МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ
«ОСЬМИЙ-БЛАГОРОДНЫЙ МЕТАЛЛ»
Выполнил:
Проверил:
2007 год
ОСМИЙ (лат. Osmium), Os, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 76, атомная масса 190,2, относится к платиновым металлам.
1.Свойства.
Плотность 22,61 г/см3, tпл около 3027 °C.Осмий – оловянно-белый металл с серовато-голубым оттенком. Это самый тяжелый из всех металлов один из самых твердых. Тем не менее осмиевую губку можно растереть в порошок, поскольку он хрупок. Плавится осмий при температуре около 3000°C, а температура его кипения до сих пор точно не определена. Полагают, что она лежит где-то около 5500°C.
Большая твердость осмия (7,0 по шкале Мооса), пожалуй, то из его физических свойств, которое используют наиболее широко. Осмий вводят в состав твердых сплавов, обладающих наивысшей износостойкостью. У дорогих авторучек напайку на кончик пера делают из сплавов осмия с другими платиновыми металлами или с вольфрамом и кобальтом. Из подобных же сплавов делают небольшие детали точных измерительных приборов, подверженные износу. Небольшие – потому что осмий мало распространен (5·10–6% веса земной коры), рассеян и дорог. Этим же объясняется ограниченное применение осмия в промышленности. Он идет лишь туда, где при малых затратах металла можно получить большой эффект. Например, в химическую промышленность, которая пытается использовать осмий как катализатор. В реакциях гидрогенизации органических веществ осмиевые катализаторы даже эффективнее платиновых.
Несколько слов о положении осмия среди прочих платиновых металлов. Внешне он мало от них отличается, но именно у осмия самые высокие температуры плавления и кипения среди всех металлов этой группы, именно он наиболее тяжел. Его же можно считать наименее «благородным» из платиноидов, поскольку кислородом воздуха он окисляется уже при комнатной температуре (в мелкораздробленном состоянии). А еще осмий – самый дорогой из всех платиновых металлов. Если в 1966 г. платина ценилась на мировом рынке в 4,3 раза дороже, чем золото, а иридий – в 5,3, то аналогичный коэффициент для осмия был равен 7,5.
Как и прочие платиновые металлы, осмий проявляет несколько валентностей: 0, 2+, 3+, 4+, 6+ и 8 +. Чаще всего можно встретить соединения четырех- и шестивалентного осмия. Но при взаимодействии с кислородом он проявляет валентность 8+.
Как и прочие платиновые металлы, осмий – хороший комплексообразователь, и химия соединений осмия не менее разнообразна, чем, скажем, химия палладия или рутения.
2.Получение осмия
Самородный осмий в природе не найден. Он всегда связан в минералах с другим металлом платиновой группы – иридием. Существует целая группа минералов осмистого иридия. Самый распространенный из них – невьянскит, природный сплав этих двух металлов. Иридия в нем больше, поэтому невьянскит часто называют просто осмистым иридием. Зато другой минерал – сысертскит – называют иридистым осмием – в нем больше осмия... Оба эти минерала – тяжелые, с металлическим блеском, и это не удивительно – таков их состав. И само собой разумеется, все минералы группы осмистого иридия очень редки.
Иногда эти минералы встречаются самостоятельно, чаще же осмистый иридий входит в состав самородной сырой платины. Основные запасы этих минералов сосредоточены в СССР (Сибирь, Урал), США (Аляска, Калифорния), Колумбии, Канаде, странах Южной Африки.
Естественно, что добывают осмий совместно с платиной, но аффинаж осмия существенно отличается от способов выделения других платиновых металлов. Все их, кроме рутения, осаждают из растворов, осмий же получают отгонкой его относительно летучей
Но прежде чем отгонять OsO₄, нужно отделить от платины осмистый иридий, а затем разделить иридий и осмий.
Когда платину растворяют в царской водке, минералы группы осмистого иридия остаются в осадке: даже этот из всех растворителей растворитель не может одолеть эти устойчивейшие природные сплавы. Чтобы перевести их в раствор, осадок сплавляют с восьмикратным количеством цинка – этот сплав сравнительно просто превратить в порошок. Порошок спекают с перекисью бария BaO₃, а затем полученную массу обрабатывают смесью азотной и соляной кислот непосредственно в перегонном аппарате – для отгонки OsO4.
Ее улавливают щелочным раствором и получают соль состава Na₂OsO₄. Раствор этой соли обрабатывают гипосульфитом, после чего осмий осаждают хлористым аммонием в виде соли Фреми [OsO₂(NH₃)₄]Cl₂. Осадок промывают, фильтруют, а затем прокаливают в восстановительном пламени. Так получают пока еще недостаточно чистый губчатый осмий.
Затем его очищают, обрабатывая кислотами (HF и HCl), и довосстанавливают в электропечи в струе водорода. После охлаждения получают металл чистотой до 99,9%.
Такова классическая схема получения осмия – металла, который применяют пока крайне ограниченно, металла очень дорогого, но достаточно полезного.
3.История открытия. Применение.
Помните у Гоголя: "Родился Акакий Акакиевич против ночи, если только не изменяет память, на 23 марта... Родильнице предоставили на выбор любое из трех имен, какое она хочет выбрать: Моккия, Сессия или назвать ребенка во имя мученика Хоздазата. "Нет, - подумала покойница, - имена-то все такие".
Чтобы угодить ей, развернули календарь в другом месте; вышли опять три имени: Трифилий, Дула и Варахасий. "Вот это наказание, - проговорила старуха, - какие все имена, я право никогда и не слыхивала таких. Пусть бы еще Варадат или Варух, а то Трифилий и Варахасий". Еще переворотили страницу - вышли: Павсикакий и Вахтисий. "Ну, уж я вижу, - сказала старуха, - что, видно, его такая судьба. Уж если так, пусть лучше будет он называться, как и отец его. Отец был Акакий, так пусть и сын будет Акакий". Таким образом и произошел Акакий Акакиевич".Не знаем, долго ли английский химик Смитсон Теннант придумывал имя одному из двух открытых им в 1804 году химических элементов - осмию, но повезло этому "новорожденному" не больше, чем герою гоголевской "Шинели". Дело в том, что "осмий" в переводе с греческого означает... "запах". Согласитесь: для благородного металла (а осмий как представитель платиновой группы металлов с полным правом носит этот титул) такое название, мягко выражаясь, не может служить украшением. А если учесть, что ближайшие родственники гордо именуются палладием (тезка богини Афины Паллады), иридием (по-гречески "радуга"), родием ("Роза"), рутением (от латинского названия России), то обида становится еще горше. Почему же Теннант был так немилостив к своему "крестнику"? Прежде чем ответить на этот вопрос, поведаем о событиях, которые предшествовали открытию осмия.
В 1804 году известный английский ученый Уильям Волластон, изрядно поинтриговав перед этим научный мир (подробнее об этом рассказано в очерке о палладии "Шутка английского химика"), сообщил на заседании Королевского общества, что, анализируя сырую (природную) платину, он обнаружил в ней неизвестные ранее металлы, названные им палладием и родием. Оба были найдены в той части платины, которая растворялась в царской водке, но при этом взаимодействии оставался еще и нерастворимый остаток. Он, как магнит, притягивал к себе многих химиков, справедливо полагавших, что и в нем может прятаться какой-нибудь неведомый дотоле элемент.
Близки к успеху были французы Колле-Дескотиль, Фуркруа и Воклен. Они не раз замечали, что при растворении сырой платины в царской водке выделялся черный дым, а при сплавлении нерастворимого остатка с едким кали образовывались соединения, которые "не возражали" против растворения.
Фуркруа и Воклен предположили, что искомый элемент частично улетучивается в виде дыма, а та часть его, которой не удается таким способом "эвакуироваться", оказывает агрессору посильное сопротивление, не желая в нем даже растворяться. Ученые поторопились дать новому элементу имя - "птен", что по-гречески означает "крылатый, летучий".
Но это название порхнуло, как бабочка, и кануло в Лету, так как вскоре Теннант сумел разделить "птен": на самом деле он представлял собой естественный сплав двух разных металлов. Один из них ученый назвал иридием - за разнообразие окраски солей, а другой - осмием, поскольку его четырехокись, выделявшаяся при растворении в кислоте или воде продукта сплавления осмиридия (так в дальнейшем стали называть бывший "птен") со щелочью, имела неприятный, раздражающий запах, похожий одновременно на запахи хлора и подгнившей редьки. Позже выяснилось, что и сам металл способен издавать подобный "аромат", правда, послабее: тонкоизмельченный осмий постепенно окисляется на воздухе, превращаясь в четырехокись.
Видимо, не по душе пришелся этот запах Теннанту, и он в сердцах решил увековечить в названии открытого им элемента свое наиболее сильное впечатление от первого свидания с ним.
По одежке встречают, по уму провожают. И если запах да цвет - оловянно-белый с серовато-голубым отливом - можно считать "одеждой" осмия, то его характеристики как химического элемента и как металла по этой пословице следует отнести к "уму".
Так чем же может похвастать наш герой? Прежде всего, как уже было сказано, своим благородным происхождением. Взгляните на периодическую систему элементов: в правой части ее особняком держится семейство платиноидов, состоящее из двух триад. В верхнюю триаду входят легкие платиновые металлы - рутений, родий, палладий (все в мире относительно: любой представитель этой троицы в полтора с лишним раза тяжелее железа). Во второй триаде собрались настоящие богатыри-тяжеловесы - осмий, иридий и платина.
Интересно, что долгое время ученые придерживались такого порядка возрастания атомных весов этих элементов: платина - иридий - осмий. Но когда Д. И. Менделеев создавал свою периодическую систему, ему приходилось тщательно проверять, уточнять, а порой и исправлять атомные веса многих элементов. Одному проделать всю эту работу было нелегко, поэтому Менделеев привлекал к работе других химиков. Так, когда ему отрекомендовали Ю.В. Лермонтову, которая была не только родственницей великого поэта, но и высококвалифицированным химиком, ученый попросил ее уточнить атомные веса платины, иридия и осмия, поскольку они вызывали у него большое сомнение.
По его мнению, наименьший атомный вес должен был быть у осмия, а наибольший - у платины. Серия точных экспериментов, проведенных Лермонтовой, подтвердила правоту создателя периодического закона. Тем самым было определено нынешнее расположение элементов в этой триаде – все стало на свое место.
Осмий имеет рекордную плотность среди всех обитателей периодической системы - 22,5 г/см3. Чтобы уравновесить гирьку из этого металла, понадобилось бы более 40 таких же по объему гирек из его антипода-лития.
Если обычную бутылку заполнить порошком осмия, то она будет тяжелее ведра с водой.
Но каким бы уникальным ни казалось это качество осмия, пока оно практически не используется в технике. В отличие от тугоплавкости, твердости, прочности и других действительно ценных свойств металлов, большая плотность не приносит лавров ее обладателю. Аналогию можно найти и в жизни: люди всегда ценили силу, быстроту, ловкость, а гигантский вес или рост человека лишь вызывают удивление и сомнительный интерес.
Впрочем, у осмия есть и такие деловые качества, которые не могут не внушить уважения к нему. Не случайно, он самый дорогой из всех благородных металлов, хоть и наименее "благородный" из них (вы уже знаете, что мелкораздробленный осмий не в силах противостоять кислороду воздуха даже при комнатной температуре, в то время как его "родственники" славятся прежде всего своей необыкновенной химической стойкостью). Тем не менее, если в 1966 году платина ценилась на мировом рынке в 4,3 раза дороже золота, а иридий в 5,3 раза, то аналогичный коэффициент для осмия был равен 7,5. Во многом виновата в этом природа, которая не только не накопила запасы осмия, но и ухитрилась так запрятать имеющиеся у нее крохи этого элемента (5 * 10-6 % массы земной коры), что добыча их влетает в копеечку. Если мировое производство большинства металлов исчисляется тысячами и даже миллионами тонн, то для осмия счет идет на килограммы.
Одно из главных достоинств осмия - его очень высокая твердость; в этом с ним могут конкурировать немногие металлы. Вот почему при создании сплавов с наивысшей износостойкостью в их состав вводят осмий. Авторучки с золотым пером - не редкость. Но ведь золото - довольно мягкий металл, а перу за долгие годы работы приходится по воле хозяина пройти по бумаге долгие километры пути. Конечно, бумага - не напильник и не наждак, однако выдержать такое испытание могут лишь немногие металлы. И все же кончики перьев справляются с этой трудной ролью. Как? Секрет прост: их обычно изготовляют из сплавов осмия с другими платиноидами, чаще всего из уже известного вам осмиридия. Без преувеличения можно сказать, что перу, "бронированному" осмием, сносу нет.
Исключительная твердость, хорошая коррозионная стойкость, высокое сопротивление износу, отсутствие магнитных свойств делают осмиридий прекрасным материалом для острия компасной стрелки, осей и опор точнейших измерительных приборов и часовых механизмов. Из него изготовляют режущие кромки хирургических инструментов, резцов для художественной обработки слоновой кости.
То, что осмий и иридий часто "выступают дуэтом" - в виде природного сплава, объясняется не только ценными свойствами осмиридия. но и волею судьбы, пожелавшей, чтобы в земной коре эти элементы были связаны необыкновенно прочными узами. В виде самородков ни тот, ни другой металл в природе не обнаружены, зато осмистый иридий и иридистый осмий – хорошо известные минералы (называются они соответственно невьянскит и сысертскит): в первом преобладает иридий, во втором - осмий.
Иногда эти минералы встречаются самостоятельно, но чаще входят в состав самородной платины. Разделение ее на компоненты (так называемый аффинаж) - процесс, включающий множество стадий, на одной из которых осмиридий выпадает в осадок. И вот едва ли не самое сложное и дорогостоящее во всей этой "истории" - разлучить осмий и иридий. Но зачастую в этом и нет необходимости: как вы уже знаете, сплав широко применяют в технике, а стоит он значительно дешевле, чем, например, чистый осмий. Ведь для того, чтобы выделить этот металл из сплава, нужно провести столько химических операций, что одно их перечисление заняло бы много места. Конечный продукт длинной технологической цепи - металлический осмий чистотой 99,9 %.
Наряду с твердостью, известно еще одно достоинство осмия - тугоплавкость.
По температуре плавления (около 3000 ёС) он превзошел не только своих благородных собратьев - платиноидов, но и подавляющее большинство остальных металлов. Благодаря своей тугоплавкости осмий попал в биографию электрической лампочки: еще в те времена, когда электричество доказывало свое преимущество перед другим источником света - газом, немецкий ученый К. Ауэр фон Вельсбах предложил заменить в лампе накаливания угольный волосок осмиевым. Лампы стали потреблять в три раза меньше энергии и давали приятный, ровный свет. Но на этом ответственном посту осмий долго не продержался: сначала его сменил менее дефицитный тантал, однако вскоре и тот вынужден был уступить место самому тугоплавкому из тугоплавких - вольфраму, который по сей день несет свою огненную вахту.
Нечто подобное произошло с осмием и в другой сфере его применения – в производстве аммиака. Современный способ синтеза этого соединения, предложенный еще в 1908 году известным немецким химиком Фрицем Габером немыслим без участия катализаторов. Первые катализаторы, которые использовались для этой цели, проявляли свои способности лишь при высоких температурах (выше 700 ёС), да к тому же они были не очень эффективны.
Попытки найти им замену долго ни к чему не приводили. Новое слово в совершенствовании этого процесса сказали ученые лаборатории Высшей технической школы в Карлсруэ: они предложили применять в качестве катализатора тонкораспыленный осмий. (Кстати, будучи весьма твердым, осмий в то же время очень хрупок, поэтому губку этого металла можно без больших усилий раздробить и превратить в порошок.) Промышленные опыты показали, что игра стоит свеч: температуру процесса удалось снизить более чем на 100 градусов, да и выход готовой продукции заметно возрос.
Несмотря на то что в дальнейшем осмию пришлось и здесь сойти со сцены (сейчас, например, для синтеза аммиака используют недорогие, но эффективные железные катализаторы), можно считать, что именно он сдвинул важную проблему с мертвой точки. Каталитическую деятельность осмий продолжает и в наши дни: применение его в реакциях гидрогенизации органических веществ дает отличные результаты. Этим в первую очередь обусловлен большой спрос на осмий со стороны химиков: на химические нужды расходуется почти половина его мировой добычи.
Элемент ј 76 представляет немалый интерес и как объект научных исследований. Природный осмий состоит из семи стабильных изотопов с массовыми числами 184, 186-190 и 192. Любопытно, что чем меньше массовое число изотопа этого элемента, тем менее он распространен: если на долю самого тяжелого изотопа (осмия-192) приходится 41 %, то легчайший из семи "братьев" (осмий-184) располагает лишь 0,018 % общих "запасов". Поскольку изотопы отличаются друг от друга только массой атомов, а по своим физико-химическим "наклонностям" они весьма схожи между собой, то разделить их очень сложно. Именно поэтому даже "крохи" изотопов некоторых элементов стоят баснословно дорого: так, килограмм осмия-187 оценивается на мировом рынке в 14 миллионов долларов. Правда, в последнее время ученые научились "разлучать" изотопы с помощью лазерных лучей, и есть надежда, что вскоре цены на эти "товары неширокого потребления" будут заметно снижены.
Подобно другим платиновым металлам, осмий проявляет несколько валентностей. Наиболее часто встречаются соединения, где осмий четырех- и шестивалентен, однако при взаимодействии с кислородом он обычно "пускает в ход" все восемь своих валентных связей.
Из соединений осмия наибольшее практическое значение имеет его четырехокись (да-да, та самая, которой элемент так "обязан" своим названием). В роли катализатора она выступает при синтезе некоторых лекарственных препаратов. В медицине и биологии ее используют как окрашивающее средство при микроскопическом исследовании животных и растительных тканей. Следует помнить, что безобидные на вид бледно-желтые кристаллы четырехокиси осмия - сильный яд, раздражающий кожу и слизистые оболочки, вредно действующий на глаза.
Примечательна особенность четырехокиси осмия: ее растворимость в органических жидкостях значительно выше, чем в воде. Так, при обычных условиях в стакане воды растворяется всего 14 граммов этого вещества, а в стакане четыреххлористого углерода более 700 граммов.
В атмосфере серных паров порошок осмия вспыхивает, как спичка, образуя сульфид. Всеядный фтор при комнатной температуре не причиняет осмию никакого "вреда", но при нагреве до 250-300 С образуется ряд фторидов. С тех пор как в 1913 году впервые были получены два летучих фторида осмия, считалось, что их формулы OsF6 и OsF8. Но в 1958 году выяснилось, что фторид OsF8, почти полвека "проживший" в химической литературе, на самом деле никогда не существовал, а указанные соединения соответствуют формулам OsF5 и OsF6. Сравнительно недавно ученым удалось получить еще один фторид OsF7, который при нагреве выше 100 С распадается на OsF6 и элементарный фтор.
Окись осмия используют в качестве черного красителя для живописи по фарфору: соли этого элемента применяют в минералогии как сильные травители. Большинство же осмиевых соединений, в том числе разнообразные комплексы (осмий проявляет присущую всем платиновым металлам способность к образованию комплексных соединений), а также его сплавы (кроме уже известного осмиридия и некоторых сплавов с другими платиноидами, вольфрамом и кобальтом), пока "томится" в ожидании подходящей работы.
Можно не сомневаться, что в ближайшее время вопрос их "трудоустройства" будет решен и они заговорят о себе в полный голос. Да и сам осмий еще не сказал последнего слова.
А пока инженеры и ученые ищут экономически выгодные пути расширения производства этого ценного металла, изыскивают новые источники его получения. Важные работы в этом направлении были проведены на Норильском горно-металлургическом комбинате имени А. П. Завенягина. Металлурги знали, что в медно-никелевых рудах, поступающих на комбинат, имеются металлы платиновой группы, включая осмий. Но поскольку количество его в руде было мизерным, на него не обращали внимания, стараясь получить лишь как можно больше меди и никеля.
"Почему бы не попытаться попутно извлекать этот благородный металл", - задумались несколько лет назад ученые опытно-исследовательского центра комбината. Задача, которую они поставили перед собой, была очень сложной: требовалось узнать, как ведет себя осмий на различных стадиях переработки сырья, определить места его наибольших скоплений, выяснить, на каком этапе производственного процесса он теряется, попадая потом в отходы. Для этого нужно было проделать множество сложнейших анализов на каждом участке технологической цепочки.
Но вот эта часть задачи решена. Теперь предстояло создать технологию улавливания осмия из металлургических газов, спроектировать, изготовить и смонтировать промышленную установку, которая должна была стать ловушкой для осмия. И с этими проблемами работники комбината справились успешно: в ассортименте продукции заполярного предприятия появился осмиевый концентрат.
Полученный в Норильске концентрат поступает затем "на материк", где рождается чистый осмий - один из наиболее дефицитных в наши дни металлов.