве из редкоземельных руд в 1878 году. Название элемента происходит от Holmia — латинского названия города Стокгольм. Как и многие другие лантаноиды, холмий содержится в минералах монаците и гадолините и обычно извлекается из монацита в промышленных масштабах с использованием методов ионного обмена. Его соединения в природе и в большинстве лабораторных исследований находятся в тривалентном состоянии, содержат ионы Ho(III). Тривалентные ионы холмия обладают флуоресцентными свойствами, сходными со многими другими ионами редкоземельных элементов (при этом они демонстрируют собственный набор уникальных линий излучения), и поэтому используются аналогично некоторым другим редкоземельным элементам в определенных лазерных приложениях и в качестве красителей для стекла. Холмий обладает самой высокой магнитной проницаемостью и остаточной намагниченностью среди всех элементов и поэтому используется для изготовления полюсных наконечников самых мощных постоянных магнитов. Благодаря сильному поглощению нейтронов холмий также применяется в качестве поглотителя нейтронов в ядерных реакторах.

Свойства

Холмий — одиннадцатый элемент серии лантаноидов. В периодической таблице он расположен в 6-м периоде между лантаноидами диспрозием (слева) и эрбием (справа), и над актинидом эйнштейнием.

Окислительные состояния

Как и многие лантаноиды, гольмий обычно встречается в степени окисления +3, образуя соединения, такие как фторид гольмия(III) (HoF3) и хлорид гольмия(III) (HoCl3). В растворе гольмий присутствует в виде иона Ho3+, окруженного девятью молекулами воды. Гольмий растворяется в кислотах. Однако, гольмий также может существовать в степенях окисления +2, +1 и 0.

Изотопы

Изотопы гольмия варьируются от 140Ho до 175Ho. Основным способом распада до наиболее распространенного стабильного изотопа 165Ho является позитронная эмиссия, а после него – бета-минус распад. Основными продуктами распада до 165Ho являются изотопы тербия и диспрозия, а основными продуктами после – изотопы эрбия. Из 35 известных синтетических радиоактивных изотопов наиболее стабильным является гольмий-163 (163Ho) с периодом полураспада 4570 лет. Все остальные радиоизотопы имеют период полураспада в основном состоянии, не превышающий 1,117 дней, при этом самый длительный, гольмий-166 (166Ho), имеет период полураспада 26,83 часа, а у большинства он составляет менее 3 часов. 166m1Ho имеет период полураспада около 1200 лет. Высокая энергия возбуждения, приводящая к особенно богатому спектру гамма-лучей при распаде, возникающих при дезэкситации метастабильного состояния, делает этот изотоп полезным для калибровки гамма-спектрометров.

Оксиды и халкогеныды

Оксид гольмия(III) — единственный оксид гольмия. Он меняет цвет в зависимости от условий освещения. При дневном свете он имеет желтоватый оттенок. При трихроматическом освещении он выглядит оранжево-красным, почти неотличимым от внешнего вида оксида эрбия при тех же условиях освещения. Изменение цвета связано с резкими эмиссионными линиями тривалентных ионов гольмия, выступающих в роли красных люминофоров. Оксид гольмия(III) выглядит розовым под холодной катодной люминесцентной лампой. Для гольмия известны и другие халькогениды. Сульфид гольмия(III) образует оранжево-жёлтые кристаллы в моноклинной кристаллической системе. Под высоким давлением сульфид гольмия(III) может образовываться в кубической и орторомбической кристаллических системах. Его можно получить в результате реакции оксида гольмия(III) и сероводорода. Также известен селенид гольмия(III). Он антиферромагнетик ниже 6 К.

Галиды

Все четыре тригалогенида гольмия известны. Фторид гольмия(III) — это желтоватый порошок, который можно получить, взаимодействуя оксидом гольмия(III) и фторидом аммония, а затем кристаллизуя его из образовавшейся в растворе соли аммония. Хлорид гольмия(III) можно получить аналогичным образом, используя хлорид аммония вместо фторида аммония. В твердом состоянии он имеет слоистую структуру, как у YCl3. Эти соединения, а также бромид гольмия(III) и йодид гольмия(III), могут быть получены прямой реакцией элементов.

Соединения органохолмия

Соединения органохолмия очень похожи на соединения других лантаноидов, поскольку все они лишены способности образовывать π-связи с обратной передачей электронной плотности. Поэтому они преимущественно представлены ионными циклопентадиенидами (изоструктурными с соединениями лантана) и σ-связанными простыми алкилами и арилами, некоторые из которых могут быть полимерными.

История

Холмий (Holmia, латинское название Стокгольма) был открыт швейцарскими химиками Жаком Луи Соре и Марком Делафонтеном в 1878 году, которые заметили аномальный спектрографический спектр излучения тогда неизвестного элемента (они назвали его «элементом X»). Шведский химик Пер Теодор Клив также независимо открыл этот элемент, работая с землей эрбия (оксидом эрбия). Он первым выделил новый элемент. Используя метод, разработанный шведским химиком Карлом Густавом Мосандером, Клив сначала удалил все известные примеси из эрбия. Результатом этих усилий стали два новых вещества – одно коричневое, другое зеленое. Он назвал коричневое вещество холмией (в честь латинского названия родного города Клева, Стокгольма), а зеленое – тулией. Впоследствии было установлено, что холмия является оксидом гольмия, а тулия – оксидом тулия.

Возникновение и производство

Как и все другие редкоземельные элементы, гольмий не встречается в природе в свободном состоянии. Он присутствует в составе других элементов в гадолините, монаците и других редкоземельных минералах. Минералов, в которых гольмий является основным компонентом, пока не обнаружено. Основные районы добычи – Китай, США, Бразилия, Индия, Шри-Ланка и Австралия, общие запасы гольмия оцениваются в 400 000 тонн. Массовая доля гольмия в земной коре составляет 1,3 части на миллион. В почвах содержание гольмия – 1 часть на миллион, в морской воде – 400 частей на квадриллион, а в атмосфере Земли его практически нет, что является редкостью для лантаноида. Его содержание в общей массе Вселенной составляет 500 частей на триллион. В промышленных масштабах гольмий извлекается из монацитового песка (0,05% гольмия) методом ионного обмена, однако его отделение от других редкоземельных элементов остается сложной задачей. Элемент выделяют путем восстановления его безводного хлорида или фторида металлическим кальцием. Гольмий относительно недорог для редкоземельного металла, его цена составляет около 1000 долларов США за килограмм.

Приложения

Стекло, содержащее оксид гольмия и растворы оксида гольмия (обычно в перхлорной кислоте), имеет резкие пики оптического поглощения в спектральном диапазоне от 200 до 900 нм. Поэтому они используются в качестве эталона калибровки для оптических спектрофотометров. Радиоактивный, но долгоживущий изотоп 166m1Ho используется для калибровки гамма-спектрометров. Гольмий используется для создания самых сильных искусственно генерируемых магнитных полей, когда он помещается в магниты высокой прочности в качестве магнитного полюсного наконечника (также называемого концентратором магнитного потока). Гольмий также используется в производстве некоторых постоянных магнитов. Гранат иттрия, легированный гольмием (YIG), и фторид лития иттрия находят применение в твердотельных лазерах, а Ho YIG – в оптических изоляторах и микроволновом оборудовании (например, в YIG-сферах). Гольмиевые лазеры излучают на длине волны 2,1 микрометра. Они используются в медицинских, стоматологических и волоконно-оптических приложениях. Также рассматривается возможность его использования при энуклеации предстательной железы. Поскольку гольмий способен поглощать нейтроны, образующиеся при ядерном делении, он используется в качестве выгорающего поглотителя для регулирования ядерных реакторов, а также для придания стеклу желто-оранжевого цвета. В марте 2017 года IBM объявила о разработке метода хранения одного бита данных на отдельном атоме гольмия, размещенном на подложке из оксида магния. При наличии достаточных квантовых и классических методов управления, гольмий может стать перспективным кандидатом для создания квантовых компьютеров.

Биологическая роль и меры предосторожности

Холмий не играет никакой биологической роли в организме человека, но его соли способны стимулировать обмен веществ. Люди обычно потребляют около миллиграмма гольмия в год. Растения не легко поглощают гольмий из почвы. Содержание гольмия измерялось в некоторых овощах и составило 100 частей на триллион. Гольмий и его растворимые соли обладают слабой токсичностью при попадании внутрь организма, в то время как нерастворимые соли гольмия нетоксичны. Металлический гольмий в форме пыли представляет опасность возникновения пожара и взрыва. Большие количества солей гольмия могут вызвать серьезные повреждения при вдыхании, пероральном приеме или инъекциях. Долгосрочные биологические эффекты воздействия гольмия неизвестны. Гольмий обладает низкой степенью острой токсичности.