Осмий (лат. Osmium) - химический элемент с атомным номером 76 в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, обозначается символом Os. При стандартных условиях представляет собой блестящий серебристо-белый с голубоватым отливом металл.
Осмий самый тяжелый из всех металлов (его плотность 22,6 г/см3) и один из самых твердых, но при этом хрупкий, и из него легко получается порошок. Он является переходным металлом и относится к платиновой группе.
Осмий открыт в 1804 английским химиком С. Теннантом в черном порошке, остающемся после растворения платины в царской водке. Для него характерно образование тетраоксида OsO 4 с резким запахом. Отсюда и название элемента, происходящее от греческого «осме» - запах.
Внешне осмий мало отличается от других металлов платиновой группы, но именно у него самые высокие температуры плавления и кипения среди всех металлов этой группы, именно он наиболее тяжел. Его же можно считать наименее «благородным» из платиноидов, поскольку в мелкораздробленном состоянии кислородом воздуха он окисляется уже при комнатной температуре.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСМИЯ
Осмий самый плотный драгоценный металл . Он по плотности немного превосходит платиновый элемент - иридий. Наиболее достоверные значения плотностей для этих металлов могут быть рассчитаны по параметрам их кристаллических решёток: 22,562 ± 0,009 г/см3 для иридия и 22,587 ± 0,009 г/см3 для осмия. По новейшим сведениям, плотность осмия составляет 22,61 г/см3.
В силу своей твёрдости, хрупкости, низкого давления паров (самого низкого среди всех платиновых металлов), а также очень высокой температуры плавления, осмий с трудом поддаётся механической обработке.
Термодинамические свойства:
- температура плавления 3327 K (3054 °C);
- температура кипения 5300 K (5027 °C);
- теплота плавления 31,7 кДж/моль;
- теплота испарения 738 кДж/моль;
- теплопроводность (300 K) (87,6) Вт/(м·К);
- температура перехода в сверхпроводящее состояние - 0,66 К;
- молярная теплоёмкость 24,7 Дж/(K·моль).
Молярный объём 8,43 см3/моль.
Структура решётки гексагональная.
Твёрдость по Виккерсу 3 - 4 ГПа, по шкале Мооса – 7.
Модуль нормальной упругости - 56,7 ГПа.
Модуль сдвига - 22 ГПа.
Осмий - парамагнетик (магнитная восприимчивость 9,9·10-6).
В природе осмий встречается в виде семи изотопов, 6 из которых стабильны: 184Os (0,018 %), 187Os (1,64 %), 188Os (13,3 %), 189Os (16,1 %), 190Os (26,4 %) и 192Os (41,1 %). Осмий-186 (содержание в земной коре 1,59 %) подвержен альфа-распаду, но учитывая его исключительно большой период полураспада - (2,0 ± 1,1)·1015 лет, его можно считать практически стабильным. Искусственным путём получены радиоактивные изотопы осмия с массовыми числами от 162 до 197, а также несколько ядерных изомеров. Самый долгоживущий осмий-194 с периодом полураспада около 700 дней.
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОСМИЯ
Порошок осмия при нагревании реагирует с кислородом, галогенами, парами серы, селеном, теллуром, фосфором, азотной и серной кислотами. Компактный осмий не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, но с расплавами щелочей образует водорастворимые осматы. Медленно реагирует с азотной кислотой и царской водкой, реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей (нитрата или хлората калия), с расплавленной перекисью натрия. В соединениях проявляет степени окисления от -2 до +8, из которых самыми распространёнными являются +2, +3, +4 и +8. Металлический осмий и все его соединения электрохимически легко окисляются до OsO4.
Для осмия, в отличие от большинства элементов VIII группы, характерна валентность 8+, и он образует с кислородом устойчивую четырехокись OsO4. Это своеобразное соединение, несомненно, является его самым важным.
Внешне чистая четырехокись осмия выглядит достаточно обычно – бледно-желтые кристаллы, растворимые в воде и четыреххлористом углероде. При температуре около 40°C (есть две модификации OsO4 с близкими точками плавления) они плавятся, а при 130°C четырехокись осмия закипает.
Как и элементарный осмий, OsO4 обладает каталитическими свойствами; OsO4 применяют при синтезе важнейшего современного лекарственного препарата – кортизона.
Оксид осмия очень летуч, его пары OsO4 ядовиты, разъедают слизистые оболочки. Он имеет кислотные свойства, образует соединения типа K2OsO4.
Другой окисел осмия – OsO2 – нерастворимый в воде черный порошок – практического значения не имеет. Также не нашли пока практического применения и другие известные его соединения – хлориды и фториды, иодиды и оксихлориды, сульфид OsS2 и теллурид OsTe2 – черные вещества со структурой пирита, а также многочисленные комплексы и большинство сплавов осмия.
Для осмия сейчас известны два карбонила. Пентакарбонил Os(CO)5 – в обычных условиях бесцветная жидкость (температура плавления – 15°C). Получают его при 300°C и 300 атм. из четырехокиси осмия и угарного газа. При обычных температуре и давлении Os(CO)5 постепенно переходит в другой карбонил состава Os3(CO)12 – желтое кристаллическое вещество, плавящееся при 224°C.
Нахождение в природе
В природе осмий встречается в основном в виде соединения с иридием, входящим в состав либо самородной платины , либо платиново-палладиевой руды. Минералы, считающиеся сырьем для добычи осмия, содержат в среднем одну тысячную процента тяжелого «родственника» платины. За все время изысканий не было добыто ни одного осмиевого самородка – даже самого незначительного размера.
Основные минералы осмия, относящиеся к классу твёрдых растворов, природные сплавы осмия и иридия (невьянскит и сысертскит). Самый распространенный из них – невьянскит, природный сплав этих двух металлов. Иридия в нем больше, поэтому невьянскит часто называют просто осмистым иридием. Зато другой минерал – сысертскит – называют иридистым осмием – в нем больше осмия. Оба эти минерала тяжелые, с металлическим блеском и очень редки.
Основные месторождения осмистых иридиев сосредоточены в России (Сибирь, Урал), США (Аляска, Калифорния), Колумбии, Канаде, странах Южной Африки, Тасмании, Австралии.
Несмотря на то, что месторождения осмия расположены по всему миру, единственным производителем 187 изотопа является Казахстан. Эта страна лидирует по запасам ценного осмия-187, являясь и единственным экспортером изотопа.
Получение осмия
Чтобы отделить от платины осмистый иридий её растворяют в царской водке, минералы группы осмистого иридия остаются в осадке. Далее полученный осадок сплавляют с восьмикратным количеством цинка – этот сплав сравнительно просто превратить в порошок, который спекают с перекисью бария BaO3. Затем полученную массу обрабатывают смесью азотной и соляной кислот непосредственно в перегонном аппарате – для отгонки OsO4.
Тетраоксид осмия улавливают щелочным раствором и получают соль состава Na2OsO4. Раствор этой соли обрабатывают гипосульфитом, после чего осмий осаждают хлористым аммонием в виде соли Фреми Cl2. Осадок промывают, фильтруют, а затем прокаливают в восстановительном пламени. Так получают пока еще недостаточно чистый губчатый осмий.
Затем его очищают, обрабатывая кислотами (HF и HCl), и довосстанавливают в электропечи в струе водорода. После охлаждения получают металл чистотой до 99,9% Os.
Такова классическая схема получения осмия – металла, который применяют пока крайне ограниченно, металла очень дорогого, но достаточно полезного. Мировое производство осмий составляет всего около 600 кг в год.
Все страны, добывающие осмий, не экспортируют его. Все, кроме Казахстана. Это единственная страна, которая продавала полученный осмий в лабораториях по цене 100 000 долларов за грамм. Однако на сегодняшний день продажи прекращены. Приобрести осмий можно только на черном рынке , где много лет зафиксировалась цена за 1 грамм в 200 000 долларов.
Применение
Осмий используется во многих сплавах, что делает их очень износостойкими. Если добавить осмий в какой-нибудь сплав, то он тут же приобретает неимоверную износостойкость, становится долговечным, повышается его сопротивляемость механическим воздействиям и коррозиям.
Легирование сплавов – одна из главных задач, решение которой иногда возлагается на осмий. В соединении с вольфрамом, никелем и кобальтом осмий становится «работником» электрохимической отрасли. Контакты, наконечники и сердечники из содержащих осмий сплавов славятся минимальным износом.
Внедрение твердого и тяжелого платиноида в материал резко повышает износостойкость трущихся пар. Совсем немного осмия нужно для придания металлокерамическому резцу особой прочности. Микроскопические добавки осмия к стали режущих сортов позволяют создавать острейшие лезвия технических, медицинских, промышленных ножей.
Сплав платины (90 %) и осмия (10 %) применяется в хирургических имплантатах, таких, как электрокардиостимуляторы, и при замещении клапанов лёгочного ствола.
Сплав «осрам» (осмия с вольфрамом) использовался для изготовления нитей ламп накаливания.
Поскольку осмий не имеет магнитных свойств, его активно используют при создании часовых механизмов и компасов.
Осмиевые катализаторы используются при гидрировании органических соединений, в производстве лекарств, при синтезе аммиака. Тетраоксид (высший оксид, OsO4) осмия находит своё применение, как катализатор, при производстве некоторых синтетических лекарств, а также в лабораторных исследованиях – с его помощью удобно окрашивать ткани под микроскопом.
Из твердого и немагнитного осмия изготавливают оси, опоры и опорные гнезда для измерительных приборов высокой точности. И хотя рубиновые опоры тверже и дешевле осмиевых, стойкость металла иногда оказывается предпочтительной для приборостроения.
Биологическая роль и физиологическое действие
Современные ученые уверены, что биологической роли данный металл не играет. Однако, этот элемент классифицируется как крайне агрессивный, наряду с такими металлами как ртуть, бериллий и висмут.
Даже малые количества осмия в воздухе вызывают у человека поражение глаз – боль, слезотечение и конъюнктивит; во рту появляется металлический привкус, а в бронхах – спазмы; дышать становится трудно, и это может продолжаться несколько часов после того, как источник отравления ликвидирован. Если осмий действует на человека дольше, он может вызвать слепоту, заболевания лёгких и нервной системы, нарушения пищеварения и работы почек – возможен даже смертельный исход.
Кроме того, от этого микроэлемента страдают кожные покровы человека. Они могут приобретать зеленый и черный цвета, на коже могут появляться воспаления, раны и волдыри. Кожа человека может потерять чувствительность и омертветь. Язвы при таком отравлении, затягиваются очень длительное время.
Особенно опасен летучий тетраоксид осмия. Он образуется в процессе выделения данного элемента из платинового сырья. Это то самое вещество, из-за которого элемент получил не слишком завидное наименование. Раздражая дыхательные пути и слизистые оболочки человека, он воспринимается как испарение от гниющей редьки, смешанной с давленым чесноком и засыпанной хлорной известью.
Получить интоксикацию осмием можно на различных производствах. Ученые считают, что в помещениях этого вещества быть не должно даже в очень малых дозах.
Осмий представляет собой химический элемент из соответствующей системы химических элементов. В обычном состоянии является переходным металлом платиновой группы в виде блестящего белого металла серебристого оттенка с голубым отливом. Данный вид материалов обладает наибольшим показателем плотности среди других наряду с иридием, однако, последний немного проигрывает.
Этот вид материалов выделяют из сырья платиновых металлов обогащенного типа, путем прокалывания при температуре от 800 до 900 градусов Цельсия на воздухе.
Таблица удельного веса осмия
Так как, осмий является сложным материалом, рассчитать его удельный вес в полевых условиях самостоятельно не представляется возможным. Эти вычисления проводят в специальных химических лабораториях. Однако, при этом средний удельный вес осмия известен и равен 22,61 г/см3.
Для упрощения подсчетов ниже представлена таблица с значениями удельного веса осмия, а также его веса в зависимости от единиц исчисления.
Свойства осмия
Данный материал является хрупким, но в тоже время, очень твердым металлом с большой удельной массой. Механической обработке поддается с трудом, из-за хрупкости, твердости и высокой температуре плавления, а также низкого давления паров. Температура плавления осмия составляет 3033 градусов Цельсия, а кипения 5012 градусов Цельсия. Данный вид материалов относят к группе парамагнетиков.
Осмий в состоянии порошка хорошо реагирует с галогенами, селеном, фосфором, кислородом, парами серы, серной и азотной кислотой при нагревании. Не взаимодействует в компактном виде с щелочами и кислотами. Обладает низкой скоростью реакции с царской водкой и азотной кислотой.
Данный вид материалов является одним из немногих металлов, которые образуют кластерные или полиядерные соединения.
Не оказывает никакого влияния на биологическую роль живых организмов и является крайне токсичным.
Получение осмия
В естественном виде в природе не найден. Этот материал всегда связан с другим видом металла платиновой группы - иридием. Добывают осмий наряду с платиной. При обработке которой выделяется осмистый иридий, который разделяют на отдельные компоненты - иридий и осмий. Затем осмий очищают, поддают процессу обработки кислотами и восстанавливают водородом в электропечи, получая в итоге, чистый металл с концентрацией до 99,9 процентов.
Применение осмия
Широкое распространение получил как катализатор реакций и компонент сплавов с иридием. Из основных направлений следует выделить:
Большинство людей считают, что ничего дороже золота, серебра и платины на свете нет. Но на самом деле есть несколько веществ, цена за грамм которых, превышает аналогичную трех перечисленных выше металлов. Один из них мы сегодня разберем. Это осмий, цена за 1 грамм в рублях которого, впечатлит любого человека.
В 1803 году английский химик Смитсон Теннант открыл Os, обнаружив его в осадке, который появился после того, как ученый растворил платину в водке царской. Параллельно велись опыты во Франции, где химики Воклен и Антуан ДеФуркруа также выявили неизвестный элемент в осадке, оставшемся от растворения платиновой руды. Сначала новый элемент назвали «птен» (в переводе с греческого «крылатый»). Но дальнейшие исследования позволили определить, что это не один элемент, а смесь двух – иридия и осмия.
Официально новые вещества были задокументированы в послании Тенанта Королевскому Клубу Лондона в июне 1804 года.
Физические свойства
Вещество имеет серо-голубоватый цвет. Металл очень хрупкий, но обладает высокой удельной массой. Подвергаясь критическим температурам, он всегда сохраняет свой естественный цвет и блеск.
Так как металл твердый, имеет высокую температуру плавления (3033 градусов по Цельсию), он тяжело подвергается механической обработке.
Химические свойства
Вещество в порошковом виде, при нагревании, отлично реагирует с кислородом, серными элементами, селеном, фосфором. Медленно вступает во взаимосвязь с царской водкой.
Металл является одним из нескольких веществ, что образуют кластерные соединения.
Где добывают
Осмистый иридий добывают в Сибири и на Урале в России; на Аляске и в штате Калифорния в США; Австралии (и острове Тасмания); Южно-Африканском государстве. Последняя страна в списке может похвастаться самыми масштабными месторождениями металла на планете.
Чаще встречается в сочетании с мышьяком и серой. В рудах количество вещества незначительно.
Стоимость осмия
Стоимость одного грамма этого вещества составляет 15-200 тысяч долларов. Рыночная цена металла меньше в разы. Такая высокая стоимость обусловлена низким уровнем добычи Os. Он попросту не применяется в широких масштабах, ввиду своей огромной плотности. Если провести сравнение: полулитровая бутылка с рассматриваемым веществом будет тяжелее, чем 12 литров воды. Осмий входит в тройку самых дорогих металлов мира. Дороже его только Калифорний, добыча которого составляет меньше грамма в год.
Рассматриваемый металл очень сложно добывать, и этот процесс длится более 9 месяцев. Вещество является изотопом, имеет вид черного порошка, состоящего из маленьких кристаллов. Хоть осмий и является самым плотным веществом на нашей планете, он очень хрупкий. По запаху металл напоминает сразу хлорку и чеснок. Именно поэтому он получил такое название (расшифровывается, как «запах»).
Металл незаменим в научной, медицинской и исследовательской деятельности, так как является химическим катализатором, и его применяют при производстве приборов измерения, которые выдают данные высочайшей точности.
Единственным государством, которое промышляет сбытом осмия, является Казахстан.
Другие факты
Металл плавится при температуре более 3000 градусов Цельсия. Температура кипения достигает почти 6000 градусов.
Открыт он был довольно необычно. В царской водке разбавляли несколько веществ и обнаружили, что выпал осадок, имеющий не очень приятный запах.
Os не используют для изготовления ювелирных изделий, так как он не обладает ковкостью и пластичностью - теми свойствами, за которые так ценят драгоценные металлы ювелиры.
Вещество содержится в месторождениях руд. Также его можно найти в упавших на Землю метеоритах. Некоторые производства остро нуждаются в металле для изготовления своей продукции. К ним он идет уже как вторичное сырье, но стоит все равно недешево.
Металл применяют лишь из-за его невероятной прочности. Сплавы, в которые добавляют осмий, становятся невероятно износостойкими. Хватает минимальных доз вещества для добавления в сплав, чтобы он стал очень крепким.
Где используется
Из изотопа осмия изготавливают емкости для хранения ядерных отходов. Также вещество используется в космической промышленности. А еще оно ускоряет синтез аммиака, органики. Кстати, вольфрамовые нити накаливания содержат описываемый металл.
Так как вещество славится своей прочностью, его используют в изготовлении оружия. Но в последнее время промышленность старается отказываться от использования металла, ввиду его высокой стоимости и трудной обработки.
Металл применяют лишь в том случае, где успех 100%-но гарантирован.
Оксид осмия используется в медицинских целях, в биологии. Многие имплантаты и кардиостимуляторы выполнены не без помощи рассматриваемого вещества. Вторые делают из платины, в которой содержится 10% осмия.
Нередко выпускают перьевые ручки, у которых наконечники сделаны из рассматриваемого металла. Такие изделия долговечнее образцов с золотыми концами.
Интересно! Если сделать сплав из осмия с алюминием, он будет невероятно пластичным. Его можно вытянуть несколько раз без каких-либо разрывов вещества.
Когда давление будет выше 770 Гпа, электроны, располагающиеся на внутренних орбиталях, будут взаимодействовать в осмии, но структура металла нисколько не изменится.
Способы получения вещества
Наиболее часто осмий хранится в форме порошка. В таком виде металл легко вступает в реакции, без сложностей проходит его термообработка. Os не плавится, и его невозможно заклеймить, если металл находится в чистом виде.
При помощи электронных (иногда дуговых) лучей из металла получают слитки. Монокристаллы создают при помощи зонной плавки. Но такой способ изготовления очень дорогой, поэтому и цена на созданную продукцию высока. Но есть уникумы, которые умеют создавать кристаллы из порошка. Это долгий и сложный процесс, требующий немалых затрат энергии, но результаты все-таки есть.
Ранее говорилось, что осмий имеет неприятный запах. Тетраоксид вещества широко используется в медицине. Его в шутливой форме называют «красивым и пахучим». Кристаллы тетраоксида можно изготовить в домашних условиях, но следует быть осторожным, так как вещество токсическое.
Например, чтобы убить мышь с помощью тетраоксида, требуется в 40 раз меньше этого вещества, чем синильной кислоты (считается признанным ядом против грызунов). Такой поражающий эффект объясняется тем, что, попадая внутрь организма, вещество мгновенно приходит к металлическому виду. Оттого происходит поражение дыхательных путей и зрения. Но, несмотря на это, OsO4 широко используется в качестве красителя в химической промышленности.
Как влияет Os на организм живых существ
Элемент является очень вредным и токсичным для биологических существ. При вдыхании осмия легкие отказывают (возникает их отек), и у живого существа развивается малокровие.
При нахождении в воздухе даже малого количества вещества у индивидуума возникает слезоточивость, боль в глазах, может развиться конъюнктивит.
Становится тяжело дышать, появляются спазмы в бронхах и металлический привкус во рту. Если вовремя не увести человека с пораженной территории, ему грозит слепота, нарушение работы почек, нервной системы, органов ЖКТ. Возможен летальный исход.
Металл затрагивает также целостность кожи. Она чернеет либо зеленеет. На ней появляются язвы, пузыри. Ткань начинает отмирать.
Отравиться осмием можно на производстве, в случае незначительного превышения количества этого вещества в воздухе. На многих современных производствах осмий в воздухе присутствует, хотя, по мнению специалистов, его концентрации в воздухе вообще быть не должно.
| Au | Pt | Ag | Pd | |
|---|---|---|---|---|
| 12,86 | 40,23 | 30,29 | 0,55 | 24,88 |
Таблица 1 - осмий цена (1 гр.) в сравнении с другими драгоценными металлами (рыночная).
Заключение
Хоть осмий и считается одним из самых дорогих металлов на планете, его рыночная цена не столь высока. Для примера, 1 грамм золота можно купить за 2000-2500 рублей. Тогда как осмий стоит около 1800 рублей за грамм.
Стоимость осмия везде разная, но по самой дешевой нерыночной цене ее продает лишь Казахстан. Дело в том, что на мировом рынке торгуют не только осмием, но и его изотопом (осмий 187). Как раз второй имеет баснословную стоимость, ввиду трудности обработки, отделения от других изотопов и неширокого использования.
Теперь понятно, сколько стоит осмий 187 и обычный Os по рыночной цене. Обычный Os - это смесь изотопов.
