钬是什么?
钬(符号Ho)是元素周期表中的第67号元素,属于6周期的镧系元素。 在所有天然存在的原子中,具有最强磁矩的元素。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。
测量值
每个条形图显示钬在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径176 pm——即0.176 nm,因此大约2.84百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
钬在1259 K的范围内呈液态,温度从1734 K到2993 K。
背后的故事
在所有天然存在的原子中,具有最强磁矩的元素。
发现者:Per Teodor Cleve,瑞典乌普萨拉(1878年)
共同发现者:Marc Delafontaine和Jacques-Louis Soret,瑞士日内瓦(1878年)
名称来源:Holmia,瑞典斯德哥尔摩的拉丁名称
钬的发现是科学家同时取得科学成果的非凡案例。1878年,欧洲两端的两个独立研究小组使用不同的分析方法确定了同一种新元素,展示了19世纪分析化学的可重复性和严谨性。
Per Teodor Cleve在瑞典乌普萨拉大学工作期间,研究稀土氧化物“铒土”,并注意到表明存在未知元素的光谱异常。通过系统的分步结晶技术,Cleve将铒土分离为三种成分,并在此过程中发现了钬和铥。
与此同时,Marc Delafontaine和Jacques-Louis Soret在日内瓦大学对稀土矿物开展独立的光谱研究。他们更先进的光谱设备揭示了与任何已知元素都不匹配的特征吸收线。
瑞士团队的光谱分析为Cleve的化学分离工作提供了关键确认。他们结合起来的证据使国际科学界相信钬确实是一种独立的元素。
起初,两个团队分别为他们发现的元素提出了不同名称。Cleve以斯德哥尔摩(拉丁语为Holmia)命名为“holmium”,而瑞士团队则根据他们的光谱发现方法偏好“spectrium”。科学界最终采用了Cleve的命名。
直到1911年才获得纯钬化合物,当时氧化钬终于从所有其他稀土杂质中分离出来。直到1934年,才通过钙还原氟化钬分离出金属钬。
钬的发现促进了对稀土化学的理解,并证明了将化学分离与光谱分析相结合的力量。这种协作方法后来成为发现其他稀土元素的标准方法。
如今,钬独特的磁性——19世纪的发现者对此一无所知——使其成为先进医疗程序和科学研究不可或缺的材料。这种曾经只是科学好奇对象的元素,如今通过钬激光医疗程序每天挽救生命。
用途
钬具有所有天然存在元素中最高的磁矩,因此对于需要极端磁性性质的大量应用而言不可或缺。这种非凡的稀土元素已在先进医疗程序、科学研究以及依赖精确磁控的尖端技术中发挥关键作用。
钬:YAG(钇铝石榴石)激光已经改变了现代医学,尤其是在泌尿科、骨科和皮肤科领域。这些专用激光以2.1微米波长发射,能被水和软组织完美吸收,从而实现极其精确的切割,同时将附带损伤降至最低。钬激光可以粉碎肾结石、去除肿瘤,并以前所未有的精度完成精细的关节镜手术。
钬优异的中子吸收性质使其在核反应堆控制应用中极具价值。钬控制棒和中子通量监测器有助于以极高精度调节核反应。该元素独特的核性质能够实现反应堆安全运行,并在研究和发电设施中进行准确的中子探测。
研究实验室在需要尽可能高磁场的专用永磁体和电磁体中使用钬。钬基磁性材料推动了凝聚态物理、材料科学和基本粒子物理实验中的突破性研究。
掺钬光纤系统在电信和激光技术中发挥着关键作用。这些专用光纤能够产生特定波长的激光,这是长距离光通信和精密光谱学应用所必需的。
钬氧化物玻璃是全球紫外-可见分光光度计的波长校准标准。其特征吸收峰为分析仪器提供精确的参考点,确保药品质量控制、环境分析和材料测试的准确性。
钬的磁性能够用于专用制造设备中的超精密定位系统和磁轴承。这些应用需要只有钬才能提供的极高磁稳定性。
虽然钬的应用高度专业化,但它们在价值数十亿美元的行业中承担着关键功能。仅医疗激光系统就代表着$4 billion的全球市场,钬激光凭借优越的性能特征而享有溢价。
钬的需求受到老龄化人口对更多医疗程序的需求、不断扩大的核能计划以及先进电信基础设施发展的推动。主要应用领域的市场年均增长率为8-12%。
新兴应用包括量子计算组件、磁制冷系统和先进医学成像造影剂。钬独特的磁性持续开辟新的技术可能性。
来源
地壳中含量为1.3 mg/kg · 比53%的元素更丰富
钬在地壳中的平均含量为1.3ppm,虽然比银更丰富,但仍极其稀有。尽管相对稀缺,世界各地的大多数稀土矿床中都能发现微量钬。
中国(占产量的85%):内蒙古白云鄂博矿和中国南方的离子吸附型黏土矿床提供了大部分商业钬。中国生产商已经开发出针对重稀土回收优化的专用分离技术。
澳大利亚:Mount Weld稀土项目在处理混合稀土精矿时作为副产品生产钬。
美国:加利福尼亚州Mountain Pass矿含有含钬氟碳铈矿,但目前的开采重点是轻稀土回收。
由于钬与其他镧系元素具有相似的化学性质,其分离需要复杂的多阶段工艺。使用特定螯合剂的离子交换色谱可以将钬与相邻元素铒和镝分离。为了达到医疗和科学应用所需的99.9%纯度,完全提纯可能需要50-100个分离阶段。
深海结核和海底沉积物含有大量钬,尤其是太平洋矿床中的钬。这些非常规来源可能会在陆地储量面临枯竭时变得重要。
从报废医疗设备和实验室仪器中回收钬的重要性正在提高。专用回收工艺可以从激光组件和光学设备中回收高纯度钬,但目前的回收率仍然很低。
由于其他镧系元素会产生光谱干扰,准确分析钬需要使用ICP-MS(电感耦合等离子体质谱)等先进技术。在高价值应用中,精确定量对于质量控制至关重要。
处理
钬及其化合物的毒性风险相对较低,但仍需要采取适当的实验室安全措施。医用级钬材料要求最高等级的纯度和处理标准。
激光安全:钬:YAG激光会发射不可见的2.1μm辐射,需要专用眼部防护和受控进入程序。必须遵守4类激光安全规程。
粉尘控制:氧化钬粉末可能引起轻微呼吸道刺激。保持良好通风,避免产生空气传播的粉尘。
医用级钬化合物必须符合USP(美国药典)的纯度和无菌标准。处理过程需要采用药品级洁净室程序和污染控制措施。
将钬化合物储存在密封严实的容器中,远离水分和不相容材料。医用级材料需要受控的温度和湿度条件,以保持无菌状态。
应单独收集含钬废物,以便进行潜在回收,因为钬价值高且应用专业化。无论钬含量如何,医疗废物都必须按照生物危害废物处理程序处置。
工作场所暴露限值:钬化合物按8小时加权平均计算为5mg/m³。建议在生产设施中定期进行空气监测。
快速解答
钬(符号Ho)是元素周期表中的第67号元素,属于6周期的镧系元素。 在所有天然存在的原子中,具有最强磁矩的元素。 在室温下为固态。
[Xe] 4f¹¹ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 29, 8, 2。钬在1734 K(1460.9 °C)熔化,在2993 K(2719.9 °C)沸腾。
钬的标准原子量为164.93 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
钬的密度为8.79 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钬块约重8.8倍。
钬的鲍林电负性为1.23。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。
钬由Soret & Delafontaine于1879年发现。 它以拉丁语 Holmia,斯德哥尔摩命名。
钬约占地壳的1.3 mg/kg——不常见,但并不稀有。