Осмий: описание, характеристики, свойства, цена и применение

Существует достаточно распространенное мнение, что золото и платина являются самыми дорогостоящими металлами из таблицы Менделеева. Главным противником подобного утверждения является осмий. Мало кто знает, что химический элемент осмий (Osmium) является самым дорогостоящим металлом, который находится на 76 позиции таблицы Д.И. Менделеева.

Осмий – это металл, обладающий серебристо-белым цветом, а также голубым отливом. Он крайне редко встречается в природе, что и объясняет его по-настоящему невероятную цену. С точки зрения химии, осмий относится к категории платиновых металлов.

История открытия осмия

Особого внимания заслуживает история открытия данного металла. Его не стремились найти целенаправленно, все произошло совершенно случайно. Проводился эксперимент по растворению веществ с использованием царской водки. В ходе данного эксперимента был сформирован неизвестный осадок, формула которого – OsO4. Именно этот осадок получил название осмий. В переводе это слово означает «запах». Дело в том, что полученный осадок характеризовался резким неприятным запахом, который чем-то напоминал хлор, из-за чего исследователи и дали ему подобное название.

Что представляет собой

Осмий – это благородный металл, платиноид. 76-й элемент таблицы Менделеева.
Каноническое описание – блестящий серебристо-белый с голубоватым отливом.

Но в разных формах выглядит чуть иначе:

• Слиток отличает темно-синяя серебристость.
• Кристаллы, полученные лабораторно, – серебристо-голубые.
• Порошок темно-фиолетовый.

Международное наименование – Osmium (Os).

Это простое вещество, состоящее из семи изотопов.

Название химического элемента по-древнегречески ὀσμή, что означает «запах».

Его происхождение обусловлено свойством порошка при взаимодействии с другими элементами выделять резкий отвратный запах.

Осмий в природе

По некоторым данным, количество осмия составляет ничтожно малый процент от массы всех руд, содержащихся в недрах Земли – 0, 000005%. До сих пор не найдено ни одного самородка осмия. Химический элемент № 76 присутствует в медных, молибденовых, никелевых, платиновых рудах (около 0, 001%), в соединениях серы и мышьяка, отходах золотодобычи.

Другие источники – минералы сысерскит (осмий иридистый) и невьянскит (осмиридий, или осмистый иридий), являющиеся природным сплавом осмия с иридием, причем доля первого составляет 10-60%.

Сколько весит осмий

Стоит также отметить, что осмий – самый тяжелый металл, который встречается в различных вариантах изотопов. Наиболее распространенным из них является изотоп осмий-187. Современные ученые сходятся во мнении, что данного металла больше всего у земного ядра, они полагают, что он составляет примерно 0,5% от его массы. Очень удивляют пропорции между размером данного металла, а также его весом. К примеру, если взять осмий, размер которого будет эквивалентен куриному яйцу, то его масса будет составлять около 1 кг. При этом емкость объемом в пол-литра, наполненная осмием, будет весить более 15 кг. Подобная масса объясняется плотностью осмия, которая составляет 22,61 г/см3. Казалось бы, отличный вариант для того, чтобы создавать спортивное оборудование, но не тут-то было, его невероятная стоимость отпугнет любого создателя оборудования.

Где найти осмий

Сразу стоит заметить, что все энтузиасты, которые надеются найти осмий в лесу, горах или воде, могут охладить свой пыл. К текущему моменту, несмотря на все усилия исследователей, а также использование самых передовых информационных технологий, так и не удалось найти ни одного самородка осмия. Единственный способ получения осмия – обработка руды иридия, платины, меди и никеля. При этом сразу стоит отметить, что этот процесс также крайне долгий, поскольку в подобной руде содержание осмия никогда не превышает 0,001%.

Другой способ обнаружения осмия – метеориты, которые попадают на Землю из космоса. Однако здесь также есть определенные трудности. Помимо того, что метеориты – нерегулярный способ получения металла, так еще и отделение изотопов занимает не менее 9 месяцев. В большинстве случаев все промышленные производства вынуждены использовать вторичное сырье, при этом цена подобного производства незначительно дешевле.

Технология получения

Подобно другим платиноидам, Osmium извлекают из материнской породы: медно-никелевой, платиновой, золотой.

Добыча осмия проходит по-разному:

1. На аффинажном предприятии в процессе очистки платины. Это отработанная, но технологически сложная многоэтапная процедура. Вначале получается осадочный осмиридий. Он ценен сам по себе, но иногда два компонента требуется разделить. Для этого проводят цепочку химических реакций.
2. Второй способ получения осмия – прокаливание обогащенной породы при 800-900°С. Осмий получается губчатым.
3. Металл чистотой 99,99% получают методом химического транспортирования.

Однако потери при производстве металла велики, поэтому разрабатываются более эффективные технологии.

Физические и химические свойства металла

Строение осмия характеризуется гексагональной плотноупакованной кристаллической решеткой.

Сам осмий – твердый металл серо-голубоватого цвета, характеризующийся крайне высокой хрупкостью, а также очень высокой удельной массой, что позволяет металлу сохранять свой блеск даже при поддержании высоких температур. Осмий крайне трудно использовать для механической обработки, поскольку хрупкость, твердость и высокая температура плавления существенно осложняет любые технологические процессы.

Помимо цены осмий является рекордсменом в плотности, которая незначительно превосходит аналогичный показатель у иридия. Плотность осмия составляет 22,61 г/см3.

Температура плавления составляет 3033 градуса Цельсия, температура кипения – 5012 градусов Цельсия.

При нагреве осмий вступает в реакцию с кислородом, что приводит к формированию различных оксидов. Также металл вступает в реакцию с фосфором, азотной и серной кислотой. Во всех соединениях степень окисления находится в диапазоне от -2 до +8, наиболее распространенными вариантами являются +2, +3, +4 и +8.

Таблица химических свойств:

Изотопы

Известны 7 изотопов химического элемента №76: Os-184 (его процентное содержание в металле самое низкое), Os-186, Os-187 (радиоактивный), Os-188, Os-189 Os-190, Os-192 (самый высокий процент содержания). Они могут существовать по отдельности, составляя разновидности природного осмия, но выделить какой-либо 1 изотоп из металла сложно, в силу того, что они обладают почти одинаковыми физическими и химическими свойствами.

Самым ценным изотопом является Os-187. 30% его идет на нужды науки, остальное используется в медицинских и промышленных целях. Впервые его получили в Германии из норвежских молибденовых руд. Ныне монополистом по продаже Os-187 является Казахстан.

Недавно ученые обнаружили, что некоторым изотопам свойственно α-излучение, но с периодом полураспада в триллионы лет их считают условно стабильными элементами.

Применение осмия

Так как осмий – один из самых редких и дорогостоящих металлов, он используется только там, где существует экономическая эффективность, и другие материалы не дадут желаемого результата.

Использование данного металла в различных отраслях промышленности обусловлено его уникальными свойствами:

• Непревзойденная твердость делает данный металл идеальным материалом для изготовления режущих и особо точных инструментов (резцы, скальпели, перья для авторучек и др.), деталей в узлах механизмов, испытывающих сверхнагрузки.
• Тугоплавкость способствует использованию осмия в узлах трения.
• Отсутствие магнетизма позволяет изготавливать стрелки в компасах, часах и точных приборах.
• Благодаря способности ускорять химические реакции, осмий используется как катализатор, причем более эффективный, чем платина.

Без осмия и сплавов с ним не обходятся такие отрасли промышленности:

• Химическая: производство аммиака, азота, насыщенно-черного пигмента, проведение гидрирования, преобразование химической энергии в электрическую в метанольных топливных элементах.
• Военная: изготовление реактивных артиллерийских снарядов.
• Космическая и авиационная: электронная аппаратура, важнейшие узлы самолетов и ракет.

Несмотря на то, что осмий относится к группе драгоценных металлов, в ювелирном деле он используется редко и только в качестве добавки к платине.

Исходя из огромной цены данного металла, формируется предположение, что он обладает крайне полезными свойствами, которые могут использоваться в ходе производственных процессов. К примеру, одним из основных экспортеров осмия является Казахстан, при этом цена за их поставки находится около 10 000 долларов за грамм.

По большей части осмий используется при создании сплавов, в которых необходимо использование его крайне высокого уровня прочности. Более того, осмий придает сплавам невероятную износоустойчивость, причем для того, чтобы металл обладал данным свойством, достаточно даже незначительных доз подобного металла. Таким образом, осмий используется при создании механических узлов, которые на постоянной основе подвергаются трению.

Наибольшей ценностью обладает 187 изотоп осмия, который получил активное применение в ядерной и космической промышленности. Его используют для создания отдельных деталей космических аппаратов, а также изготовления емкостей для ядерных отходов.

Редкий изотоп осмия 187

Также данный металл используется в качестве катализатора химических процессов, позволяя ускорять их. К примеру, осмий позволяет значительно ускорить синтез химических соединений. Его используют производства, что делают особые химические реагенты, где скорость протекания всех процессов является важнейшим фактором.

Еще одной отраслью, которая требует использования осмия, является электроника. По большей части это касается механизмов и узлов аппаратной части управления.

Тем не менее, осмий стараются использовать как можно реже, что логично с учетом его огромной цены. Таким образом, его использование в промышленности объясняется фактом того, что он способен обеспечить гарантированный результат, придав конкретному устройству важнейшие эксплуатационные характеристики и свойства.

Осмий в медицине

Соединение осмия с платиной в соотношении 1:9 является индифферентным сплавом, поэтому из него изготавливают хирургические имплантаты, кардиостимуляторы, легочные клапаны, некоторые медицинские инструменты. Перспективным направлением является использование осмия для лечения онкологии.

В фармакологии Osmium применяется как катализатор для производства ряда лекарств, например, кортизона.

Дорого, но полезно

Осмий мог бы найти гораздо более широкое применение в народном хозяйстве (с таким набором уникальных свойств). Но его редкость и цена позволяют применять металл лишь там, где он приносит наибольшую пользу (или где без него не обойтись).

Добавка осмия в сплавы делает их сверхтвердыми. Эти сплавы устойчивы к истиранию, применяются в трущихся частях точных инструментов.

Еще одно свойство осмия — тугоплавкость — давно нашло применение в промышленности. Спирали для ламп накаливания давно изготавливали из сплава осмия и вольфрама. Компания OSRAM давно и успешно поставляет на рынок приборы освещения.

Познавательно: в 1926 году работники всем известную осветительную лампочку грушевидной формы. Нить накаливания была изготовлена из сплава вольфрам-осмий. Лампочку эту помнят все жители России.

Военно-промышленному комплексу России с его сложнейшей техникой требуется дорогой металл с уникальными свойствами.

Металл применяют в качестве катализатора в химической промышленности (при синтезе аммиака).

Сплав осмий-иридий используют для изготовления компасных игл.

Изотоп осмий-187 используют палеонтологи при определении датировки слоев Мелового и Третичного периода.

Структура металла осмия

Ювелирам не нравится, но…

В ювелирном деле осмий практически не используется. Металл этот внешне красив — голубовато-серебристый. Но свойства (тугоплавкость, ковкость, пластичность) не позволяют использовать его в создании украшений.

Можно ли отнести перьевую ручку стоимостью более миллиона долларов к ювелирным изделиям — решать вам. Но такие ручки (наряду с часами и другими аксессуарами) предпочитают богатые и успешные мужчины, это признак состоятельности, «статусности» их владельца. Есть несколько фирм, выпускающих эти ручки. Они делаются из золота, платины, украшены бриллиантами, сапфирами, рубинами.

Кстати, эти ручки действительно пишут, это не простые безделушки. При чем тут осмий — при кончике пера. На нем всегда есть напайка, маленький шарик, чтобы перо не рвало бумагу, а мягко скользило по ней. Чтобы ручка работала долго и хорошо, напайка должна быть из очень твердого сплава. Этому требованию полностью отвечает осмий и металлы платиновой группы.

Рекомендуем: СУРЬМА — от красоты глаз до аккумуляторов

Часы — еще одна метка мужчины из слоев элиты. В механизме дорогих часов используется осмий, как не обладающий магнитными свойствами. А способность к истиранию у него огромная. Значит, в механических часах он необходим.

Соединения осмия в медицине

Тетраоксид осмия применяют при производстве кортизона, жизненно необходимого для больных гормональными заболеваниями препарата. Применение тетрахлорида осмия необходимо в лабораториях в подготовке образцов для электронных микроскопов.

Хирургические инструменты (например, скальпели) снабжаются режущими кромками из сплава платиноидов.

Эти сплавы используются в изготовлении кардиостимуляторов, имплантов, клапанов.

Чем опасен синий платиноид

Металлический осмий не опасен (если не возникнет желания съесть ложку-другую). А вот тетраоксид осмия (OsO4), кроме отвратительного запаха, еще несет угрозу для здоровья человека. Это очень токсичное, летучее соединение. Представляет опасность при вдыхании паров. Хранить его надо в запаянных капсулах, работать в защитных костюмах и при хорошей вытяжной вентиляции.

Исторический факт: К. Клаус (о нем можно прочитать в статье об иридии), как любознательный ученый, не обремененный приборами для анализа, поступил просто. Так, кстати, делали многие ученые — пробовали на вкус исследуемые вещества. Вот и Клаус попробовал тетраоксид осмия, и записал в рабочем журнале: «вкус у этого соединения острый, перцеподобный».

Мало того, работая с «неблаговонным» соединением, ученый отравился, и пару недель провалялся больной.

Опасное соединение раздражает кожу, слизистые, вредно для глаз.

ПДК (предельно-допустимая концентрация) в воздухе составляет 0.002 мг/м3.

Производство осмия

Osmium получают из следующих источников:

• полиметаллические руды;
• метеоритные породы;
• осмий содержащие минералы.

Производственная цепочка сложная. Вначале руду обогащают и выделяют основной химический элемент. В ходе этого процесса образуются побочные продукты, содержащие микрочастицы осмия. Полученные вещества прокаливают при температуре 800-900 °C. При этом образуется оксид осмия, пары которого поглощаются раствором едкого натра. Затем этот раствор упаривают и получают соль – перосмат натрия. Это вещество вступает в химическую реакцию с водородом, в ходе которой выделяется чистый осмий в губчатом виде.

Такой процесс сложный и дорогостоящий. Для получения 1 г этого редкого металла, нужно переработать 5 кг руды. Такой мизерный выход на самом деле является наилучшим показателем. В мире за год производят осмия чуть более 100 кг.

Если получать Osmium из платинового сырья, то при его обработке образуется осмиридий – соединение осмия с иридием. Чтобы эти металлы разделить, нужно провести ряд химических реакций, для которых потребуется до 9 месяцев. Однако часто этого не делают, так как такой сплав, благодаря усиленной твердости, используется в технике.

Наконец, получать осмий можно путем переработки вторичного сырья.

Существуют и другие способы производства данного драгоценного метала, но все они недостаточно эффективны, поэтому идет поиск новых технологий.

Цена осмия

Это один из самых дорогих металлов. В 2021 г. цена 1 г составила 950 руб. Это в 5 раз больше, чем 20 лет назад. Такой рост стоимости объясняется уникальными свойствами осмия и неудовлетворенным спросом, ведь каждая из 40 компаний, использующая его в качестве сырья, может рассчитывать на чуть более 2 кг этого платиноида в год.

Что касается изотопа Os-187, без которого не обходится медицина, космонавтика, оборонная промышленность, наука, то здесь картина иная: 1 г стоит $10 000-20 000.

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.

Вред осмия

Осмий – тяжелый металл, а значит, он оказывает вред на живые организмы. У человека незначительная концентрация в воздухе паров этого платиноида поражает глаза и органы дыхания, даже если отравление было кратковременным. У животных же осмий вызывает ураганный отек легких.

Длительное вдыхание осмия приводит к нарушению работы любого органа, слепоте, летальному исходу. Кожа зеленеет, на ней появляются раны, трофические язвы. Заживление происходит трудно.

Польза

Осмий – востребованный металл в военно-промышленном комплексе, авиастроении, технике, медицине, научных исследованиях. Даже самое токсичное вещество, оксид осмия OsО4, приносит пользу – служит катализатором в производстве лекарственных препаратов и красящим веществом для исследований под микроскопом.

Основное назначение рассматриваемого платиноида – создание сверхпрочных сплавов с палладием, никелем, вольфрамом, рутением, платиной, иридием, изделия из которых отличаются высокой износостойкостью и долговечностью.

Где используется металл

Osmium – самый малопотребляемый из платиноидов. Практическое применение тормозят редкость в природе и тугоплавкость: чтобы расплавить порошок, требуется выше 3000°С. Обеспечить такую температуру плавления по силам не каждому предприятию.

Первые идеи

Новый металл долго оставался невостребованным: люди не знали, куда его приспособить. Идею подали практичные немцы. Они решили делать из осмия нить накаливания. Такая лампочка светила ярко, потребляя втрое меньше энергии. Однако выгоды все равно не было, поэтому эксперимент свернули: победил более дешевый вольфрам.

Компромиссный вариант нашелся в конце ХХ века: транснациональная корпорация Osram выпускала бытовые лампочки накаливания под одноименным брендом. Он образован от слов осмий и вольфрам: из такого сплава были сделаны их нити накаливания.

Сегодня Osmium оставлен отраслям, где заменить его нечем.

Промышленность

Супертвердое сырье востребовано передовыми отраслями:

• Это материал сплавов узлов, деталей особо точных приборов.
• Из него сделаны стрелки часовых механизмов, измерительной техники.
• Это микропокрытие деталей, испытывающих при работе повышенные нагрузки по трению

Изделия, выполненные из сплавов с осмием, устойчивы к износу. Служат десятилетиями.

Выбор вида сплава определяется функциями изделий в технике:

• Осмий плюс платина либо палладий становятся электрическими контактами.
• Сплав с никелем, вольфрамом, кобальтом – материал стойких механически и химически наконечников.
• Многофункциональны соединения с рутением, иридием.

Они используются военно-промышленным комплексом, авиастроителями (гражданский и военный сегмент).

Слитки осмия

Химическая отрасль

Данной сферой востребованы премиальные свойства осмия как катализатора – он эффективнее платиновых аналогов.

С разными целями закупается четырехокись металла:

• Фармацевтическими гигантами – для синтеза лекарственных препаратов.
• Без нее невозможно синтезировать аммиак, молекулярный азот, прогидрировать органические соединения.

Химия и нефтепереработка забирают половину наличного осмия.

Благодаря осмиевому компоненту стало возможным получение густо-черного пигмента для нужд фарфорового производства.

Медицина

Осмиевая составляющая присутствует в изделиях, к которым предъявляются повышенные требования по твердости:

• хирургический инструментарий;
• имплантанты;
• кардиостимуляторы.

Материалам служит сплав осмия с платиной (осмия – 11%).

Как и «рутениевый красный», осмиевый пигмент создает контрастность при исследовании под микроскопом биологических субстанций (например, тканей человека).

Неоценимую пользу Osmium может принести как блокиратор онкологии. Данное направление – приоритет исследовательских работ.

Ювелирное дело

В данном сегменте благородный металл – лигатура платиновых сплавов. Ювелирные изделия в таком исполнении особо прочны, красивы, долговечны. Но это единичные случаи: сырья мало.

Вопросы пользователе об металле Осмий

Рассмотрим ответы на некоторые вопросы, которые чаще всего задают пользователи.

Что тяжелее: Осмий или Иридий

Существуют не 1, а 2 самые тяжелые металлы, и в таблице Менделеева они находятся в соседних ячейках – осмий, № 76, и иридий, №77. Их плотность в пределах 22, 59 г/см3 и 22, 56 г/см3 соответственно. Таким образом, можно считать, что вес этих металлов практически одинаковый.

Где в Казахстане добывают Осмий

Osmium получают из руд Джезказганского месторождения, одного из крупнейших в мире. Оно уникально тем, что почти полностью содержит изотоп осмий-187. Цена, по которой страна продает его на экспорт, являясь монополистом в этой области, ниже рыночной и составляет 10 000 долларов.

Почему золото и платина больше не самые дорогие металлы

Падение цен на металлы связано с различными факторами. Чтобы понять основные причины, разберём две ценнейших в прошлом драгоценности — золото и платину.

Платина

В первую очередь стоит понять, что цена зависит не только от стоимости добычи и редкости, но и от значимости металла. Например, цены на платину упали после 2015 года, когда произошёл скандал с дизельными двигателями. Оказалось, что они являются крайне вредными для природы. Так политика по отношению к дизелю кардинально изменилась и приоритет вновь отдали бензину.

Тут следует обратиться к компонентам, из которых производятся разные виды двигателей. В дизельных 70-80 % приходится на платину, 18-28 % на палладий, остальное — родий. Бензиновое соотношение же совершенно иное и составляет пропорцию 1:8:1, материалы всё те же.

Вкупе с изменённой политикой, цены на платину начали стремительно падать, а на палладий — расти. Таким образом, уже к 2018 году палладий очень сильно поднялся в цене, а в отдельных городах по всему миру со старых автомобилей стали спиливать катализаторы для извлечения драгоценных металлов.

График продажи палладиума и платины

Золото

С ценами на золото ситуация совершенно иная. Основной причиной падения цен является повышение процентной ставки ФРС. То есть инвестировать в золото стало в разы дороже, а стоимость продажи не изменилась. Также на цену влияет стабильность на фондовом рынке: игроки предпочитают инвестировать в ценные бумаги, а не в золото.

Таким образом, инвесторам невыгодно вкладываться в золото. Единственным крупным покупателем на тот момент являлся Китай, который активно увеличивал свой золотой запас. Связанно это с тем, что в недалёком прошлом восточной стране пришлось распродать свои запасы, чтобы спасти население от голода.

Однако на данный момент спрос на золото вновь вырос. Самая главная причина заключается в инфляции доллара. Разумеется, из-за этого стал более неустойчивый и фондовый рынок, а золото стало привлекательно выделяться, как один из самых стабильных активов. Многие страны, в том числе и Россия, стали переводить активы из долларов в золото.

Цены на золото с 2011 до 2021 года

Инфляция доллара США по годам