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Osmio

El osmio (del griego antiguo ὀσμή ( osmḗ )  'olor') es un elemento químico ; tiene símbolo Os y número atómico 76. Es un metal de transición duro, quebradizo y de color blanco azulado del grupo del platino que se encuentra como oligoelemento en aleaciones, principalmente en minerales de platino . El osmio es el elemento natural más denso. Cuando se mide experimentalmente usando cristalografía de rayos X, tiene una densidad de 22,59 g/ cm3 . [6] Los fabricantes utilizan sus aleaciones con platino, iridio y otros metales del grupo del platino para fabricar puntas de plumas estilográficas , contactos eléctricos y en otras aplicaciones que requieren durabilidad y dureza extremas . [7]

El osmio se encuentra entre los elementos más raros de la corteza terrestre y representa sólo 50 partes por billón ( ppt ). [8] [9] Se estima que hay aproximadamente 0,6 partes por mil millones en el universo y, por lo tanto, es el metal precioso más raro . [10]

Características

Propiedades físicas

Osmio, pellet refundido

El osmio es el elemento estable más denso . Los informes discreparon sobre cuál de los dos osmio o iridio es más denso; [7] a partir de 1995 , los cálculos de densidad a partir de los datos de cristalografía de rayos X dan un valor de22,587 ± 0,009  g/cm 3 para el osmio, ligeramente más denso que el22,562 ± 0,009 g/cm 3 de iridio. [6] Ambos metales son casi 23 veces más densos que el agua, el doble que el plomo y 1+1 ⁄ 6 veces más denso que el oro .

El osmio tiene un tinte gris azulado. [7] La ​​reflectividad de los monocristales de osmio es compleja y fuertemente dependiente de la dirección, siendo la luz en las longitudes de onda roja e infrarroja cercana absorbida más fuertemente cuando se polariza paralelamente al eje del cristal c que cuando se polariza perpendicular al eje c ; la polarización en paralelo c también se refleja ligeramente más en el rango ultravioleta medio. La reflectividad alcanza un mínimo brusco en alrededor de 1,5 eV (infrarrojo cercano) para la polarización c -paralela y en 2,0 eV (naranja) para la polarización c -perpendicular, y alcanza un máximo para ambos en el espectro visible en alrededor de 3,0 eV (azul-violeta). ). [11]

El osmio es un metal duro pero quebradizo que permanece brillante incluso a altas temperaturas. Tiene una compresibilidad muy baja . En consecuencia, su módulo de volumen es extremadamente alto, reportado entre395 y462  GPa , que rivaliza con el del diamante (443 GPa ). La dureza del osmio es moderadamente alta en4 GPa . [12] [13] [14] Debido a su dureza , fragilidad, baja presión de vapor (la más baja de los metales del grupo del platino) y punto de fusión muy alto (el cuarto más alto de todos los elementos, después del carbono , el tungsteno y el renio ), el osmio sólido es difícil de mecanizar, formar o trabajar.

Propiedades químicas

El osmio forma compuestos con estados de oxidación que van de -4 a +8. Los estados de oxidación más comunes son +2, +3, +4 y +8. El estado de oxidación +8 se destaca por ser el más alto alcanzado por cualquier elemento químico aparte del +9 del iridio [16] y se encuentra solo en xenón , [17] [18] rutenio , [19] hasio , [20] iridio , [ 21] y plutonio . [22] [23] Los estados de oxidación −1 y −2 representados por los dos compuestos reactivos Na
2[Os
4(CO)
13] y na
2[Os(CO)
4] se utilizan en la síntesis de compuestos de racimos de osmio . [24] [25]

Tetróxido de osmio ( OsO 4 )

El compuesto más común que exhibe el estado de oxidación +8 es el tetróxido de osmio ( OsO 4 ). Este compuesto tóxico se forma cuando el osmio en polvo se expone al aire. Es un sólido cristalino, de color amarillo pálido, muy volátil, soluble en agua y de olor fuerte. El polvo de osmio tiene el olor característico del tetróxido de osmio. [26] El tetróxido de osmio forma osmatos rojos OsO
4(OH)2-2
_al reaccionar con una base. Con amoníaco forma los nitrido-osmatos OsO
3norte−
. [27] [28] [29] El tetróxido de osmio hierve a 130 ° C y es un potente agente oxidante . Por el contrario, el dióxido de osmio ( OsO
2) es negro, no volátil y mucho menos reactivo y tóxico.

Sólo dos compuestos de osmio tienen aplicaciones importantes: el tetróxido de osmio para teñir tejidos en microscopía electrónica y para la oxidación de alquenos en síntesis orgánica , y los osmatos no volátiles para reacciones de oxidación orgánica . [30]

Pentafluoruro de osmio ( OsF
5) es conocido, pero el trifluoruro de osmio ( OsF
3) aún no ha sido sintetizado. Los estados de oxidación más bajos son estabilizados por los halógenos más grandes, de modo que se conocen tricloruro, tribromuro, triyoduro e incluso diyoduro. El estado de oxidación +1 se conoce sólo para el monoyoduro de osmio (OsI), mientras que varios complejos carbonílicos de osmio, como el triosmio dodecacarbonilo ( Os
3(CO)
12), representan el estado de oxidación 0. [27] [28] [31] [32]

En general, los estados de oxidación más bajos del osmio se estabilizan mediante ligandos que son buenos donantes de σ (como las aminas ) y aceptores de π ( heterociclos que contienen nitrógeno ). Los estados de oxidación más altos se estabilizan mediante fuertes donantes σ y π, como O2-
y N3-
. [33]

A pesar de su amplia gama de compuestos en numerosos estados de oxidación, el osmio en forma masiva a temperaturas y presiones ordinarias es estable en el aire. Resiste el ataque de la mayoría de los ácidos y bases, incluido el agua regia , pero es atacado por F 2 y Cl 2 a altas temperaturas y por ácido nítrico concentrado caliente para producir OsO 4 . Puede disolverse mediante álcalis fundidos fusionados con un oxidante como peróxido de sodio ( Na 2 O 2 ) o clorato de potasio ( KClO 3 ) para dar osmatos como K 2 [OsO 2 (OH) 4 ] . [31]

Isótopos

El osmio tiene siete isótopos naturales , cinco de los cuales son estables:187
Os ,188
Os ,189
Os ,190
Os , y (más abundante)192
Os . Existen al menos 37 radioisótopos artificiales y 20 isómeros nucleares , con números de masa que oscilan entre 160 y 203; el más estable de estos es194
Os con una vida media de 6 años. [34]

186
Os sufre desintegración alfa con una vida media tan larga (2,0 ± 1,1) × 10 15 años, aproximadamente140.000 veces la edad del universo , lo que a efectos prácticos puede considerarse estable.184
También se sabe que Os sufre desintegración alfa con una vida media de(1,12 ± 0,23) × 10 13 años. [5] Se predice la desintegración alfa para todos los demás isótopos naturales, pero esto nunca se ha observado, presumiblemente debido a sus vidas medias muy largas. Se predice que184
Os y192
El Os puede sufrir una doble desintegración beta , pero esta radiactividad aún no se ha observado. [34]

189 Os tiene un espín de 5/2 pero 187 Os tiene un espín nuclear de 1/2. Su baja abundancia natural (1,64%) y su bajo momento magnético nuclear significan que es uno de los isótopos de abundancia natural más difíciles para la espectroscopia de RMN . [35]

187
Os es descendiente de187
Re (vida media4,56 × 10 10  años ) y se utiliza ampliamente para datar rocas terrestres y meteóricas (ver datación renio-osmio ). También se ha utilizado para medir la intensidad de la erosión continental a lo largo del tiempo geológico y para fijar edades mínimas para la estabilización de las raíces del manto de los cratones continentales . Esta descomposición es una de las razones por las que los minerales ricos en renio son anormalmente ricos en187
Os . [36] Sin embargo, la aplicación más notable de los isótopos de osmio en geología ha sido junto con la abundancia de iridio, para caracterizar la capa de cuarzo impactado a lo largo del límite Cretácico-Paleógeno que marca la extinción de los dinosaurios no aviares hace 65 millones de años. atrás. [37]

Historia

El osmio fue descubierto en 1803 por Smithson Tennant y William Hyde Wollaston en Londres , Inglaterra. [38] El descubrimiento del osmio está entrelazado con el del platino y los demás metales del grupo del platino . El platino llegó a Europa como platina ("plata pequeña"), encontrada por primera vez a finales del siglo XVII en minas de plata alrededor del departamento de Chocó , en Colombia . [39] El descubrimiento de que este metal no era una aleación, sino un nuevo elemento distinto, se publicó en 1748. [40] Los químicos que estudiaron el platino lo disolvieron en agua regia (una mezcla de ácidos clorhídrico y nítrico ) para crear sales solubles. Siempre observaron una pequeña cantidad de un residuo oscuro e insoluble. [41] Joseph Louis Proust pensó que el residuo era grafito . [41] Victor Collet-Descotils , Antoine François, conde de Fourcroy y Louis Nicolas Vauquelin también observaron iridio en el residuo de platino negro en 1803, pero no obtuvieron suficiente material para futuros experimentos. [41] Más tarde, los dos químicos franceses Fourcroy y Vauquelin identificaron un metal en un residuo de platino al que llamaron ptène . [42]

En 1803, Smithson Tennant analizó el residuo insoluble y concluyó que debía contener un metal nuevo. Vauquelin trató el polvo alternativamente con álcalis y ácidos [43] y obtuvo un nuevo óxido volátil, que creía que era de este nuevo metal, al que llamó pteno , de la palabra griega πτηνος (ptènos) que significa alado. [44] [45] Sin embargo, Tennant, que tenía la ventaja de una cantidad mucho mayor de residuo, continuó su investigación e identificó dos elementos no descubiertos previamente en el residuo negro, iridio y osmio. [41] [43] Obtuvo una solución amarilla (probablemente de cis –[Os(OH) 2 O 4 ] 2− ) mediante reacciones con hidróxido de sodio al rojo vivo. Después de la acidificación pudo destilar el OsO 4 formado . [44] Lo llamó osmio en honor al griego osme , que significa "un olor", debido al olor a cloro y ligeramente a ajo del volátil tetróxido de osmio . [46] El descubrimiento de los nuevos elementos se documentó en una carta a la Royal Society el 21 de junio de 1804. [41] [47]

El uranio y el osmio fueron los primeros catalizadores exitosos en el proceso de Haber , la reacción de fijación de nitrógeno e hidrógeno para producir amoníaco , dando suficiente rendimiento para que el proceso fuera económicamente exitoso. En aquel momento, un grupo de BASF dirigido por Carl Bosch compró la mayor parte del suministro mundial de osmio para utilizarlo como catalizador. Poco después, en 1908, el mismo grupo introdujo catalizadores más baratos basados ​​en hierro y óxidos de hierro para las primeras plantas piloto, eliminando la necesidad del caro y raro osmio. [48]

El osmio se obtiene actualmente principalmente del procesamiento de minerales de platino y níquel . [49]

Ocurrencia

Platino nativo que contiene trazas de otros metales del grupo del platino.

El osmio es uno de los elementos estables menos abundantes en la corteza terrestre , con una fracción de masa promedio de 50  partes por billón en la corteza continental . [50]

El osmio se encuentra en la naturaleza como elemento no combinado o en aleaciones naturales ; especialmente las aleaciones de iridio-osmio, osmiridio (rico en iridio) e iridosmio (rico en osmio). [43] En los depósitos de níquel y cobre , los metales del grupo del platino se presentan como sulfuros (es decir, (Pt,Pd)S ), telururos (por ejemplo, PtBiTe ), antimonuros (por ejemplo, PdSb ) y arseniuros (por ejemplo, PtAs 2 ) . ; en todos estos compuestos el platino se intercambia por una pequeña cantidad de iridio y osmio. Como ocurre con todos los metales del grupo del platino, el osmio se puede encontrar de forma natural en aleaciones con níquel o cobre . [51]

Dentro de la corteza terrestre, el osmio, al igual que el iridio, se encuentra en concentraciones más altas en tres tipos de estructuras geológicas: depósitos ígneos (intrusiones de la corteza desde abajo), cráteres de impacto y depósitos reelaborados a partir de una de las estructuras anteriores. Las mayores reservas primarias conocidas se encuentran en el complejo ígneo de Bushveld en Sudáfrica , [52] aunque los grandes depósitos de cobre y níquel cerca de Norilsk en Rusia y la cuenca de Sudbury en Canadá también son fuentes importantes de osmio. Se pueden encontrar reservas más pequeñas en los Estados Unidos. [52] Los depósitos aluviales utilizados por los pueblos precolombinos en el departamento de Chocó , Colombia, siguen siendo una fuente de metales del grupo del platino. El segundo gran depósito aluvial se encontró en los Montes Urales , Rusia, y todavía se encuentra minado. [49] [53]

Producción

Cristales de osmio , cultivados mediante transporte químico de vapor.

El osmio se obtiene comercialmente como subproducto de la minería y el procesamiento de níquel y cobre . Durante el electrorrefinado de cobre y níquel, metales nobles como la plata, el oro y los metales del grupo del platino, junto con elementos no metálicos como el selenio y el telurio , se depositan en el fondo de la celda como lodo anódico , que forma el material de partida para su extracción. [54] [55] La separación de los metales requiere que primero se disuelvan. Varios métodos pueden lograr esto, dependiendo del proceso de separación y de la composición de la mezcla. Dos métodos representativos son la fusión con peróxido de sodio seguida de disolución en agua regia y disolución en una mezcla de cloro con ácido clorhídrico . [52] [56] El osmio, el rutenio, el rodio y el iridio se pueden separar del platino, el oro y los metales básicos por su insolubilidad en agua regia, dejando un residuo sólido. El rodio se puede separar del residuo mediante tratamiento con bisulfato de sodio fundido . El residuo insoluble, que contiene rutenio, osmio e iridio, se trata con óxido de sodio , en el que el Ir es insoluble, produciendo sales de rutenio y osmio solubles en agua. Después de la oxidación a óxidos volátiles, RuO
4está separado de OsO
4por precipitación de (NH 4 ) 3 RuCl 6 con cloruro de amonio.

Una vez disuelto, el osmio se separa de los demás metales del grupo del platino mediante destilación o extracción con disolventes orgánicos del tetróxido de osmio volátil. [57] El primer método es similar al procedimiento utilizado por Tennant y Wollaston. Ambos métodos son adecuados para la producción a escala industrial. En cualquier caso, el producto se reduce utilizando hidrógeno, lo que produce el metal en forma de polvo o esponja que puede tratarse mediante técnicas de pulvimetalurgia . [58]

Las estimaciones de la producción mundial anual de osmio son del orden de varios cientos a unos pocos miles de kilogramos. [59] [31] Las cifras de producción y consumo de osmio no se informan correctamente porque la demanda del metal es limitada y puede satisfacerse con los subproductos de otros procesos de refinación. [31] Para reflejar esto, las estadísticas a menudo informan sobre el osmio con otros metales menores del grupo del platino, como el iridio y el rutenio. Las importaciones estadounidenses de osmio de 2014 a 2021 promediaron 155 kg al año. [60] [61]

Aplicaciones

Debido a que el osmio es prácticamente imposible de falsificar cuando está completamente denso y muy frágil cuando se sinteriza , rara vez se usa en su estado puro, sino que a menudo se alea con otros metales para aplicaciones de alto desgaste. Las aleaciones de osmio como el osmiridio son muy duras y, junto con otros metales del grupo del platino, se utilizan en las puntas de plumas estilográficas , pivotes de instrumentos y contactos eléctricos, ya que pueden resistir el desgaste debido al funcionamiento frecuente. También se utilizaron para las puntas de las agujas del fonógrafo durante las últimas 78  rpm y principios de la era discográfica " LP " y " 45 ", alrededor de 1945 a 1955. Las puntas de aleación de osmio eran significativamente más duraderas que las puntas de las agujas de acero y cromo, pero se desgastaban. mucho más rápidamente que las puntas de zafiro y diamante de la competencia y más costosas , por lo que fueron descontinuadas. [62]

El tetróxido de osmio se ha utilizado en la detección de huellas dactilares [63] y en la tinción de tejido graso para microscopía óptica y electrónica . Como oxidante fuerte, entrecruza los lípidos principalmente al reaccionar con enlaces carbono-carbono insaturados y, por lo tanto, fija las membranas biológicas en su lugar en muestras de tejido y las tiñe simultáneamente. Debido a que los átomos de osmio son extremadamente densos en electrones, la tinción con osmio mejora en gran medida el contraste de la imagen en estudios de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de materiales biológicos. Por lo demás, esos materiales de carbono tienen un contraste TEM muy débil. [30] Otro compuesto de osmio, el ferricianuro de osmio (OsFeCN), exhibe una acción fijadora y colorante similar. [64]

El tetróxido y su derivado osmato de potasio son oxidantes importantes en la síntesis orgánica . Por la dihidroxilación asimétrica de Sharpless , que utiliza osmato para la conversión de un doble enlace en un diol vecinal , Karl Barry Sharpless recibió el Premio Nobel de Química en 2001. [65] [66] El OsO 4 es muy caro para este uso, por lo que En su lugar, a menudo se utiliza KMnO 4 , aunque los rendimientos son menores para este reactivo químico más barato.

En 1898, el químico austriaco Auer von Welsbach desarrolló la lámpara Osmio con un filamento de osmio, que introdujo comercialmente en 1902. Al cabo de pocos años, el osmio fue sustituido por el tungsteno , que es más abundante (y por tanto más barato) y más estable. . El tungsteno tiene el punto de fusión más alto entre todos los metales y su uso en bombillas aumenta la eficacia luminosa y la vida útil de las lámparas incandescentes . [44]

El fabricante de bombillas Osram (fundado en 1906, cuando tres empresas alemanas, Auer-Gesellschaft, AEG y Siemens & Halske, combinaron sus instalaciones de producción de lámparas) derivó su nombre de los elementos osmio y Wolf ram ( este último en alemán significa tungsteno). ). [67]

Al igual que el paladio , el osmio en polvo absorbe eficazmente los átomos de hidrógeno. Esto podría convertir al osmio en un candidato potencial para un electrodo de batería de hidruro metálico. Sin embargo, el osmio es caro y reaccionaría con el hidróxido de potasio, el electrolito de batería más común. [68]

El osmio tiene una alta reflectividad en el rango ultravioleta del espectro electromagnético ; por ejemplo, a 600  Å , el osmio tiene una reflectividad dos veces mayor que la del oro. [69] Esta alta reflectividad es deseable en los espectrómetros UV espaciales , que tienen tamaños de espejo reducidos debido a limitaciones de espacio. En varias misiones espaciales a bordo del transbordador espacial se llevaron espejos recubiertos de osmio , pero pronto quedó claro que los radicales de oxígeno en la órbita terrestre baja son lo suficientemente abundantes como para deteriorar significativamente la capa de osmio. [70]

Precauciones

El principal peligro del osmio metálico es la posible formación de tetróxido de osmio (OsO 4 ), que es volátil y muy venenoso. [73] Esta reacción es termodinámicamente favorable a temperatura ambiente, [74] pero la velocidad depende de la temperatura y el área de la superficie del metal. [75] [76] Como resultado, el material a granel no se considera peligroso [75] [77] [78] [79] mientras que los polvos reaccionan lo suficientemente rápido como para que las muestras a veces puedan oler a OsO 4 si se manipulan en el aire. [31] [80]

Precio

Entre 1990 y 2010, el precio nominal del osmio metálico fue casi constante, mientras que la inflación redujo el valor real de ~950 dólares la onza a ~600 dólares la onza. [81] Debido a que el osmio tiene pocas aplicaciones comerciales, no se comercializa mucho y rara vez se informan sus precios. [81]

Citas

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Referencias

enlaces externos

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