HOLMIUM: HISTOIRE, PROPRIÉTÉS, STRUCTURE CHIMIQUE ET UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

L' holmium est un élément métallique appartenant au bloc f du tableau périodique, plus précisément à la période des lanthanides. C'est donc un membre des terres rares, avec l'erbium, l'yttrium, le dysprosium et l'ytterbium. Tous ces éléments constituent une série de minéraux (xénotime ou gadolinite) difficiles à séparer par les méthodes chimiques conventionnelles.

Son symbole chimique est Ho, ayant un numéro atomique de 67, et étant moins abondant que ses voisins dysprosium (₆₆ Dy) et erbium (₆₈ Er). On dit alors qu'il obéit à la règle Oddo-Harkins. L'holmium est l'un de ces métaux rares que presque personne ne connaît ou soupçonne de son existence; même chez les chimistes, il est rarement mentionné très souvent.

Échantillon ultrapure d'holmium métallique. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques

Dans les domaines de la médecine, l'holmium est connu pour l'utilisation de son laser en chirurgie pour lutter contre les maladies de la prostate. Il représente également le matériau prometteur pour la fabrication d'électroaimants et d'ordinateurs quantiques, en raison de ses propriétés magnétiques inhabituelles.

Les composés trivalents de l'holmium, Ho ³⁺, ont la particularité de présenter une couleur dépendante de la lumière avec laquelle ils sont irradiés. S'il est fluorescent, la couleur de ces composés passe du jaune au rose. De la même manière, cela arrive avec ses solutions.

L'histoire

La découverte de l'holmium est attribuée à deux chimistes suisses, Marc Delafontaine et Jacques-Louis Soret, qui en 1878 l'ont détecté par spectroscopie lors de l'analyse de minéraux de terres rares à Genève. Ils l'ont appelé élément X.

Un an plus tard, en 1879, le chimiste suédois Per Teodor Cleve réussit à séparer l'oxyde d'holmium à partir de l'erbia, l'oxyde d'erbium (Er ₂ O ₃). Cet oxyde, contaminé par d'autres impuretés, présentait une couleur brune, qu'il nomma «holmia», qui signifie Stockholm en latin.

De plus, Cleve a obtenu un autre matériau vert: le «thulia», qui est l'oxyde de thulium. Le problème de cette découverte est qu'aucun des trois chimistes n'a pu obtenir un échantillon d'oxyde d'holmium suffisamment pur, car il était contaminé par des atomes de dysprosium, un autre lanthanide métallique.

Ce n'est qu'en 1886 que le chimiste français, Paul Lecoq de Boisbaudran, a isolé l'oxyde d'holmium par précipitation fractionnée. Cet oxyde a ensuite été soumis à des réactions chimiques pour produire des sels d'holmium, qui ont été réduits en 1911 par le chimiste suédois Otto Holmberg; et ainsi, les premiers échantillons d'holmium métallique sont apparus.

Cependant, aujourd'hui, les ions holmium, Ho ³⁺, sont extraits par chromatographie d'échange d'ions, au lieu de recourir à des réactions conventionnelles.

Propriétés de l'holmium

Apparence physique

Métal argenté, mou, ductile et malléable.

Numéro atomique

67 (₆₇ Ho)

Masse molaire

164,93 g / mol

Point de fusion

1461 ºC

Point d'ébullition

2600 ºC

Densité

À température ambiante: 8,79 g / cm ³

Juste au moment où il fond ou fond: 8,34 g / cm ³

Température de fusion

17 kJ / mol

Chaleur de vaporisation

251 kJ / mol

Capacité thermique molaire

27,15 J / (mol K)

Electronégativité

1,23 sur l'échelle de Pauling

Énergies d'ionisation

Premièrement: 581,0 kJ / mol (Ho ⁺ gazeux)

Deuxième: 1140 kJ / mol (Ho ²⁺ gazeux)

Troisième: 2204 kJ / mol (Ho ³⁺ gazeux)

Conductivité thermique

16,2 W / (m K)

Résistivité électrique

814 nΩ m

Numéros d'oxydation

L'holmium peut être présent dans ses composés avec les nombres ou états d'oxydation suivants: 0, +1 (Ho ⁺), +2 (Ho ²⁺) et +3 (Ho ³⁺). De tous, le +3 est de loin le plus courant et le plus stable. Par conséquent, l'holmium est un métal trivalent, formant des composés (ioniques ou partiellement ioniques) où il participe en tant qu'ion Ho ³⁺.

Par exemple, dans les composés suivants, l'holmium a un indice d'oxydation de +3: Ho ₂ O ₃ (Ho ₂ ³⁺ O ₃ ^2-), Ho (OH) ₃, HoI ₃ (Ho ³⁺ I ₃ ^-) et Ho ₂ (SO ₄) ₃.

Ho ³⁺ et ses transitions électroniques sont responsables de l'apparition des composés de ce métal dans des couleurs brun-jaune. Cependant, lorsqu'ils sont irradiés avec une lumière fluorescente, ils deviennent roses. Il en va de même pour leurs solutions.

Les isotopes

L'holmium est présent dans la nature sous la forme d'un seul isotope stable: ¹⁶⁵ Ho (abondance à 100%). Cependant, il existe des radio-isotopes artificiels avec de longues demi-vies. Entre eux, nous avons:

- ¹⁶³ Ho (t _1/2 = 4570 ans)

- ¹⁶⁴ Ho (t _1/2 = 29 minutes)

- ¹⁶⁶ Ho (t _1/2 = 26 763 heures)

- ¹⁶⁷ Ho (t _1/2 = 3,1 heures)

Ordre et moment magnétiques

L'holmium est un métal paramagnétique, mais il peut devenir ferromagnétique à une température de 19 K, présentant de très fortes propriétés magnétiques. Il est également caractérisé par ayant le plus grand moment magnétique (10,6 μ _B) parmi tous les éléments chimiques, ainsi qu'une perméabilité magnétique inhabituelle.

Réactivité

L'holmium est un métal qui ne rouille pas trop rapidement dans des conditions normales, il faut donc du temps pour perdre son éclat. Cependant, lorsqu'il est chauffé avec un briquet, il devient jaunâtre, en raison de la formation d'une couche d'oxyde:

4 Ho + 3 O ₂ → 2 Ho ₂ O ₃

Réagit avec les acides dilués ou concentrés pour produire leurs sels respectifs (nitrates, sulfates, etc.). Cependant et de manière surprenante, il ne réagit pas avec l'acide fluorhydrique, puisqu'une couche de HoF _{3 le} protège de sa dégradation.

L'holmium réagit également avec tous les halogènes pour produire leurs halogénures respectifs (HoF ₃, HoCl ₃, HoBr ₃ et HoI ₃).

Structure chimique

L'holmium se cristallise en une structure hexagonale compacte, hcp (hexagonale compacte). En théorie, les atomes Ho restent cohésifs grâce à la liaison métallique formée par les électrons de leurs orbitales 4f, selon leur configuration électronique:

4f ¹¹ 6s ²

De telles interactions, ainsi que l'arrangement énergétique de ses électrons, définissent les propriétés physiques de l'holmium. Aucun autre allotrope ou polymorphe n'est connu de ce métal, même sous haute pression.

Applications

Réactions nucléaires

L'atome d'holmium est un bon absorbeur de neutrons, c'est pourquoi il aide à contrôler le développement des réactions nucléaires.

Spectroscopie

Les solutions d'oxyde d'holmium sont utilisées pour calibrer les spectrophotomètres, car leur spectre d'absorption reste presque toujours constant, quelles que soient les impuretés qu'il contient. Il présente également des bandes nettes très caractéristiques associées à l'atome d'holmium, et non à ses composés.

Colorant

Les atomes d'holmium sont capables de fournir une coloration rougeâtre aux gemmes de verre et de zircone cubique artificielle.

Aimants

À des températures extrêmement basses (30K ou moins), l'holmium présente des propriétés magnétiques intéressantes, qui sont utilisées pour fabriquer des électroaimants puissants, où il aide à concentrer le champ magnétique résultant.

De tels matériaux magnétiques sont destinés à la résonance magnétique nucléaire; pour le développement de disques durs, avec des mémoires qui oscillent dans l'ordre des pétaoctets ou téraoctets; et éventuellement la fabrication d'ordinateurs quantiques.

Laser Holmium

Un cristal de grenat d'yttrium-aluminium (YAG) peut être dopé avec des atomes d'holmium pour émettre un rayonnement d'une longueur d'onde de 2 µm; c'est-à-dire que nous avons un laser holmium. Grâce à lui, le tissu tumoral peut être coupé avec précision sans provoquer de saignement, car l'énergie fournie cautérise immédiatement les plaies.

Ce laser a été utilisé à plusieurs reprises dans les chirurgies de la prostate et dentaires, ainsi que pour éliminer les cellules cancéreuses et les calculs rénaux.

Références

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