Осмий: описание, характеристики, свойства, цена и применение

Не золото и не платина самые дорогостоящие металлы из таблицы Д. И. Менделеева, а осмий металл. Это редчайший и дорогущий металл серебристо-белого цвета с серым оттенком голубого отлива. У химиков этот металл считается благородным, относящийся к группе платиновых.

Состоит из нескольких изотопов. Их очень трудно разделить, что и отражается на стоимости. Самый востребованный из них изотоп – Осмий-187.

Предполагается, что на 0,5% масса земной коры состоит из осмия, а находится он в ядре. Удивляет пропорция между размером и весом. Килограмм соединения по размеру сопоставим со средним размером куриного яйца. Ёмкость, объёмом 0,5 л., наполненная осмиевым порошком, весит больше 15 кг. Но желание отлить гантельки из такого удобного, в плане соотношения размер/вес, материала, сразу пропадает не только из-за цены на порошок, для кого-то это и не проблема, а ввиду его чрезвычайной редкости и недоступности.

Что представляет собой

Осмий – это благородный металл, платиноид. 76-й элемент таблицы Менделеева.
Каноническое описание – блестящий серебристо-белый с голубоватым отливом.

Но в разных формах выглядит чуть иначе:

• Слиток отличает темно-синяя серебристость.
• Кристаллы, полученные лабораторно, – серебристо-голубые.
• Порошок темно-фиолетовый.

Международное наименование – Osmium (Os).

Это простое вещество, состоящее из семи изотопов.

Название химического элемента по-древнегречески ὀσμή, что означает «запах».

Его происхождение обусловлено свойством порошка при взаимодействии с другими элементами выделять резкий отвратный запах.

Изотопы

Известны 7 изотопов химического элемента №76: Os-184 (его процентное содержание в металле самое низкое), Os-186, Os-187 (радиоактивный), Os-188, Os-189 Os-190, Os-192 (самый высокий процент содержания). Они могут существовать по отдельности, составляя разновидности природного осмия, но выделить какой-либо 1 изотоп из металла сложно, в силу того, что они обладают почти одинаковыми физическими и химическими свойствами.

Самым ценным изотопом является Os-187. 30% его идет на нужды науки, остальное используется в медицинских и промышленных целях. Впервые его получили в Германии из норвежских молибденовых руд. Ныне монополистом по продаже Os-187 является Казахстан.

Недавно ученые обнаружили, что некоторым изотопам свойственно α-излучение, но с периодом полураспада в триллионы лет их считают условно стабильными элементами.

История

Осмий был обнаружен учеными при исследовании платиновой руды.

Первыми (1803 год) стали британские химики:

• Уильям Волластон экспериментировал с сырьем, намереваясь извлечь чистую платину. Опыт по растворению платины царской водкой удался, но химика заинтересовал нерастворенный черный осадок-порошок. Ученый предположил, что это неизвестные науке элементы.
• Те же результаты получил Смитсон Теннант. По его версии нерастворившимся осадком был графит. Однако дальнейшие манипуляции показали, что это металл (или металлы).

Их французские коллеги Воклен, Фуркуа и Колле-Дескоти посчитали полученное вещество единичным химическим элементом. В процессе растворения платины они зафиксировали черный дым. Поэтому вещество окрестили птеном, то есть «летучим».

Дальнейшие опыты доказали, что это соединение двух металлов, названное осмиридием. Первым их разделил, получив чистый иридий и осмий, Смитсон Теннант.

Так завершилась история открытия металла.

Первооткрыватель Теннант придумал название. Его неприятно поразило амбре (как хлорка либо гниющая редька), источаемое при растворении осадка водой или кислотой и порошком этого металла при окислении на воздухе.

Любопытство химиков приводит к …

История открытия металла простая и незатейливая.

Работали химики — Теннант и Волластон — с самородной платиной, воздействовали на металл любыми способами и смотрели — что из этого получится. Получилось открытие нового металла.

Параллельно исследованиями платиноидов увлеклись французские химики А. Ф. де Фуркруа и Вокелен. В результате опытов ученые установили существование неизвестного элемента в растворах от работ с сырой платиной. Счастливые первооткрыватели даже дали название открытому металлу — «птен», но дальнейшие исследования показали, что это не новый металл, а смесь иридия и осмия.

В процессе исследований выделили соединение осмия OsO4, обладающий резким, стойким, весьма неприятным запахом. Смешайте хлорку с гнилой редькой, и получите отдаленное ощущение от вдыхания паров этого соединения.

Деликатные ученые назвали новый металл «осмий», в переводе с древнегреческого «запах».

Физико-химические характеристики

Осмий – самый тяжелый, твердый, химически устойчивый, тугоплавкий, но хрупкий в семействе платиноидов.

Химическая активность определяется формой вещества:

• Металлический осмий не окисляется на воздухе, не растворяется в кислотах, не реагирует на щелочи.
• Порошковый самый активный: легко взаимодействует с кислородом, азотной, серной кислотами, другими химическими элементами. Это хороший катализатор.

Металл не перестает блестеть даже при высоких температурах.

Плотность осмия вдвое выше свинца, почти втрое – железа. По твердости сопоставим с кремнием.

Osmium – самый плотный и тяжелый металл на Земле. Такую характеристику обеспечивает, среди прочих факторов, плотноупакованная гексагональная кристаллическая решетка.

Кубик чистого осмия с ребром 8 см тяжелее 10-литрового ведра воды.
Степени окисления осмия

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 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.
• 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.

Металл в природе

Osmium как самостоятельный «игрок» в природе не представлен.

Он всегда часть состава породы с прочими благородными металлами:

1. Медные, никелевые, молибденовые руды. Это главный источник металла.
2. Собственные металлы осмия – сысертскит, невьянскит. В невьянските доля осмия достигает 22-49%.
3. Платиновые, золотосодержащие руды.
4. В виде изотопов: шесть из семи стабильны.

На предмет обнаружения осмия исследуются серные, мышьяковые соединения, вещество железных метеоритов.

Доля осмия на планете по массе – 0,007 г на тонну породы.

Стоимость

Высокая стоимость вызвана ограниченным количеством. Поскольку его мало в природе, а добыча дорогая, то рынок реагирует соответственно. Если сравнивать с золотом, то это будут тысячи тонн золота против нескольких десятков килограммов добычи. Отсюда и цена – она начинается с 15 тысяч и доходит до 200 тысяч долларов за грамм. На мировом рынке золото в 7.5 раз дешевле.

Такие цифры говорят о непопулярности материала для широкого употребления. Основную роль в применении этого тяжёлого металла в сплавах играет прочность. Изделия становятся невероятно износоустойчивы за счет добавления совсем небольших порций металла в состав.

Технология получения

Подобно другим платиноидам, Osmium извлекают из материнской породы: медно-никелевой, платиновой, золотой.

Добыча осмия проходит по-разному:

1. На аффинажном предприятии в процессе очистки платины. Это отработанная, но технологически сложная многоэтапная процедура. Вначале получается осадочный осмиридий. Он ценен сам по себе, но иногда два компонента требуется разделить. Для этого проводят цепочку химических реакций.
2. Второй способ получения осмия – прокаливание обогащенной породы при 800-900°С. Осмий получается губчатым.
3. Металл чистотой 99,99% получают методом химического транспортирования.

Однако потери при производстве металла велики, поэтому разрабатываются более эффективные технологии.

Месторождения, откуда добывают осмий

Происхождение металл берет в медно-никелевых и молибденовых рудах.

Месторождения полиметаллических руд, откуда идет добыча самого тяжелого металла, находятся в Казахстане, Колумбии, России, США, Австралии, Канаде. Из всех добывающих драгоценный металл стран продает его на экспорт лишь Казахстан.

Кристаллы осмия чистотой 99,99 %, выращенные методом химического транспорта

Есть в природе минералы, содержащие редкий платиноид. Это невьянскит и сысертскит. Внешне их можно различить по окраске (сысертскит немного темнее). Остальные различия определяются только при помощи химических анализов.

Познавательно: оба минерала обнаружены на Урале, в районах Невьянска и Сысерти.

Кроме этих минералов существуют эрлихманит, осарситт, осмиевый лаурит. В этих минералах металл выступает в соединении с мышьяком и серой.

Чистый осмий (в виде самородков, например), в природе отсутствует. Он всегда в тандеме с другими элементами, в полиметаллических рудах, в кусочках метеоритов.

Где используется металл

Osmium – самый малопотребляемый из платиноидов. Практическое применение тормозят редкость в природе и тугоплавкость: чтобы расплавить порошок, требуется выше 3000°С. Обеспечить такую температуру плавления по силам не каждому предприятию.

Первые идеи

Новый металл долго оставался невостребованным: люди не знали, куда его приспособить. Идею подали практичные немцы. Они решили делать из осмия нить накаливания. Такая лампочка светила ярко, потребляя втрое меньше энергии. Однако выгоды все равно не было, поэтому эксперимент свернули: победил более дешевый вольфрам.

Компромиссный вариант нашелся в конце ХХ века: транснациональная корпорация Osram выпускала бытовые лампочки накаливания под одноименным брендом. Он образован от слов осмий и вольфрам: из такого сплава были сделаны их нити накаливания.

Сегодня Osmium оставлен отраслям, где заменить его нечем.

Промышленность

Супертвердое сырье востребовано передовыми отраслями:

• Это материал сплавов узлов, деталей особо точных приборов.
• Из него сделаны стрелки часовых механизмов, измерительной техники.
• Это микропокрытие деталей, испытывающих при работе повышенные нагрузки по трению

Изделия, выполненные из сплавов с осмием, устойчивы к износу. Служат десятилетиями.

Выбор вида сплава определяется функциями изделий в технике:

• Осмий плюс платина либо палладий становятся электрическими контактами.
• Сплав с никелем, вольфрамом, кобальтом – материал стойких механически и химически наконечников.
• Многофункциональны соединения с рутением, иридием.

Они используются военно-промышленным комплексом, авиастроителями (гражданский и военный сегмент).

Слитки осмия

Химическая отрасль

Данной сферой востребованы премиальные свойства осмия как катализатора – он эффективнее платиновых аналогов.

С разными целями закупается четырехокись металла:

• Фармацевтическими гигантами – для синтеза лекарственных препаратов.
• Без нее невозможно синтезировать аммиак, молекулярный азот, прогидрировать органические соединения.

Химия и нефтепереработка забирают половину наличного осмия.

Благодаря осмиевому компоненту стало возможным получение густо-черного пигмента для нужд фарфорового производства.

Медицина

Осмиевая составляющая присутствует в изделиях, к которым предъявляются повышенные требования по твердости:

• хирургический инструментарий;
• имплантанты;
• кардиостимуляторы.

Материалам служит сплав осмия с платиной (осмия – 11%).

Как и «рутениевый красный», осмиевый пигмент создает контрастность при исследовании под микроскопом биологических субстанций (например, тканей человека).

Неоценимую пользу Osmium может принести как блокиратор онкологии. Данное направление – приоритет исследовательских работ.

Ювелирное дело

В данном сегменте благородный металл – лигатура платиновых сплавов. Ювелирные изделия в таком исполнении особо прочны, красивы, долговечны. Но это единичные случаи: сырья мало.

Дорого, но полезно

Осмий мог бы найти гораздо более широкое применение в народном хозяйстве (с таким набором уникальных свойств). Но его редкость и цена позволяют применять металл лишь там, где он приносит наибольшую пользу (или где без него не обойтись).

Добавка осмия в сплавы делает их сверхтвердыми. Эти сплавы устойчивы к истиранию, применяются в трущихся частях точных инструментов.

Еще одно свойство осмия — тугоплавкость — давно нашло применение в промышленности. Спирали для ламп накаливания давно изготавливали из сплава осмия и вольфрама. Компания OSRAM давно и успешно поставляет на рынок приборы освещения.

Познавательно: в 1926 году работники всем известную осветительную лампочку грушевидной формы. Нить накаливания была изготовлена из сплава вольфрам-осмий. Лампочку эту помнят все жители России.

Военно-промышленному комплексу России с его сложнейшей техникой требуется дорогой металл с уникальными свойствами.

Металл применяют в качестве катализатора в химической промышленности (при синтезе аммиака).

Сплав осмий-иридий используют для изготовления компасных игл.

Изотоп осмий-187 используют палеонтологи при определении датировки слоев Мелового и Третичного периода.

Структура металла осмия

Ювелирам не нравится, но…

В ювелирном деле осмий практически не используется. Металл этот внешне красив — голубовато-серебристый. Но свойства (тугоплавкость, ковкость, пластичность) не позволяют использовать его в создании украшений.

Можно ли отнести перьевую ручку стоимостью более миллиона долларов к ювелирным изделиям — решать вам. Но такие ручки (наряду с часами и другими аксессуарами) предпочитают богатые и успешные мужчины, это признак состоятельности, «статусности» их владельца. Есть несколько фирм, выпускающих эти ручки. Они делаются из золота, платины, украшены бриллиантами, сапфирами, рубинами.

Кстати, эти ручки действительно пишут, это не простые безделушки. При чем тут осмий — при кончике пера. На нем всегда есть напайка, маленький шарик, чтобы перо не рвало бумагу, а мягко скользило по ней. Чтобы ручка работала долго и хорошо, напайка должна быть из очень твердого сплава. Этому требованию полностью отвечает осмий и металлы платиновой группы.

Рекомендуем: ЗОЛОТО — дар или проклятие человечеству

Часы — еще одна метка мужчины из слоев элиты. В механизме дорогих часов используется осмий, как не обладающий магнитными свойствами. А способность к истиранию у него огромная. Значит, в механических часах он необходим.

Соединения осмия в медицине

Тетраоксид осмия применяют при производстве кортизона, жизненно необходимого для больных гормональными заболеваниями препарата. Применение тетрахлорида осмия необходимо в лабораториях в подготовке образцов для электронных микроскопов.

Хирургические инструменты (например, скальпели) снабжаются режущими кромками из сплава платиноидов.

Эти сплавы используются в изготовлении кардиостимуляторов, имплантов, клапанов.

Чем опасен синий платиноид

Металлический осмий не опасен (если не возникнет желания съесть ложку-другую). А вот тетраоксид осмия (OsO4), кроме отвратительного запаха, еще несет угрозу для здоровья человека. Это очень токсичное, летучее соединение. Представляет опасность при вдыхании паров. Хранить его надо в запаянных капсулах, работать в защитных костюмах и при хорошей вытяжной вентиляции.

Исторический факт: К. Клаус (о нем можно прочитать в статье об иридии), как любознательный ученый, не обремененный приборами для анализа, поступил просто. Так, кстати, делали многие ученые — пробовали на вкус исследуемые вещества. Вот и Клаус попробовал тетраоксид осмия, и записал в рабочем журнале: «вкус у этого соединения острый, перцеподобный».

Мало того, работая с «неблаговонным» соединением, ученый отравился, и пару недель провалялся больной.

Опасное соединение раздражает кожу, слизистые, вредно для глаз.

ПДК (предельно-допустимая концентрация) в воздухе составляет 0.002 мг/м3.