Осмій - "Образа" благородного металу

С.І. Венецкій

Пам'ятаєте у Гоголя: "Народився Акакій Акакиевич проти ночі, якщо тільки не зраджує пам'ять, на 23 березня ... Породіллі надали на вибір будь-яке з трьох імен, яке вона хоче вибрати: Мокка, Сесія або назвати дитини в ім'я мученика Хоздазата. "Ні, - подумала покійниця, - імена-то всі такі ". Щоб догодити їй, розгорнули календар у іншому місці; вийшли знову три імені: Тріфілій, Дула і Варахасій. "Ось це покарання, - промовила стара, - які всі імена, я право ніколи і не чула таких. Хай би ще Варадат або Барух, а то Тріфілій і Варахасій ". Ще переворотами сторінку - вийшли: Павсікакій і Вахтісій. "Ну, я вже бачу, - сказала стара, - що, видно, його така доля. Вже якщо так, нехай краще буде він називатиметься, як і його батько. Батько був Акакій, так нехай і син буде Акакій ". Таким чином і стався Акакій Акакиевич ".

Не знаємо, чи довго англійський хімік Смітсон Теннант придумував ім'я одному з двох відкритих ним у 1804 році хімічних елементів -- осмію, але пощастило цього "новонародженому" не більше, ніж герою гоголівської "Шинелі". Справа в тому, що "осмій" в перекладі з грецького означає ... "запах".

Погодьтеся: для благородного металу (а осмій як представник платинової групи металів з повним правом носить цей титул) таку назву, м'яко кажучи, не може служити прикрасою. А якщо врахувати, що найближчі родичі гордо іменуються паладієм (тезка богині Афіни Паллади), іридію (по-грецьки "веселка"), родием ( "Троянда"), рутенієм (від латинської назви Росії), то образа стає ще гірше.

Чому ж Теннант був так немилість до свого "хрещенику"? Перш ніж відповісти на це питання, розповімо про події, які передували відкриттю осмію. У 1804 році відомий англійський учений Вільям Волластоном, неабияк поінтригувати перед цим науковий світ (докладніше про це розповідається в нарисі про палладії "Жарт англійського хіміка"), повідомив на засіданні Королівського товариства, що, аналізуючи сиру (природне) платину, він виявив в ній невідомі раніше метали, названі ним паладієм і родием. Обидва були знайдені в тій частині платини, яка розчинялася в царській горілці, але при цій взаємодії залишався ще й нерозчинний залишок. Він, як магніт, притягував до себе багатьох хіміків, справедливо вважали, що і в ньому може ховатися якийсь невідомий досі елемент.

Близькі до успіху були французи Колле-Дескотіль, Фуркруа і ВОКЛА. Вони не раз помічали, що при розчиненні сирої платини в царській горілці виділявся чорний дим, а при сплаву нерозчинного залишку з їдким калі утворювалися сполуки, які "не заперечували" проти розчинення. Фуркруа і ВОКЛА припустили, що шуканий елемент частково випаровується у вигляді диму, а та частина його, якої не вдається таким способом "евакуюватися", надає агресору посильну опір, не бажаючи в ньому навіть розчинятися. Вчені поквапилися дати новому елементу ім'я -- "птен", що по-грецькому означає "крилатий, летючий".

Але ця назва пурхнула, як метелик, і кануло в Лету, тому що незабаром Теннант зумів розділити "птен": насправді він являв собою природний сплав двох різних металів. Один з них учений назвав Ірида - за різноманітність забарвлення солей, а інший - осміем, оскільки його четирехокісь, що виділяється при розчиненні в кислоті або воді продукту сплавки осмірідія (так надалі стали називати колишній "птен") з лугом, мала неприємний, що дратує запах, схожий одночасно на запахи хлору і підгнилого редьки. Пізніше з'ясувалося, що і сам метал здатний видавати подібний "аромат", щоправда, повільніше: тонкоподрібнений осмій поступово окислюється на повітрі, перетворюючись на четирехокісь. Мабуть, не за душі припав цей запах Теннант, і він спересердя вирішив увічнити в назві відкритого ним елемента своє найбільш сильне враження від першого побачення з ним.

По одягу зустрічають, по розуму проводжають. І якщо запах так колір - олов'яно-білий з сірувато-блакитним відливом - можна вважати "одягом" осмію, то його характеристики як хімічного елемента і як металу за цією приказкою слід віднести до "розуму".

Так чим же може похвалитися наш герой? Перш за все, як уже було сказано, своїм шляхетним походженням. Погляньте на періодичну систему елементів: у правій частині її осібно тримається сімейство платиноїдів, що складається з двох тріад.

У верхню тріаду входять легкі платинові метали -- рутеній, родій, паладій (все в світі щодо: будь-який представник цієї трійки в півтора з лишком рази важче заліза).

У другій тріаді зібралися справжні богатирі-важковаговики - осмій, іридій і платина. Цікаво, що довгий час вчені дотримувалися такого порядку зростання атомної ваги цих елементів: платина - іридій - осмій. Але коли Д.І. Менделєєв створював свою періодичну систему, йому доводилося ретельно перевіряти, уточнювати, а часом і виправляти атомні ваги багатьох елементів. Одному виконати всю цю роботу було нелегко, тому Менделєєв залучав до роботи інших хіміків.

Так, коли йому відрекомендували Ю. В. Лермонтова, яка була не тільки родичкою великого поета, а й висококваліфікованим хіміком, учений попросив її уточнити атомні ваги платини, іридію і осмію, оскільки вони викликали у нього великий сумнів. За його думку, найменший атомний вага повинен був бути у осмію, а найбільший - у платини. Серія точних експериментів, проведених Лермонтова, підтвердила правоту творця періодичного закону. Тим самим було визначено нинішнє розташування елементів у цій тріаді - все стало на своє місце.

Осмій має рекордну щільність серед всіх мешканців періодичної системи - 22,5 г/см3. Щоб врівноважити гирку із цього металу, знадобиться понад 40 таких же за обсягом гирьок з його антипода-літію. Якщо звичайну пляшку заповнити порошком осмію, то вона буде важче відра з водою.

Але яким би унікальним не здавалося це якість осмію, поки воно практично не використовується в техніці. На відміну від тугоплавкої, твердості, міцності та інших дійсно цінних властивостей металів, велика щільність не приносить лаврів її власникові. Аналогію можна знайти і в житті: люди завжди цінували силу, швидкість, спритність, а гігантський вагу або зріст людини лише викликають подив і сумнівний інтерес.

Втім, у осмію є й такі ділові якості, які не можуть не вселити поваги до нього. Не випадково, він самий дорогою з всіх благородних металів, хоч і найменш "благородний" з них (ви вже знаєте, що мелкораздробленний осмій не в силах протистояти кисню повітря навіть при кімнатній температурі, у той час як його "родичі" славляться перш за все своєю незвичайною хімічну стійкість). Тим не менше, якщо в 1966 році платина цінувалася на світовому ринку в 4,3 разу дорожче золота, а іридій в 5,3 рази, то аналогічний коефіцієнт для осмію дорівнював 7,5. Багато в чому винна в цьому природа, яка не тільки не накопичила запаси осмію, а й примудрилася так заховати, що є у неї крихти цього елементу (5 * 10-6% маси земної кори), що видобуток їх влітає в копієчку. Якщо світове виробництво більшості металів обчислюється тисячами і навіть мільйонами тонн, то для осмію рахунок йде на кілограми.

Одне з головних достоїнств осмію - його дуже висока твердість; в цьому з них можуть конкурувати деякі метали. Ось чому при створення сплавів з найвищою зносостійкістю до їх складу вводять осмій. Авторучки із золотим пером - не рідкість. Але ж золото - досить м'який метал, а перу за довгі роки роботи доводиться з волі господаря пройти по папері довгі кілометри шляху. Звичайно, папір - не напилок і не наждак, однак витримати таке випробування можуть лише деякі метали. І все ж кінчики пір'я справляються з цією важкою роллю. Як? Секрет простий: їх звичайно виготовляють із сплавів осмію з іншими платиноїди, найчастіше з уже відомого вам осмірідія. Без перебільшення можна сказати, що перу, "бронювати" осміем, зносу немає.

Виняткова твердість, хороша корозійна стійкість, високий опір зносу, відсутність магнітних властивостей роблять осмірідій прекрасним матеріалом для вістря компасну стрілки, осей і опор найточніших вимірювальних приладів і годинникових механізмів. З нього виготовляють ріжучі кромки хірургічних інструментів, різців для художньої обробки слонової кістки.

Те, що осмій і іридій часто "виступають дуетом "- у вигляді природного сплаву, пояснюється не лише цінними властивостями осмірідія. але і волею долі, побажала, щоб у земній корі ці елементи були пов'язані надзвичайно міцними узами. У вигляді самородків ні той, ні інший метал у природі не виявлені, зате осмістий іридій і ірідістий осмій - добре відомі мінерали (називаються вони відповідно Невьянськ і сисертскіт): у першому переважає іридій, у другому - осмій.

Іноді ці мінерали зустрічаються самостійно, але частіше входять до складу самородної платини. Поділ її на компоненти (так званий афінаж) - процес, який включає багато стадій, на одній з яких осмірідій випадає в осад. І ось чи не найскладніше і дороге під всій цій "історії" - розлучити осмій і іридій. Але найчастіше в цьому і немає необхідності: як ви вже знаєте, сплав широко застосовують в техніці, а варто він значно дешевше, ніж, наприклад, чистий осмій. Адже для того, щоб виділити цей метал зі сплаву, потрібно провести стільки хімічних операцій, що одне їх перелік зайняв би багато місця. Кінцевий продукт довгої технологічного ланцюга - металевий осмій чистотою 99,9%.

Поряд з твердістю, відомо ще одна перевага осмію - тугоплавкої. За температурі плавлення (близько 3000 ° С) він перевершив НЕ тільки своїх благородних побратимів - платиноїдів, але і переважна більшість інших металів. Завдяки своїй тугоплавкої осмій потрапив в біографію електричної лампочки: ще в ті часи, коли електрика доводило своє перевагу перед іншим джерелом світла - газом, німецький вчений К. Ауер фон Вельсбах запропонував замінити в лампі розжарювання вугільний волосок осмієво. Лампи стали споживати в три рази менше енергії і давали приємний, рівний світло. Але на цьому відповідальному посту осмій довго не протримався: спочатку його змінив менш дефіцитний тантал, проте незабаром і той змушений був поступитися місцем самому тугоплавкої з тугоплавких - вольфраму, яка і зараз несе свою вогняну вахту.

Щось подібне сталося з осміем і в іншій сфері його застосування - у виробництві аміаку. Сучасний спосіб синтезу цього з'єднання, запропонований ще в 1908 році відомим німецьким хіміком Фріцем Габер. немислимий без участі каталізаторів. Перші каталізатори, які використовувалися для цієї мети, виявляли свої здібності лише при високих температурах (вище 700 ° С), та до того ж вони були не дуже ефективні. Спроби знайти їм заміну довго ні до чого не приводили. Нове слово у вдосконаленні цього процесу сказали вчені лабораторії Вищої технічної школи в Карлсруе: вони запропонували застосовувати в якості каталізатора тонкораспиленний осмій. (До речі, будучи дуже твердим, осмій в той же час дуже крихкий, тому губку цього металу можна без великих зусиль роздробити і перетворити в порошок.) Промислові досліди показали, що гра варта свічок: температуру процесу вдалося знизити більш ніж на 100 градусів, та й вихід готової продукції помітно зріс.

Незважаючи на те що в подальшому осмію довелося і тут зійти зі сцени (зараз, наприклад, для синтезу аміаку використовують недорогі, але ефективні залізні каталізатори), можна вважати, що саме він зрушив важливу проблему з мертвої точки. Каталітичну діяльність осмій продовжує і в наші дні: застосування його в реакціях гідрогенізації органічних речовин дає відмінні результати. Цим, в першу чергу обумовлений великий попит на осмій з боку хіміків: на хімічні потреби витрачається майже половина його світової видобутку.

Елемент № 76 представляє чималий інтерес і як об'єкт наукових досліджень. Природний осмій складається з семи стабільних ізотопів з масовими числами 184, 186-190 і 192. Цікаво, що чим менше масове число ізотопу цього елемента, тим менше він поширений: якщо на частку самого важкого ізотопу (осмію-192) припадає 41%, то найлегший із семи "братів" (осмій-184) має у своєму розпорядженні лише 0,018% загальних "запасів".

Оскільки ізотопи відрізняються один від одного тільки масою атомів, а за своїми фізико-хімічними "нахилам" вони вельми схожі між собою, то розділити їх дуже складно. Саме тому навіть "крихти" ізотопів деяких елементів коштують надзвичайно дорого: так, кілограм осмію-187 оцінюється на світовому ринку в 14 мільйонів доларів. Щоправда, останнім часом вчені навчилися "розлучати" ізотопи з допомогою лазерних променів, і є надія, що незабаром ціни на ці "товари неширокої споживання "будуть помітно знижені. Подібно до інших платиновим металів, осмій виявляє кілька валентностей. Найбільш часто зустрічаються з'єднання, де осмій чотирьох-і шестівалентен, однак при взаємодії з киснем він звичайно "пускає в хід" всі вісім своїх валентних зв'язків.

З з'єднань осмію найбільше практичне значення має його тетраоксид (так-так, той самий, якому елемент так "зобов'язаний" своєю назвою). У ролі каталізатора вона виступає при синтезі деяких лікарських препаратів. У медицині та біології її використовують як фарбують засіб при мікроскопічному дослідженні тварин і рослинних тканин. Слід пам'ятати, що нешкідливі на вигляд блідо-жовті кристали четирехокісі осмію - сильна отрута, що дратує шкіру та слизові оболонки, шкідливо діє на очі.

Примітна особливість четирехокісі осмію: її розчинність в органічних рідинах значно вище, ніж у воді. Так, при звичайних умовах в склянці води розчиняється всього 14 грамів цієї речовини, а в склянці чотирьоххлористого вуглецю більше 700 грамів.

В атмосфері сірчаних парів порошок осмію спалахує, як сірник, утворюючи сульфід.

Всеїдний фтор при кімнатній температурі не завдає осмію ніякого "шкоди", але при нагріванні до 250-300 ° С утворюється ряд фторидів. З тих пір, як в 1913 році вперше були отримані два летючих фториду осмію, вважалося, що їх формули OsF6 і OsF8. Але в 1958 році з'ясувалося, що фторид OsF8, майже півстоліття "прожив" в хімічній літературі, на насправді ніколи не існувала, а зазначені з'єднання відповідають формулами OsF5 і OsF6. Порівняно недавно вченим вдалося отримати ще один фторид OsF7, який при нагріванні вище 100 ° С розпадається на OsF6 і елементарний фтор.

Окис осмію використовують як чорного барвника для живопису по фарфору: солі цього елемента застосовують в мінералогії як сильні травітелі. Більшість же осмієво сполук, в тому числі різноманітні комплекси (осмій виявляє властиву всім платиновим металів здатність до утворення комплексних сполук), а також його сплави (крім вже відомого осмірідія і деяких сплавів з іншими платиноїди, вольфрамом та кобальт), поки "мліє" в очікуванні підходящої роботи. Можна не сумніватися, що найближчим часом питання їх "працевлаштування" буде вирішене і вони заговорять про себе в повний голос. Та й сам осмій ще не сказав останнього слова.

А поки інженери та вчені шукають економічно вигідні шляхи розширення виробництва цього цінного металу, вишукують нові джерела його отримання.

Важливі роботи в цьому напрямку були проведені на Норільському гірничо-металургійному комбінаті імені А.П. Завенягіна. Металурги знали, що в мідно-нікелевих рудах, що надходять на комбінат, є метали платинової групи, включаючи осмій. Але оскільки кількість його в руді було мізерним, на нього не звертали уваги, намагаючись отримати лише як можна більше міді і нікелю.

"Чому б не спробувати попутно витягати цей благородний метал ", - задумалися кілька років тому вчені дослідно-дослідного центру комбінату. Завдання, яке вони поставили перед собою, була дуже складною: потрібно було дізнатися, як веде себе осмій на різних стадіях переробки сировини, визначити місця його найбільших скупчень, з'ясувати, на якому етапі виробничого процесу він губиться, потрапляючи потім у відходи. Для цього потрібно було виконати безліч складних аналізів на кожній ділянці технологічного ланцюжка.

Але ось ця частина завдання вирішено. Тепер треба було створити технологію уловлювання осмію з металургійних газів, спроектувати, виго?? ить і змонтувати промислову установку, яка повинна була стати пасткою для осмію. І з цими проблемами працівники комбінату впоралися успішно: в асортименті продукції заполярного підприємства з'явився осмієво концентрат. Отриманий в Норильську концентрат надходить потім "на материк ", де народжується чистий осмій - одна з найбільш дефіцитних у наші дні металів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.alhimik.ru/