Holmio

El holmio es un elemento químico con el símbolo Ho y el número atómico 67. Es un elemento de tierras raras y el undécimo miembro de la serie de los lantánidos. Es un metal relativamente blando, plateado, bastante resistente a la corrosión y maleable. Como muchos otros lantánidos, el holmio es demasiado reactivo para encontrarse en forma nativa, ya que el holmio puro forma lentamente una capa de óxido amarillento cuando se expone al aire. Cuando está aislado, el holmio es relativamente estable en aire seco a temperatura ambiente. Sin embargo, reacciona con el agua y se corroe fácilmente, y también se quema en el aire cuando se calienta.

En la naturaleza, el holmio se presenta junto con otros metales de tierras raras (como el tulio). Es un lantánido relativamente raro, que constituye 1,4 partes por millón de la corteza terrestre, una abundancia similar a la del tungsteno. El holmio fue descubierto a través del aislamiento por el químico sueco Per Theodor Cleve e independientemente por Jacques-Louis Soret y Marc Delafontaine, quienes lo observaron espectroscópicamente en 1878. Su óxido fue aislado por primera vez de minerales de tierras raras por Cleve en 1878. El nombre del elemento proviene de Holmia, el nombre en latín de la ciudad de Estocolmo.

Como muchos otros lantánidos, el holmio se encuentra en los minerales monacita y gadolinita y normalmente se extrae comercialmente de la monacita mediante técnicas de intercambio iónico. Sus compuestos en la naturaleza y en casi toda su química de laboratorio se oxidan trivalentemente y contienen iones Ho(III). Los iones de holmio trivalentes tienen propiedades fluorescentes similares a muchos otros iones de tierras raras (a la vez que producen su propio conjunto de líneas de luz de emisión únicas) y, por lo tanto, se usan de la misma manera que otras tierras raras en ciertas aplicaciones de láser y colorantes de vidrio.

El holmio tiene la permeabilidad magnética y la saturación magnética más altas de todos los elementos y, por lo tanto, se utiliza para las piezas polares de los imanes estáticos más potentes. Debido a que el holmio absorbe fuertemente los neutrones, también se usa como veneno combustible en los reactores nucleares.

Características

Propiedades físicas

Holmium es el undécimo miembro de la serie de los lantánidos. En la tabla periódica, aparece entre los lantánidos disprosio a su izquierda y erbio a su derecha, y por encima del actínido einstenio. Es un elemento relativamente blando y maleable que es bastante resistente a la corrosión y estable en aire seco a temperatura y presión estándar. Sin embargo, en aire húmedo ya temperaturas más altas, se oxida rápidamente y forma un óxido amarillento. En forma pura, el holmio posee un brillo metálico plateado brillante. Con un punto de ebullición de 2727 °C, el holmio es el sexto lantánido más volátil después del iterbio, el europio, el samario, el tulio y el disprosio. En condiciones ambientales, el holmio, como muchos de la segunda mitad de los lantánidos, normalmente asume una estructura compacta hexagonal (hcp). Sus 67 electrones están dispuestos en la configuración [Xe]4f6s _

El óxido de holmio tiene algunos cambios de color bastante dramáticos dependiendo de las condiciones de iluminación. A la luz del día, tiene un color amarillo tostado. Bajo la luz tricromática, es de color rojo anaranjado intenso, casi indistinguible de la apariencia del óxido de erbio bajo las mismas condiciones de iluminación. El cambio de color percibido está relacionado con las bandas de absorción nítidas de holmio que interactúan con un subconjunto de las bandas de emisión nítidas de los iones trivalentes de europio y terbio, que actúan como fósforos.

El holmio, como todos los lantánidos (excepto el lantano, el iterbio y el lutecio, que no tienen electrones 4f desapareados), es paramagnético en condiciones ambientales, pero es ferromagnético a temperaturas inferiores a19 k. Tiene el momento magnético más alto (10,6 μ _B) de cualquier elemento natural y posee otras propiedades magnéticas inusuales. Cuando se combina con itrio, forma compuestos altamente magnéticos.

Isótopos

El holmio natural consta de un isótopo estable, el holmio-165. Se conocen 35 isótopos radiactivos sintéticos; el más estable es el holmio-163, con una vida media de 4570 años. Todos los demás radioisótopos tienen vidas medias en estado fundamental no superiores a 1,117 días, con el más largo (Ho) con una vida media de 26,83 horas, y la mayoría tienen vidas medias inferiores a 3 horas. Sin embargo, el metaestable Ho tiene una vida media de alrededor de 1200 años debido a su alto espín. Este hecho, combinado con una alta energía de excitación que da como resultado un espectro particularmente rico de rayos gamma de desintegración producidos cuando el estado metaestable se desexcita, hace que este isótopo sea útil en experimentos de física nuclear como un medio para calibrar las respuestas energéticas y las eficiencias intrínsecas de los espectrómetros de rayos gamma..

Propiedades químicas

El holmio se deslustra lentamente en el aire, formando una capa de óxido amarillento como el óxido de hierro. Se quema fácilmente para formar óxido de holmio (III):4 Ho + 3 O ₂ → 2 Ho ₂ O ₃

El holmio es bastante electropositivo y generalmente es trivalente. Reacciona lentamente con agua fría y bastante rápido con agua caliente para formar hidróxido de holmio:2 Ho (s) + 6 H ₂ O (l) → 2 Ho (OH) ₃ (aq) + 3 H ₂ (g)

El holmio metálico reacciona con todos los halógenos estables:2 Ho (s) + 3 F ₂ (g) → 2 HoF ₃ (s) [rosa]2 Ho (s) + 3 Cl ₂ (g) → 2 HoCl ₃ (s) [amarillo]2 Ho (s) + 3 Br ₂ (g) → 2 HoBr ₃ (s) [amarillo]2 Ho (s) + 3 I ₂ (g) → 2 HoI ₃ (s) [amarillo]

El holmio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen los iones amarillos Ho(III), que existen como complejos [Ho(OH ₂) ₉ ]:2 Ho (s) + 3 H ₂ SO ₄ (ac) → 2 Ho (ac) + 3 SO₄(ac) + 3 H ₂ (g)

Estados de oxidación

Como ocurre con muchos lantánidos, el holmio se encuentra normalmente en el estado de oxidación +3, formando compuestos como el fluoruro de holmio(III) (HoF ₃) y el cloruro de holmio(III) (HoCl ₃). El holmio en solución está en forma de Ho rodeado por nueve moléculas de agua. El holmio se disuelve en ácidos. Sin embargo, se encuentra que el holmio también existe en los estados de oxidación +2, +1 y 0.

Compuestos de organoholmio

Los compuestos de organoholmio son muy similares a los de los otros lantánidos, ya que todos comparten la incapacidad de sufrir enlaces π. Por lo tanto, están restringidos principalmente a los ciclopentadienuros en su mayoría iónicos (isoestructurales con los del lantano) y los alquilos y arilos simples con enlaces σ, algunos de los cuales pueden ser poliméricos.

Historia

El holmio (Holmia, nombre latino de Estocolmo) fue descubierto por Jacques-Louis Soret y Marc Delafontaine en 1878, quienes notaron las bandas de absorción espectrográficas aberrantes del elemento entonces desconocido (lo llamaron "Elemento X").

Además, Per Teodor Cleve descubrió el elemento de forma independiente mientras trabajaba en la tierra erbia (óxido de erbio) y fue el primero en aislarlo. Utilizando el método desarrollado por Carl Gustaf Mosander, Cleve primero eliminó todos los contaminantes conocidos de erbia. El resultado de ese esfuerzo fueron dos nuevos materiales, uno marrón y otro verde. Llamó a la sustancia marrón holmia (por el nombre en latín de la ciudad natal de Cleve, Estocolmo) y a la verde thulia. Más tarde se descubrió que Holmia era el óxido de holmio y que Thulia era el óxido de tulio.

En el artículo clásico de Henry Moseley sobre números atómicos, al holmio se le asignó un número atómico de 66. Evidentemente, la preparación de holmio que le habían dado para investigar había sido sumamente impura, dominada por el disprosio vecino (y no trazado). Habría visto líneas de emisión de rayos X para ambos elementos, pero asumió que los dominantes pertenecían al holmio, en lugar de la impureza de disprosio.

Ocurrencia y producción

Como todas las demás tierras raras, el holmio no se encuentra naturalmente como elemento libre. Ocurre combinado con otros elementos en gadolinita (la parte negra del espécimen ilustrado a la derecha), monacita y otros minerales de tierras raras. Aún no se ha encontrado ningún mineral con dominancia de holmio. Las principales zonas mineras son China, Estados Unidos, Brasil, India, Sri Lanka y Australia con reservas de holmio estimadas en 400.000 toneladas.

El holmio constituye 1,4 partes por millón de la masa de la corteza terrestre. Esto lo convierte en el 56º elemento más abundante en la corteza terrestre. El holmio constituye 1 parte por millón de los suelos, 400 partes por cuatrillón de agua de mar y casi nada de la atmósfera terrestre, lo cual es muy raro para un lantánido. Constituye 500 partes por billón del universo en masa.

Se extrae comercialmente por intercambio iónico de la arena de monacita (0,05 % de holmio), pero sigue siendo difícil de separar de otras tierras raras. El elemento ha sido aislado mediante la reducción de su cloruro o fluoruro anhidro con calcio metálico.Su abundancia estimada en la corteza terrestre es de 1,3 mg/kg. El holmio obedece la regla de Oddo-Harkins: como elemento impar, es menos abundante que sus vecinos pares inmediatos, el disprosio y el erbio. Sin embargo, es el más abundante de los lantánidos pesados ​​impares. De los lantánidos, solo el prometio, el tulio, el lutecio y el terbio son menos abundantes en la Tierra. La principal fuente de corriente son algunas de las arcillas de adsorción de iones del sur de China. Algunos de estos tienen una composición de tierras raras similar a la que se encuentra en la xenotima o la gadolinita. El itrio constituye alrededor de 2/3 del total en masa; el holmio ronda el 1,5%. Los minerales originales en sí mismos son muy magros, tal vez solo un 0,1% de lantánidos totales, pero se extraen fácilmente. El holmio es relativamente económico para un metal de tierras raras con un precio de alrededor de 1000 USD/kg.

Aplicaciones

El holmio tiene la fuerza magnética más alta de cualquier elemento y, por lo tanto, se usa para crear los campos magnéticos generados artificialmente más fuertes, cuando se coloca dentro de imanes de alta fuerza como una pieza polar magnética (también llamado concentrador de flujo magnético). También se utiliza en la fabricación de algunos imanes permanentes. Dado que puede absorber neutrones generados por la fisión nuclear, también se usa como veneno combustible para regular los reactores nucleares.

El granate de hierro itrio dopado con holmio (YIG) y el fluoruro de litio itrio (YLF) tienen aplicaciones en láseres de estado sólido, y el Ho-YIG tiene aplicaciones en aisladores ópticos y en equipos de microondas (p. ej., esferas YIG). Los láseres de holmio emiten a 2,1 micrómetros. Se utilizan en aplicaciones médicas, dentales y de fibra óptica.

El holmio es uno de los colorantes utilizados para la zirconia cúbica y el vidrio, proporcionando una coloración amarilla o roja. El vidrio que contiene óxido de holmio y soluciones de óxido de holmio (generalmente en ácido perclórico) tiene picos de absorción óptica agudos en el rango espectral de 200 a 900 nm. Por lo tanto, se utilizan como estándar de calibración para espectrofotómetros ópticos y están disponibles comercialmente.

El Ho radiactivo pero de larga duración (ver "Isótopos" arriba) se usa en la calibración de espectrómetros de rayos gamma.

En marzo de 2017, IBM anunció que había desarrollado una técnica para almacenar un bit de datos en un solo átomo de holmio sobre un lecho de óxido de magnesio.

Con suficientes técnicas de control clásicas y cuánticas, Ho podría ser un buen candidato para hacer computadoras cuánticas.

Rol biológico

El holmio no juega ningún papel biológico en los humanos, pero sus sales pueden estimular el metabolismo. Los seres humanos suelen consumir alrededor de un miligramo de holmio al año. Las plantas no absorben fácilmente el holmio del suelo. Se midió el contenido de holmio de algunas verduras, y ascendió a 100 partes por billón.

Toxicidad

Grandes cantidades de sales de holmio pueden causar daños graves si se inhalan, se consumen por vía oral o se inyectan. Se desconocen los efectos biológicos del holmio durante un largo período de tiempo. El holmio tiene un bajo nivel de toxicidad aguda.