Осмий

Осмий
Сиво-син метал
Спектрални линии
Рений ← Осмий → Иридий Ru ↑ Os ↓ Hs H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og Периодична система
Общи данни
Име, символ, Z	Осмий, Os, 76
Група, период, блок	8, 6, d
Химическа серия	преходен метал
Електронна конфигурация	[Xe] 4f14 5d6 6s2
e- на енергийно ниво	2, 8, 18, 32, 14, 2
CAS номер	7440-04-2
Свойства на атома
Атомна маса	190,23 u
Атомен радиус (изч.)	130 (185) pm
Ковалентен радиус	144±4 pm
Степен на окисление	8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, −1, −2, −4
Оксид	OsO4 и OsO2 (киселинни)
Електроотрицателност (Скала на Полинг)	2,2
Йонизационна енергия	I: 840 kJ/mol II: 1600 kJ/mol
Физични свойства
Агрегатно състояние	твърдо вещество
Кристална структура	шестоъгълна плътноопакована
Плътност	22590 kg/m3
Температура на топене	3306 K (3033 °C)
Температура на кипене	5285 K (5012 °C)
Моларен обем	8,421×10-6 m3/mol
Специф. топлина на топене	31 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение	378 kJ/mol
Налягане на парата P (Pa) 1 10 102 103 104 105 T (K) 3160 3423 3751 4148 4638 5256
Скорост на звука	4940 m/s при 20 °C
Специф. топл. капацитет	130 J/(kg·K)
Специф. електропроводимост	1,2×107 S/m при 0 °C
Специф. ел. съпротивление	0,081 Ω.mm2/m при 0 °C
Топлопроводимост	87,6 W/(m·K)
Магнетизъм	парамагнитен
Модул на срязване	222 GPa
Модул на свиваемост	462 GPa
Коефициент на Поасон	0,25
Твърдост по Моос	7
Твърдост по Викерс	3620 – 4140 MPa
Твърдост по Бринел	3490 – 4000 MPa
История
Откритие	Смитсън Тенант (1803 г.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР 184Os 0,02 % стабилен 185Os синт. 93,6 дена ε 185Re 186Os 1,59 % 2×1015 г. α 182W 187Os 1,96 % стабилен 188Os 13,24 % стабилен 189Os 16,15 % стабилен 190Os 26,26 % стабилен 191Os синт. 15,4 дена β- 191Ir 192Os 40,78 % стабилен 193Os синт. 30,11 дена β- 193Ir 194Os синт. 6 г. β- 194Ir
Осмий в Общомедия

Осмият е химичен елемент от 8 група, 6 период. Има пореден номер 76 и атомна маса 190,23 (средно), температура на топене 3306 K и температура на кипене 5285 K.

Осмият е металът с най-висока плътност на Земята. Съдържа се в съвсем малки количества в земната кора. Среща се и под формата на сплави, като например осмиридий.

Осмият е открит през 1804 г.^[1] от Смитсън Тенант и Уилям Хайд Уоластън в Лондон, Англия. Откриването на осмия се преплита с това на платината и други метали от групата на платината. Откритието, че този метал не е сплав, а нов елемент, е публикувано през 1748 г. Химиците, които са изучавали платината, го разтварят в царска вода (смес от солна и азотна киселина) за създаване на разтворими соли. В разтвора се наблюдава малко количество тъмен, неразтворим остатък. Джоузеп Луис Пруст предположил, че остатъкът е графит. Редица други учени химици също наблюдавали черния остатък през 1803 г., но не получили достатъчно материал за по-нататъшни експерименти.

През 1803 г. Смитсън Тенант анализира неразтворимия остатък и стига до заключението, че той съдържа нов метал. Той продължава своите изследвания и идентифицира два неоткрити дотогава елементи в черния остатък – осмий и иридий.

Тенант нарича единия от елементите осмий, което на гръцки означава „мирис“, заради силния, неприятен мирис на едно от съединенията, в които се включва – осмиевият тетраоксид.

Разпространението на осмия в природата се определя от два процеса – неговото образуване при първичния ядрен синтез на тежките елементи и от натрупването му за сметка на β^--разпада на изотопа ¹⁸⁷Re по реакцията:^[1]

${\displaystyle _{75}^{187}Re\rightarrow _{76}^{187}Os+\beta ^{-}+{\tilde {\nu }}}$.

В резултат от реакцията количеството на радиоактивния изотоп ¹⁸⁷Os непрекъснато расте.

Сведенията за разпространеността на осмия в земната кора са много ограничени и варират в широки граници, в зависимост от количеството ¹⁸⁷Re в залежи от осмий. Той е слабо разпространен, като в земната кора е приет за 1×10^-8% по маса и на 80-о място сред химичните елементи.

Съществуват неголям брой минерали с основна съставна част осмий. Те представляват единствени сплави на осми с иридия, в които съставът му се колебае между 2% и 98,5%. Изоморфизмът в системата Os-Ir е ограничен, определящо се от структурната несъвместимост на хексаголналния осмий с кубичния иридий.

Осмият се среща и във вид на съединения със сярата и арсена. Във вид на примеси присъства в самородната платина, паладий и злато, минералите сперлит (PtAs₂) и лаурит (RuS₂).^[1]

Осмият има синьо-сив оттенък и е най-плътният стабилен елемент. Осмият е твърд, но крехък метал, който остава лъскав дори и при много високи температури. Той е с много ниска свиваемост. Твърдостта на осмия е умерено висока. Поради своята твърдост, ниско налягане на парите и много висока точка на топене осмият е труден за обработване метал.

Температурата му на топене (3033 °C) и на кипене (5012 °C) са най-високите сред всички платинови метали.^[1] Проявява свръхпроводимост при 0,671К.^[1]

В природата осмият се среща в 7 стабилни изотопа. Известни са още 29 изкуствено получени радиоактивни изотопи и 5 изомера.^[1]

Има хексагонална плътноопакована кристална решетка. Електронната му обвивка е KLMN5s²5p⁶5d⁶6s². Известни са съединения в степени на окисление от −4 до +8. Най-стабилни са съединенията с четиривалентен и осемвалентен осмий.^[1]

Характерно за осмия е лесното му взаимодействие с кислорода. Най-важното от съединенията, получавани при това взаимодействие, е OsO₄. Той се образува при нагряване на силно надробен метален осмий на въздух или в поток от кислород при стайна температура или под въздействието на разтвори, съдържащи осмий и азотна киселина или други окислители. OsO₄ кристализира във вид на жълти моноклинни кристали, които се топят при 40,6 °C и се разтварят във вода, спирт и етер.^[1] Пàрите му са силно токсични и действат на очната лигавица и дихателните органи. OsO₄ е силен окислител и лесно се редуцира до OsO₂ или до метален осмий с водород.

Не са известни осмиеви хидриди.^[1]

Интерес представляват сулфидите и халогенидите на осмия. Осмиев прах при нагряване взаимодейства и със селен, телур, фосфорна, азотна и сярна киселина. Реагира с концентрирани солна и азотна киселина и H₂O₂:^[2]

${\displaystyle {\ce {Os + 6k.HCl + O2}}\xrightarrow {\mathrm {\Delta } } {\ce {H2[OsCl6] + H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {Os + 8.kHNO3 -> [Os(H2O)2O4] + 8NO2 + 2H2O}}}$

${\displaystyle {\ce {Os + 4k.H2O2 -> [Os(H2O)2O4] + 2H2O}}}$

Взаимодейства с разтопени основи в присъствието на окислител (нитрат или калиев хлорат), както и с разтопен натриев пероксид, NO и CO:^[2]

${\displaystyle {\ce {Os + 3KClO + 2K.KOH + H2O -> K2[OsO2(OH)4] + 3KCl}}}$

${\displaystyle {\ce {Os + 5CO -> [Os(CO)5]}}}$

Известни са многочислени комплексни съединения на осмия и негови металоорганични съединения.

Известни са OsO₂ и OsO₄. Диоксидът има нестехиометричен състав, което е причината за промяната в цвета му – от жълт до кафяв.^[3] Има рутилова структура и е неразтворим във вода. При загряване търпи диспропорциониране:^[3]

${\displaystyle {\ce {2OsO2 -> OsO4 + Os}}}$.

За получаването на OsO₄ достатъчен окислител е азотната киселина. Той има молекулна решетка и затова е нискотопим и леснолетлив. Има слабожълтеникав цвят.^[3] Пàрите му са силно отровни и се редуцират лесно от органични вещества.

Двата оксида са координационно наситени, не присъединяват водни молекули и не дават хидроксиди. Средноразтворими са и водните им разтвори, които не провеждат електричен ток. Разтварят се по-добре в органични разтворители. При разтваряне на OsO₄ в алкални разтвори се образува осмиев транс-хидроксиден перосмат:^[3]

${\displaystyle {\ce {OsO4 + 2KOH -> K2[OsO4(OH)2]}}}$

Полученият калиев дихидроксиперосмат се отделя във вид на тъмночервени кристали. Това съединение е устойчиво на студена вода, но се разтваря в горещи вода и оксокиселини.^[2] Аналогична реакция протича и с KF:

${\displaystyle {\ce {OsO4 + 2KF -> K2[OsO4F2]}}}$ – калиев дифлуороперосмат.

Съответните хидроксиди се получават при хидролиза на халогениди:

${\displaystyle {\ce {OsCl4 + 4H2O -> Os(OH)4 + HCl}}}$

Те имат амфотерен характер.

Оксиди и хидроксиди в +6 и +7 степен на окисление не са получени, но са известни някои съединения.

OsF₇ е синтезиран при 600 °C и налягане 40 МРа. Той е жълт, твърд и нестабилен. Всички опити за синтезиране на OsF₈ са неуспешни.^[3] OsF₆ е най-стабилен от халогенидите на платиновите метали и се получава при пряка синтеза. Леснолетлив е и трябва да се държи на сухо, защото хидролизира при наличие на влага. Пентафлуоридът полимеризира до тетрамери – (OsF₅)₄. Тетрахалогенидите са получават при редукция на OsX₆ и OsX₅.^[3]

При директна синтеза със S, Se и Te се получават съответни съединения от пиритов тип – OsS₂, OsSe₂, OsTe₂. Нисшата степен на окисление на тези елементи са стабилизира в комплексни съединения.

Осмият се характеризира и с голямо разнообразие на арилни и алифатни производни.^[4]

Комплексните съединения на осмия са в разнообразни степени на оксиление.^[4]

В шеста степен на окисление като комплекси могат да се разглеждат производните на осмиловия катион OsO2+
2, които се получават като се действа на солнокисел разтвор на OsO₄ с различни лиганди. При алкализиране на разтвора се получава [OsO₂(OH)₄]^2-. При замяна на хидроксидните групи с Cl⁻, Br⁻, C₂O2−
4, NO−
2, NH₃ и други лиганди се получават осмилови производни, чиито кристални соли са оранжеви или червени – K₂[OsO₂(CN)₄], Cs₂[OsO₂Cl₄].

От комплексите в +4 степен на окисление са познати [OsX₆]²⁻. Познати са и оксохалогенидни комплекси, [Os₂OX₁₀]²⁻. При тях кислородният атом мостово свързва двата метални атома – [Cl₅Os–O–OsCl₅].^[3]

Находищата на осмий са концентрирани в Русия (Сибир и Урал), САЩ (Аляска, Калифорния), Колумбия, Канада, Южна Африка, Тасмания и Австралия. Но най-големите количества осмий са открити по територията на Южна Африка. Осмий се получава от суровина за извличане на платина чрез калциране на концентрата на въздух при температура от 800 – 900 °C. Сублиматът от осмиев тетраоксид (OsO₄) се абсорбира от разтвор на натриева основа.

Солта се изолира чрез изпаряване на разтвора на натриев перосмат, който след това се редуцира с водород при 120 °C, при което се получава чист осмий.

В чисто състояние осмият се използва рядко поради трошливостта си. Високата му твърдост и устойчивост позволяват използването му в различни сфери:

• Нагревателните жици на електрическите крушки първоначално са били направени с осмиеви жички, а след това са заменени от волфрам.^[1]
• Използва се като катализатор за синтез на амоняк и хидрогениране на различни органични съединения.
• Осмиев тетраоксид се използва за откриване на пръстови отпечатъци и в оцветяване на мастна тъкан за оптичния и електронния микроскоп.
• Използва се за производството на лампи с нажежаеми нишки, заедно с волфрам.
• Прилага се за различни военни цели, като част от артилерийски снаряди и ракетни бойни глави.
• Също така се използва в електронното оборудване и ракетните технологии.
• Осмий се използва при хирургичната процедура синовектомия при пациенти с артрит, само в Скандинавия. Това включва прилагане на осмиев тетраоксид (OsO₄), което е силно токсично съединение.
• Осмиев тетраоксид се използва за определяне на биологични обекти в електронна микроскопия.
• Сплав от платина (90%) и осмий (10%) се използва при хирургични импланти като пейсмейкъри и при смяна на пулмонална клапа.
• Правят се опити с присъствието на осмий в съединения, които показват противоракова активност ин виво (в животински изследвания). Те показват обещаващо бъдеще за използването на осмиеви съединения в борбата за намиране лекарство против раковите образувания.

Осмият няма биологична роля. Фино стрит прах на осмия реагира с кислорода във въздуха, като се получава осмиев тетраоксид (OsO₄). Осмиевият тетраоксид е силно отровен при погълщане. Ниски концентрации от него във въздуха предизвикват дразнене на очите и горните дихателни пътища.