ОСМИЙ
свойства, получение и применение

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.

Содержание осмия в земной коре примерно составляет 5·10-6% по массе. Встречается в природе в самородном виде как твёрдый раствор с иридием (минералы невьянскит и сысертскит).

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 %)[4]. 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 [OsO2(NH3)4]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.

Авторучки с осмиевыми наконечниками перьев могут писать годами, чего нельзя сказать о полностью золотых или других металлических перьях – осмиевым перьям действительно «нет износу».

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.