El holmio se sintetiza en las estrellas principalmente mediante el proceso s (captura lenta de neutrones) que ocurre en estrellas AGB (gigantes asintóticas) de baja a media masa, con una contribución significativa del proceso r (captura rápida de neutrones) durante eventos explosivos como las supernovas. Los modelos de nucleosíntesis estiman que aproximadamente el 65-75% del holmio solar proviene del proceso s, y el 25-35% del proceso r. Como lantánido con un número impar de protones (67), es menos abundante que sus vecinos pares (disprosio-66 y erbio-68) según la regla de Oddo-Harkins.
La abundancia cósmica del holmio es de aproximadamente 5,0×10⁻¹³ veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo hace unas 4 veces menos abundante que el disprosio y uno de los lantánidos menos abundantes junto con el tulio y el lutecio. Esta rareza relativa refleja tanto su posición en el "valle" de las abundancias de las tierras raras pesadas como el hecho de que tiene un número impar de protones, lo que lo hace menos estable y, por lo tanto, menos producido en los procesos de nucleosíntesis estelar.
El holmio se utiliza en astrofísica como trazador adicional para estudiar las relaciones entre los procesos s y r. La relación holmio/europio (Ho/Eu) proporciona información complementaria a otras relaciones de lantánidos. Dado que el europio se produce casi exclusivamente por el proceso r, una relación Ho/Eu alta indica una mayor contribución del proceso s. El holmio también se estudia en estrellas ricas en elementos del proceso s (estrellas de bario) para restringir mejor los modelos de nucleosíntesis en las estrellas AGB.
La detección del holmio en las atmósferas estelares es difícil debido a la debilidad de sus líneas espectrales, pero se ha logrado en algunas estrellas gracias a espectrógrafos modernos de alta resolución y alta relación señal/ruido. Las líneas del ion Ho II son las más utilizadas para estos análisis. Las abundancias medidas de holmio en estrellas de diferentes poblaciones (halo, disco) contribuyen a reconstruir la historia de la nucleosíntesis de las tierras raras pesadas en la Galaxia.
El holmio toma su nombre de Holmia, el nombre latino de la ciudad de Estocolmo, capital de Suecia. Este nombre fue elegido para honrar la ciudad natal de varios químicos que contribuyeron al descubrimiento de las tierras raras, así como la región donde se encuentra la mina de Ytterby (fuente de muchas tierras raras). Al igual que el terbio, el erbio y el iterbio, el nombre recuerda los orígenes suecos de estos descubrimientos.
El holmio fue descubierto de manera independiente y casi simultánea en 1878 por dos grupos de investigadores. Primero, el químico suizo Marc Delafontaine y el físico suizo Jacques-Louis Soret observaron líneas espectrales desconocidas en muestras de erbia (óxido de erbio) y anunciaron el descubrimiento de un nuevo elemento al que llamaron "Elemento X". Poco después, el químico sueco Per Teodor Cleve en Uppsala, trabajando con los mismos materiales, aisló independientemente el holmio y le dio su nombre definitivo.
Per Teodor Cleve (1840-1905) es generalmente acreditado con el descubrimiento del holmio porque logró separar dos nuevos óxidos de la erbia: uno marrón al que llamó holmia (óxido de holmio) y uno verde al que llamó tulia (óxido de tulio). Cleve utilizó métodos de cristalización fraccionada repetida e identificó las propiedades espectrales distintivas del holmio. Demostró que se trataba de un nuevo elemento y no de una impureza del erbio conocido.
El aislamiento del holmio en forma pura fue extremadamente difícil debido a su gran similitud química con otras tierras raras pesadas, en particular el disprosio y el erbio. Solo con el desarrollo de las técnicas de intercambio iónico a mediados del siglo XX el holmio de alta pureza estuvo disponible. El metal en sí se produjo por primera vez en 1911 mediante la reducción del cloruro de holmio con sodio metálico.
El holmio está presente en la corteza terrestre a una concentración promedio de aproximadamente 1,3 ppm (partes por millón), lo que lo convierte en uno de los lantánidos más raros, comparable al terbio y al tulio. Es unas 4 veces menos abundante que el disprosio. Los principales minerales que contienen holmio son la bastnasita ((Ce,La,Nd,Ho)CO₃F) y la monacita ((Ce,La,Nd,Ho,Th)PO₄), donde representa típicamente del 0,05 al 0,1% del contenido total de tierras raras, y la xenotima (YPO₄) donde puede estar ligeramente más concentrado.
La producción mundial de óxido de holmio (Ho₂O₃) es de aproximadamente 10 toneladas por año, lo que lo convierte en una de las tierras raras menos producidas. Debido a su rareza y aplicaciones especializadas de alto valor añadido, el holmio es una de las tierras raras más caras, con precios típicos de 1.000 a 2.500 dólares por kilogramo de óxido. China domina ampliamente la producción con más del 90% del total mundial.
El holmio metálico se produce principalmente mediante reducción metalotérmica del fluoruro de holmio (HoF₃) con calcio metálico en atmósfera inerte de argón. La producción anual mundial de holmio metálico es de aproximadamente 1 a 2 toneladas. El reciclaje del holmio sigue siendo muy limitado debido a las pequeñas cantidades utilizadas y la dificultad de recuperarlo de productos complejos, pero podría ganar importancia con el desarrollo de aplicaciones médicas y láser.
El holmio (símbolo Ho, número atómico 67) es el undécimo elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 67 protones, 98 neutrones (para el único isótopo estable \(\,^{165}\mathrm{Ho}\)) y 67 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f¹¹ 6s². Esta configuración confiere al holmio propiedades magnéticas excepcionales.
El holmio es un metal plateado, maleable y relativamente blando. Presenta una estructura cristalina hexagonal compacta (HC) a temperatura ambiente. El holmio posee propiedades magnéticas excepcionales: tiene el momento magnético más alto de todos los elementos naturales (10,6 μB). Es paramagnético a temperatura ambiente y se vuelve antiferromagnético por debajo de 132 K (-141 °C), luego presenta una estructura magnética helicoidal compleja por debajo de 20 K (-253 °C). A muy baja temperatura (inferior a 20 K), se vuelve ferromagnético.
El holmio se funde a 1474 °C (1747 K) y hierve a 2700 °C (2973 K). Como la mayoría de los lantánidos, presenta puntos de fusión y ebullición elevados. El holmio presenta una transformación alotrópica a 1425 °C donde su estructura cristalina pasa de hexagonal compacta (HC) a cúbica centrada (CC). Su conductividad eléctrica es mediocre, unas 20 veces inferior a la del cobre. El holmio también presenta magnetorresistencia gigante a baja temperatura.
El holmio es relativamente estable al aire seco a temperatura ambiente, pero se oxida lentamente para formar un óxido Ho₂O₃ de color amarillo a marrón. Se oxida más rápidamente cuando se calienta y arde para formar el óxido: 4Ho + 3O₂ → 2Ho₂O₃. El holmio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de holmio(III) Ho(OH)₃ y desprender hidrógeno. Se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos. El metal debe conservarse bajo aceite mineral o en atmósfera inerte.
Punto de fusión del holmio: 1747 K (1474 °C).
Punto de ebullición del holmio: 2973 K (2700 °C).
Temperatura de Néel (transición antiferromagnética): 132 K (-141 °C).
Temperatura de transición al orden helicoidal: 20 K (-253 °C).
Estructura cristalina a temperatura ambiente: Hexagonal compacta (HC).
Momento magnético: 10,6 μB (el más alto de los elementos naturales).
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Holmio-165 — \(\,^{165}\mathrm{Ho}\,\) | 67 | 98 | 164,930322 u | ≈ 100 % | Estable | Único isótopo estable natural del holmio. Posee el espín nuclear más alto de todos los isótopos estables (7/2). |
| Holmio-163 — \(\,^{163}\mathrm{Ho}\,\) | 67 | 96 | 162,928736 u | Sintético | ≈ 4.570 años | Radiactivo (CE). Isótopo de larga duración utilizado en investigación fundamental. |
| Holmio-166 — \(\,^{166}\mathrm{Ho}\,\) | 67 | 99 | 165,932281 u | Sintético | ≈ 26,8 horas | Radiactivo (β⁻). Emisor beta y gamma, utilizado en medicina nuclear para radioterapia. |
| Holmio-166m — \(\,^{166m}\mathrm{Ho}\,\) | 67 | 99 | 165,932281 u | Sintético | ≈ 1.200 años | Isómero nuclear metaestable. Emisor gamma intenso, utilizado en investigación y calibración. |
| Holmio-167 — \(\,^{167}\mathrm{Ho}\,\) | 67 | 100 | 166,933133 u | Sintético | ≈ 3,1 horas | Radiactivo (β⁻). Utilizado en investigación y medicina nuclear. |
N.B. :
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El holmio tiene 67 electrones repartidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica [Xe] 4f¹¹ 6s² presenta once electrones en la subcapa 4f. Esta configuración también puede escribirse como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(29) P(2), o de manera completa: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹¹ 5s² 5p⁶ 6s².
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones repartidos en 2s² 2p⁶. Esta capa está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones repartidos en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye a la pantalla electrónica.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones repartidos en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable.
Capa O (n=5): contiene 29 electrones repartidos en 5s² 5p⁶ 4f¹¹ 5d⁰. Los once electrones 4f confieren al holmio sus propiedades magnéticas excepcionales.
Capa P (n=6): contiene 2 electrones en la subcapa 6s². Estos electrones son los electrones de valencia externos del holmio.
El holmio tiene efectivamente 13 electrones de valencia: once electrones 4f¹¹ y dos electrones 6s². El holmio presenta exclusivamente el estado de oxidación +3 en sus compuestos estables. En este estado, el holmio pierde sus dos electrones 6s y un electrón 4f para formar el ion Ho³⁺ con la configuración electrónica [Xe] 4f¹⁰. Este ion tiene diez electrones en la subcapa 4f y presenta un fuerte momento magnético (10,6 μB), el más alto de todos los iones de tierras raras.
A diferencia de algunos lantánidos como el europio o el iterbio, el holmio no forma estados de oxidación +2 o +4 estables en condiciones normales. Algunos compuestos de holmio(II) han sido sintetizados en condiciones extremas, pero son muy inestables y de interés solo en el laboratorio. El estado +3 es, por lo tanto, el único significativo química y tecnológicamente.
La química del holmio está dominada por el estado +3. El ion Ho³⁺ tiene un radio iónico de 104,1 pm (para una coordinación 8) y forma complejos generalmente de color amarillo pálido en solución acuosa. Sus propiedades magnéticas excepcionales se explotan en materiales magnéticos y sistemas de refrigeración magnética. Las sales de holmio también presentan luminiscencia, aunque menos intensa que la de otros lantánidos como el europio o el terbio.
El holmio metálico es relativamente estable al aire seco a temperatura ambiente, formando una fina capa protectora de óxido Ho₂O₃. A temperaturas elevadas (por encima de 200 °C), se oxida rápidamente y arde para formar el óxido: 4Ho + 3O₂ → 2Ho₂O₃. El óxido de holmio(III) es un sólido de color amarillo a marrón con una estructura cúbica tipo C-tierra rara. En polvo fino, el holmio es pirofórico y puede inflamarse espontáneamente al aire.
El holmio reacciona lentamente con el agua fría y más rápidamente con el agua caliente para formar hidróxido de holmio(III) Ho(OH)₃ y desprender gas hidrógeno: 2Ho + 6H₂O → 2Ho(OH)₃ + 3H₂↑. El hidróxido precipita como un sólido gelatinoso de blanco a amarillo pálido poco soluble. Como con otros lantánidos, la reacción no es violenta pero es observable a largo plazo.
El holmio reacciona con todos los halógenos para formar los trihaluros correspondientes: 2Ho + 3F₂ → 2HoF₃ (fluoruro amarillo pálido); 2Ho + 3Cl₂ → 2HoCl₃ (cloruro amarillo). El holmio se disuelve fácilmente en ácidos minerales diluidos (ácido clorhídrico, sulfúrico, nítrico) con desprendimiento de hidrógeno y formación de las sales correspondientes de Ho³⁺: 2Ho + 6HCl → 2HoCl₃ + 3H₂↑.
El holmio reacciona con el hidrógeno a temperaturas moderadas (300-400 °C) para formar el hidruro HoH₂, luego HoH₃ a temperaturas más altas. Con el azufre, forma el sulfuro Ho₂S₃. Reacciona con el nitrógeno a alta temperatura (>1000 °C) para formar el nitruro HoN, y con el carbono para formar el carburo HoC₂. El holmio también forma complejos de coordinación con ligandos orgánicos, aunque esta química está menos desarrollada que para algunos otros lantánidos.
La propiedad más notable del holmio es su momento magnético excepcional. El ion Ho³⁺ tiene el momento magnético más alto de todos los iones de tierras raras (10,6 μB) debido a la combinación óptima de sus once electrones 4f. Este fuerte momento magnético se explota en varias aplicaciones. Además, el holmio metálico presenta el momento magnético más alto de todos los elementos naturales. A baja temperatura, presenta estructuras magnéticas complejas (helicoidales) que lo convierten en un material modelo para el estudio del magnetismo en sólidos.
La aplicación más importante del holmio es su uso como ion activo en láseres de estado sólido, en particular el láser Ho:YAG. En este láser, los iones Ho³⁺ se incorporan en un cristal de YAG (granate de itrio y aluminio, Y₃Al₅O₁₂). El láser Ho:YAG emite en el infrarrojo medio a una longitud de onda de 2,1 micrómetros (2100 nm), lo que ofrece ventajas únicas para aplicaciones médicas e industriales.
El láser Ho:YAG se utiliza ampliamente en cirugía mínimamente invasiva, especialmente en urología:
Los láseres Ho:YAG también se utilizan en odontología y ortopedia (cirugía articular). Un láser médico típico contiene unos pocos gramos de holmio en el cristal activo.
Fuera de la medicina, los láseres Ho:YAG se utilizan para:
Las variantes incluyen láseres Ho:YLF (fluoruro de itrio y litio), láseres de fibra dopados con holmio y láseres Ho:YAG bombeados por diodos (más compactos y eficientes). Se están realizando investigaciones para desarrollar láseres Ho:YAG de mayor potencia y sistemas integrados para nuevas aplicaciones médicas.
Al igual que el disprosio, el holmio puede utilizarse como aditivo en imanes permanentes de neodimio-hierro-boro (Nd-Fe-B) para mejorar sus propiedades, en particular la coercitividad (resistencia a la desimantación) y la estabilidad térmica. El holmio sustituye al neodimio en la estructura cristalina y, gracias a su fuerte momento magnético y alta anisotropía magnética, aumenta la energía necesaria para invertir la imantación. Sin embargo, su uso es menos común que el del disprosio debido a su mayor costo y eficacia ligeramente inferior para ciertas propiedades.
El holmio se utiliza en algunos imanes permanentes de muy alto rendimiento, a menudo en combinación con otras tierras raras como el samario, el terbio y el disprosio. Estos imanes se utilizan en aplicaciones militares, aeroespaciales y de investigación donde el rendimiento es más importante que el costo. Los imanes de samario-cobalto (SmCo) también pueden doparse con holmio para mejorar ciertas propiedades.
Debido a su fuerte momento magnético, el holmio se estudia como componente en materiales magnetocalóricos para la refrigeración magnética. La refrigeración magnética es una tecnología emergente que utiliza el efecto magnetocalórico (cambio de temperatura de un material magnético cuando se somete a un campo magnético) para producir frío. Las aleaciones que contienen holmio pueden presentar un efecto magnetocalórico importante, especialmente a baja temperatura.
El holmio tiene una sección transversal de absorción de neutrones térmicos alta (aproximadamente 64 barns para el isótopo Ho-165). Esta propiedad permite utilizar el holmio en las barras de control de los reactores nucleares, aunque su uso es menos común que el del boro, el cadmio o el gadolinio debido a su costo. El holmio a veces se utiliza en aplicaciones especializadas o como veneno consumible en algunos combustibles nucleares experimentales.
El isótopo radiactivo holmio-166 (⁶⁶Ho) se utiliza en medicina nuclear para radioterapia. El Ho-166 es un emisor beta con una vida media de 26,8 horas y también emite rayos gamma detectables. Se utiliza en varias formas:
El Ho-166 presenta la ventaja de una vida media relativamente corta que limita la exposición del paciente, y una emisión beta de buena energía para un tratamiento efectivo, emitiendo también rayos gamma que permiten la imagen (teragnóstico).
Los compuestos de holmio confieren una coloración amarilla a rosada a los vidrios y cerámicas. Esta propiedad se utiliza en aplicaciones decorativas y en algunos filtros ópticos. El holmio también se utiliza como patrón de longitud de onda en espectrofotómetros UV-Vis, ya que sus soluciones presentan bandas de absorción muy definidas a longitudes de onda específicas.
El holmio-165 a veces se utiliza como patrón interno en espectrometría de masas para el análisis de tierras raras, debido a su masa atómica bien definida y la ausencia de interferencias isotópicas con la mayoría de los otros elementos.
Las fibras ópticas dopadas con holmio se utilizan como amplificadores ópticos en telecomunicaciones, en particular para amplificar señales alrededor de 2,1 µm. También se utilizan en láseres de fibra para diversas aplicaciones industriales y médicas.
El holmio y sus compuestos presentan una baja toxicidad química, comparable a la de otros lantánidos. Las sales solubles pueden causar irritaciones cutáneas, oculares y respiratorias. No se han demostrado efectos de toxicidad aguda grave ni carcinogénicos. La DL50 (dosis letal mediana) de las sales de holmio en animales es similar a la de otros lantánidos (típicamente >500 mg/kg). El holmio no tiene un papel biológico conocido.
Al igual que otros lantánidos, el holmio se acumula preferentemente en el hígado y los huesos en caso de exposición, con una eliminación muy lenta (período biológico de varios años para la fracción ósea). La exposición de la población general es extremadamente baja, principalmente limitada a los trabajadores de las industrias pertinentes.
Para el isótopo Ho-166 utilizado en medicina nuclear, se requieren precauciones de radioprotección durante la manipulación, administración y almacenamiento de residuos. El personal médico debe seguir los protocolos estándar de radioprotección para emisores beta/gamma.
Los impactos ambientales están relacionados con la minería de tierras raras en general, y no específicamente con el holmio. Como con otras tierras raras pesadas, la extracción de un kilogramo de holmio requiere el procesamiento de grandes cantidades de mineral, generando residuos y significativos impactos ambientales.
El reciclaje del holmio es muy limitado debido a las pequeñas cantidades utilizadas y la dificultad de recuperarlo de productos finales complejos (láseres, imanes). Sin embargo, con el desarrollo de aplicaciones médicas (láseres) y el posible aumento de la demanda, el reciclaje podría volverse más importante en el futuro. Las técnicas de reciclaje serían similares a las utilizadas para otras tierras raras (hidrometalurgia, pirometalurgia).
La exposición profesional ocurre en plantas de producción de tierras raras, fabricación de cristales láser y establecimientos médicos que utilizan láseres Ho:YAG o Holmio-166. Se aplican precauciones estándar para polvos metálicos y radiaciones (para Ho-166).
