Осмий

Крупнозернистая структура металла осмия

Осмий (лат. химический символ – Os, от 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, очень тяжёлый, 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<ref name="density">The lattice parameters, densities and atomic volumes of the platinum metals. Crabtree, Robert H. Sterling Chem. Lab., Yale Univ., New Haven, CT, USA. Journal of the Less-Common Metals (1979), 64(1), стр. 7-9.</ref>. Шаблон:-

Этимология

Название осмия происходит от Шаблон:Lang-grc «запах», так как химические реакции растворения щелочного сплава осмиридия (нерастворимого остатка платины в царской водке) в воде или кислоте сопровождаются выделением неприятного, стойкого запаха очень ядовитого тетраоксида осмия OsOШаблон:Sub, раздражающего горло, похожего на запах хлора или гнилой редьки<ref>Шаблон:Cite web</ref>Шаблон:Sfn.

История

Осмий открыли в 1803 году английский химик Смитсон Теннант в сотрудничестве с Уильямом Х. Уолластоном<ref name="hunt">Шаблон:Статья</ref>. Они обнаружили материал в осадке после растворения платины в царской водке. Сходные исследования проводили французские химики Колле-Дескоти, 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 (Шаблон:Lang-gr — крылатый), однако, в опытах Теннант продемонстрировал, что это смесь двух элементов — иридия и осмияШаблон:Sfn.

Открытие новых элементов было задокументировано в письме Теннанта Лондонскому королевскому обществу от 21 июня 1804 года<ref name="hunt"/><ref>Шаблон:Статья</ref>Шаблон:Sfn.

Уран и осмий были первыми эффективными катализаторами в процессе Хабера, реакции азота и водорода с получением аммиака, дающими 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 по синтезу аммиака, устранив необходимость в дорогом и редком осмии.

Физические свойства

Слиток осмия

Осмий — серо-голубоватый твёрдыйШаблон:Sfn, но хрупкий металл с очень высокой удельной массой.

Сохраняет свой блеск даже при высоких температурах. В силу своей высокой твёрдости, хрупкости, низкого давления паров (самого низкого среди всех платиновых металлов), а также очень высокой температуры плавления осмий с трудом поддаётся механической обработке. Осмий считается самым плотным из всех простых веществ, немного превосходя по этому параметру иридий<ref name="Densities">Шаблон:Статья</ref>. 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<ref name="Densest">Шаблон:Статья</ref>. По уточнённым данным на 2013 год, плотность осмия ещё выше — она составляет 22,61 г/см³<ref name=WebElements/>. При сравнении различных изотопов этих элементов самым плотным оказывается ¹⁹²Os. Необычайно высокая плотность осмия объясняется лантаноидным сжатием<ref name="Densest"/>, а также гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой.

Осмий плавится при 3306 K (3033 °C)<ref name=WebElements/>, кипит при 5285 K (5012 °C)<ref name=WebElements/>. Температура перехода в сверхпроводящее состояние — 0,66 К (–272 °C); твёрдость по Виккерсу — 3–4 ГПа, по шкале Мооса — 7<ref>Шаблон:Cite web</ref>; модуль нормальной упругости — 56,7 ГПа; модуль сдвига — 22 ГПа<ref name="ХЭ"/>. Осмий — парамагнетик (магнитная восприимчивость — 9,9Шаблон:E<ref name="ХЭ"/>).

При давлении порядка 770 ГПа в металлическом осмии начинают взаимодействовать электроны на внутренних орбиталях, но при этом структура материала не меняется<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Химические свойства

Степени окисления осмия

Степень окисления	Пример соединения
−2	Na2[Os(CO)4]
−1	Na2[Os4(CO)13]
0	Os3(CO)12
+1	OsI
+2	OsI2
+3	OsBr3
+4	OsO2, OsCl4
+5	OsF5
+6	OsF6
+7	OsOF5, OsF7
+8	OsO4, Os(NCH3)4

Порошок осмия при нагревании реагирует с кислородом, галогенами, парами серыШаблон:Sfn, 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 водкойШаблон:Sfn. Реагирует с хлорной кислотой, образуя растворимый перхлорат, 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<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Осмий — один из немногих металлов, образующих полиядерные (или кластерные) соединения. Полиядерный карбонил осмия Os₃(CO)₁₂ используют для моделирования и исследования химических реакций углеводородов на металлических центрах<ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Шаблон:Статья</ref><ref>Calvert, R. B.; Shapley, J. R. «Activation of Hydrocarbons by Unsaturated Metal Cluster Complexes. 6. Synthesis and Characterization of Methyldecacarbonylhydridotriosmium, Methylenedecacarbonyldihydridotriosmium, and Methylidynenonacarbonyltrihydridotriosmium. Interconversion of Cluster-Bound Methyl and Methylene Ligands» Journal of the American Chemical Society 1977, volume 99, 5225-6. Шаблон:DOI</ref>. Карбонильные группы в Os₃(CO)₁₂ могут замещаться на другие лиганды<ref>Шаблон:Статья</ref>, в том числе и содержащие кластерные ядра других переходных металлов<ref>Шаблон:Статья</ref>.

Нахождение в природе

Ошибка создания миниатюры:

Кристаллы осмия

Содержание осмия в земной коре приблизительно составляет 5·10⁻⁶ % по массе<ref name="Рипан1972" />.

В самородном состоянии осмий встречается в виде твёрдых растворов с иридием, содержащих от 10 % до 50 % осмия<ref name="Венец_59" />. 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<ref name="Рипан1972" />. Основные минералы осмия — относящиеся к классу твёрдых растворов природные сплавы осмия и иридия (невьянскит и сысертскит)<ref name="Рипан1972">Шаблон:Книга</ref>. Невьянскит образует плотные (17–22 г/см³) белые или светло-серые пластинчатые кристаллы гексагональной сингонии с твёрдостью 6–7 баллов по шкале Мооса<ref name="Рипан1972" />. Содержание осмия в невьянските может достигать 21,0–49,3 %<ref name="Рипан1972" />.

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/см³<ref name="Рипан1972" />. Кроме осмия и иридия в состав этого минерала иногда может входить рутений<ref name="Рипан1972" />.

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<ref>Шаблон:Cite web</ref>.

Крупнейшими запасами обладают месторождения Бушвельдского комплекса в Южно-Африканской республике<ref name="kirk-pt">Шаблон:Книга</ref>.

Осмий встречается также в виде соединений с серой и мышьяком (эрлихманит, осмиевый лаурит, осарситт). Содержание осмия в рудах, как правило, не превышает 1Шаблон:E.

Вместе с другими благородными металлами встречается в составе железных метеоритов.

Изотопы

Шаблон:Main 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: ¹⁸⁴Os (изотопная распространённость 0,018 %), ¹⁸⁷Os (1,64 %), ¹⁸⁸Os (13,3 %), ¹⁸⁹Os (16,1 %), ¹⁹⁰Os (26,4 %) и ¹⁹²Os (41,1 %)<ref name="ХЭ"/>. Ещё один изотоп (¹⁸⁶Os, изотопная распространённость 1,59 %) имеет очень большой период полураспада, (2,0 ± 1,1)Шаблон:E лет, что намного больше возраста Вселенной.

Изотоп осмий-187 является результатом распада изотопа рения ¹⁸⁷Re с периодом полураспада 4,56Шаблон:E лет. Соотношения изотопного состава ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os и ¹⁸⁷Re/¹⁸⁸Os позволяют определять возраст горных пород и метеоритов (рений-осмиевый метод). 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<ref>Шаблон:Cite web</ref>. Широкого практического применения осмий-187 не имеет. По некоторым данным, целью операций с этим изотопом было «отмывание» нелегального капитала<ref>Шаблон:Cite web</ref><ref>Шаблон:Cite web</ref>.

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 OsO₄, которые далее поглощают раствором NaOH.

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

<math>\mathsf{Na_2[OsO_2(OH)_4] + 3H_2 \rightarrow 2NaOH + Os + 4H_2O}.</math>

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 части 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<ref>Шаблон:Cite web</ref>.
• 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<ref>Шаблон:Cite web</ref>. На воздухе окисляется до чрезвычайно токсичного тетраоксида осмия OsO₄, поэтому вызывает раздражение глаз, верхних дыхательных путей, пневмонию, воспаление почек<ref>Шаблон:Книга</ref>.

См. также

• Металлы платиновой группы

Литература

• Шаблон:Публикация
• Шаблон:Книга

Примечания

	1	2															3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
1
2
3
4
5
6
7