Holmium

Vorlage:Infobox Chemisches Element

Holmium ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ho und der Ordnungszahl 67. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden. Holmium ist ein graues, weiches und duktiles Metall, welches relativ korrosionsbeständig ist. Holmium wurde bereits 1878 entdeckt, reines Holmium wurde jedoch erst 1939 isoliert. Es findet sich in den Mineralen Gadolinit und Monazit. Holmium ist nur wenig toxisch, eine biologische Funktion ist jedoch nicht bekannt. Es gibt nur wenige Verwendungen von Holmium.

Geschichte

1878 entdeckten die Schweizer Chemiker Marc Delafontaine und Jacques-Louis Soret durch spektroskopische Analysen, dass das 1843 von Carl Gustav Mosander entdeckte Erbiumoxid ein weiteres Element enthalten muss, das sie vorläufig X nannten. Unabhängig davon untersuchte der schwedische Chemiker Per Teodor Cleve ebenfalls Erbiumoxid und fand bei spektroskopischen Untersuchungen von Erbiumsalzlösungen, dass diese aus drei Elementen bestehen müssen. Die beiden neben Erbium identifizierten Elemente nannte er Thulium nach einer alten Bezeichnung von Skandinavien und Holmium nach der schwedischen Hauptstadt Stockholm.<ref>Per Teodor Cleve: Sur deux nouveaux éléments dans l'erbine. In: Comptes Rendus. 1879, 89, S. 479–481 (Vorlage:Gallica).</ref> Kurze Zeit später erkannte er, dass Holmium und das von Soret entdeckte X identisch sind.<ref>Per Teodor Cleve: Sur l'erbine. In: Comptes Rendus. 1979, 89, S. 708–709 (Vorlage:Gallica).</ref>

In der Folge versuchten Cleve und andere, durch fraktionierte Kristallisation reines Holmiumoxid darzustellen, scheiterten aber immer wieder. Während dieser Versuche konnte der französische Chemiker Paul Émile Lecoq de Boisbaudran 1866 zeigen, dass im Holmiumoxid ein weiteres Element enthalten ist, das er Dysprosium nannte.<ref>Paul Émile Lecoq de Boisbaudran: L'holmine (ou terre X de M. Soret) contient au moins deux radicaux métalliques. In: Comptes Rendus. 1866, 102, S. 1003–1006 (Vorlage:Gallica).</ref> Die Gewinnung von reinem Holmiumoxid gelang 1911 dem schwedischen Chemiker Otto Holmberg aus 29 kg Euxenit als Ausgangsstoff. Er kombinierte dabei die fraktionierte Kristallisation verschiedener Salze, unter anderem von Oxalaten, m-Nitrobenzolsulfonaten und Nitraten miteinander, bis er alle anderen Elemente abgetrennt hatte. Schließlich konnte er die Atommasse des neuen Elements bestimmen.<ref>Otto Holmberg: Beiträge zur Kenntnis des Holmiums. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1911, Band 71, Nummer 1, S. 226–235 Vorlage:DOI.</ref>

Metallisch reines Holmium wurde erstmals 1939 hergestellt.<ref>Heinrich Bommer: Kristallstruktur und magnetisches Verhalten des metallischen Holmiums. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1939, Band 242, Nummer 3. S. 277–280 Vorlage:DOI.</ref>

Vorkommen

Holmium ist auf der Erde ein seltenes Element, seine Häufigkeit in der kontinentalen Erdkruste beträgt etwa 1,3 ppm. Unter den Lanthanoiden zählt es zu den seltensten Elementen, nur Terbium, Thulium, Lutetium und das radioaktive Promethium sind seltener.<ref>Vorlage:CRC Handbook</ref> Unter den Seltenen Erden wird es mit Yttrium und den Elementen von Terbium bis Lutetium zu den schweren Seltenen Erden (Heavy Rare Earth Elements, HREE) gezählt.

Wie alle Seltenen Erden ist Holmium lithophil und daher vor allem in der kontinentalen Erdkruste zu finden, nur wenig im Erdmantel. Seltene Erden werden zudem zu den inkompatiblen Elementen gezählt, jedoch ist es bei verschiedenen Gesteinen und Lanthanoiden unterschiedlich ausgeprägt. Während leichte Lanthanoide stark inkompatibel sind, ist dies bei schweren weniger der Fall. Vor allem in Granat werden HREE wie Holmium bevorzugt eingebaut.<ref>Martin Okrusch, Hartwig E. Frimmel: Mineralogie. 10. Auflage, Springer, 2022, ISBN 978-3-662-64064-7, S. 765–769.</ref>

Es sind keine Holmiuminerale bekannt, das Element kommt stets vergesellschaftet mit anderen schweren Seltenerdelementen in Erzen vor. Die wichtigsten holmiumhaltigen Minerale sind Xenotim, Gadolinit-(Y), Bastnäsit, Allanit und Britholit.<ref name="EncyclopediaGeochem">Scott M. McLennan: Holmium. In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 683–684.</ref> Der Holmiumgehalt von Xenotim liegt je nach Probe bei 1 bis 1,3 %<ref>Xenotim. In: John W. Anthony, Richard A. Bideaux, Kenneth W. Bladh, Monte C. Nichols (Hrsg.): Handbook of Mineralogy, Mineralogical Society of America. 2001 (handbookofmineralogy.org [PDF; 67 kB; abgerufen am 31. Oktober 2025]).</ref>

Die kommerziell wichtigste Quelle für Holmium sind ionenadsorbierende Tonminerale (Regolith-hosted ion-adsorption deposits, IADs). Diese entstehen bei der Verwitterung von Muttergesteinen vor allem in den Subtropen und adsorbieren die in den Ausgangsgesteinen enthaltenen Seltenerdmetalle. IAD-Vorkommen besitzen zwar nur einen relativ geringen Anteil an Seltenerdelementen von 0,05 bis 0,2 %, diese lassen sich jedoch relativ einfach durch Auslaugen aus den Tonmineralen lösen.<ref name="SupergeneMineralDeposits">Charles D. Beard, Eva Marquis, Martin P. Smith, Martin Yan Hei Li, Guillaume Estrade, Kathryn M. Goodenough: Ion Adsorption Mineralisation in Regolith-Hosted REE Deposits. In: Rob J. Bowell, Charles R. M. Butt (Hrsg.): Geology, Geochemistry and Formation of Supergene Mineral Deposits in Deeply Weathered Terrain. Springer, 2025, ISBN 978-3-031-75732-7, S. 365–367.</ref>

Die wichtigsten Vorkommen von ionenadsorbierenden Tonmineralen liegen im Süden Chinas, aber auch in Myanmar, Vietnam, Malawi, Brasilien, den Philippinen und den Vereinigten Staaten sind Vorkommen bekannt. Kommerziell ausgebeutet werden vor allem die Vorkommen in Südchina und Myanmar.<ref name="Nature Communications">A. Borst, Martin Smith, Adrian A. Finch, Guillaume Estrade, Cristina Villanova-de-Benavent, Peter Nason, Eva Marquis, Nicola J. Horsburgh, Kathryn Goodenough, Cheng Xu, Jindřích Kynický, Kalotina Geraki: Adsorption of rare earth elements in regolith-hosted clay deposits. In: Nature Communications. 2020, Band 11, Nummer 1 Vorlage:DOI.</ref> Die chinesischen Tonmineral-Vorkommen enthalten etwa 1,7 ppm Holmium, es sind noch einige Vorkommen mit höheren Gehalten von bis zu 15 ppm in einer kleinen, sehr HREE-reichen Lagerstätte in Penco, Chile bekannt.<ref>Kenneth D. Collerson, Roussos Dimitrakopoulos, Guy Greville: A Meaningful metric to compare the value and Prospectivity of Clay-Hosted regolith rare earth element deposits. In: Ore Geology Reviews. Band 180, 2025, Artikel 106582, Vorlage:DOI.</ref>

Gewinnung und Darstellung

Nach einer aufwändigen Abtrennung der anderen Holmiumbegleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zum Holmiumfluorid umgesetzt. Anschließend wird mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zum metallischen Holmium reduziert. Die verbleibenden Calciumreste und Verunreinigungen werden in einer zusätzlichen Umschmelzung im Vakuum abgetrennt.

Eigenschaften

Datei:Holmium 1.jpg

Holmium

Das silberweiß glänzende Metall der Seltenen Erden ist weich und schmiedbar.

Holmium weist besondere magnetische Eigenschaften auf. In seinen ferromagnetischen Eigenschaften ist es dem Eisen weit überlegen. Holmium besitzt zusammen mit Dysprosium das höchste magnetische Moment (10,6 μ_B) aller natürlich vorkommenden chemischen Elemente.<ref name="am dy" /><ref name="am ho" /> Mit Yttrium bildet es magnetische Verbindungen.

In trockener Luft ist Holmium relativ beständig, in feuchter oder warmer Luft läuft es unter Bildung einer gelblichen Oxidschicht schnell an. Bei Temperaturen oberhalb von 150 °C verbrennt es zum Sesquioxid Ho₂O₃. Mit Wasser reagiert es unter Wasserstoffentwicklung zum Hydroxid. In Mineralsäuren löst es sich unter Bildung von Wasserstoff auf.

In seinen Verbindungen liegt es in der Oxidationszahl +3 vor, die Ho³⁺-Kationen bilden in Wasser gelbe Lösungen. Unter besonderen reduktiven Bedingungen kann bei den Chloriden auch die Oxidationszahl +2 realisiert werden, z. B. im Holmium(II,III)chlorid Ho₅Cl₁₁, allerdings existiert das reine Holmium(II)chlorid nicht.

Isotope

Holmium ist ein Reinelement: Es hat mit ¹⁶⁵Ho nur ein einziges stabiles Isotop.

Verwendung

Wegen seiner hervorragenden magnetischen Eigenschaften verwendet man Polschuhe aus Holmium für Hochleistungsmagnete zur Erzeugung stärkster Magnetfelder.

Weitere Anwendungen:

Magnetblasenspeicher unter Verwendung von Dünnschichtlegierungen aus Holmium-Eisen, Holmium-Nickel und Holmium-Cobalt.
Steuerstäbe in Brutreaktoren.
Dotierung von Yttrium-Eisen-Granat (YIG), Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) und Yttrium-Lithium-Fluorid (YLF) für Festkörperlaser (Holmium-Laser mit einer Emissionswellenlänge von 2,1 µm<ref name="test">Vorlage:Webarchiv (PDF; 46 kB).</ref>) und Mikrowellenbauteile in der Medizintechnik.
Holmiumoxid zur Erzeugung von gelbem Glas u. a. wegen seiner scharfen Absorptionsbanden für Kalibrierfunktionen für Photometer.<ref name="Holmiumküvette">starna.de: Holmiumglas - UV und sichtbare Wellenlänge.</ref>