Осмий

Шаблон:Химичен елемент 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.

История

Осмият е открит през 1804 г. 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.

Разпространение

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:

$\underset{187}{\overset{}{75}}Re\underset{76}{\overset{187}{\to }}Os+{\beta }^{-}+\tilde{\nu }$.

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).

Физични свойства

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. Проявява свръхпроводимост при 0,671К.

Изотопи

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

Химични свойства

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.

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. 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.

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:

$\mathrm{O}\mathrm{s}+6\mathrm{k}\cdot \mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}+\mathrm{O}{\phantom{A}}_2\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{H}{\phantom{A}}_2[\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_6]+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

$\mathrm{O}\mathrm{s}+8\cdot k\mathrm{H}\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_3⟶[\mathrm{O}\mathrm{s}(\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}){\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_4]+8\mathrm{N}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

$\mathrm{O}\mathrm{s}+4\mathrm{k}\cdot \mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶[\mathrm{O}\mathrm{s}(\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}){\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_4]+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

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

$\mathrm{O}\mathrm{s}+3\mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{O}+2\mathrm{K}\cdot \mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{K}{\phantom{A}}_2[\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_4]+3\mathrm{K}\mathrm{C}\mathrm{l}$

$\mathrm{O}\mathrm{s}+5\mathrm{C}\mathrm{O}⟶[\mathrm{O}\mathrm{s}(\mathrm{C}\mathrm{O}){\phantom{A}}_5]$

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

Химични съединения

Оксиди, хидроксиди и соли

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

$2\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2⟶\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+\mathrm{O}\mathrm{s}$.

За получаването на OsO₄ достатъчен окислител е азотната киселина. Той има молекулна решетка и затова е нискотопим и леснолетлив. Има слабожълтеникав цвят. 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:

$\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+2\mathrm{K}\mathrm{O}\mathrm{H}⟶\mathrm{K}{\phantom{A}}_2[\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_2]$

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. Аналогична реакция протича и с KF:

$\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4+2\mathrm{K}\mathrm{F}⟶\mathrm{K}{\phantom{A}}_2[\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{O}{\phantom{A}}_4\mathrm{F}{\phantom{A}}_2]$ – калиев дифлуороперосмат.

Съответните хидроксиди се получават при хидролиза на халогениди:

$\mathrm{O}\mathrm{s}\mathrm{C}\mathrm{l}{\phantom{A}}_4+4\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}⟶\mathrm{O}\mathrm{s}(\mathrm{O}\mathrm{H}){\phantom{A}}_4+\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}$

Те имат амфотерен характер.

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

Халогениди

Осмиеви халогениди

Степен на окисление	F-	Cl-	Br-	I-
+7	OsF7, жълт	–	–	–
+6	OsF6, жълт	–	–	–
+5	OsF5, син	OsCl5, черен	–	–
+4	OsF4, жълт	OsCl4, червен	OsBr4, черен	–
+3	–	OsCl3, тъмносив	OsBr3, тъмносив	OsI3, черен

OsF₇ е синтезиран при 600 °C и налягане 40 МРа. Той е жълт, твърд и нестабилен. Всички опити за синтезиране на OsF₈ са неуспешни. 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.

Други съединения

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.

Комплексни съединения

Комплексните съединения на осмия са в разнообразни степени на оксиление.

В шеста степен на окисление като комплекси могат да се разглеждат производните на осмиловия катион OsOШаблон:Индекси, 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⁻, C₂OШаблон:Индекси, NOШаблон:Индекси, 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].

Получаване

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.

Употреба

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.
• 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.

Биологична роля

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.