Осмий — 187 (Osmium)

О́смий (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. 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^.

Физические свойства

Слиток осмия Кристаллы осмия

Осмий — серо-голубоватый, твёрдый, но хрупкий металл с очень высокой удельной массой, сохраняющий 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 считается самым плотным из всех простых веществ, немного превосходя по этому параметру иридий^[11]. 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^[3]. По новейшим сведениям, плотность осмия ещё выше — она составляет 22,61 г/см^3[4]. При сравнении различных изотопов этих элементов наиплотнейшим 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; твёрдость по Виккерсу — 3—4 ГПа, по шкале Мооса — 7^[12]; модуль нормальной упругости — 56,7 ГПа; модуль сдвига — 22 ГПа^[5]. Осмий — парамагнетик (магнитная восприимчивость — 9,9·10^−6[5]).

При давлениях порядка 770 ГПа в металлическом осмии начинают взаимодействовать электроны на внутренних орбиталях, но при этом структура материала не меняется ^[13][14].

 Химические свойства

Степени окисления осмия

−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, 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^[15].

Осмий — один из немногих металлов, образующих полиядерные (или кластерные) соединения. Полиядерный карбонил осмия Os₃(CO)₁₂ используется для моделирования и исследования химических реакций углеводородов на металлических центрах^[16][17][18]. Карбонильные группы в Os₃(CO)₁₂ могут замещаться на другие лиганды^[19], в том числе и содержащие кластерные ядра других переходных металлов^[20].

Изотопы

Основная статья: Изотопы осмия

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 %)^[5]. Искусственным путём получены радиоактивные изотопы осмия с массовыми числами от 162 до 197, а также несколько ядерных изомеров. Осмий-186 (содержание природном осмии 1,59 %^[5]) подвержен альфа-распаду, но учитывая его исключительно большой период полураспада — (2,0 ± 1,1)·10¹⁵ лет, — его можно считать практически стабильным. Согласно расчётам, остальные естественные изотопы тоже способны к альфа-распаду, но с ещё большим полупериодом, поэтому их альфа-распад экспериментально не наблюдался. Теоретически для ¹⁸⁴Os и ¹⁹²Os возможен двойной бета-распад, наблюдениями также не зафиксированный.

Изотоп осмий-187 является результатом распада изотопа рения (¹⁸⁷Re, период полураспада 4,56·10¹⁰ лет). Он активно используется при датировке горных пород и метеоритов (рений-осмиевый метод). Наиболее известным применением осмия в методах датировки является иридиево-осмиевый метод, 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^[23].

Широкого практического применения осмий-187 не имеет. По некоторым данным, целью операций с этим изотопом было «отмывание» нелегальных капиталов^[24][25].

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

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:

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 «осрам» (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 применяется в электронной аппаратуре авиа- и ракетной техники.
• Компонент сверхтвёрдых и износостойких сплавов с иридием и рутением.
• Тетраоксид осмия применяется в электронной микроскопии для фиксации биологических объектов^[26].
• Сплав платины (90 %) и осмия (10 %) применяется 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^[27]. Тетраоксид осмия OsO₄ чрезвычайно токсичен.

Внешний вид простого вещества Свойства атома Название, символ, номер Атомная масса
(молярная масса) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойства Ковалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации
(первый электрон) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления Уд. теплота испарения Молярная теплоёмкость Молярный объём Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки Параметры решётки Отношение c/a Прочие характеристики Теплопроводность Номер CAS

76 Рений ← Осмий → Иридий Ru ↑ Os[1] ↓ Hs 76Os[1]

Серебристо-белый блестящий твёрдый металл с голубоватым оттенком

Осмий / Osmium (Os), 76

190,23(3)[2] а. е. м. (г/моль)

[Xe] 4f14 5d6 6s2

135 пм

126 пм

(+6e) 69 (+4e) 88 пм

2,2 (шкала Полинга)

+0,850

8, 6, 4, 3, 2, 0, −2

819,8(8,50) кДж/моль (эВ)

22,587/22,61[3][4] г/см³

3306 K (3033 °C)[4]

5285 K (5012 °C)[4]

31,7 кДж/моль

738 кДж/моль

24,7[5] Дж/(K·моль)

8,43 см³/моль

гексагональная

a = 2,734 c = 4,317[6]

1,579

(300 K) (87,6) Вт/(м·К)

7440-04-2

Осмий – металл, не растворяющийся в кислотах и щелочах. Даже их мощные представители бессильны перед элементом.

Более того, он остается невредимым в царской водке – смеси азотной и соляной кислот. Платина, к группе которой относится осмий, к примеру, царской водке поддается.

Химическая инертность позволяет использовать сплавы с осмием и покрытия из него в агрессивных средах. Конкретные примеры опишем в отдельной главе.

Сырье для продукции, как правило, — порошковый осмий. Получить его не сложно, поскольку, вещество легко крошится.

В форме порошка осмий, хоть медленно, но растворяется в концентратах азотной и серной кислот, реагирует с парами серы, селеном, теллуром и фосфором.

Получить из порошка можно и амальгаму осмия, то есть, его раствор в ртути.

Взаимодействия осмия с другими веществами сопровождается неприятным, резким запахом.

Это «аромат» героя статьи. Имя ему дал первооткрыватель – британский химик Уильям Волластон. С греческого «осмий» переводится, как «запах».

Внешность элемента, напротив, привлекательна. Металл считают одним из самых красивых. Кристаллы осмия серебристо-голубые.

В слитках металл темно-синий, отливает серебром. Порошок элемента насыщенно-фиолетовый.

Однако, при такой внешности, «модельная карьера» у осмия не задалась. Ювелиры не работают с металлом.

Из-за цены, твердости и, одновременно, хрупкости, элемент не поддается механической обработке.

Мешает ей и тугоплавкость вещества. Осмий – элемент,  размягчающийся лишь при температуре выше 3000 градусов Цельсия.

То, что не по нраву ювелирам, пригождается в тяжелой промышленности. Для нюансов есть отдельная глава.

Здесь же, стоит сказать, что кроме тугоплавкости, внимания достойна плотность осмия. Это почти 23 грамма на кубический сантиметр.

Такой показатель делает героя статьи самым тяжелым металлом в мире. Насыпьте порошок осмия в пластиковую бутылку.

Теперь, налейте воду в металлическое ведро литров, этак, на 20. Поднимите. Бутылка окажется в несколько раз тяжелее.

Тяжело и влияние соединений металла на организм. Оксид осмия, или другие вещества с ним, поражают внутренние органы, вызывают потерю зрения.

Отравление парами элемента может привести к летальному исходу. Норма осмия в атмосфере в 5 раз меньше, чем у синильной кислоты, всего 0,002 миллиграмма на кубический метр.

В пределах этого содержания металл даже способен принести пользу. Так, английские ученые доказали, что осмий блокирует развитие раковых клеток.

Уже разрабатываются осмиевые методы терапии онкологических заболеваний. Где еще, и как, может пригодиться герой статьи, расскажем далее.

Применение осмия

До открытия противораковых свойств осмия, он, так же, применялся медиками, но в имплантах. Их делают из благородных металлов, дабы не было аллергических реакций и, вообще, каких-либо реакций с окружающей средой.

Для каждого импланта – свой сплав. Осмий нужен в кардиостимуляции, то есть, заменяет элементы сердца.

В него вживляют импланты, состоящие из осмия на 10%. Остальное – платина.

Неудивительно, что стоимость аппаратуры сравнима с ценником за работу лучших хирургов в лучших клиниках мира.

Из платиновой группы осмий – наименее потребляемый металл. Из-за дороговизны и редкости ему ищут замены.

Масса нетто: 300 грамм.