Osmium

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox - chemický prvek Osmium (chemická značka Os, latinsky Osmium) je velmi tvrdý, křehký, modrošedý až stříbřitě bílý kov, který patří mezi platinové kovy. Je to nejtěžší (nejhustší) známý přírodní prvek, s hustotou 22,59 g/cm³, což je přibližně dvakrát více než u olova. V přírodě se vyskytuje velmi vzácně, obvykle v doprovodu ostatních platinových kovů, zejména iridia a platiny.

Jeho nejvýraznější chemickou vlastností je tvorba těkavého a vysoce toxického oxidu osmičelého (OsO₄) při zahřívání na vzduchu. Tento oxid má charakteristický, ostrý zápach podobný chloru nebo ozonu, který dal prvku jeho jméno. Díky své extrémní tvrdosti, odolnosti proti opotřebení a korozi se používá ve slitinách pro výrobu hrotů plnicích per, elektrických kontaktů a dalších součástek vyžadujících vysokou odolnost. Jeho sloučeniny slouží jako důležité katalyzátory v organické chemii a jako barviva v elektronové mikroskopii.

📜 Historie

Objev osmia je neoddělitelně spjat s objevem ostatních platinových kovů. Kolem roku 1800 se platina stala velmi žádaným kovem a chemici po celé Evropě se snažili najít způsoby, jak ji co nejefektivněji zpracovat. Standardním postupem bylo rozpouštění surové platiny v lučavce královské. Tento proces však zanechával malé množství tmavého, nerozpustného zbytku.

Francouzští chemici Hippolyte-Victor Collet-Descotils, Antoine François de Fourcroy a Louis Nicolas Vauquelin si tohoto zbytku všimli a správně předpokládali, že obsahuje jeden nebo více nových kovů. Jejich experimenty však nevedly k jednoznačné izolaci.

Úspěchu dosáhl až anglický chemik Smithson Tennant v roce 1803 v Londýně. Tennant podrobil černý zbytek po rozpuštění platiny sérii chemických reakcí. Nejprve jej tavením s hydroxidem sodným a následným rozpuštěním ve vodě získal zásaditý roztok. Po okyselení tohoto roztoku se mu podařilo oddělit těkavý oxid s pronikavým zápachem. Tento oxid byl oxidem nového prvku, který Tennant pojmenoval osmium podle řeckého slova osme (ὀσμή), což znamená "pach" nebo "vůně". Ze zbývajícího kyselého roztoku pak izoloval druhý nový prvek, iridium. Své objevy oznámil Královské společnosti 21. června 1804.

⚛️ Fyzikální vlastnosti

Osmium je prvek s několika extrémními fyzikálními vlastnostmi, které ho činí unikátním.

densité (Hustota)

Nejznámější vlastností osmia je jeho mimořádná hustota. S hodnotou 22,59 g/cm³ při pokojové teplotě je to nejhustší známý stabilní prvek v periodické tabulce. Je nepatrně hustší než iridium (22,56 g/cm³), které je druhým nejhustším prvkem. Pro představu, jeden krychlový centimetr osmia váží 22,59 gramu, zatímco stejný objem vody váží 1 gram a olova 11,34 gramu. Malá kostka osmia o hraně 10 cm by vážila přes 22,5 kilogramu. Tato extrémní hustota je důsledkem kombinace vysoké atomové hmotnosti, lanthanoidové kontrakce a těsného uspořádání atomů v jeho hexagonální krystalové mřížce.

Tvrdost a křehkost

Osmium je extrémně tvrdý a křehký kov. Na Mohsově stupnici tvrdosti dosahuje hodnoty 7, což ho řadí mezi nejtvrdší čisté kovy, srovnatelně s křemenem. Tato tvrdost ho činí velmi odolným proti poškrábání a opotřebení. Zároveň je však velmi křehké a při pokojové teplotě se obtížně obrábí nebo tvaruje. Při vyšších teplotách se jeho tvárnost zvyšuje.

Vzhled a další vlastnosti

V kompaktní formě má osmium modrošedý až stříbřitě bílý lesklý vzhled. Má jeden z nejvyšších bodů tání ze všech prvků, přibližně 3033 °C, a také velmi vysoký bod varu, kolem 5012 °C. Má také jednu z nejnižších stlačitelností ze všech známých materiálů. Při velmi nízkých teplotách (pod 0,66 K) se stává supravodičem.

🧪 Chemické vlastnosti

Osmium patří do 8. skupiny periodické tabulky, mezi přechodné kovy a je členem skupiny platinových kovů (spolu s rutheniem, rhodiem, palladiem, iridiem a platinou). Tyto kovy se vyznačují vysokou chemickou odolností.

Kompaktní kovové osmium je velmi stálé a odolává působení vzduchu, vody i většiny kyselin při pokojové teplotě. Nereaguje ani s lučavkou královskou za studena.

Nejcharakterističtější reakcí osmia je jeho oxidace za vyšších teplot. Při zahřívání na vzduchu nebo v přítomnosti silných oxidačních činidel snadno reaguje a tvoří oxid osmičelý (OsO₄).

Os + 2 O₂ → OsO₄

Tato sloučenina je za pokojové teploty pevná, nažloutlá látka, ale je velmi těkavá (snadno sublimuje) a má silný, nepříjemný zápach. Je také vysoce toxická a silně dráždí sliznice, zejména oči.

Osmium může existovat v široké škále oxidačních stavů, od -2 až po +8, což je nejvyšší známý oxidační stav pro jakýkoliv prvek (společně s rutheniem a xenonem). Nejběžnější jsou stavy +2, +3, +4, +6 a +8.

🌍 Výskyt a získávání

Osmium je jedním z nejvzácnějších prvků v zemské kůře, s odhadovanou koncentrací pouhých 50 dílů na bilion (ppt). V přírodě se nikdy nevyskytuje v ryzí formě, ale vždy jako součást slitin s jinými platinovými kovy.

Nejběžnějším přírodním zdrojem jsou minerály iridosmium (také osmiridium), což je slitina osmia a iridia, a laurit, sulfid ruthenia s příměsí osmia. Tyto minerály se nacházejí v naplaveninách v oblastech bohatých na platinové kovy, jako jsou pohoří Ural v Rusku, Severní a Jižní Amerika a zejména v ložiscích v Jihoafrické republice, která je největším světovým producentem platinových kovů.

Získávání osmia je složitý a nákladný proces, který je vedlejším produktem těžby a rafinace platiny, niklu nebo mědi. Po oddělení hlavních kovů zůstává zbytek obsahující platinové kovy. Z tohoto zbytku se osmium extrahuje pomocí série chemických procesů, které využívají tvorbu těkavého oxidu osmičelého (OsO₄). Tento oxid je následně oddělen destilací a redukován vodíkem na čistý kovový prášek osmia.

OsO₄ + 4 H₂ → Os + 4 H₂O

Světová produkce osmia je velmi malá, odhaduje se na méně než 100 kilogramů ročně, což přispívá k jeho vysoké ceně.

⚙️ Využití

Navzdory své vzácnosti a vysoké ceně našlo osmium a jeho slitiny uplatnění v několika specializovaných oblastech, kde jsou jeho unikátní vlastnosti nepostradatelné.

Slitiny s vysokou odolností

Díky své extrémní tvrdosti a odolnosti proti korozi se osmium používá ve slitinách pro výrobu součástek vystavených velkému mechanickému opotřebení.

Hroty plnicích per: Nejslavnějším použitím je výroba malých kuliček na hrotech kvalitních plnicích per. Slitiny osmia (často s iridiem a wolframem) zajišťují, že se hrot ani po letech psaní neopotřebuje.
Přístrojové čepy a ložiska: V přesných přístrojích, jako jsou kompasy, hodiny a různé měřicí instrumenty, se používají čepy a ložiska z osmiových slitin, které zaručují dlouhou životnost a minimální tření.
Elektrické kontakty: Jeho odolnost vůči jiskření a opotřebení ho činí ideálním materiálem pro dlouhoživotnostní elektrické kontakty.
Jehly pro gramofony: V minulosti se slitiny osmia používaly pro výrobu odolných jehel pro gramofony.

Katalýza

Sloučeniny osmia, zejména oxid osmičelý, jsou silnými oxidačními činidly a používají se jako katalyzátory v organické syntéze. Hrají klíčovou roli v reakcích, jako je dihydroxylace, kde se na dvojnou vazbu v molekule alkenu navazují dvě hydroxylové skupiny. Ačkoliv je OsO₄ drahý a toxický, pro některé specifické reakce je nenahraditelný.

Elektronová mikroskopie

Oxid osmičelý se široce používá jako fixační a kontrastní činidlo v transmisní elektronové mikroskopii (TEM). Reaguje s lipidy (tuky) v buněčných membránách, jednak je zpevňuje (fixuje) a jednak na ně váže těžké atomy osmia. Tyto těžké atomy silně rozptylují elektrony, čímž výrazně zvyšují kontrast a zviditelňují buněčné struktury na výsledném snímku.

☣️ Bezpečnost a toxicita

Kompaktní kovové osmium je považováno za bezpečné, protože je chemicky velmi inertní a nereaguje s biologickými tkáněmi.

Nebezpečí však představuje osmium ve formě jemného prášku nebo houby, které může pomalu reagovat se vzdušným kyslíkem a tvořit vysoce nebezpečný oxid osmičelý (OsO₄). Tento oxid je extrémně toxický, těkavý a má silné oxidační účinky.

Při vdechnutí jeho par dochází k vážnému poškození dýchacích cest, což může vést k plicnímu edému. Zvláště nebezpečný je pro oči, kde může způsobit trvalé poškození rohovky a slepotu, a to i při velmi nízkých koncentracích. Způsobuje také vážné podráždění a popáleniny kůže. Práce s oxidem osmičelým vyžaduje přísná bezpečnostní opatření, včetně použití digestoří a osobních ochranných prostředků.

🔬 Pro laiky

Představte si osmium jako superhrdinu mezi kovy. Zde je několik zjednodušených vysvětlení jeho klíčových vlastností:

Nejtěžší ze všech: Kdybyste měli v jedné ruce kostku cukru z olova a v druhé stejně velkou kostku z osmia, ta z osmia by byla dvakrát těžší. Je to proto, že atomy osmia jsou velmi těžké a jsou v kovu "nacpané" neuvěřitelně blízko u sebe.
Super tvrdé a odolné: Osmium je tak tvrdé, že se téměř nepoškrábe. Proto se z jeho slitin dělají špičky drahých plnicích per. I po napsání tisíců stránek zůstane hrot stále ostrý a hladký.
Páchnoucí a nebezpečný "dech": Když se osmium zahřeje na vzduchu, začne se z něj uvolňovat jeho oxid. Tato látka má velmi nepříjemný, ostrý zápach a je jedovatá. Právě kvůli tomuto "pachu" dostal prvek své jméno. Vědci musí být při práci s ním velmi opatrní.
Pomocník v mikroskopii: Když chtějí biologové vidět detaily buněk pod elektronovým mikroskopem, použijí sloučeninu osmia jako "barvivo". Ta se naváže na tukové části buňky a zviditelní je, podobně jako když si zvýrazňovačem podtrhnete důležitý text v knize.

💡 Zajímavosti

Hustota osmia je tak vysoká, že Mezinárodní úřad pro míry a váhy kdysi zvažoval výrobu prototypu kilogramu právě z osmia nebo jeho slitiny s iridiem. Nakonec byla dána přednost slitině platiny a iridia kvůli její lepší opracovatelnosti a ještě vyšší chemické stálosti.
Díky své vzácnosti a obtížnému zpracování je cena osmia velmi vysoká, často převyšuje cenu zlata nebo platiny.
Osmium má sedm přírodních izotopů, z nichž šest je stabilních. Sedmý, ¹⁸⁶Os, má extrémně dlouhý poločas přeměny (2,0 × 10¹⁵ let), což je mnohonásobně více než stáří vesmíru.

Šablona:Aktualizováno