Osmijum

Osmijum
Opšta svojstva
Ime, simbol	osmijum, Os
Izgled	srebrnasto plav
U periodnome sistemu
renijum ← osmijum → iridijum	‍
Atomski broj (Z)	76
Grupa, perioda	grupa 8, perioda 6
Blok	d-blok
Kategorija	prelazni metal
Rel. at. masa (Ar)	190,23(3)
El. konfiguracija
po ljuskama	2, 8, 18, 32, 14, 2
Fizička svojstva
Tačka topljenja	3306 K (3033 °‍C, 5491 °F)
Tačka ključanja	5285 K (5012 °‍C, 9054 °F)
Gustina pri s.t.	22.59 g/cm3
tečno st., na t.t.	20 g/cm3
Toplota fuzije	31 kJ/mol
Toplota isparavanja	378 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet	24,7 J/(mol·K)
Atomska svojstva
Elektronegativnost	2,2
Energije jonizacije	1: 840 kJ/mol ; 2: 1600 kJ/mol
Atomski radijus	135 pm
Kovalentni radijus	144±4 pm
	Spektralne linije
Ostalo
Kristalna struktura	zbijena heksagonalna (HCP)
Brzina zvuka tanak štap	4940 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenje	5,1 µm/(m·K) (na 25 °‍C)
Topl. vodljivost	87,6 W/(m·K)
Elektrootpornost	81,2 nΩ·m (na 0 °‍C)
Magnetni raspored	paramagnetičan
Magnetna susceptibilnost (χmol)	11·10−6 cm3/mol
Modul smicanja	222 GPa
Modul stišljivosti	462 GPa
Poasonov koeficijent	0,25
Mosova tvrdoća	7,0
Vikersova tvrdoća	300 MPa
Brinelova tvrdoća	293 MPa
CAS broj	7440-04-2
Istorija
Otkriće i prva izolacija	Smitson Tenant (1803)
Glavni izotopi
	reference • Vikipodaci

Osmijum (Os, lat. osmium) prelazni je metal sa atomskim brojem 76.^[3]^[4] Ime je dobio po grčkoj reči osme što označava miris. Osmijum je zastupljen u zemljinoj kori u količini od 1×10⁻⁴ ppm (engl. parts per million).

To je tvrdi, krhki, plavkasto-svetli prelazni metal i pripada platinskoj grupi metala. Osmijum je najgušći poznati element u prirodi sa gustinom od 22,59 g/cm³. Osim toga, on poseduje najviši modul kompresije među svim elementima sa 462 GPa, od kojeg imaju viši samo agregirani dijamantni nanoštapići.

Biološke funkcije osmijuma kod čoveka i drugih organizama nisu poznate. U tehničkom smislu, osmijum se zbog svoje veoma visoke cene koristi samo u aplikacijama gde je ključna osobina izdržljivost i čvrstoća.

Istorija

Osmijum, kao najteži homolog 8. grupe periodnog sistema, otkrio je Smitson Tenant 1804. zajedno sa iridijumom, kao ostatak nakon što je platinu rastvorio u carskoj vodi. Naziv osmijum nastao je zbog mirisa sličnog repi (grč. ὀσμή, osmē „miris, smrad“) njegovih isparljivih tetroksida u vrlo slabim koncentracijama.

Među prvim važnijim aplikacijama ovog metala na početku 20. veka bila je njegova upotreba kao materijal za žarne niti u sijalicama, koje je načinio Karl Auer. Naziv kompanije Osram izveden je upravo iz naziva metala koji su se u tu svrhu koristili, osmijuma i volframa. Međutim u svojim aplikacijama, korištenje osmijuma imalo je i neke nedostatke. Osim visoke cene, problem je predstavljao i veoma teška obrada ovog metala. Osmijum je veoma krhak i ne može se lako izvlačiti u žice. Zbog toga su se žarne niti za sijalice izrađivale tako što se pasta koja se sadržavala osmijum nanosila na organske sastojke te se žarila na visokoj temperaturi.^[5] Tako napravljene niti su bile dosta debele za visoke električne napone a istovremeno i veoma osetljive na vibracije i promene napona. Nakon kraćeg vremena, osmijum u žarnim nitima je zamenjen najpre tantalom te napokon volframom.^[6]

Osobine

Fizičke

Kristali osmijuma

Kristalna struktura Os, a=373,5 pm, c=413,9 pm^[7]

Metalni osmijum je sjajni teški metal, čelično-plavkaste boje čak i pri vrlo visokim temperaturama. Gradi legure sa platinom. On se kristalizuje u diheksagonalnom bipiramidalnom kristalnom sistemu u P6₃/mmc sa parametrima rešetke a=373,5 pm, c=413,9 pm kao i dve formulske jedinice po elementarnoj ćeliji.^[7] Osmijum je ispred iridijuma kao element sa najvećom gustinom. Kristalografska merenja i proračuni daju gustinu za osmijum 22,59 g/cm³, a za iridijum 22,56 g/cm³^[8] u prirodnoj izotopskoj smesi. Stoga je osmijum najgušći element koji se može naći na Zemlji.

Među svim platinskim metalima, osmijum ima najvišu tačku topljenja i najniži pritisak pare. Njegov modul kompresije od 462 GPa je najviši od svih poznatih elemenata i jedinjenja, tako da je čak manje stišljiv od dijamanta koji ima taj modul sa 443 GPa.^[9] Ispod kritične temperature od 0,66 K,^[10] osmijum postaje superprovodnik.

Hemijske

Osmijum pripada plemenitim metalima, jer je relativno inertan u većini hemijskih reakcija. Reaguje direktno samo sa nemetalima fluorom, hlorom i kiseonikom. Međutim, reakcija kiseonika i kompaktnog osmijuma odvija se tek pri crvenom usijanju osmijuma. U zavisnosti od uslova reakcije, nastaje osmijum tetroksid (na nižim temperaturama i višem pritisku kiseonika) ili osmijum trioksid. Fino isitnjeni osmijum već pri sobnoj temperaturi u tragovima gradi veoma otrovni osmijum tetroksid.

U neoksidirajućim mineralnim kiselinama, osmijum se ne rastvara, a čak ga ne napada ni carska voda pri nižim temperaturama. Međutim, napadaju ga vrlo jaka oksidirajuća sredstva, na primer koncentrovana azotna kiselina, vruća sumporna kiselina, kao i alkalne oksidativne istopljene soli, poput istopljenih natrijum peroksida ili kalijum hlorata.

Izotopi

Poznata su ukupno 34 izotopa i šest nuklearnih izomera osmijuma, od čega se u prirodi nalazi sedam izotopa sa masama 184, 186, 187, 188, 189, 190 i 192. Izotop ¹⁹²Os sa udjelom od 40,78%^[11] od prirodne smeše izotopa je najčešći izotop ovog elementa, dok je izotop ¹⁸⁴Os sa 0,02% najređi.^[11] Samo jedan (verovatno dva, uz ¹⁸⁴Os) prirodni izotop ¹⁸⁶Os je blago radioaktivan, a njegovo vreme poluraspada iznosi oko 2 triliona godina. Radioaktivnost izotopa ¹⁸⁴Os je proglašena, ali nije potvrđena; vreme poluraspada je najmanje 12 biliona godina, a trebalo bi da bude oko 30 biliona godina.

Osim ovih, postoji još 27 drugih izotopa sa dosta kraćim vremenom poluraspada u rasponu od ¹⁶²Os do ¹⁹⁶Os,^[11] koji kao i kratkoživeći nuklearni izomeri, postoje samo u laboratorijama.

Dva izotopa osmijuma ¹⁸⁷Os i ¹⁸⁹Os mogu se upotrebiti za NMR ispitivanja. Među veštačkim nuklidima, izotopi ¹⁸⁵Os (vreme poluraspada 96,6 dana) i ¹⁹¹Os (15 dana) koriste se u nuklearnoj medicini kao traseri.

Odnos između izotopa ¹⁸⁷Os i ¹⁸⁸Os služi u renijum osmijum hronometrima za određivanje starosti željeznih meteorita, jer se izotop ¹⁸⁷Re sporije raspada od ¹⁸⁷Os (vreme poluraspada 4,12 · 10¹⁰ godina^[11]).^[12]

Rasprostranjenost

Sa udelom od 1 · 10⁻⁶ % u Zemljinoj kori, osmijum je veoma redak.^[13] Javlja se gotovo uvek u paragenezi sa drugim platinskim metalima rutenijumom, rodijumom, iridijumom, paladijumom i platinom. Osmijum se često javlja i samorodan, ali i vezan u vidu sulfida, selenida ili telurida.

Nalazišta osmijuma mogu se razlikovati kao primarna i sekundarna. Primarna nalazišta su rude bakra, nikla, hroma ili željeza, u kojima se nalaze platinski metali u vrlo malim količinama u vezanom obliku. Nije poznata nijedna „samostalna” ruda osmijuma. Pored ovih ruda, postoje i sekundarna nalazišta u kojima se osmijum i drugi platinski metali nalaze u samorodnom obliku. U tim nalazištima, metali su isprani iz okolnog materijala delovanjem vode ili atmosferskih utjecaja, pa su se zbog svoje velike gustine koncentrisali na pogodnim mestima. Pri tome, osmijum se nalazi pretežno u svojim prirodnim legurama u vidu osmiridija i iridosmijuma, koji osim osmijuma sadrži uglavnom iridijum pa se raspoznaje prema svom pretežnom „sastojku”.

Najvažnija nalazišta niklovih ruda bogatih platinskim metalima, a samim tim i osmijumom, nalaze se u Kanadi (Sadburi, Ontario), Rusiji (planinski lanac Ural) i Južnoafričkoj Republici (Vitvotersrand). Sekundarna nalazišta nalaze se u podnožju Urala, u Kolumbiji, Etiopiji i na ostrvu Borneo.

Dobijanje

Čisti osmijum

Proizvodnja osmijuma nije laka niti jeftina, a odvija se uglavnom u sklopu dobijanja drugih plemenitih metala poput zlata ili platine. Procesi koji se pri tom primenjuju koriste različite osobine pojedinih plemenitih metala i njihovih jedinjenja, pri čemu se odvaja jedan po jedan element.

Kao početna sirovina služe rude koje sadrže plemenite metale ili anodni mulj iz proizvodnje nikla ili zlata. Ruda se najprije rastvara u carskoj vodi. Pri tom zlato, paladijum i platina prelaze u rastvor, a preostaju drugi platinski metali i srebro. Dalje srebro reaguje do nerastvorljivog srebro hlorida, koji se može odvojiti sa olovo karbonatom i azotnom kiselinom (gradeći srebro nitrat). Topljenje sa natrijum bisulfatom i napokon taloženjem, može se rastvoriti rodijum u vidu rodijum sulfata i odvojiti. Zatim se preostali materijal rastvara sa natrijum peroksidom, pri čemu se rastvaraju osmijum i rutenijum, a preostaje nerastvorljivi iridijum. Kada se ovaj rastvor tretira sa hlorom, nastaju isparljive materije rutenijum tetroksid i osmijum tetroksid. Dodavanje alkoholnih natronskih baza rastvara se osmijum tetroksid i na taj način ga je moguće odvojiti od rutenijuma. Dalje se osmijum istaloži sa amonijum hloridom kao kompleks i napokon reducira sa vodonikom do metalnog osmijuma:

\mathrm {[OsO_{2}(NH_{3})_{4}]Cl_{2}+3\ H_{2}\longrightarrow }

\mathrm {Os+4\ NH_{4}^{+}+2\ Cl^{-}+2\ OH^{-}}

Osmijum se proizvodi u veoma malim količinama. Svetska proizvodnja iznosi oko 100 kg godišnje.^[14] U Sjedinjenim Američkim Državama, ni proizvođači niti Američki geološki institut nisu objavili podatke o proizvedenoj količini osmijuma. Prema procenama potrošnje u SAD iz 1971.^[15] smatra se da je ona iznosila oko 62 kg, što upućuje da proizvodnja osmijuma ne prelazi jednu tonu godišnje. Procenjena proizvodnja u SAD 2012. iznosila je oko 75 kg.^[16]

Reference

^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.
^ ^a ^b Haynes 2011, str. 4,134.
^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.
^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.
^ Glühlampe, na stranici wissen.de, (jezik: nemački)
^ 100 Jahre Osram, septembar 2006 Arhivirano 2013-06-26 na sajtu Wayback Machine (PDF), str. 16.
^ ^a ^b K. Schubert (1974). „Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente”. Acta Crystallographica. B30: 193—204. doi:10.1107/S0567740874002469.
^ J. W. Arblaster (1989). „Densities of Osmium and Iridium”. Platinum Metals Review. 33 (1): 14—16.
^ Osmium is Stiffer than Diamond. Physical Review Focus, 27. mart 2002.
^ Fizičke osobine osmija na stranici webelements.com (jezik: engleski)
^ ^a ^b ^v ^g G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The Nubase evaluation of nuclear and decay properties (PDF).
^ J. L. Birck; M. Roy-Barman; C. J. Allegre (1991). „The Rhenium Osmium Chronometer: The Iron Meteorites Revisited”. Meteoritics. 26 (318). ; Preprint.
^ Hans Breuer (2000). dtv-Atlas Chemie. 1 (9 izd.). dtv-Verlag. ISBN 3-423-03217-0.
^ Harry H. Binder (1999). Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 3-7776-0736-3.
^ Ivan C. Smith; Carson, Bonnie L.; Ferguson, Thomas L. (1974). „Osmium: An Appraisal of Environmental Exposure”. Environmental Health Perspectives. 8: 201—213. JSTOR 3428200. PMC 1474945  . PMID 4470919. doi:10.2307/3428200.
^ „PLATINUM-GROUP METALS” (PDF). USGS. Pristupljeno 27. 5. 2013.

Literatura

Haynes, William M., ur. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92nd izd.). CRC Press. ISBN 978-1439855119.
FLEGENHEIMER, J. (2014). The mystery of the disappearing isotope. Revista Virtual de Química. V. XX. Available at Wayback Machine

Spoljašnje veze

Osmium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)
Chisholm, Hugh, ur. (1911). „Osmium”. Encyclopædia Britannica (na jeziku: engleski). 20 (11 izd.). Cambridge University Press. str. 352.

[CIAAW2016-1] Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305.

[FOOTNOTEHaynes20114,134-2] Haynes 2011, str. 4,134.

[ParkesNeorganskaHemija-3] Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga.

[Housecroft3rd-4] Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6.

[wissende-5] Glühlampe, na stranici wissen.de, (jezik: nemački)

[poolb-6] 100 Jahre Osram, septembar 2006 Arhivirano 2013-06-26 na sajtu Wayback Machine (PDF), str. 16.

[Schubert-7] K. Schubert (1974). „Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente”. Acta Crystallographica. B30: 193—204. doi:10.1107/S0567740874002469.

[arblaster-8] J. W. Arblaster (1989). „Densities of Osmium and Iridium”. Platinum Metals Review. 33 (1): 14—16.

[stif-9] Osmium is Stiffer than Diamond. Physical Review Focus, 27. mart 2002.

[webelements-10] Fizičke osobine osmija na stranici webelements.com (jezik: engleski)

[nubase-11] v ^g G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The Nubase evaluation of nuclear and decay properties (PDF).

[Birck-12] J. L. Birck; M. Roy-Barman; C. J. Allegre (1991). „The Rhenium Osmium Chronometer: The Iron Meteorites Revisited”. Meteoritics. 26 (318). ; Preprint.

[dtv-13] Hans Breuer (2000). dtv-Atlas Chemie. 1 (9 izd.). dtv-Verlag. ISBN 3-423-03217-0.

[Harry_H._Binder-14] Harry H. Binder (1999). Lexikon der chemischen Elemente. Stuttgart: S. Hirzel Verlag. ISBN 3-7776-0736-3.

[Appraisal-15] Ivan C. Smith; Carson, Bonnie L.; Ferguson, Thomas L. (1974). „Osmium: An Appraisal of Environmental Exposure”. Environmental Health Perspectives. 8: 201—213. JSTOR 3428200. PMC 1474945  . PMID 4470919. doi:10.2307/3428200.

[platgr-16] „PLATINUM-GROUP METALS” (PDF). USGS. Pristupljeno 27. 5. 2013.

[3]

[4]

[1]

[2]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]