Osmijs

Osmijs ir ķīmiskais elements ar simbolu Os un atomskaitli 76, kas periodiskajā tabulā pieder platīna grupas elementiem un pārejas metāliem (d-elementiem). Tas ir ļoti ciets, trausls, zilgani pelēcīgi balts metāls ar metālisku spīdumu un izteikti augstu kušanas temperatūru (3033 °C). Osmijs ir pazīstams kā viens no visblīvākajiem dabā sastopamajiem elementiem — tā blīvums normālos apstākļos sasniedz apmēram 22,59 g/cm³, kas nedaudz pārsniedz irīdija un platīna blīvumu, lai gan precīzs novērtējums atkarīgs no mērījumu metodikas.

Ķīmiski osmijs ir stabils, taču saskarē ar gaisu tā virsmā var veidoties osmija tetroksīds (OsO4), kas ir gaistošs, ļoti toksisks un ar spēcīgu smaku apveltīts savienojums, un ir labi pazīstams kā oksidētājs un mikroskopijā izmantots reaģents. Osmijs var eksistēt vairākās oksidēšanās pakāpēs (no –2 līdz +8), bet visstabilākās ir +4 un +8. Pateicoties savai izturībai, cietībai un ķīmiskajai stabilitātei, osmiju izmanto īpaši izturīgu sakausējumu ražošanā, katalīzē un zinātniskajos pētījumos, taču tā izmantošana augstā toksiskuma un cenas dēļ ir ierobežota.

Dabā osmijs ir ļoti rets un parasti sastopams kā piemaisījums platīnam, irīdijam, niķelim un varam. Tas tiek iegūts kā šo metālu rūdu blakusprodukts, un tā komerciālā nozīme ir šauri specializēta.

 Fizikālās īpašības 
Osmijs normālos apstākļos ir cietviela ar zilgani pelēcīgi baltu krāsu un izteiktu metālisku spīdumu. Tas ir viens no cietākajiem pārejas metāliem (7 pēc Mosa skalas), taču vienlaikus arī ļoti trausls, īpaši zemās temperatūrās, kas apgrūtina tā mehānisko apstrādi. Osmijam raksturīga ļoti augsta blīvuma vērtība, apmēram 22,59 g/cm³ pie 20 °C, padarot to par visblīvāko dabisko ķīmisko elementu, lai gan salīdzinājums ar līdzīgi blīvo irīdiju (22,56 g/cm³) dažkārt ir atkarīgs no mērījumu metodikas.

Metālam piemīt augsta kušanas temperatūra (3033 °C) un viršanas temperatūra (5008–5012 °C), kas liecina par spēcīgām sasaistēm metāliskajā režģī un izcilu termisko stabilitāti. Osmijs ir labs elektrības un siltuma vadītājs, kas raksturīgi pārejas metāliem. Pie 20 °C tā īpatnējā pretestība ir aptuveni 8,1 Ω·m, bet siltumvadītspēja sasniedz ap 88 W·m⁻¹·K⁻¹.

Osmijam piemīt arī augsta ķīmiskā stabilitāte un izturība pret koroziju, īpaši pret neoksidējošām skābēm. Tomēr darbā ar šo metālu jāievēro piesardzība, jo saskarē ar gaisu uz tā virsmas var veidoties osmija tetroksīds (OsO4), kas ir ļoti toksisks un gaistošs savienojums ar asu smaku. Šo īpašību dēļ osmija praktiskā izmantošana ir ierobežota un koncentrēta specifiskās jomās, piemēram, precīzos mehānismos, elektronmikroskopijā, katalīzē un izturīgu sakausējumu ražošanā, kur nepieciešama augsta izturība un blīvums.

 Ķīmiskās īpašības 
Osmijs ir ķīmiski aktīvs pārejas metāls, kas spēj veidot plašu savienojumu spektru ar dažādām oksidēšanās pakāpēm, no –2 līdz +8. Visizplatītākās un praktiski nozīmīgākās ir +4, +6 un īpaši +8 oksidācijas pakāpes. Oksidācijas pakāpe +8 ir augstākā, kāda dabā zināma stabilā savienojumā, un tā raksturīga osmija tetroksīdam (OsO4) — gaistošam, ļoti toksiskam un oksidējošam savienojumam ar asu smaku, kas veidojas, kad osmijs oksidējas gaisā, īpaši karsējot skābekļa klātbūtnē. Smalki sadalīts metāls var izdalīt OsO4 pat istabas temperatūrā. Šis savienojums tiek plaši izmantots organiskajā sintēzē kā oksidētājs, īpaši diolu iegūšanā no alkēniem, kā arī elektronmikroskopijā kā kontrastējošs reaģents, jo tas sasaistās ar bioloģisko membrānu struktūrām.

+6 oksidēšanas pakāpe sastopama, piemēram, osmija heksafluorīdā (OsF6), kas ir spēcīgs oksidētājs un tiek iegūts, osmijam reaģējot ar fluoru. Vēl sarežģītākos apstākļos iespējams iegūt OsF7. Savukārt +4 oksidēšanas pakāpe raksturīga vairākos stabilos savienojumos, piemēram, osmija(IV) hlorīdā (OsCl4), osmija dioksīdā (OsO2), kā arī dažādos kompleksos savienojumos, tai skaitā karbonilkompleksos, piemēram, Os3(CO)12, kur osmijam ir oksidēšanas pakāpe 0. Bāziskā vidē OsO4 veido osmāta un perosmāta jonus, kas no kompleksās ķīmijas viedokļa ir interesanti.

Reakcijās ar halogēniem osmijs veido dažādus halogenīdus. Ar fluoru veido OsF6 un OsF7, ar hloru un bromu veido atbilstošus tetrahalīdu savienojumus, piemēram, OsCl4 un OsBr4. Šie savienojumi iegūstami, karsējot elementus augstā temperatūrā vai paaugstinātā spiedienā. Osmijs ir noturīgs pret lielāko daļu minerālskābju, tostarp karaļūdeni, taču noteiktos apstākļos, piemēram, karstā koncentrētā slāpekļskābē vai sārmos oksidētāju klātbūtnē, piemēram, NaClO3, tas var oksidēties, veidojot šķīstošus savienojumus.

Īpaša nozīme osmija savienojumiem ir katalīzē. Osmija tetroksīds tiek izmantots par katalizatoru dihidroksilēšanas reakcijās (divu hidroksilgrupu pievienošanā pie dubultsaites) — gan Apdžona reakcijā ar N-metilmorfolīna N‑oksīdu kā oksidētāju, gan Šārplesa asimetriskajā dihidroksilēšanā, kur no nehirāliem alkēnu atvasinājumiem tiek iegūti hirāli savienojumi, piemēram, izmantojot īpašus  hirālus hinolīna atvasinājumus, kas ietilpst komerciālo katalītisko maisījumu AD-mix‑α un AD-mix‑β sastāvā (AD-mix nozīmē "asimetriskās dihidroksilēšanas maisījums"). Šīs reakcijas ir stereoselektīvas un tiek izmantotas sarežģītu organisko molekulu sintēzē. Lai arī osmijs un tā savienojumi ir ķīmiski daudzveidīgi un vērtīgi pētniecībā un laboratorijas praksē, to praktiskā izmantošana augstā toksiskuma, nestabilitātes un cenas dēļ ir ierobežota. Tādēļ darbs ar osmija savienojumiem, īpaši OsO4, prasa stingru drošības pasākumu ievērošanu, tostarp labi ventilētas telpas un individuālo aizsardzības līdzekļu izmantošanu.

Osmija spēja veidot stabilus kompleksus un eksistēt plašā oksidācijas pakāpju diapazonā padara to vienlaikus vērtīgu un potenciāli bīstamu elementu gan neorganiskajā, gan organiskajā ķīmijā.

 Atrašanās dabā 
Osmijs Zemes garozā ir viens no visretāk sastopamajiem stabilajiem ķīmiskajiem elementiem. Tā vidējā koncentrācija tiek lēsta robežās no 1 līdz 5 daļiņas uz miljardu (ppb) jeb 0,001–0,005 daļiņas uz miljonu (ppm), atkarībā no datu avota un analīzes metodes. Šī ārkārtīgi zemā izplatība padara osmiju ne tikai par retu, bet arī par tehniski sarežģīti iegūstamu elementu. Dabā osmijs nav sastopams tīrā veidā. Tas galvenokārt veido minerālus ar citiem platīna grupas elementiem, piemēram, irīdiju, rutēniju, platīnu un rodiju. Viens no svarīgākajiem minerāliem ir osmirīdijs, kas ir dabīgs Os–Ir minerāls, un tas veidojas nogulumiežos kā smagie minerāli vai niķeļa–vara sulfīdu rūdās. Vēl cita svarīga minerālu grupa ir sulfīdi, piemēram, erlihmanīts (OsS₂) un laurīts (RuS₂), kas veido slāņveida intrūzijas ultrabāziskajos hromitīta iežos, īpaši Bušveldas masīvā (Dienvidāfrikā) un ofiolītu kompleksos.

Papildus tam osmijs ļoti mazā daudzumā var būt niķeļa un vara rūdās, kas iegūtas magmatiskajos iežos, piemēram, Sadberijas baseinā (Sudbury Basin) Kanādā vai Noriļskas tuvumā Krievijā. Šajās rūdās osmijs ir tikai blakusprodukts, bet rūpnieciskā mērogā tā ieguve notiek kā daļa no platīna grupas metālu pārstrādes cikla. Osmijs dažkārt sastopams arī platīnu saturošajās smiltīs, taču šādi atradņu veidi ir retāki un saimnieciski mazāk nozīmīgi. Kopumā osmijs ir gan izteikti rets, gan ģeoloģiski koncentrēts tikai noteiktās vietās, kas kopā ar tā toksiskajiem savienojumiem un sarežģīto iegūšanu padara to par specializētu, bet vērtīgu materiālu zinātniskos un tehnoloģiskos pielietojumos.

 Izotopi 
Dabā ir septiņi osmija izotopi. Visizplatītākais ir osmijs-192 (40,78% no kopējā dabā esošā osmija). Vēl izplatīti izotopi ir osmijs-190 (26,26%), osmijs-189 (16,15%), osmijs-188 (13,24%) un osmijs-187 (1,96%). Visretāk ir sastopami radioaktīvie izotopi osmijs-186 (1,59%) un osmijs-184 (0,02%). Mākslīgi ir iegūti vēl 35 radioizotopi, kuru masas skaitlis ir no 161 līdz 202.

 Izmantošana 
Osmijs tiek izmantots sakausējumos, bet to skaits ir neliels. Rūpniecībā tas tiek izmantots kā katalizators. Osmijs ir atrodams augstas kvalitātes tintes pildspalvās, kompasa adatās, gramofona adatās, pulksteņu gultņos, jo tam ir ļoti liela cietība un izturība pret koroziju.

 Vēsture 
Osmiju 1803. gadā atklāja angļu ķīmiķi Smitsons Tennants (Smithson Tennant) un Viljams Volastons. Elementa nosaukums ir radies no grieķu vārda  (ósmé), kas nozīmē ‘smarža, smaka’, jo tā oksīdam ir ļoti izteikti spēcīga smaka.

 Atsauces 

 Ārējās saites 

Kategorija:Ķīmiskie elementi
Kategorija:Pārejas metāli