Плотность металлов и сплавов (таблица)

Изотопы

В природе осмий встречается в виде семи изотопов, 6 из которых стабильны: 184Os (0,018 %), 187Os (1,64 %), 188Os (13,3 %), 189Os (16,1 %), 190Os (26,4 %) и 192Os (41,1 %). Искусственным путём получены радиоактивные изотопы осмия с массовыми числами от 162 до 197, а также несколько ядерных изомеров.
Осмий-186 (содержание природном осмии 1,59 %) подвержен альфа-распаду, но учитывая его исключительно большой период полураспада — (2,0 ± 1,1)·1015 лет, — его можно считать практически стабильным. Согласно расчётам, остальные естественные изотопы тоже способны к альфа-распаду, но с ещё большим полупериодом, поэтому их альфа-распад экспериментально не наблюдался. Теоретически для 184Os и 192Os возможен двойной бета-распад, наблюдениями также не зафиксированный.

Изотоп осмий-187 является результатом распада изотопа рения (187Re, период полураспада 4,56·1010 лет). Он активно используется при датировке горных пород и метеоритов (рений-осмиевый метод). Наиболее известным применением осмия в методах датировки является иридиево-осмиевый метод, применявшийся для анализа кварцев из пограничного слоя, разделяющего меловой и третичный периоды.

Широкого практического применения осмий-187 не имеет. По некоторым данным, целью операций с этим изотопом было «отмывание» нелегальных капиталов.

Где он в природе

Найти слитки в лесах, горах, водоёмах не получится. До сих пор не найдено ни одного самородка. Добывают его на рудных месторождениях в составе с иридием, платиной, в платиново-палладиевой руде, в медных и никелевых рудах. Но содержание осмия в нём составляет 0,001%. И ещё он встречается в метеоритах. Правда, отделяются изотопы от них больше чем через 9 месяцев. Поэтому промышленные производства с применением осмия обходятся вторичным сырьём, что ненамного дешевле.

На Норильском горно-металлургическом комбинате добились определённых успехов в этой задаче. Получили чистый металл из медно-никелевых руд. Количество его на планете – 0,000005% от всей массы горных пород. Но в России есть. И в Казахстане. А основные запасы располагаются в Тасмании, Америке, Австралии. Самые большие сосредоточены в Южной Африке. Она-то и диктует цены.

Физические свойства

Слиток осмия

Осмий — серо-голубоватый, твёрдый, но хрупкий металл с очень высокой удельной массой, сохраняющий свой блеск даже при высоких температурах. В силу своей твёрдости, хрупкости, низкого давления паров (самого низкого среди всех платиновых металлов), а также очень высокой температуры плавления, осмий с трудом поддаётся механической обработке. Осмий считается самым плотным из всех простых веществ, немного превосходя по этому параметру иридий. Наиболее достоверные значения плотностей для этих металлов могут быть рассчитаны по параметрам их кристаллических решёток: 22,562 ± 0,009 г/см³ для иридия и 22,587 ± 0,009 г/см³ для осмия. По новейшим сведениям, плотность осмия ещё выше — она составляет 22,61 г/см3. При сравнении различных изотопов этих элементов наиплотнейшим оказывается 192Os. Необычайно высокая плотность осмия объясняется лантаноидным сжатием, а также гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой.

Осмий плавится при 3306 K (3033 °C), кипит при 5285 K (5012 °C). Температура перехода в сверхпроводящее состояние — 0,66 К; твёрдость по Виккерсу — 3—4 ГПа, по шкале Мооса — 7; модуль нормальной упругости — 56,7 ГПа; модуль сдвига — 22 ГПа. Осмий — парамагнетик (магнитная восприимчивость — 9,9·10−6).

При давлениях порядка 770 ГПа в металлическом осмии начинают взаимодействовать электроны на внутренних орбиталях, но при этом структура материала не меняется .

Применение осмия

    Широкое распространение получил как катализатор реакций и компонент сплавов с иридием. Из основных направлений следует выделить:

  • Применение осмия в качестве покрытия для предотвращения трения в узлах
  • Использование как катализатора в синтезе гидрирования органических соединений, аммиака, а также метанольных элементах топливного типа
  • Изготовления из сплава вольфрама и осмия ламп накаливания
  • Применение в военной промышленности в изготовлении снарядов и ракет, а также в электронной аппаратуре ракетной и авиатехники
  • Использование на ряду с рутением и иридием для изготовления износостойких и сверхтвердых сплавов
  • Применение для фиксации объектов биологического типа в электронной микроскопии
  • Применение в хирургических имплантатах
  • История

    Осмий открыт в 1803 году английским химиком Смитсоном Теннантом в сотрудничестве с Уильямом Х. Уолластоном в осадке, остающемся после растворения платины в царской водке. Сходные исследования проводились французскими химиками Колле-Дескоти, Антуаном де Фуркруа и Вокленом, которые тоже пришли к выводу о содержании неизвестного элемента в нерастворимом остатке платиновой руды. Гипотетическому элементу было присвоено имя птен (греч. πτηνός — крылатый), однако опыты Теннанта продемонстрировали, что это смесь двух элементов — иридия и осмия.

    Открытие новых элементов было задокументировано в письме Теннанта Лондонскому королевскому обществу от 21 июня 1804 года.

    Применение

    Еще варианты использования:

    1. Химическая промышленность применяет его в качестве катализатора. Иногда он срабатывает быстрей платины. Вообще, почти половина мировых запасов осмия отдана на нужды химической промышленности.
    2. Тетраоксид осмия применяют при синтезировании некоторых лекарств.
    3. В химических лабораториях помогает в окрашивании живых тканей под микроскопом. Обеспечивает сохранность микроструктуры клеток.
    4. В аэрокосмической промышленности.
    5. При производстве ядерного оружия полезен для изготовления тары под ядерные отходы. Вот тут стоимость осмий металла оправдана в полной мере.
    6. Благодаря отсутствию магнитных свойств такой металл приветствуется при изготовлении дорогих часов, элитных моделей. Цена «Ролексов» включает не только брендовую стоимость, качество механизма и драгоценность корпуса. Содержание корпуса с использованием благородного сплава тоже повышает цену.
    7. В росписи фарфора, как краситель чёрного цвета.
    8. Минеральное производство включает соли осмия для вытравки разных материалов, синтеза аммиака, гидрирования органических веществ.
    9. Придумали даже авторучки с наконечниками из осмия – это металл, который позволяет продукцией из него пользоваться вечно. Этого нельзя сказать о металлических перьях из чистого золота или других металлов.
    10. Высокоточные приборы. Электронная микроскопия.
    11.  Механика использует соединения металла для улучшения прочности сплавов для узлов трения.
    12. Изотопы Осмия187 задействованы в ракетостроении, авиа- и кораблестроении.
    13. В военных боеголовках.

    Не все соединения осмия применимы к использованию. Но учёные работают над этим.

    Несомненная польза тяжелейшего металла

    По мнению английских учёных этот тяжёлый металл блокирует развитие раковых клеток. Методы терапии онкозаболеваний с задействованием осмия хоть и очень медленно, но уже разрабатываются.

    В медицине, в кардиостимуляции, его используют в имплантах, изготовление которых требует благородных металлов для предотвращения развития аллергий. Состав импланта, заменяющего элементы сердца, включает 10% осмия и 90% платины. Конечно, такие приборы и оцениваются соответственно. Такая же пропорция применяется для изготовления лёгочных клапанов.

    Применение соединений осмия для медицинских потребностей заметно при производстве особо прочных, длительного использования, инструментов, таких, как скальпели, всевозможные металлокерамические резцы. И нужно для этого совсем немного сырья, а эффект потрясающий.

    Микроскопические добавки осмия к стали режущих сортов позволяют создавать острейшие лезвия.

    Опасность и техника безопасности

    Как и другие тяжёлые металлы, осмий оказывает не самое благоприятное влияние на живые организмы, не обходя и человеческий. Любые соединения с осмием поражают внутренние органы, вызывают потерю зрения. Отравление парами элемента приводит и к летальному исходу. При наблюдении за животными наблюдалось резкое развитие малокровия, и лёгкие переставали функционировать. Полагают, что это быстроразвивающийся отёк.

    Опасность отравления грозит, прежде всего, работникам производственных помещений при малейшей концентрации паров в воздухе. Ни о каких допустимых нормах учёные уже не заикаются. Поэтому предусмотренная специальная одежда, респираторы – обычное явление на производствах с применением оксида осмия. Всё герметизировано, ёмкости закупорены и хранятся в соответствии с уже испытанными правилами.

    Если всё же по какой-то немыслимой причине соединение осмия попадёт в глаза, промывать их надо продолжительное, минут 20, время. Чистой проточной водой. И сразу к врачу. При попадании в организм через дыхательные пути пары осмия нейтрализуются бикарбонатом натрия. Он выпускается в аэрозольной упаковке. Много молока внутрь. И промыть желудок.

    Примечания

    1. ↑ Atomic weights of the elements 2009 (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry
    2. ↑  (англ.). WebElements. Дата обращения 17 августа 2013.
    3.  (англ.). WebElements. Дата обращения 17 августа 2013.
    4. The lattice parameters, densities and atomic volumes of the platinum metals. Crabtree, Robert H. Sterling Chem. Lab., Yale Univ., New Haven, CT, USA. Journal of the Less-Common Metals (1979), 64(1), стр. 7-9.
    5. . Популярная библиотека химических элементов. Дата обращения 17 августа 2013.
    6. . geektimes.ru. Дата обращения 26 января 2016.
    7. Tunik S.P. Reviews: The chemistry of carbonyl clusters of transition metals containing labile and hemilabile ligands. Synthesis, reactivity, and prospects for application (англ.) // Russian Chemical Bulletin, International Edition : journal. — 2004. — Vol. 53, No. 12. — P. 2657—2669.
    8. Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — С. 629—630. — 871 с.
    9. Юлия Золина. . ЦентрАзия (22 января 2004). Дата обращения 17 августа 2013.
    10. . NuclearNo.ru (19 сентября 2003). — «Осмий-187 якобы казахстанского происхождения вновь будоражит воспалённые умы россиян. На днях в Москве будут судить нелегальных сбытчиков скандально известного изотопа. Основной фигурант в этом деле — Владимир Солгалов, который, как утверждается, в начале этого года получил именно из Казахстана две ампулы. В них находилось около 5 граммов платиноида». Дата обращения 17 августа 2013.
    11. . humanism.al.ru. Дата обращения 17 августа 2013.
    12. Новый справочник химика и технолога. Радиоактивные вещества. Вредные вещества. Гигиенические нормативы / Редкол.: Москвин А. В. и др.. — СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2004. — 1142 с.

    Нахождение в природе

    Кристаллы осмия

    Содержание осмия в земной коре приблизительно составляет 5·10−6 % по массе.

    В самородном состоянии осмий встречается в виде твёрдых растворов с иридием, содержащих от 10 до 50 % осмия. Осмий встречается в полиметаллических рудах, содержащих также платину и палладий (сульфидные медно-никелевые и медно-молибденовые руды), в минералах платины и отходах от переработки золотосодержащих руд. Основные минералы осмия — относящиеся к классу твёрдых растворов природные сплавы осмия и иридия (невьянскит и сысертскит). Невьянскит образует плотные (ρ = 17000—22000 кг/м3) белые или светло-серые пластинчатые кристаллы гексагональной сингонии с твёрдостью 6—7 баллов по шкале Мооса. Содержание осмия в невьянските может достигать 21—49,3 %.

    Сысертскит часто встречается вместе с невьянскитом. Он представляет собой серые кристаллы гексагональной структуры с твёрдостью 6 баллов по Моосу и плотностью 17800—22500 кг/м3. Кроме осмия и иридия, в состав этого минерала иногда может входить рутений.

    Иногда эти минералы встречаются самостоятельно, чаще же осмистый иридий входит в состав самородной платины.

    Месторождения

    Основные месторождения осмистых иридиев сосредоточены в России (Сибирь, Урал), США (Аляска, Калифорния), Колумбии, Канаде, странах Южной Африки, Тасмании, Австралии. Казахстан является единственным экспортёром чистого осмия[источник не указан 268 дней].

    Крупнейшими запасами обладают месторождения Бушвельдского комплекса в Южно-Африканской Республике.

    Осмий встречается также в виде соединений с серой и мышьяком (эрлихманит, осмиевый лаурит, осарситт). Содержание осмия в рудах, как правило, не превышает 1⋅10−5.

    Вместе с другими благородными металлами встречается в составе железных метеоритов.

    Химические свойства

    Степени окисления осмия
    −2 Na2[Os(CO)4]
    −1 Na2[Os4(CO)13]
    Os3(CO)12
    +1 OsI
    +2 OsI2
    +3 OsBr3
    +4 OsO2, OsCl4
    +5 OsF5
    +6 OsF6
    +7 OsOF5, OsF7
    +8 OsO4, Os(NCH3)4

    Порошок осмия при нагревании реагирует с кислородом, галогенами, парами серы, селеном, теллуром, фосфором, азотной и серной кислотами. Компактный осмий не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, но с расплавами щелочей образует водорастворимые осматы. Медленно реагирует с азотной кислотой и царской водкой, реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей (нитрата или хлората калия), с расплавленной перекисью натрия. В соединениях проявляет степени окисления от −2 до +8, из которых самыми распространёнными являются +2, +3, +4 и +8.

    Осмий — один из немногих металлов, образующих полиядерные (или кластерные) соединения. Полиядерный карбонил осмия Os3(CO)12 используется для моделирования и исследования химических реакций углеводородов на металлических центрах. Карбонильные группы в Os3(CO)12 могут замещаться на другие лиганды, в том числе и содержащие кластерные ядра других переходных металлов.

    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.

    Osmium

    Химические свойства Физические свойства
    Не растворяется в щелочах и кислотах Внешне кристаллы твёрдые и хрупкие, имеют красивый серебристый блеск с оттенками от серого до голубого. Слитки – тёмно-синего цвета, порошок – фиолетового. И все с изумительным серебристым блеском.
    Не реагирует на адскую смесь азотной и соляной кислот – единственный из металлов на планете. Температура сплавов такая, что производить плавку предпочтительнее на поверхности Солнца.
    Инертен. Возможно использование сплавов и покрытий из осмия в агрессивных средах. Высочайшая токсичность, не позволяющая использовать такую красоту для изготовления ювелирных изделий.
    Чрезмерно токсичен, даже в малых дозах. Особенно летучий оксид осмия, выделяющийся из платины. Чрезвычайно хрупок. Механической обработке неподвластен.
    Кипит при температуре 5500°С, но точно не определена – для проверки не существует расчётов Тугоплавкость. Размягчается только при температуре свыше 3000 градусов С.
    Не имеет магнитных свойств.
    Потрясающая твёрдость. Сплав с добавлением осмия становится более износостойким, долговечным, с повышенной сопротивляемостью коррозиям и механическому воздействию.
    Высочайшая плотность 22,61 г/см3.
    Ссылка на основную публикацию