هولميوم

هولميوم, ₆₇Ho

هولميوم
المظهر	أبيض فضي
الوزن الذري العياري Ar°(Ho)
هولميوم في الجدول الدوري
– ↑ Ho ↓ Es ديسپروسيوم ← هولميوم → إربيوم
الرقم الذري (Z)	67
المجموعة	n/a
الدورة	period 6
المستوى الفرعي	f-block
التوزيع الإلكتروني	[Xe] 4f11 6s2
الإلكترونات بالغلاف	2, 8, 18, 29, 8, 2
الخصائص الطبيعية
الطور at د.ح.ض.ق	solid
نقطة الانصهار	1734 K ​(1461 °س، ​2662 °F)
نقطة الغليان	2873 K ​(2600 °س، ​4712 °ف)
الكثافة حين يكون سائلاً (عند ن.إ.)	8.34 ج/سم³
حرارة الانصهار	17.0 kJ/mol
حرارة التبخر	251 kJ/mol
السعة الحرارية المولية	27.15 J/(mol·K)
ضغط البخار P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k at T (K) 1432 1584 (1775) (2040) (2410) (2964)
الخصائص الذرية
الكهرسلبية	مقياس پاولنگ: 1.23
طاقات التأين	الأول: 581.0 kJ/mol الثاني: 1140 kJ/mol الثالث: 2204 kJ/mol
نصف القطر الذري	empirical: 176 pm
نصف قطر التكافؤ	192±7 pm
الخطوط الطيفية
خصائص أخرى
البنية البلورية	​التعبئة المتراصة لكرات متساوية التعبئة المتراصة لكرات متساوية
سرعة الصوت قضيب رفيع	2760 م/ث (عند 20 °س)
قضيب رفيع	16.2 W/(m·K)
التمدد الحراري	poly: 11.2 µm/(m⋅K) (عند درجة حرارة الغرفة)
المقاومة الكهربائية	poly: 814 nΩ⋅m (عند درجة حرارة الغرفة)
الترتيب المغناطيسي	مغناطيسي مساير
معامل يونگ	64.8 GPa
معامل القص	26.3 GPa
معاير الحجم	40.2 GPa
نسبة پواسون	0.231
صلادة ڤيكرز	410–600 MPa
صلادة برينل	500–1250 MPa
رقم كاس	7440-60-0
التاريخ
التسمية	من هولميا، الاسم اللاتيني لمدينة ستوكهولم، مسقط رأس مكتشف العنصر.
الاكتشاف	پير تيودور كليڤه، جاك-لوي سوريه ومارك دلافونتين (1878)
أول عزل	هاينريش بومر (1939)
نظائر الهولميوم

الهولميوم (Holmium)، هو عنصر كيميائي رمزه Ho ورقمه الذري 67. وهو أحد العناصر الأرضية النادرة والعضو رقم 11 من سلسلة اللانثانيدات. هو فلز لين نسبياً، فضي اللون، مقاوم للتآكل وقابل للطرق. ومثل العديد من اللانثانيدات الأخرى، فإن الهولميوم شديد التفاعل لدرجة لا تسمح بوجوده في صورته الطبيعية، إذ يُكوّن الهولميوم النقي طبقة أكسيد صفراء اللون ببطء عند تعرضه للهواء. وعند عزله، يكون الهولميوم مستقراً نسبياً في الهواء الجاف عند درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، يتفاعل مع الماء ويتآكل بسهولة، كما يحترق في الهواء عند تسخينه. يتواجد الهولميوم في الطبيعة مع الفلزات الأرضية النادرة الأخرى (مثل الثوليوم). وهو عنصر لانثانيدي نادر نسبياً، إذ يشكل 1.4 جزء في المليون من القشرة الأرضية، وهي نسبة مشابهة للتنگستن. اكتُشف الهولميوم عن طريق عزله على يد الكيميائي السويدي پير تيودور كليڤه. كما اكتُشف بشكل مستقل من قبل جاك-لوي سوريه ومارك دلافونتين، اللذين رصداه معاً باستخدام التحليل الطيفي عام 1878. وقد عُزل أكسيده لأول مرة من الخامات الأرضية النادرة على يد كليڤه عام 1878. اسم العنصر مشتق من كلمة هولميا، وهو الاسم اللاتيني لمدينة ستوكهولم.

كغيره من اللانثانيدات، يوجد الهولميوم في معدني المونازيت والگادولينيت، ويُستخلص تجارياً من المونازيت باستخدام تقنيات التبادل الأيوني. تكون مركباته في الطبيعة وفي معظم تفاعلاته الكيميائية المعملية ثلاثية التكافؤ، وتحتوي على أيونات Ho(III). تتمتع أيونات الهولميوم ثلاثية التكافؤ بخصائص فلورية مشابهة للعديد من أيونات العناصر الأرضية النادرة الأخرى (مع إنتاجها مجموعة فريدة من خطوط طيف الانبعاث)، ولذلك تُستخدم بنفس طريقة بعض العناصر الأرضية النادرة الأخرى في تطبيقات معينة مثل الليزر وتلوين الزجاج.

يتميز الهولميوم بأعلى نفاذية مغناطيسية وتشبع مغناطيسي بين جميع العناصر، ولذلك يُستخدم في صناعة أقطاب أقوى المغناطيسات الثابتة. ونظراً لقدرته العالية على امتصاص النيوترونات، كما يُستخدم كمادة ماصة قابلة للاستهلاك في المفاعلات النووية.

الخصائص

الهولميوم هو العنصر الحادي عشر في سلسلة اللانثانيدات. ويظهر في الدورة 6 من الجدول الدوري، بين لانثانيد الديسپروسيوم على يساره والإربيوم على يمينه، وأعلى أكتينيد الأينشتاينيوم.

الخصائص الفيزيائية

يبلغ متوسط ​​درجة غليان الهولميوم 3.000 كلڤن (2.727°س؛ 4.940°ف)، مما يجعله سادس أكثر اللانثانيدات تطايراً بعد الإتربيوم، الأوروپيوم، السماريوم، الثوليوم، والديسپروسيوم. عند درجة الحرارة والضغط القياسيين، يتخذ الهولميوم، كغيره من النصف الثاني من سلسلة اللانثانيدات، بنية بلورية مسدسة متراصة (hcp). إلكتروناته الـ 67 موزعة في التوزيع [Xe] 4f¹¹ 6s²، بحيث يحتوي على ثلاثة عشر إلكترون تكافؤ تملأ المدارين الفرعيين 4f و6s.

الهولميوم، مثل جميع اللانثانيدات، يكون مغناطيسياً مسايراً عند درجة الحرارة والضغط القياسيين. ومع ذلك، يكون الهولميوم مغناطيسياً حديدياً عند درجات حرارة أقل من −254.2 °س (19 كلڤن). يمتلك الهولميوم أعلى عزم مغناطيسي (10.6 μ_B) من بين جميع العناصر الموجودة في الطبيعة ويمتلك خصائص مغناطيسية غير عادية أخرى. عند دمجه مع الإتريوم، فإنه يشكل مركبات شديدة المغناطيسية.

الخصائص الكيميائية

يفقد فلز الهولميوم بريقه ببطء في الهواء، مكوناً طبقة أكسيد صفراء تشبه في مظهرها صدأ الحديد. ويحترق بسهولة مكوناً أكسيد الهولميوم الثلاثي:

4 Ho + 3 O₂ → 2 Ho₂O₃

وهو عنصر لين نسبياً وقابل للطرق ومقاوم إلى حد ما للتآكل ومستقر كيميائياً في الهواء الجاف عند درجة الحرارة والضغط القياسيين. ومع ذلك، في الهواء الرطب وفي درجات الحرارة المرتفعة، فإنه تأكسد بسرعة، مكوناً أكسيد مصفر. في شكله النقي، يتمتع الهولميوم ببريق فلزي فضي لامع.

الهولميوم كهرإيجابي للغاية: على مقياس كهرسلبية پاولنگ، تبلغ كهرسلبيته 1.23. وهو ثلاثي التكافؤ بشكل عام. يتفاعل ببطء مع الماء البارد وبسرعة مع الماء الساخن ليشكل هيدروكسيد الهولميوم الثلاثي:

2 Ho (s) + 6 H₂O (l) → 2 Ho(OH)₃ (aq) + 3 H₂ (g)

يتفاعل فلز الهولميوم مع جميع الهالوجينات المستقرة:

2 Ho (s) + 3 F₂ (g) → 2 HoF₃ (s) [pink]

2 Ho (s) + 3 Cl₂ (g) → 2 HoCl₃ (s) [yellow]

2 Ho (s) + 3 Br₂ (g) → 2 HoBr₃ (s) [yellow]

2 Ho (s) + 3 I₂ (g) → 2 HoI₃ (s) [yellow]

يذوب الهولميوم بسهولة في حمض الكبريتيك المخفف لتكوين محاليل تحتوي على أيونات الهولميوم الثنائي الصفراء، والتي توجد على شكل معقدات [Ho(OH₂)₉]³⁺:

2 Ho (s) + 3 H₂SO₄ (aq) → 2 Ho³⁺ (aq) + 3 SO2−4 (aq) + 3 H₂ (g)

حالات الأكسدة

كما هو الحال مع العديد من اللانثانيدات، يوجد الهولميوم عادةً في حالة الأكسدة +3، مكونًا مركبات مثل فلوريد الهولميوم الثلاثي (HoF₃) وكلوريد الهولميوم الثلاثي (HoCl₃). يتواجد الهولميوم في المحلول على شكل Ho³⁺ محاطاً بتسع جزيئات من الماء. يذوب الهولميوم في الأحماض. ومع ذلك، عُثر على الهولميوم أيضاً في حالات الأكسدة +2 و+1 و0.

النظائر

للمزيد من المعلومات: نظائر الهولميوم

يتكون الهولميوم الطبيعي من نظير أزلي، وهو الهولميوم-165. وهو مستقر رصدياً، على الرغم من أنه من الناحية النظرية يجب أن يخضع لاضمحلال ألفا إلى التربيوم-161 مع عمر نصفي طويل للغاية.

تتراوح نظائر الهولميوم المعروفة من ¹⁴⁰Ho إلى ¹⁷⁵Ho. نمط الاضمحلال الأساسي قبل المستقر ¹⁶⁵Ho، هو اضمحلال بيتا إلى نظائر الديسپروسيوم، والنمط الأساسي بعده هو اضمحلال بيتا إلى نظائر الإربيوم. من بين النظائر المشعة الـ 35 الاصطناعية، أكثر النظائر استقراراً هو الهولميوم-163 (¹⁶³Ho)، بعمر نصفي يبلغ 4570 عاماً. ثاني أكثر العناصر استقراراً هو الهولميوم 166 (¹⁶⁶Ho) الذي يبلغ عمره النصفي 26.812 ساعة، والبعض الآخر عمره النصفي أقل من 4 ساعات.

يتمتع المصاوغ شبه المستقر ^166m1Ho بعمر نصفي طويل بشكل غير عادي يبلغ 1133 عاماً. مع طاقة إثارة منخفضة جداً، لا يضمحل إلى الحالة الأرضية لكنه يخضع لاضمحلال بيتا مباشرةً، ويمتلك طيفاً غنياً بشكل خاص من آشعة گاما، مما يجعل هذا النظير مفيداً كوسيلة لمعايرة مطياف آشعة گاما.

خضع الهولميوم-166 للدراسة (في حالته الأرضية) من أجل التطبيقات الطبية.

المركبات

الأكاسيد والكالكوجينات

Ho₂O₃، يسار: الضوء الطبيعي، يمين: تحت ضوء مصباح فلوري ذي مهبط بارد.

أكسيد الهولميوم الثلاثي هو الأكسيد الوحيد للهولميوم. يتغير لونه تبعاً لظروف الإضاءة. في ضوء النهار، يكون لونه أصفر باهت. أما تحت الضوء ثلاثي الألوان، فيظهر بلون برتقالي محمر، يكاد يكون من المستحيل تمييزه عن لون أكسيد الإربيوم في نفس ظروف الإضاءة. يرتبط تغير اللون بخطوط الانبعاث الحادة لأيونات الهولميوم ثلاثية التكافؤ التي تعمل كفسفور أحمر. يظهر أكسيد الهولميوم الثلاثي باللون الوردي تحت مصباح فلوري ذي مهبط بارد.

ومن المعروف أن هناك كالكوجينات أخرى تحتوي على الهولميوم. يحتوي كبريتيد الهولميوم الثلاثي على بلورات برتقالية صفراء في النظام البلوري أحادي الميل، مع الزمرة الفراغية P2₁/m (No. 11). تحت الضغط المرتفع، قد يتشكل كبريتيد الهولميوم الثلاثي في الأنظمة البلورية المكعبة والمعينة القائمة. يمكن الحصول عليه عن طريق تفاعل أكسيد الهولميوم الثلاثي مع كبريتيد الهيدروجين عند درجة حرارة 1.325°س (1.598 كلڤن). يُعرف أيضاً باسم سيلينيد الهولميوم الثلاثي. وهو مضاد للمغناطيسية الحديدية عند درجات حرارة أقل من 6 كلڤن.

الهاليدات

All four trihalides of holmium are known. Holmium(III) fluoride is a yellowish powder that can be produced by reacting holmium(III) oxide and ammonium fluoride, then crystallising it from the ammonium salt formed in solution. Holmium(III) chloride can be prepared in a similar way, with ammonium chloride instead of ammonium fluoride. It has the YCl₃ layer structure in the solid state. These compounds, as well as holmium(III) bromide and holmium(III) iodide, can be obtained by the direct reaction of the elements:

2 Ho + 3 X₂ → 2 HoX₃

In addition, holmium(III) iodide can be obtained by the direct reaction of holmium and mercury(II) iodide, then removing the mercury by distillation.

مركبات الهولميوم العضوية

انظر أيضاً: كيمياء اللانثانيدات العضوية

تتشابه مركبات الهولميوم العضوي إلى حد كبير مع مركبات اللانثانيدات الأخرى، حيث تشترك جميعها في عدم القدرة على الخضوع لرابطة-π. وبالتالي فهي تقتصر في الغالب على الپنتادينيدات الحلقية الأيونية في الغالب (متناظرة البنية مع تلك الموجودة في اللانثانوم) والألكيلات والأريلات البسيطة الخاضعة لرابطة-σ البسيطة، وبعضها قد يكون پوليمرياً.

التاريخ

أُكتشف الهولميوم ("Holmia"، الاسم اللاتيني لمدينة ستوكهولم) من قبل الكيميائيين السويسريين جاك-لوي سوريه ومارك دلافونتين عام 1878، حيث لاحظا الطيف الضوئي الشاذ للعنصر المجهول آنذاك (أطلقوا عليه اسم "العنصر X").

كما اكتشف الكيميائي السويدي پر تيودور كلڤه العنصر بشكل مستقل أثناء عمله على الإربيا (أكسيد الإربيوم). وكان أول من عزل الأكسيد غير النقي للعنصر الجديد. باستخدام الطريقة التي طورها الكيميائي السويدي كارل گوستاف موساندر، قام كلڤه أولاً بإزالة جميع الملوثات المعروفة من الإربيا. وكانت نتيجة هذا الجهد مادتين جديدتين، واحدة بنية والأخرى خضراء. أطلق على المادة البنية اسم هولميا (الاسم اللاتيني لستوكهولم، مسقط رأس كلڤه ) والمادة الخضراء ثوليا. أُكتشف الهولميا لاحقاً على أنه أكسيد الهولميوم، والثوليا هو أكسيد الثوليوم. لم يُعزل الأكسيد النقي إلى عام 1911 والفلز عام 1939 بواسطة هاينريش بومر.^:959

في بحث الفيزيائي الإنگليزي هنري موسلي عن الرقم الذري، حُددت القيمة 66 للهولميوم. وكان مستحضر الهولميوم الذي أُعطي له للتحقيق فيه غير نقي، ويهيمن عليه الديسپروسيوم المجاور. كان من الممكن أن يرى خطوط انبعاث الأشعة السينية لكلا العنصرين، لكنه افترض أن العناصر السائدة تنتمي إلى الهولميوم، بدلاً من شوائب الديسپروسيوم.

التواجد والإنتاج

عينة من الگادولينيت.

Like all the other rare-earth elements, holmium is not naturally found as a free element. It occurs combined with other elements in gadolinite, monazite and other rare-earth minerals. No holmium-dominant mineral has yet been found. The main mining areas are China, United States, Brazil, India, Sri Lanka, and Australia with reserves of holmium estimated as 400,000 tonnes. The annual production of holmium metal is of about 10 tonnes per year.

Holmium makes up 1.3 parts per million of the Earth's crust by mass. Holmium makes up 1 part per million of the soils, 400 parts per quadrillion of seawater, and almost none of Earth's atmosphere, which is very rare for a lanthanide. It makes up 500 parts per trillion of the universe by mass.

Holmium is commercially extracted by ion exchange from monazite sand (0.05% holmium), but is still difficult to separate from other rare earths. The element has been isolated through the reduction of its anhydrous chloride or fluoride with metallic calcium. Its estimated abundance in the Earth's crust is 1.3 mg/kg. Holmium obeys the Oddo–Harkins rule: as an odd-numbered element, it is less abundant than both dysprosium and erbium. However, it is the most abundant of the odd-numbered heavy lanthanides. Of the lanthanides, only promethium, thulium, lutetium and terbium are less abundant on Earth. The principal current source are some of the ion-adsorption clays of southern China. Some of these have a rare-earth composition similar to that found in xenotime or gadolinite. Yttrium makes up about two-thirds of the total by mass; holmium is around 1.5%. Holmium is relatively inexpensive for a rare-earth metal with the price about 1000 USD/kg.

التطبيقات

A solution of 4% holmium oxide in 10% perchloric acid, permanently fused into a quartz cuvette as an optical calibration standard

Glass containing holmium oxide and holmium oxide solutions (usually in perchloric acid) have sharp optical absorption peaks in the spectral range 200 to 900 nm. They are therefore used as a calibration standard for optical spectrophotometers. The radioactive but long-lived ^166m1Ho is used in calibration of gamma-ray spectrometers.

Holmium is used to create the strongest artificially generated magnetic fields, when placed within high-strength magnets as a magnetic pole piece (also called a magnetic flux concentrator). Holmium is also used in the manufacture of some permanent magnets.

Holmium can act as a sensitizer in sodium yttrium fluoride which takes advantage of its absorption in the NIR-II window. Holmium allows for lanthanide nanomaterials to have tunable emission and excitation in the NIR-II. Under 1143 nm excitation the interfacial energy transfer to other lanthanides allows a redshift in emission for biological applications. This allows deeper penetration than typically used 980 nm and 808 nm lasers.

Holmium-doped yttrium iron garnet (YIG) and yttrium lithium fluoride have applications in solid-state lasers, and Ho-YIG has applications in optical isolators and in microwave equipment (e.g., YIG spheres). Holmium lasers emit at 2.1 micrometres. They are used in medical, dental, and fiber-optical applications. It is also used in the enucleation of the prostate.

Since holmium can absorb nuclear fission-bred neutrons, it is used as a burnable poison to regulate nuclear reactors. It is used as a colorant for cubic zirconia, providing pink coloring, and for glass, providing yellow-orange coloring. In March 2017, IBM announced that they had developed a technique to store one bit of data on a single holmium atom set on a bed of magnesium oxide. With sufficient quantum and classical control techniques, holmium may be a good candidate to make quantum computers.

Holmium is used in the medical field, particularly in laser surgery for procedures such as kidney stone removal and prostate treatment, due to its precision and minimal tissue damage. Its isotope, holmium-166, is applied in targeted cancer therapies, especially for liver cancer, and it also enhances MRI imaging as a contrast agent.

الدور الحيوي والمحاذير

لا يلعب الهولميوم أي دور حيوي في جسم الإنسان، لكن أملاحه قادرة على تحفيز الأيض. يستهلك البشر عادةً حوالي مليجرام من الهولميوم سنوياً. لا تمتص النباتات الهولميوم من التربة بسهولة. تم قياس محتوى بعض الخضروات من الهولميوم، وبلغ 100 جزء في التريليون. يُعدّ الهولميوم وأملاحه الذائبة سامة بشكل طفيف عند ابتلاعها، بينما تُعتبر أملاح الهولميوم غير الذائبة غير سامة. ويُشكّل الهولميوم الفلزي في صورة غبار خطراً للحريق والانفجار. يمكن أن تسبب الكميات الكبيرة من أملاح الهولميوم أضراراً جسيمة إذا تم استنشاقها، أو تناولها عن طريق الفم، أو الحقن. التأثيرات الحيوية للهولميوم طويلة المدى غير معروفة. يحتوي الهولميوم على مستوى منخفض من السمية الحادة.

انظر أيضاً

• تصنيف:مركبات الهولميوم
• عناصر الدورة السادسة

المراجع

• Emsley, John (2011). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-960563-7.
• Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
• Stwertka, Albert (1998). A guide to the elements (2nd ed.). Oxford University Press. ISBN 0-19-508083-1.
• Cullity, B. D.; Graham, C. D. (2005). Introduction to Magnetic Materials. John Wiley & Sons. ISBN 978-1-118-21149-6.
• Jiles, David (1998). Introduction to magnetism and magnetic materials. CRC Press. ISBN 0-412-79860-3.
• Ganjali, Mohammad Reza; Gupta, Vinod Kumar; Faridbod, Farnoush; Norouzi, Parviz (2016-02-25). Lanthanides Series Determination by Various Analytical Methods (in الإنجليزية). Elsevier. ISBN 978-0-12-420095-1.
• Tonkov, E. Yu (1998). Compounds and Alloys Under High Pressure A Handbook. CRC Press. ISBN 978-90-5699-047-3.
• G. Meyer; Lester R. Morss, eds. (1991). Synthesis of Lanthanide and Actinide Compounds. Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-7923-1018-7.
• Riedel, moderne anorganische Chemie (in الألمانية). Erwin Riedel, Christoph Janiak, Hans-Jürgen Meyer (4. Aufl ed.). Berlin: De Gruyter. 2012. ISBN 978-3-11-024900-2. OCLC 781540844.{{cite book}}: CS1 maint: others (link)
• Wells, A. F. (1984). Structural inorganic chemistry (5th ed.). Oxford [Oxfordshire]: Clarendon Press. ISBN 978-0-19-855370-0. OCLC 8866491.
• Weeks, Mary Elvira (1956). The discovery of the elements (6th ed.). Easton, PA: Journal of Chemical Education.

قراءات إضافية

• R. J. Callow, The Industrial Chemistry of the Lanthanons, Yttrium, Thorium, and Uranium, Pergamon Press, 1967.

وصلات خارجية

• Holmium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)