Осмий ( лат. osmium ) — химический элемент с атомным номером 76 в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева , обозначают символом Os . При стандартных условиях представляет собой блестящий серебристо-белый с голубоватым отливом металл . Переходный металл , относится к платиновым металлам . Наряду с иридием обладает наибольшей плотностью среди всех простых веществ. Согласно теоретическим расчётам, его плотность даже выше, чем у иридия .

Этимология

Название осмия происходит от др.-греч. ὀσμή «запах», так как химические реакции растворения щелочного сплава осмиридия (нерастворимого остатка платины в царской водке ) в воде или кислоте сопровождаются выделением неприятного, стойкого запаха тетраоксида осмия OsO ₄ , раздражающего горло, похожего на запах хлора или гнилой редьки .

История

Осмий был открыт в 1803 году английским химиком Смитсоном Теннантом в сотрудничестве с Уильямом Х. Уолластоном в осадке, остающемся после растворения платины в царской водке . Сходные исследования проводили французские химики , Антуан де Фуркруа и Воклен , которые тоже пришли к выводу о содержании неизвестного элемента в нерастворимом остатке платиновой руды. Гипотетическому элементу было присвоено имя птен ( греч. πτηνός — крылатый), однако, в опытах Теннант продемонстрировал, что это смесь двух элементов — иридия и осмия.

Открытие новых элементов было задокументировано в письме Теннанта Лондонскому королевскому обществу от 21 июня 1804 года .

Уран и осмий были первыми успешными катализаторами в процессе Хабера, реакции фиксации азота с получением аммиака, дающей достаточный выход, чтобы сделать процесс экономически успешным. В своё время группа компаний BASF во главе с Карлом Бошем закупила большую часть мировых запасов осмия для использования в качестве катализатора. Вскоре после этого, в 1908 году, та же группа внедрила более дешевые катализаторы на основе железа и оксидов железа для первых опытных установок, устранив необходимость в дорогом и редком осмии.

Физические свойства

Осмий — серо-голубоватый, твёрдый, но хрупкий металл с очень высокой удельной массой .

Сохраняет свой блеск даже при высоких температурах. 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. Осмий считают самым плотным из всех простых веществ, немного превосходя по этому параметру иридий . Наиболее достоверные значения плотности 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 данным на 2013 год, плотность осмия ещё выше — она составляет 22,61 г/см ³ . При сравнении различных изотопов этих элементов самым плотным оказывается ¹⁹² Os. Необычайно высокая плотность осмия объясняется лантаноидным сжатием , а также гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой .

Осмий плавится при 3.306 K (3.033 °C) , кипит при 5.285 K (5012 °C) . Температура перехода в сверхпроводящее состояние — 0,66 К; 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 ).

При давлении порядка 770 ГПа в металлическом осмии начинают взаимодействовать электроны на внутренних орбиталях, но при этом структура материала не меняется .

Химические свойства

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 хлорной кислотой, образуя растворимый перхлорат, реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей (нитрата или хлората калия), с расплавленной перекисью натрия ^{[ источник не указан 512 дней ]} .

В соединениях проявляет степени окисления от −2 до +8, из которых самыми распространёнными являются +2, +3, +4 и +8 .

Осмий — один из немногих металлов, образующих полиядерные (или кластерные ) соединения. Полиядерный карбонил осмия Os ₃ (CO) ₁₂ используют для моделирования и исследования химических реакций углеводородов на металлических центрах . Карбонильные группы в Os ₃ (CO) ₁₂ могут замещаться на другие лиганды , в том числе и содержащие кластерные ядра других переходных металлов .

Нахождение в природе

Содержание осмия в земной коре приблизительно составляет 5·10 ⁻⁶ % по массе .

В самородном состоянии осмий встречается в виде твёрдых растворов с иридием, содержащих от 10 % до 50 % осмия. Осмий встречается в полиметаллических рудах , содержащих также платину и палладий (сульфидные медно-никелевые и медно-молибденовые руды), в минералах платины и отходах от переработки золотосодержащих руд . Основные минералы осмия — относящиеся к классу твёрдых растворов природные сплавы осмия и иридия ( невьянскит и сысертскит ) . Невьянскит образует плотные (17-22 г/см ³ ) белые или светло-серые пластинчатые кристаллы гексагональной сингонии с твёрдостью 6-7 баллов по шкале Мооса . Содержание осмия в невьянските может достигать 21-49,3 % .

Сысертскит часто встречается вместе с невьянскитом. Он представляет собой серые кристаллы гексагональной структуры с твёрдостью 6 баллов по Моосу и плотностью 17,8-22,5 г/см ³ . Кроме осмия и иридия в состав этого минерала иногда может входить рутений .

Иногда эти минералы встречаются самостоятельно, чаще же осмистый иридий входит в состав самородной платины .

Месторождения

Основные месторождения осмистых иридиев сосредоточены в России ( Сибирь , Урал ), США ( Аляска , Калифорния ), Колумбии , Канаде , странах Южной Африки , Тасмании , Австралии . Казахстан является единственным экспортёром чистого осмия .

Крупнейшими запасами обладают месторождения в Южно-Африканской республике .

Осмий встречается также в виде соединений с серой и мышьяком ( , , ). Содержание осмия в рудах, как правило, не превышает 1⋅10 ⁻⁵ .

Вместе с другими благородными металлами встречается в составе железных метеоритов .

Изотопы

Известны изотопы осмия с массовыми числами от 161 до 197 (количество протонов 76, нейтронов от 85 до 121), и 9 ядерных изомеров . В природе осмий встречается в виде семи изотопов, 6 из которых стабильны: ¹⁸⁴ Os ( изотопная распространённость 0,018 %), ¹⁸⁷ Os (1,64 %), ¹⁸⁸ Os (13,3 %), ¹⁸⁹ Os (16,1 %), ¹⁹⁰ Os (26,4 %) и ¹⁹² Os (41,1 %) . Ещё один изотоп ( ¹⁸⁶ Os, изотопная распространённость 1,59 %) имеет огромный период полураспада , (2,0 ± 1,1)⋅10 ¹⁵ лет, что намного больше возраста Вселенной .

Изотоп осмий-187 является результатом распада изотопа рения ¹⁸⁷ Re с периодом полураспада 4,56⋅10 ¹⁰ лет. Соотношения изотопного состава ¹⁸⁷ Os/ ¹⁸⁸ Os и ¹⁸⁷ Re/ ¹⁸⁸ Os позволяют определять возраст горных пород и метеоритов ( ). Также известен иридиево-осмиевый метод радиоизотопного датирования, применявшийся для анализа кварцев из пограничного слоя, разделяющего меловой и третичный периоды .

Разделение изотопов осмия представляет собой достаточно сложную задачу. Именно поэтому некоторые изотопы довольно дороги. Первый и единственный экспортёр чистого осмия-187 — Казахстан , с января 2004 года официально предлагающий это вещество по цене 10 000 долларов за 1 грамм . Широкого практического применения осмий-187 не имеет. По некоторым данным, целью операций с этим изотопом было «отмывание» нелегального капитала .

Распространённость

• в земной коре — 0,007 г/т
• в перидотитах — 0,15 г/т
• в эклогитах — 0,16 г/т
• в формациях дунитов -перидотитов — 0,013 г/т
• в формациях пироксенитов — 0,007 г/т

Получение

В настоящее время осмий получают главным образом при переработке платиновых и никелевых руд.

Осмий выделяют из обогащённого сырья платиновых металлов путём прокаливания этого концентрата на воздухе при температурах 800-900 °C, при этом количественно сублимируют пары весьма летучего тетраоксида осмия OsO ₄ , которые далее поглощают раствором NaOH .

Упариванием раствора выделяют соль — , который далее восстанавливают водородом при +120 °C до осмия:

${\displaystyle {\mathsf {Na_{2}[OsO_{2}(OH)_{4}]+3H_{2}\rightarrow 2NaOH+Os+4H_{2}O}}.}$

Осмий при этом получается в виде губки.

Применение

• Высокая твёрдость и исключительная тугоплавкость позволяет использовать осмий в качестве покрытия в узлах трения.
• Применяется как катализатор для синтеза аммиака , гидрирования органических соединений, в катализаторах метанольных топливных элементов .
• Сплав « osram » (осмия с вольфрамом ) использовался для изготовления нитей ламп накаливания .
• Есть сведения о применении осмия в военных целях как часть артиллерийских снарядов и боеголовок ракет. Также применяют в электронной аппаратуре авиа- и ракетной техники.
• Компонент сверхтвёрдых и износостойких сплавов с иридием и рутением .
• В ювелирном деле.
• Тетраоксид осмия применяют в электронной микроскопии для фиксации биологических объектов .
• Сплав платины (90 %) и осмия (10 %) применяют в хирургических имплантатах , таких, как электрокардиостимуляторы и при замещении клапанов лёгочного ствола.
• Сплав осмия с алюминием имеет необычно высокую пластичность и может быть вытянут без разрыва в 2 раза.

Биологическая роль и физиологическое действие

Не играет биологической роли . На воздухе окисляется до чрезвычайно токсичного тетраоксида осмия OsO ₄ , поэтому вызывает раздражение глаз, верхних дыхательных путей, пневмонию, воспаление почек .

См. также

• Металлы платиновой группы

Примечания