Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение осмий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 135 pm — это 0,135 нм, поэтому около 3,7 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Осмий находится в жидком состоянии в диапазоне 1979 K — от 3306 K до 5285 K.
Положение
История
Самый плотный встречающийся в природе элемент: литр осмия весит 22,6 кг.
Открытие осмия в 1803 году напоминает захватывающий химический детектив с таинственными запахами, примесями в платине и выдающимися британскими химиками, работавшими буквально с токсичными веществами. Эта история показывает, как научная настойчивость и химическая интуиция помогли открыть один из самых скрытых элементов природы.
Смитсон Теннант (британский химик) столкнулся с озадачивающей проблемой: при растворении сырой платины в царской водке (азотной и соляной кислотах) всегда оставался чёрный остаток. Другие химики выбрасывали этот «бесполезный» остаток, но Теннант предположил, что в нём содержатся неизвестные элементы.
Исторический контекст: Платина недавно поступила в Европу из южноамериканских рудников, загрязнённая неизвестными металлами, которые мешали очистке платины. Лондонскому научному сообществу была крайне необходима чистая платина для лабораторного оборудования.
Теннант обработал таинственный чёрный остаток щелочным сплавлением (нагреванием с гидроксидом калия), а затем растворил его в кислоте. Этот процесс разделил остаток на два совершенно разных соединения с полностью различающимися свойствами — так были открыты не один, а два новых элемента.
Теннант идентифицировал осмий по его характерному токсичному запаху при нагревании на воздухе. Тетраоксид осмия (OsO₄) выделяет пронизывающий запах, который Теннант описал как «похожий на запах хлора, но более неприятный». Это опасное соединение едва не отравило Теннанта во время экспериментов.
Историческая опасность: Теннант, сам того не зная, подвергался воздействию тетраоксида осмия — одного из самых токсичных известных соединений. Он выжил главным образом благодаря работе с очень небольшими количествами вещества и хорошей вентиляции лаборатории.
Королевское общество признало открытие Теннанта после независимого подтверждения другими химиками. Однако получение чистого металлического осмия оставалось невозможным ещё целое столетие из-за его чрезвычайной химической устойчивости и доступности лишь очень небольших количеств.
Профессор Кембриджского университета и выдающийся аналитический химик, открывший одновременно больше элементов (иридий и осмий), чем любой другой учёный в истории. Его методичный подход к очистке платины произвёл революцию в химии драгоценных металлов.
Осмий встречался в виде микроскопических включений в сырой платине, невидимых невооружённым глазом. Только химический анализ мог выявить его присутствие.
Чрезвычайная химическая инертность осмия делала его устойчивым к обычным кислотам и аналитическим методам, доступным в 1803 году. Стандартные методы просто не могли его растворить.
Платиновые руды содержали лишь 0.001-0.01% осмия. Теннант работал с образцами массой всего несколько миллиграммов, что требовало исключительного аналитического мастерства.
Чрезвычайная токсичность тетраоксида осмия делала эксперименты опасными. Многие химики избегали работать с «пахучими» остатками, содержавшими осмий.
Теннант выбрал название «осмий» от греческого слова «osme», означающего запах, имея в виду резкий запах тетраоксида осмия, образующегося при окислении металла на воздухе. Осмий — один из немногих элементов, названных по органолептическому свойству, а не по внешнему виду, происхождению или имени первооткрывателя.
Знаменитый запах осмия: химики XIX века описывали его как «металлический», «резкий», «проникающий» и «незабываемый». Современные правила безопасности не позволяют никому ощутить этот исторически значимый, но опасный аромат.
Производители микроскопов начали использовать тетраоксид осмия для окрашивания биологических образцов, что позволило впервые подробно изучить строение клеток и положило начало современной клеточной биологии.
Ювелиры обнаружили, что осмий-иридиевые сплавы позволяют создавать перья для ручек, которые никогда не изнашиваются. Благодаря этому применению осмий впервые приобрёл коммерческую ценность.
Компания Эдисона экспериментировала с осмиевыми нитями накала для электрических ламп. Хотя вольфрам оказался лучше, исследования осмия способствовали развитию высокотемпературной металлургии.
Производители точных приборов начали использовать осмиевые сплавы для деталей, требующих стабильности размеров и износостойкости, укрепив репутацию осмия как материала высочайшего качества.
Получение чистого металлического осмия оставалось почти невозможным до 1920-х годов, когда были разработаны методы высокотемпературного восстановления водородом. Даже сегодня для получения чистого осмия необходимы:
Открытие осмия Теннантом заложило основы систематической аналитической химии, используемой и сегодня. Его метод щелочного сплавления стал основой анализа тугоплавких металлов, а его настойчивость в изучении «бесполезных» остатков вдохновила поколения химиков исследовать аномальные материалы. Каждый металл платиновой группы, открытый позднее, основывался на новаторских методах Теннанта.
Сегодня мы понимаем, что Теннант открыл один из самых редких и необычных материалов во Вселенной. Его эксперименты 1803 года с миллиграммовыми количествами вещества положили начало отраслям, которые теперь оцениваются в миллиарды долларов. «Пахучий» элемент, который едва не отравил его, теперь делает возможными освоение космоса, передовую электронику и медицинские исследования, о которых в его эпоху невозможно было даже представить.
Применение
Осмий считается самым плотным природным элементом с плотностью 22.59 g/cm³ — вдвое плотнее свинца и почти такой же плотный, как вещество нейтронной звезды. Этот необычный металл платиновой группы сочетает экстремальную плотность с remarkable твёрдостью, что делает его незаменимым там, где особенно важны максимальные характеристики.
В научных весах и прецизионных приборах сплавы осмия используют для изготовления гирь и эталонов калибровки, которые должны бесконечно долго сохранять точную массу. Химическая инертность осмия обеспечивает стабильность этих эталонов на протяжении десятилетий, позволяя получать эталонные массы с точностью до микрограммов для фармацевтических и исследовательских задач.
Перьевые наконечники премиальных ручек и дорогие ювелирные изделия делают из сплавов осмия и иридия, сочетающих исключительную долговечность с плавностью письма. Эти «вечные» наконечники могут исписывать миллионы слов без износа, поэтому их высоко ценят профессиональные писатели и коллекционеры по всему миру.
Тетраоксид осмия служит превосходным биологическим красителем для электронной микроскопии, выявляя клеточные структуры, которые иначе невозможно увидеть. Это применение произвело революцию в исследовании клеточной биологии, способствовав открытиям в области митохондрий, клеточных мембран и строения вирусов, которые продвинули современную медицину.
В проигрывателях для аудиофилов иглы звукоснимателей из сплавов осмия считывают виниловые пластинки с минимальным износом. Исключительная твёрдость защищает и иглу, и ценные виниловые записи, позволяя любителям музыки проигрывать редкие альбомы тысячи раз без ухудшения качества.
В механизмах дорогих часов сплавы осмия применяют в спусковых механизмах и балансах, где критически важны стабильность размеров и износостойкость. Швейцарские часовщики ценят способность осмия сохранять точность хода на протяжении столетий эксплуатации.
В электрических выключателях большой мощности и промышленных системах управления используют содержащие осмий сплавы для контактов, которые должны выдерживать миллионы циклов переключения при экстремальных электрических нагрузках. Оборудование энергосетей и промышленное оборудование зависят от устойчивости осмия к электрической эрозии и свариванию.
Невероятная плотность осмия — 22.59 g/cm³ — означает, что:
Уникальные окрашивающие свойства тетраоксида осмия позволили выявить строение ДНК, клеточных мембран и вирусов. Исследования в области клеточной биологии, удостоенные Нобелевской премии, опирались на методы окрашивания осмием.
Исследователи изучают экстремальные свойства осмия, чтобы разрабатывать новые сверхтвёрдые материалы и понимать механику на атомном уровне при экстремальных давлениях и температурах.
Экспериментальные космические зонды используют компоненты из осмия в миссиях, требующих максимальной плотности и химической стабильности в суровых условиях дальнего космоса.
Исследователи в области нанотехнологий изучают наночастицы осмия для лечения рака, где плотность элемента позволяет осуществлять адресную доставку лекарств. В экспериментах по квантовым вычислениям исследуют уникальные электронные свойства осмия для процессоров следующего поколения, а разработчики термоядерных реакторов рассматривают сплавы осмия для обращённых к плазме компонентов, которые должны выдерживать нейтронную бомбардировку.
Хотя осмий чрезвычайно редок и дорог, его уникальные свойства делают его незаменимым в областях, где обычные материалы просто не справляются. Большинство людей сталкиваются с осмием в изделиях высокого класса, рассчитанных на использование в течение многих поколений.
Применение осмия ограничено его чрезвычайной редкостью:
Люди, державшие осмий в руках, никогда не забывают эти ощущения:
Хотя большинство людей никогда не видит чистый осмий, его присутствие свидетельствует о высочайшем качестве:
Откуда он происходит
0,002 мг/кг земной коры · более распространён, чем 35% элементов
Осмий относится к самым редким элементам на Земле: его распространённость в земной коре составляет всего 1,5 части на миллиард. Эта исключительная редкость означает, что осмий примерно:
Космический масштаб: редкость осмия обусловлена звёздным нуклеосинтезом — он образуется только при самых мощных взрывах сверхновых, поэтому ценится во всей Вселенной.
Осмий относится к металлам платиновой группы (МПГ) — шести родственным элементам, которые встречаются в природе вместе. В семейство МПГ входят:
Самый распространённый металл платиновой группы; составляет экономическую основу добычи, в ходе которой осмий получают как побочный продукт
Второй по распространённости; главным образом используется в автомобильных каталитических нейтрализаторах
Элемент-двойник осмия, столь же редкий; в природе часто встречается в сплавах с осмием
Самый редкий из «распространённых» металлов платиновой группы; имеет исключительно высокую стоимость для каталитических применений
Используется в промышленности, электронике и химическом катализе
Чемпион по плотности; в природе часто встречается в сплаве с иридием в виде «осмири́дия»
Бушвельдский магматический комплекс: крупнейшая в мире слоистая интрузия содержит 75% мировых запасов МПГ. Риф Меренского и риф UG2 включают минералы, содержащие осмий, в слоях толщиной всего 1–2 метра, протянувшихся на сотни километров под землёй.
Крупнейшие рудники: Impala Platinum, Anglo American Platinum и Lonmin эксплуатируют глубокие подземные рудники, достигающие глубины более 1 500 метров, для добычи руды, богатой МПГ и содержащей следовые количества осмия.
Норильско-Талнахский район: в замёрзшей сибирской тундре расположены массивные сульфидные месторождения, содержащие МПГ и осмий. Эти месторождения сформировались в результате магматических процессов, связанных с падением астероида, 250 миллионов лет назад.
Уникальная особенность: руды Норильска содержат больше осмия, чем Бушвельдский комплекс, однако исключительно суровые арктические условия затрудняют добычу.
Комплекс Стиллуотер, Монтана: единственный в США первичный рудник МПГ получает осмий из слоистых интрузий, подобных Бушвельдскому комплексу. Месторождения в канадском бассейне Садбери дают небольшие количества осмия при добыче никеля и меди.
Великая Дайка в Зимбабве, Пантон-Силл в Австралии и различные россыпные месторождения по всему миру дают небольшие количества осмия при разработке россыпей с выветрившимися концентратами МПГ.
(Os,Ir) — основной природный минерал осмия, содержащий 15–40% осмия в сплаве с иридием. Эти серебристо-белые кристаллы чрезвычайно плотные и твёрдые; часто встречаются в виде мелких зёрен в россыпных месторождениях.
(Ir,Os) — богатая иридием разновидность, содержащая 10–25% осмия. Встречается в тех же месторождениях, что и осмиридий, но имеет другую кристаллическую структуру и свойства.
Os — чрезвычайно редкие кристаллы чистого осмия, иногда обнаруживаемые в россыпных месторождениях. Такие образцы ценятся коллекционерами минералов и продаются по огромным ценам.
Сульфидные минералы платины (Pt,Pd,Ni)S, содержащие следовые замещения осмием. Они составляют основную массу добываемых руд МПГ, из которых осмий необходимо извлекать посредством сложного рафинирования.
Осмий образуется при взрывах сверхновых в результате быстрого захвата нейтронов (r-процесс). Только наиболее массивные звёзды производят осмий во время своей последней, бурной стадии существования.
Во время формирования Земли большая часть осмия опустилась к ядру из-за его чрезвычайно высокой плотности и сидерофильных свойств. В мантии остались лишь следовые количества.
Редкие магматические процессы концентрируют осмий от уровня частей на миллиард до промышленных месторождений. Слоистые интрузии, такие как Бушвельдский комплекс, создают обогащённые осмием слои благодаря постепенной кристаллизации.
Выветривание и эрозия высвобождают зёрна осмия, которые накапливаются в речной гальке и пляжных песках. Эти россыпные месторождения обеспечили первые открытия осмия, но в основном уже истощены.
Для извлечения осмия необходимо перерабатывать огромные объёмы руды:
Цепочка поставок осмия отражает его исключительную редкость:
Изотопы осмия служат мощными геологическими инструментами:
Обращение
Хотя металлический осмий относительно безопасен в обращении, тетраоксид осмия (OsO₄) относится к числу самых токсичных соединений, известных науке. При нагревании осмия или работе с соединениями осмия необходима чрезвычайная осторожность, поскольку смертельно опасные пары могут образоваться без предупреждения.
НИКОГДА не нагревайте металлический осмий на воздухе выше 200°C. Пары тетроксида осмия:
НЕМЕДЛЕННЫЕ ДЕЙСТВИЯ: Промывайте глаза водой не менее 15 минут, удерживая веки открытыми. Снимите контактные линзы, если они есть. Немедленно вызовите экстренные службы — это чрезвычайная медицинская ситуация, требующая немедленного лечения в больнице.
Немедленно снимите загрязнённую одежду. Промывайте поражённый участок водой с мылом не менее 15 минут. Следите за появлением отсроченных ожогов или тёмных пятен. При сохранении любых симптомов обратитесь за медицинской помощью.
КРИТИЧЕСКИ ВАЖНО: Немедленно выйдите на свежий воздух. Вызовите экстренные службы — вдыхание тетроксида осмия требует немедленного медицинского вмешательства. Не откладывайте обращение за экстренной помощью.
Немедленно эвакуируйте помещение. Для локализации разлива используйте инструменты дистанционного управления. Никогда не используйте воду для соединений осмия. Для очистки после значительного выброса осмия обратитесь к специалистам по опасным материалам.
Биологическое окрашивание с использованием тетроксида осмия требует специализированных вытяжных шкафов, непрерывного контроля воздуха и обученного персонала. Многие учреждения теперь используют более безопасные альтернативы из-за чрезвычайной опасности осмия.
Работа со сплавами осмий—иридий требует контроля температуры для предотвращения образования тетроксида. Используйте сварку в инертной атмосфере и избегайте перегрева во время изготовления.
С электрическими контактами из осмия необходимо обращаться с соблюдением антистатических процедур. Производственные процессы требуют непрерывного контроля вентиляции и наблюдения за состоянием здоровья работников.
Работникам, обращающимся с осмием, необходимо:
Краткие ответы
Осмий (символ Os) — элемент 76 в периодической таблице, представитель семейства переходный металл в 6 периоде, 8 группе. Самый плотный встречающийся в природе элемент: литр осмия весит 22,6 кг. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Xe] 4f¹⁴ 5d⁶ 6s²; она включает 6 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 32, 14, 2.Осмий плавится при 3306 K (3032.9 °C) и кипит при 5285 K (5011.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Осмий составляет 190.23 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Осмий составляет 22.59 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Осмий примерно в 22.6× тяжелее.
Электроотрицательность Осмий по шкале Полинга составляет 2.2. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Осмий был открыт в 1803 году Tennant & Wollaston. Назван в честь греческое osme, «запах».
На долю Осмий приходится около 0.002 мг/кг земной коры — это действительно редкий элемент, поэтому он дорог.