Holmium(III)-oxid

Holmium(III)-oxid , auch Holmiumoxid genannt _, ist eine chemische Verbindung des Seltenerdelements Holmium und Sauerstoff mit der Formel Ho₂O₃ . Zusammen mit Dysprosium(III)-oxid (Dy₂O₃ ₎ zählt Holmiumoxid zu den stärksten bekannten paramagnetischen Substanzen. Das Oxid, auch Holmia genannt , kommt als Bestandteil des verwandten Erbiumoxid- _Minerals Erbia vor . Typischerweise kommen _die Oxide der dreiwertigen Lanthanide in der Natur gemeinsam vor, und ihre Trennung erfordert spezielle Verfahren. Holmiumoxid wird zur Herstellung von Spezialgläsern verwendet . Gläser, die Holmiumoxid enthalten, sowie Holmiumoxidlösungen weisen im sichtbaren Spektralbereich eine Reihe scharfer optischer Absorptionsmaxima auf . Daher werden sie traditionell als praktischer Kalibrierstandard für optische Spektrophotometer eingesetzt .

Holmiumoxid zeigt je nach Lichtverhältnissen recht deutliche Farbveränderungen. Bei Tageslicht erscheint es gelblich-bräunlich. Unter trichromatischem Licht leuchtet es in einem feurigen Orangerot, das sich kaum von Erbiumoxid unter denselben Lichtverhältnissen unterscheidet. Dies hängt mit den scharfen Emissionsbanden des Leuchtstoffs zusammen. ^{[ 2 ]} Holmiumoxid besitzt eine große Bandlücke von 5,3 eV ^{[ 1 ]} und sollte daher farblos erscheinen. Die gelbe Farbe entsteht durch zahlreiche Gitterdefekte (wie Sauerstoffleerstellen) und ist auf interne Übergänge der Ho³⁺ ^- Ionen zurückzuführen. ^{[ 2 ]}

Holmiumoxid besitzt eine kubische , jedoch recht komplexe Bixbyit- Struktur mit vielen Atomen pro Elementarzelle und einer großen Gitterkonstante von 1,06 nm. Diese Struktur ist charakteristisch für Oxide schwerer Seltenerdelemente _wie Tb₂O₃ _{, Dy₂O₃} , Er₂O₃ , _Tm₂O₃ , _Yb₂O₃ und Lu₂O₃ . _{Der thermische Ausdehnungskoeffizient von} Ho₂O₃ _{ist mit} ^7,4 × ^10⁻⁶ _/ ° C ebenfalls _relativ ^hoch . ^[ ₃ ]

Die Behandlung von Holmiumoxid mit Chlorwasserstoff oder mit Ammoniumchlorid liefert das entsprechende Holmiumchlorid : ^{[ 4 ].}

Ho ₂ O ₃ + 6 NH ₄ Cl → 2 HoCl ₃ + 6 NH ₃ + 3 H ₂ O

Holmium(III)-oxid kann bei hohen Temperaturen auch mit Schwefelwasserstoff zu Holmium(III)-sulfid reagieren. ^{[ 5 ]}

Holmium ( Holmia , lateinisch für Stockholm ) wurde 1878 von Marc Delafontaine und Jacques-Louis Soret entdeckt , die die ungewöhnlichen Absorptionsbanden des damals unbekannten Elements (sie nannten es „Element X“) bemerkten. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Später im selben Jahr entdeckte Per Teodor Cleve das Element unabhängig davon bei seinen Arbeiten an Erbiumoxid ( Erbium- Erde ). ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Mithilfe der von Carl Gustaf Mosander entwickelten Methode entfernte Cleve zunächst alle bekannten Verunreinigungen aus Erbia. Dabei entstanden zwei neue Materialien, ein braunes und ein grünes. Er nannte die braune Substanz Holmia (nach dem lateinischen Namen von Cleves Heimatstadt Stockholm) und die grüne Thulia. Später stellte sich heraus, dass es sich bei Holmia um Holmiumoxid und bei Thulia um Thuliumoxid handelte . ^{[ 10 ]}

Holmium oxidiert leicht an der Luft; daher ist das Vorkommen von Holmium in der Natur gleichbedeutend mit dem von Holmia. Holmiumoxid kommt in Spuren in den Mineralien Gadolinit , Monazit und anderen Seltenerdmineralien vor .

Ein typischer Holmiumoxid-Extraktionsprozess lässt sich vereinfacht wie folgt darstellen: Die Mineralgemische werden zerkleinert und gemahlen. Monazit kann aufgrund seiner magnetischen Eigenschaften durch wiederholte elektromagnetische Trennung abgetrennt werden. Nach der Trennung wird er mit heißer, konzentrierter Schwefelsäure behandelt , um wasserlösliche Sulfate verschiedener Seltenerdelemente zu erhalten. Die sauren Filtrate werden mit Natriumhydroxid teilweise auf pH 3–4 neutralisiert. Thorium fällt als Hydroxid aus und wird abgetrennt. Anschließend wird die Lösung mit Ammoniumoxalat versetzt , um die Seltenerdelemente in ihre unlöslichen Oxalate zu überführen . Die Oxalate werden durch Glühen in Oxide umgewandelt. Die Oxide werden in Salpetersäure gelöst , die einen der Hauptbestandteile, Cer , ausschließt, da dessen Oxid in _HNO₃ unlöslich ist .

Die effizienteste Methode zur Trennung von Holmiumoxid und Seltenerdmetallen ist der Ionenaustausch . Dabei werden Seltenerdionen durch Austausch mit im Harz vorhandenen Wasserstoff-, Ammonium- oder Kupfer(II)-Ionen an ein geeignetes Ionenaustauscherharz adsorbiert. Anschließend werden die Seltenerdionen selektiv mit einem geeigneten Komplexbildner, wie beispielsweise Ammoniumcitrat oder Nitrilotriacetat, ausgewaschen. ^{[ 4 ]}

Holmiumoxid ist eines der Farbmittel, die für Zirkonoxid und Glas verwendet werden und eine gelbe oder rote Färbung erzeugen. ^{[ 11 ]} Holmiumoxidhaltiges Glas und Holmiumoxidlösungen (üblicherweise in Perchlorsäure ) weisen scharfe optische Absorptionsmaxima im Spektralbereich von 200–900 nm auf. Sie werden daher als Kalibrierstandard für optische Spektrophotometer verwendet ^{[ 12 ] [ 13 ]} und sind kommerziell erhältlich. ^{[ 14 ]} Wie die meisten anderen Oxide von Seltenerdelementen wird Holmiumoxid als Spezialkatalysator, Leuchtstoff und Lasermaterial eingesetzt . Der Holmiumlaser arbeitet bei einer Wellenlänge von etwa 2,08 Mikrometern, entweder im Puls- oder im Dauerstrichbetrieb. Dieser Laser ist augensicher und wird in der Medizin, in Lidarsystemen , bei Windgeschwindigkeitsmessungen und in der Atmosphärenüberwachung eingesetzt . ^{[ 15 ]}

Holmium(III)-oxid ist im Vergleich zu vielen anderen Verbindungen nicht sehr gefährlich, obwohl wiederholte Überdosierung Granulome und Hämoglobinämie verursachen kann . Es weist eine geringe orale, dermale und inhalative Toxizität auf und ist nicht reizend. Die akute orale mittlere letale Dosis (LD_₅₀ ) beträgt mehr als 1 g pro Kilogramm Körpergewicht. ^{[ 16 ]}