Osmium

Osmium (lat. osmium) on siirtymäalkuaineisiin kuuluva metallinen alkuaine. Se on jaksollisessa järjestelmässä 76. alkuaine ja sen kemiallinen merkki on Os. Osmiumin sulamispiste on 3 030 °C ja atomipaino 190,23. Se on jalometalli ja kuuluu platinametallien ryhmään. Osmium on tihein luonnollisesti esiintyvä alkuaine ja luonnossa hyvinkin harvinaista.

Renium ← Osmium → Iridium
Ru
↑
Os
↓
Hs  
 
 


Yleistä
NimiOsmium
TunnusOs
Järjestysluku76
Luokkasiirtymämetalli
Lohkod
Ryhmä8
Jakso6
Tiheys22,589[1] · 103 kg/m3
Kovuus7,0[2] (Mohsin asteikko)
Värihopeinen, sinertävä
Löytövuosi, löytäjä1803, Smithson Tennant
Atomiominaisuudet
Atomipaino (Ar)190,23[3]
Atomisäde, mitattu (laskennallinen)185[2] pm
Kovalenttisäde128 pm
Orbitaalirakenne[Xe] 4f14 5d6 6s2
Elektroneja elektronikuorilla 2, 8, 18, 32, 14, 2
HapetusluvutII, IV, VII
Kiderakenneheksagonaalinen
Fysikaaliset ominaisuudet
Olomuotokiinteä
Sulamispiste3 303 K (3 030[2] °C)
Kiehumispiste5 285 K (5 012[2] °C)
Moolitilavuus- · 10−3 m3/mol
Höyrystymislämpö789[2] kJ/mol
Sulamislämpö31,80[2] kJ/mol
Äänen nopeus4940 m/s 273,15 K:ssa
Muuta
Elektronegatiivisuus2,2[2] (Paulingin asteikko)
Ominaislämpökapasiteetti0,130 kJ/(kg K)
Sähkönjohtavuus12,3×106 S/m
Lämmönjohtavuus87,6[2] W/(m·K)
CAS-numero7440-04-2
Tiedot normaalilämpötilassa ja -paineessa
Osmiumkiteitä

Osmiumin löysi 1803 Smithson Tennant liuottaessaan platinaa kuningasveteen. Tällöin jäi musta aines, jonka hän todisti myöhemmin koostuvan osmiumista ja iridiumista. Osmiumilla on hyvin vähän käyttökohteita; sitä voidaan käyttää metalliseoksissa vahvikkeena sekä muun muassa sähkölaitteiden kosketinpinnoissa. Osmium itsessään ei ole ihmiselle haitallista, mutta sen pinnalta haihtuva osmiumtetroksidi on myrkyllinen.

Ominaisuudet

Eri yhdisteissä osmiumilla esiintyvät hapetusluvut +II, +IV ja +VIII, joista viimeksi mainittu esiintyy osmiumtetroksidissa (OsO4).[4]

Osmium on kemiallisesti varsin passiivinen alkuaine, joka luetaan jalometalleihin. Hienojakoisena jauheena se yhtyy ilman hapen kanssa helposti haihtuvaksi osmiumtetroksidiksi, joka on erittäin myrkyllinen. Osmium reagoi myös lämmittäessä ilman hapen kanssa. Se ei normaalisti reagoi happojen kanssa, paitsi kuuman typpihapon, rikkihapon ja kuningasveden kanssa. Osmium reagoi myös korkeissa lämpötiloissa halogeenien kanssa muodostaen osmoniumfluorideja, -klorideja, -bromideja ja -jodideja. Tämän lisäksi se voi muodostaa karbonyyliyhdisteitä sekä reagoida happiryhmän alkuaineiden kanssa. Osmiumtetroksidi on pahanhajuista. Osmiumilla on myös toinen oksidi, osmiumdioksidi (OsO2).[5][4][6]Osmium muodostaa kaikilla yleisimmillä hapetusasteillaan kompleksiyhdisteitä. Tyypillisiä ligandeja ovat emäksiset typpiyhdisteet kuten ammoniakki, amiinit, pyridiini, bipyridiini ja fenantroliini. Myös alkeeni- ja bentseenikomplekseja tunnetaan. Eräiden bipyridyyli- ja polypyridyylien soveltuvuutta katalyyteiksi ja lääketieteellisiin käyttökohteisiin on tutkittu.[7][8]

Osmium on kova, kiiltävä, sinertävänvalkoinen tai hopeinen metalli. Huolimatta kovuudestaan osmium on melko haurasta. Osmiumia ei voi muotoilla kuten muita metalleja, mikä vähentää sen käyttömahdollisuuksia. Osmiumin tiheys huoneenlämpötilassa on 22,589×103 kg/m3[1]. Se on tihein alkuaine, kaikista joiden tiheys on voitu kokeellisesti mitata; se on hieman iridiumia tiheämpi ja yli kaksi kertaa niin tiheä kuin lyijy[lower-alpha 1]. Sen kiderakenne on heksagoninen.[6][9][10]

Osmiumilla on platinaryhmän alkuaineista korkein sulamispiste (3 303 kelviniä). Sen kiehumispiste on 5 285 kelviniä.[2]

Historia

Vuonna 1803 Smithson Tennant koetti liuottaa platinaa kuningasveteen, jolloin jäljelle jäi musta aines, joka ei liuennut. Happokäsittelyn avulla hän sai eroteltua tästä aineksesta osmiumin lisäksi iridiumia. Osmium nimettiin sen hajun perusteella: osme tarkoittaa kreikaksi hajua. Todellisuudessa hajun tuottaa osmiumin oksidi osmiumtetroksidi.[6]

Esiintyminen ja valmistus

Osmium esiintyy platinamalmeissa lejeerinkinä. Yleensä osmiumin ja platinan kanssa yhdessä esiintyvät myös rodium, rutenium ja palladium. Osmium on lähes aina seoksena iridiumin kanssa. Osmiumia esiintyy Venäjällä sekä Pohjois- ja Etelä-Amerikassa. Keskimäärin osmiumia on 1,5 ppb (massa), joka tekee siitä yhden harvinaisimmista alkuaineista. Yleensä osmiumia saadaan nikkelin jalostamisen sivutuotteena, ja sitä tuotetaan vuosittain vain noin 100 kg. 100 grammaa puhdasta osmiumia maksaa noin 5 430 euroa. Suurin osa osmiumista tuotetaan Kanadassa.[6][5][2][10]

Perinteinen osmiumin erotusmenetelmä muista jalometalleista on monivaiheinen eikä kovin tehokas. Malmin sisältämät kulta, platina ja palladium liukenevat kuningasveteen ja liukenematon osmiumin lisäksi iridiumia, ruteniumia ja rodiumia sisältävä jäännös kuumennetaan lyijykarbonaatin ja hiilen kanssa niin, että muodostuu sula materiaali. Näin muodostuu arvokkaat metallit sisältävä lyijyfaasi, josta jäähdytyksen jälkeen poistetaan kuona. Tämä faasi sulatetaan ja siitä valmistetaan rakeita, jotka liuotetaan typpihappoon lyijyn poistamiseksi. Liukenemattomasta jäännöksestä saadaan natriumvetysulfaatin avulla rodium poistettua. Tämän jälkeen jäännös käsitellään natriumperoksidilla, jolloin osmium muodostaa natriumosmaattia. Natriumosmaatti reagoi kloorin kanssa helposti haihtuvaksi osmiumtetroksidiksi, joka puhdistetaan tislaamalla ja voidaan pelkistää osmiumiksi esimerkiksi natriumboorihydridin avulla. Vaihtoehtoisesti osmaatti voidaan pelkistää formaldehydin avulla.[11][7]

Työlään perinteisen menetelmän tilalle on kehitetty liuotinuuttomenetelmä, jossa muut metallit saadaan erotettua käyttämällä spesifisiä sopivia komplekseja muodostavia liuottimia. Tämän jälkeen osmium ja rutenium erotetaan tosistaan oksideina.[11][7]

Käyttö

Osmiumia ei voida sulattaa ja muokata samalla tavalla kuin muita metalleja, joten sen käyttö jää melko vähäiseksi. Osmiumia käytetään esimerkiksi täytekynien kärkiin, sähkölaitteisiin, instrumenttien kärjissä sekä kompasseissa. Aikoinaan sitä käytettiin myös hehkulamppujen hehkulangoissa. Osmiumlankaiset lamput kuitenkin hajosivat helposti, minkä vuoksi se korvattiin pian tantaalilla ja volframilla. Osmiumia on käytetty myös sormenjälkien etsimiseen, sillä osmium reagoi pienenkin rasvamäärän kanssa.[6][9][12]

Osmiumia käytetään usein muiden metallien kanssa seoksina, jolloin saadaan yleensä erittäin kovia materiaaleja. Platinan (90 %) ja osmiumin (10 %) seos on eräs tällainen lejeerinki. Osmiumseoksia on väitetty käytettävän sydämentahdistimissa ja sydämen keinoläpissä,[2] mutta tämä ei pidä paikkaansa.[13]

Osmiumtetroksidi on ainoa osmiumin yhdiste, jolla on kaupallista merkitystä. Osmiumtetroksidiksia voidaan käyttää orgaanisessa kemiassa katalyyttinä, kun kaksoissidoksesta halutaan dioli. Osmiumia voidaan käyttää myös ammoniakin syntetisoinnin katalyyttinä.[14][10]

Isotoopit

Osmiumilla on useita stabiileja isotooppeja. Suurin osa luonnossa esiintyvästä osmiumista on isotooppia 192Os, jonka osuus on 41 % kaikesta osmiumista. Muita yleisiä ovat 190Os, 189Os ja 188Os. Osmiumin ytimessä on 76 protonia, ja neutronien määrä vaihtelee 86:n ja 120:n välillä.[15]

IsotooppiPuoliintumisaikaHajoamistyyppi
Osuus1
162Os1,9 msα
163Os ? ?
164Os21 msα (98 %), EC, β+
165Os75 msα (> 60 %), EC, β+
166Os181 msα (72 %), EC, β+
167Os0,83 sα (67 %), EC, β+
168Os2,1 sα (44 %), EC, β+
169Os3,4 sα (11 %), EC, β+
170Os7,3 sα (12 %), EC, β+
171Os8,0 sα (1,7 %), EC, β+
172Os19,2α (1,0 %), EC, β+
173Os16 sα (< 0,1 %), EC, β+
174Os44 sα (< 0,1 %), EC, β+
175Os1,4 minEC, β+
176Os3,6 minEC, β+
177Os2,8 minEC, β+
178Os5,0 minEC, β+
179Os6,5 minEC, β+
180Os21,5 minEC, β+
181Os105 minEC, β+
181mOs2,7 minEC, β+
182Os22,10 hEC
  
IsotooppiPuoliintumisaikaHajoamistyyppi
Osuus1
183Os13,0 hEC, β+
183mOs9,9 hEC, β+, IT (15 %)
184Os5,6×1013 a0,02 %
185Os93,6 dEC
186Os2,0×1015 a1,58 %
187OsStabiili1,6 %
188OsStabiili13,3 %
189OsStabiili16,1 %
189mOs5,8 hIT
190OsStabiili26,4 %
190mOs9,9 minIT
191Os15,4 dβ-
191mOs13,10 hIT
192OsStabiili41,0 %
192mOs5,9 sIT, β- (< 13 %)
193Os30,11 hβ-
194Os6,0 aβ-
195Os6,5 minβ-
196Os34,9 minβ-

1 = Osuus kaikesta luonnossa esiintyvästä osmiumista.
Ilmoitetaan stabiileille ja erittäin pitkäikäisille isotoopeille.
Lähde:[15]

  

EC = Elektronisieppaus
α = Alfahajoaminen
β+ = Beeta-plus-hajoaminen
β- = Beeta-miinus-hajoaminen
IT = Isomeerinen transitio
m = Välitila tai virittynyt atomi

Haitallisuus

Osmium itsessään ei ole myrkyllistä, mutta sen palamistuote osmiumtetroksidi on myrkyllistä. Osmiumtetroksidia haihtuu metallisen osmiumin pinnalta korkeissa lämpötiloissa tai kun metallinen osmium on jauheena. Jo 0,11 mg osmiumtetroksidia kuutiometrissä voi aiheuttaa päänsärkyä sekä ärsytystä silmissä, iholla ja hengitysteissä.[6]

Huomautukset
  1. Osmium on tiheintä kaikissa lämpötiloissa normaalipaineessa, mutta iridiumista tulee tiheämpää jos paine nousee yli 2,98 GPa:n (huoneenlämpötilassa), missä pisteessä molempien metallien tiheydet ovat 22,750×103 kg/m3.[1]

    Lähteet
    1. John W. Arblaster: Is Osmium Always the Densest Metal?. Johnson Matthey Technology Review, 1.7.2014, 58. vsk, nro 3. Johnson Matthey Plc. doi:10.1595/147106714x682337. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 26.11.2016. (englanniksi)
    2. Osmium Element Facts chemicool.com. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
    3. Michael T. Wieser & Tyler B. Coplen: Atomic Weights of the Elements 2009 (IUPAC technical report). Pure and Applied Chemistry, 2011, 83. vsk, nro 2. IUPAC. Artikkelin verkkoversio. Viitattu 16.4.2011. (englanniksi)
    4. Mark Winter: Osmium compounds webelements.com. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
    5. Osmium infoplease.com. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
    6. Marko Hamilo: Tihein metalli haisee pahalle Helsingin Sanomat. 7.2.2006. Arkistoitu 10.2.2010. Viitattu 12.7.2010.
    7. Renner et al.: Platinum Group Metals and Compounds, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, John Wiley & Sons, New York, 2002 Teoksen verkkoversio Viitattu 15.06.2011
    8. Christen M. Giandomenico :Platinum-Group Metals, Compounds, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2001 Teoksen verkkoversio Viitattu 15.06.2011
    9. Yinon Bentor: Basic Information chemicalelements.com. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
    10. Osmium, Chemical Element chemistryexplained.com. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
    11. Richard J. Seymour & Julia I. O'Farrelly :Platinum-Group Metals, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley & Sons, New York, 2001 Teoksen verkkoversio Viitattu 15.06.2011
    12. Osmium - Os lenntech.com. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
    13. Girolami, Gregory S.: Osmium weighs in. Nature Chemistry, marraskuu 2012, 4. vsk. Macmillan Publishers Limited. Artikkelin verkkoversio (pdf). Viitattu 13.10.2019. (englanniksi) Lainaus: "An urban legend is that osmium alloys are used in some surgical implants such as cardiac pacemakers and replacement heart valves, when in fact such alloys have never been used in these devices."
    14. Ian Hunt: Hydroxylation of Alkenes University of Calgary. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)
    15. Isotopes of Osmium (Z=76) ie.lbl.gov. Viitattu 15.6.2011. (englanniksi)

      Aiheesta muualla
      This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.