Характеристика осмия и иридия

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Осмий

Осмий -- химический элемент с атомным номером 76 в Периодической системе Д.И. Менделеева. При стандартных условиях представляет собой серебристо-голубоватый хрупкий переходный металл. Относится к группе платиновых металлов. Обладает наибольшей плотностью среди всех веществ, сравним по этому параметру только с иридием (плотности Os и Ir практически равны с учётом расчётной погрешности)

1.1 История

Осмий открыт в 1803 году английским химиком Смитсоном Теннантом в сотрудничестве с Уильямом Х. Уолластоном[5] в осадке, остающемся после растворения платины в царской водке. Сходные исследования проводились французскими химиками Колле-Дескоти, Антуаном Франсуа де Фуркруа и Вокленом, которые тоже пришли к выводу о содержании неизвестного элемента в нерастворимом остатке платиновой руды. Гипотетическому элементу было присвоено имя птен (греч. рфзнпт -- крылатый), однако опыты Теннанта продемонстрировали, что это смесь двух элементов -- иридия и осмия.Открытие новых элементов было задокументировано в письме Теннанта Лондонскому королевскому обществу от 21 июня 1804 года

1.2 Физические свойства

Осмий -- серо-голубоватый, твёрдый, но хрупкий металл с очень высокой удельной массой, сохраняющий свой блеск даже при высоких температурах. В силу своей твёрдости, хрупкости, низкого давления паров (самого низкого среди всех платиновых металлов), а также очень высокой температуры плавления, осмий с трудом поддаётся механической обработке. Осмий считается самым плотным из всех химических элементов, немного превосходя по этому параметру иридий. При сравнении различных изотопов этих металлов, наиплотнейшим оказывается 192Os. Необычайно высокая плотность осмия объясняется лантаноидным сжатием, а также гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой.

1.3 Химические свойства

Порошок осмия при нагревании реагирует с кислородом, галогенами, парами серы, селеном, теллуром, фосфором, азотной и серной кислотами. Компактный осмий не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, но с расплавами щелочей образует водорастворимые осматы. Медленно реагирует с азотной кислотой и царской водкой, реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей (нитрата или хлората калия), с расплавленной перекисью натрия. В соединениях проявляет степени окисления от ?2 до +8, из которых самыми распространенными являются +2, +3, +4 и +8

Осмий -- один из немногих металлов, образующих полиядерные (или кластерные) соединения. Полиядерный карбонил осмия Os3(CO)12 используется для моделирования и исследования химических реакций углеводородов на металлических центрах. Карбонильные группы в Os3(CO)12 могут замещаться на другие лиганды, в том числе и содержащие кластерные ядра других переходных металлов

1.4 Происхождение названия

Назван от др.-греч. ?умЮ (запах), по резко пахнущему летучему оксиду OsO4 (напоминает озон).

осмий металл химический иридий

1.5 Нахождение в природе

В самородном виде осмий не обнаружен. Он встречается в полиметаллических рудах, содержащих также платину и палладий (сульфидные медно-никелевые и медно-молибденовые руды). Основные минералы осмия -- относящиеся к классу твёрдых растворов природные сплавы осмия и иридия (невьянскит и сысертскит). Иногда эти минералы встречаются самостоятельно, чаще же осмистый иридий входит в состав самородной платины.

1.6 Месторождения

Основные месторождения осмистых иридиев сосредоточены в России (Сибирь, Урал), США (Аляска, Калифорния), Колумбии, Канаде, странах Южной Африки.Крупнейшими запасами обладают месторождения Бушвельдского комплекса в Южно-Африканской Республике.

Осмий встречается также в виде соединений с серой и мышьяком (эрлихманит, осмиевый лаурит, осарситт). Содержание осмия в рудах, как правило, не превышает 1·10?5.

Вместе с другими благородными металлами встречается в составе железных метеоритов.

1.7 Изотопы

В природе осмий встречается в виде семи изотопов, 6 из которых стабильны: 184Os, 187Os, 188Os, 189Os, 190Os и 192Os. На долю самого тяжёлого изотопа (осмия-192) приходится 41 %, на долю самого лёгкого изотопа (осмий-184) лишь 0,018 % общих «запасов». Осмий-186 подвержен альфа-распаду, но учитывая его исключительно большой период полураспада -- (2,0 ± 1,1)·1015 лет, -- его можно считать практически стабильным. Согласно расчётам, остальные естественные изотопы тоже способны к альфа-распаду, но с ещё большим полупериодом, поэтому их альфа-распад экспериментально не наблюдался. Теоретически для 184Os и 192Os возможен двойной бета-распад, наблюдениями также не зафиксированный.

Изотоп осмий-187 является результатом распада изотопа рения (187Re, период полураспада 4,56·1010 лет). Он активно используется при датировке горных пород и метеоритов (рений-осмиевый метод). Наиболее известным применением осмия в методах датировки является иридиево-осмиевый метод, применявшийся для анализа кварцев из пограничного слоя, разделяющего меловой и третичный периоды.

Разделение изотопов осмия представляет собой достаточно сложную задачу. Именно поэтому некоторые изотопы довольно дороги. Первый и единственный экспортёр чистого осмия-187 -- Казахстан, с января 2004 года официально предлагающий это вещество по цене 10 000 долларов за 1 грамм.Широкого практического применения осмий-187 не имеет. По некоторым данным, целью операций с этим изотопом было отмывание нелегальных капиталов[17][18].

1.8 Получение

Осмий выделяют из обогащённого сырья платиновых металлов путём прокаливания этого концентрата на воздухе при температурах 800--900 °C. При этом количественно сублимируют пары весьма летучего тетраоксида осмия OsO4, которые далее поглощают раствором NaOH.

Упариванием раствора выделяют соль -- перосмат натрия, который далее восстанавливают водородом при 120 °C до осмия:Осмий при этом получается в виде губки.

1.9 Применение

Высокая твёрдость и исключительная тугоплавкость позволяет использовать осмий в качестве покрытия в узлах трения.Применяется как катализатор для синтеза аммиака, гидрирования органических соединений, в катализаторах метанольных топливных элементов.Сплав «осрам» (осмия с вольфрамом) использовался для изготовления нитей ламп накаливания.

Есть сведения о применении осмия в военных целях, как часть артиллерийских снарядов и боеголовок ракет. Также применяется в электронной аппаратуре авиа- и ракетной техники.

Компонент сверхтвёрдых и износостойких сплавов с иридием и рутением (опорные оси точных приборов, наконечники перьев для авторучек)

Тетраоксид осмия применяется в электронной микроскопии для фиксации биологических объектов.

Сплав платины (90 %) и осмия (10 %) применяется в хирургических имплантатах, таких как электрокардиостимуляторы, и при замещении клапанов лёгочного ствола

Не играет биологической роли. Высший оксид осмия чрезвычайно токсичен.

1.10 Цена

Осмий обычно продаётся в виде 99-процентного порошка. Как и другие драгметаллы, измеряется в тройских унциях и граммах. Его цена составляет около 12 долларов США за грамм, в зависимости от качества и поставщика.

2. Иридий

Иридий -- химический элемент с атомным номером 77 в периодической системе. Иридий -- очень твёрдый, тугоплавкий, серебристо-белый переходный металл платиновой группы, обладающий высокой плотностью и сравнимый по этому параметру только с осмием. Имеет высокую коррозионную стойкость даже при температуре 2000 °C.

2.1 История

Иридий был открыт в 1803 году английским химиком С. Теннантом одновременно с осмием, которые в качестве примесей присутствовали в природной платине, доставленной из Южной Америки. Название (др.-греч. ?сйт -- радуга) получил благодаря разнообразной окраске своих солей.

2.2 Нахождение в природе

Содержание иридия в земной коре ничтожно мало (10?6 масс. %). Он встречается гораздо реже золота и платины. Встречается вместе с родием, рением и рутением. Относится к наименее распространённым элементам. Иридий относительно часто встречается в метеоритах[6]. Не исключено, что реальное содержание металла на планете гораздо выше: его высокая плотность и высокое сродство к железу (сидерофильность) могли привести к смещению иридия вглубь Земли, в ядро планеты, в процессе её формирования из протопланетного диска. Небольшое количество иридия было обнаружено в фотосфере Солнца[6].

Иридий содержится в таких минералах, как невьянскит, сысертскит и ауросмирид.

2.3 Месторождения

Коренные месторождения осмистого иридия расположены в основном в перидотитовых серпентинитах складчатых областей (в ЮАР, Канаде, России, США, на Новой Гвинее).

2.4 Получение

Основной источник получения иридия -- анодные шламы медно-никелевого производства. Из концентрата металлов платиновой группы отделяют Au, Pd, Pt и др. Остаток, содержащий Ru, Os и иридий, сплавляют с KNO3 и КОН, сплав выщелачивают водой, раствор окисляют O2, отгоняют OsO4 и RuO4, а осадок, содержащий иридий, сплавляют с Na2O2 и NaOH, сплав обрабатывают царской водкой и раствором NH4Cl, осаждая иридий в виде комплексного соединения (NH4)2[IrCl6], который затем прокаливают, получая металл -- иридий. Перспективен метод извлечения иридия из растворов экстракцией гексахлороиридатов высшими алифатическими аминами. Для отделения иридия от неблагородных металлов перспективно использование ионного обмена. Для извлечения иридия из минералов группы осмистого иридия минералы сплавляют с оксидом бария, обрабатывают соляной кислотой и царской водкой, отгоняют OsO4 и осаждают иридий в виде (NH4)2[IrCl6].

2.5 Физические свойства

Тяжёлый серебристо-белый металл, из-за своей твердости плохо поддающийся механической обработке. Кристаллическая структура -- кубическая гранецентрированная с периодом а0=0,38387 нм; электрическое сопротивление -- 5,3·10?8Ом·м (при 0 °C); коэффициент линейного расширения -- 6,5·10?6 град; модуль нормальной упругости -- 52,029·106 кг/ммІ; плотность -- 22,65 г/смі.

Стабильными являются изотопы 191Ir и 193Ir. Период полураспада 192Ir -- 74 дня.

2.6 Химические свойства

Иридий устойчив на воздухе при обычной температуре и нагревании, при прокаливании порошка в токе кислорода при 600--1000 °C образует в незначительном количестве IrO2. Выше 1200 °C частично испаряется в виде IrO3. Компактный иридий при температурах до 100 °C не реагирует со всеми известными кислотами и их смесями. Свежеосажденная иридиевая чернь частично растворяется в царской водке с образованием смеси соединений Ir(III) и Ir(IV). Порошок иридия может быть растворён хлорированием в присутствии хлоридов щелочных металлов при 600--900 °C или спеканием с Na2O2 или BaO2 с последующим растворением в кислотах. Иридий взаимодействует с F2 при 400--450 °C, а c Cl2 и S при температуре красного каления.

Соединения двухвалентного иридия

IrCl2 -- блестящие тёмно-зелёные кристаллы. Плохо растворяется в кислотах и щёлочах. При нагревании до 773 °C разлагается на IrCl и хлор, а выше 798 °C -- на составные элементы. Получают нагреванием металлического иридия или IrCl3 в токе хлора при 763 °C.

IrS -- блестящее тёмно-синее твёрдое вещество. Мало растворим в воде и кислотах. Растворяется в сульфиде калия. Получают нагреванием металлического иридия в парах серы.

Соединения трёхвалентного иридия

Ir2O3 -- твёрдое тёмно-синее вещество. Малорастворим в воде и этаноле. Растворяется в серной кислоте. Получают при лёгком прокаливании сульфида иридия (III).

IrCl3 -- летучее соединение оливково-зелёного цвета. Плотность -- 5,30 г/смі. Малорастворим в воде, щелочах и кислотах. При 765 °C разлагается на IrCl2 и хлор, при 773 °C на IrCl и хлор, а выше 798 °C -- на составные элементы. Получают действием хлора на нагретый до 600 °C иридий.

IrBr3 -- оливково-зелёные кристаллы. Растворяется в воде, мало растворим в спирте. Дегидратируется при нагревании до 105--120 °C. При сильном нагревании разлагается на элементы. Получают взаимодействием IrO2 с бромоводородной кислотой.

Ir2S3 -- твёрдое коричневое вещество. Разлагается на элементы при нагревании выше 1050 °C. Мало растворим в воде. Растворяется в азотной кислоте и растворе сульфида калия. Получают действием сероводорода на хлорид иридия (III) или нагреванием порошкообразного металлического иридия с серой при температуре не выше 1050 °C в вакууме.

Соединения четырёхвалентного иридия

IrO2 -- чёрные тетрагональные кристаллы с решёткой типа рутила. Плотность -- 3,15 г/смі. Малорастворим в воде, этаноле и кислотах. Восстанавливается до металла водородом. Термически диссоциирует на элементы при нагревании. Получают нагреванием порошкообразного иридия на воздухе или в кислороде при 700 °C, нагреванием IrO2*nН2О.

IrF4 -- жёлтая маслянистая жидкость, разлагающаяся на воздухе и гидролизующаяся водой. tпл 106 °C. Получают нагреванием IrF6 с порошком иридия при 150 °C.

IrCl4-- гигроскопичное коричневое твёрдое вещество. Растворяется в холодной воде и разлагается тёплой (водой). Получают нагреванием (600--700 °C) металлического иридия с хлором при повышенном давлении.

IrBr4 -- расплывающееся на воздухе синее вещество. Растворяется в этаноле; в воде (с разложением), диссоциирует при нагревании на элементы. Получают взаимодействием IrO2 с бромоводородной кислотой при низкой температуре.

IrS2 -- твёрдое коричневое вещество. Малорастворим в воде. Получают пропусканием сероводорода через растворы солей иридия (IV) или нагреванием порошкообразного металлического иридия с серой без доступа воздуха в вакууме.

Ir(OH)4 (IrO2·2H2O) образуется при нейтрализации растворов хлороиридатов(IV) в присутствии окислителей. Осадок Ir2O3·nН2О выпадает при нейтрализации щёлочью хлороиридатов (III) и легко окисляется на воздухе до IrO2. Практически нерастворим в воде.

Соединения шестивалентного иридия

IrF6 -- жёлтые тетрагональные кристаллы. tпл 44 °C, tкип 53 °C, плотность -- 6,0 г/смі. Под действием металлического иридия превращается в IrF4, восстанавливается водородом до металлического иридия. Получают нагреванием иридия в атмосфере фтора в трубке из флюорита. Сильный окислитель, реагирует с водой и монооксидом азота:

IrS3 -- серый, малорастворимый в воде порошок. Получают нагреванием порошкообразного металлического иридия с избытком серы в вакууме. Строго говоря, не является соединением шестивалетного иридия, так как содержит связь S-S.

2.7 Применение

Особый интерес в качестве источника электроэнергии вызывает его ядерный изомер иридий-192m2 (имеющий период полураспада 241 год).

Сплавы с W и Th -- материалы термоэлектрических генераторов, с Hf -- материалы для топливных баков в космических аппаратах, с Rh, Re, W -- материалы для термопар, эксплуатируемых выше 2000 °C, с La и Се -- материалы термоэмиссионных катодов.

Иридий используется также для изготовления перьев для ручек. Небольшой шарик из иридия можно встретить на кончиках перьев и чернильных стержней, особенно хорошо его видно на золотых перьях, где он отличается по цвету от самого пера.

Иридий в палеонтологии и геологии является индикатором слоя, который сформировался сразу после падения метеоритов.

Иридий, наряду с медью и платиной, применяется в свечах зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в качестве материала для изготовления электродов, делая такие свечи наиболее долговечными (100--160 тыс. км пробега автомобиля) и снижая требования к напряжению искрообразования. Изначально использовался в авиации и гоночных автомобилях, затем, по мере снижения стоимости продукции, стал употребляться и на массовых автомобилях. В настоящее время такие свечи доступны для большинства двигателей, однако являются наиболее дорогими.

Иридий-192 является радионуклидом с периодом полураспада 74 сут, широко применяемым в дефектоскопии, особенно в условиях, когда генерирующие источники не могут быть использованы (взрывоопасные среды, отсутствие питающего напряжения нужной мощности)[8].

2.8 Биологическая роль

Не играет никакой биологической роли. Металлический иридий нетоксичен, но некоторые соединения иридия, например, его гексафторид (IrF6), очень ядовиты.

2.9 Стоимость

Цена на иридий на мировом рынке в мае-июне 2012 -- около 35 долларов США за 1 грамм (1085 долларов за тройскую унцию).

2.10 Интересные факты

Иридий -- металл, который не взаимодействует с кислотами и их смесями (например, царской водкой) как при нормальной, так и при повышенной температурах[10].

Размещено на Allbest.ru