Осмий

Запрос «Os» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

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, 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^[7].

Осмий
← Рений | Иридий →
76 Ru ↑ Os[1] ↓ Hs Периодическая система элементов 76Os[1]
Внешний вид простого вещества
Серебристо-белый блестящий твёрдый металл с голубоватым оттенком
Кристаллы осмия чистотой 99,99 %, выращенные методом химического транспорта
Свойства атома
Название, символ, номер	Осмий / Osmium (Os), 76
Атомная масса (молярная масса)	190,23(3)[2] а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe] 4f14 5d6 6s2
Радиус атома	135 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	126 пм
Радиус иона	(+6e) 69 (+4e) 88 пм
Электроотрицательность	2,2 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	+0,850
Степени окисления	-2, -1, 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6, +7, +8
Энергия ионизации (первый электрон)	819,8(8,50) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	22,587/22,61[3][4] г/см³
Температура плавления	3306 K (3033 °C)[4]
Температура кипения	5285 K (5012 °C)[4]
Мол. теплота плавления	31,7 кДж/моль
Мол. теплота испарения	738 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	24,7[5] Дж/(K·моль)
Молярный объём	8,43 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a = 2,734 c = 4,317[6]
Отношение c/a	1,579
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) (87,6) Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-04-2
Наиболее долгоживущие изотопы
Основная статья: Изотопы осмия Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 184Os 0,02% 3,0⋅1013 лет α 180W 185Os синт. 93,6 сут ЭЗ 185Re 186Os 1,59% 2,0⋅1015 лет α 182W 187Os 1,96% стабилен - - 188Os 13,24% стабилен - - 189Os 16,15% стабилен - - 190Os 26,26% стабилен - - 191Os синт. 15,4 сут β− 191Ir 192Os 40,78% стабилен - - 193Os синт. 30,11 сут β− 193Ir 194Os синт. 6 лет β− 194Ir

76	Осмий
Os 190,23
4f145d66s2

Крупнозернистая структура металла осмия

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 очень ядовитого тетраоксида осмия OsO₄, раздражающего горло, похожего на запах хлора или гнилой редьки^[8][9].

История

Осмий был открыт в 1803 году английским химиком Смитсоном Теннантом в сотрудничестве с Уильямом Х. Уолластоном^[10] в осадке, остающемся 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 (греч. πτηνός — крылатый), однако, в опытах Теннант продемонстрировал, что это смесь двух элементов — иридия и осмия^[11].

Открытие новых элементов было задокументировано в письме Теннанта Лондонскому королевскому обществу от 21 июня 1804 года^[10][12][9] .

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 твёрдый^[13], 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^[14]. 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^[3]. По уточнённым данным на 2013 год, плотность осмия ещё выше — она составляет 22,61 г/см^3[4]. При сравнении различных изотопов этих элементов самым плотным оказывается ¹⁹²Os. Необычайно высокая плотность осмия объясняется лантаноидным сжатием^[3], а также гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой.

Осмий плавится при 3306 K (3033 °C)^[4], кипит при 5285 K (5012 °C)^[4]. Температура перехода в сверхпроводящее состояние — 0,66 К (–272 °C); твёрдость по Виккерсу — 3–4 ГПа, по шкале Мооса — 7^[15]; модуль нормальной упругости — 56,7 ГПа; модуль сдвига — 22 ГПа^[5]. Осмий — парамагнетик (магнитная восприимчивость — 9,9⋅10^−6[5]).

При давлении порядка 770 ГПа в металлическом осмии начинают взаимодействовать электроны на внутренних орбиталях, но при этом структура материала не меняется^[16][17].

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 серы^[18], 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^[19]. 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^[20].

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^[21][22][23]. Карбонильные группы в Os₃(CO)₁₂ могут замещаться на другие лиганды^[24], в том числе и содержащие кластерные ядра других переходных металлов^[25].

Нахождение в природе

Кристаллы осмия

Содержание осмия в земной коре приблизительно составляет 5·10⁻⁶ % по массе^[26].

В самородном состоянии осмий встречается в виде твёрдых растворов с иридием, содержащих от 10 % до 50 % осмия^[13]. 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^[26]. Основные минералы осмия — относящиеся к классу твёрдых растворов природные сплавы осмия и иридия (невьянскит и сысертскит)^[26]. Невьянскит образует плотные (17–22 г/см³) белые или светло-серые пластинчатые кристаллы гексагональной сингонии с твёрдостью 6–7 баллов по шкале Мооса^[26]. Содержание осмия в невьянските может достигать 21,0–49,3 %^[26].

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[26]. Кроме осмия и иридия в состав этого минерала иногда может входить рутений^[26].

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^[27].

Крупнейшими запасами обладают месторождения Бушвельдского комплекса в Южно-Африканской республике^[28].

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

Вместе с другими благородными металлами встречается в составе железных метеоритов.

Изотопы

Основная статья: Изотопы осмия

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 %)^[5]. Ещё один изотоп (¹⁸⁶Os, изотопная распространённость 1,59 %) имеет очень большой период полураспада, (2,0 ± 1,1)⋅10¹⁵ лет, что намного больше возраста Вселенной.

Изотоп осмий-187 является результатом распада изотопа рения ¹⁸⁷Re с периодом полураспада 4,56⋅10¹⁰ 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^[29]. Широкого практического применения осмий-187 не имеет. По некоторым данным, целью операций с этим изотопом было «отмывание» нелегального капитала^[30][31].

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:

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

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 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^[32].
• 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^[33]. На воздухе окисляется до чрезвычайно токсичного тетраоксида осмия OsO₄, поэтому вызывает раздражение глаз, верхних дыхательных путей, пневмонию, воспаление почек^[34].

См. также

• Металлы платиновой группы

Литература

• Химическая энциклопедия : [рус.] : в 5 т. / под ред. И. Л. Кнунянца. — М. : Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — 639 с. — ISBN 5-85270-039-8.
• Венецкий С. И. "Обида" благородного металла (Осмий) // О редких и рассеянных (Рассказы о металлах) (рус.). — Москва: Металлургия, 1980. — 184 с. — 200 000 экз.