Osmio - UniTN

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI TRENTO
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria dei Materiali
Corso di metallurgia dei metalli non ferrosi
L’OSMIO
Docente: Prof. Diego Colombo
Studente:Soave Nico
Anno Accademico 2008/2009
1
INDICE:
I-INTRODUZIONE
II-STORIA DELL’OSMIO
III-PROPRIETA’
IV-REAZIONI
V-DIFFUSIONE ED ISOTOPI
VI-PRODUZIONE
VII-APPLICAZIONI
VIII-EFFETTI SULLA SALUTE
IX-BIBLIOGRAFIA
2
I-INTRODUZIONE:
L’osmio è l’elemento chimico che ha simbolo Os e numero atomico 76. E’
un metallo di transizione della famiglia del platino, duro, fragile, di
colorazione blu-grigiastra o blu-nerastra , ad elevata densità e punti di
fusione ed ebollizione; viene usato in alcune leghe con il platino, l’iridio od
altri metalli del gruppo del platino; in natura si trova principalmente in
minerali legato insieme ad altri di questi metalli dai quali viene
commercialmente recuperato. I minerali più importanti sono l’iridiosmina e
l’osmiridio, minerali rari trovati in Sud Africa, Russia e nel Nord e Sud
America. La produzione di osmio è molto difficile e quindi costosa; ogni
anno ne vengono prodotti meno di 100 Kg. Vi è una scarsa richiesta del
metallo.
Esempi di osmio metallico
3
II-STORIA DELL’OSMIO:
Il nome osmio deriva dalla parola greca osmè che significa odore a causa del
penetrante odore del suo volatile tetrossido.
Ci si accorse dell’esistenza dell’osmio a Londra nel 1803 grazie agli studiosi
inglesi Smithson Tennant e William Hyde Wollaston. La scoperta
dell’osmio è collegata a quella del platino e di altri metalli appartenenti al
gruppo del platino. Il platino, trovato per la prima volta sul finire del XVII
secolo in miniere d’argento nella regione del Chocò in Colombia, arrivò in
Europa col nome di platina (piccolo argento). La scoperta che questo
metallo non era una lega bensì un nuovo elemento fu pubblicata nel 1748.
I chimici che studiarono il platino lo dissolsero in acqua regia (una miscela
di acido cloridrico e acido nitrico) al fine di ottenere sali solubili. Così
facendo osservarono spesso una piccola quantità di scuro residuo insolubile.
Joseph Louis Proust pensò che il residuo fosse grafite. Anche i chimici
francesi Victor Collet-Descotils, Antoine Francois conte di Fourcroy e Louis
Nicolas Vauquelin osservarono il residuo scuro nel 1803 ma non riuscirono
a procurarsene in quantità sufficiente per poterne approfondire lo studio con
adeguati esperimenti. Sempre nel 1803 lo scienziato inglese Smithson
Tennant analizzò il residuo insolubile ed arrivò alla conclusione che dovesse
contenere un nuovo metallo. Vauquelin che aveva trattato la polvere
alternativamente con acidi ed alcali ottenne un ossido volatile sconosciuto
che reputò appartenere a questo nuovo metallo. Comunque Tennant che
aveva il vantaggio di essere in possesso di una più grande quantità di polvere
continuò le sue ricerche ed identificò nel residuo scuro la presenza di due
elementi precedentemente non conosciuti, iridio ed osmio. A seguito di
reazioni con idrossido di sodio in presenza di calore ottenne una soluzione
gialla, probabilmente di cis–[Os(OH)2O4]2− ; dopo acidificazione fu in grado di
distillare il tetrossido di osmio (Os O4 ).
La scoperta dei nuovi elementi è documentata in una lettera alla Royal
Society del 21 giugno del 1804.
Polvere di osmio
4
III-PROPRIETA’:
L’osmio,elemento chimico con numero atomico 76, appartiene all’VIII
gruppo ed al VI periodo secondo la nomenclatura IUPAC. Il suo simbolo è
Os. È un elemento rarissimo, forse il più raro tra i metalli appartenenti al
gruppo del platino, costituendo presumibilmente meno del 4·10-8% della
crosta terrestre. L'osmio metallico è estremamente denso , di colore biancoblu , fragile e lucido anche ad alte temperature ma è assolutamente difficile
da ottenere. La polvere di osmio è ottenibile più facilmente , ma in queste
condizioni l'osmio reagisce con l'ossigeno dell'aria ossidandosi in tetrossido
di osmio (OsO4) , che è velenoso. Quest'ossido è anche un potente agente
ossidante , ha un forte odore caratteristico e bolle a 130°C.
Per la sua grande densità ( pari al triplo delle densità di elementi come
Cromo(Cr), Manganese(Mn) e Ferro(Fe), e due volte e mezza le densità di
Cobalto(Co), Nichel(Ni) e Rame(Cu)) l’osmio è in genere considerato
l’elemento più pesante di tutti, superando di poco l’iridio con una densità di
22,661 g/cm^3 contro i 22,650 g/cm^3. Insieme a Rutenio(Ru), Rodio(Rh),
Palladio(Pd), Iridio(Ir) e Platino(Pt) forma un gruppo di elementi chiamati “I
metalli del gruppo del platino”(PGM). L’osmio ha il più alto punto di
fusione e la più bassa tensione di vapore di questa famiglia. Infine ha una
compressibilità veramente bassa; di conseguenza il suo modulo elastico è
estremamente alto e pari a 462 GPa, ossia più alto di quello del diamante ma
più basso di quello dei nanorods di carbonio(> 1 TPa).
Tavola periodica
Configurazione elettronica
5
Proprietà atomiche:
Peso atomico : 190,23 amu;
Raggio atomico : 135 pm;
Raggio covalente : 128 pm;
Struttura cristallina : esagonale;
Dimensioni della cella unitaria : a=273.43 pm; c=432.00 pm;
Configurazione elettronica : [Xe] 4f14 5d6 6s2 ;
Stati di ossidazione : 8, 6, 4, 3, 2, 0, -2 ;
Elettronegatività (scala di Pauling) : 2.2 ;
Energia di prima ionizzazione : 819,8 kJ/mol ;
Energia di seconda ionizzazione : 1600 kJ/mol ;
Struttura cristallina
Elettroni di valenza: 5d6 6s2
Electron Dot Model
6
Proprietà fisiche:
Densità : 22,661 g/cm^3 ; (a 293 °K)
Volume atomico : 8,43 cm^3/mol ; (a 293 °K)
Modello di Bohr dell’atomo di Osmio
Proprietà termiche ed elettriche :
Conducibilità termica: 87.6 W/(m*°K); (a 298 °K)
Punto di fusione : 3318.15 °K; (a p=1atm)
Punto di ebollizione : 5300.15 °K; (a p=1atm)
Calore di fusione : 31.7 KJ/mol;
Calore di vaporizzazione : 738 KJ/mol;
Calore specifico : 0.131 J/(Kg*°K); (a 293 °K)
Conducibilità termica : 87.6 W/(m*°K); (a 298 °K)
Resistività elettrica : 9.5 μΩ*cm; (a 293 °K)
Tensione di vapore : 2,52 Pa; (a 3300 °K)
Velocità del suono : 4940 m/s; (a 293,15 °K)
7
Stato di
ossidazione
Composto
0
+1
+2
+3
+4
+5
+6
+7
+8
Os(CO)5
OsI
OsI2 OsBr3 OsO2 OsF5 OsF6 OsOF5 OsO4
Stati di ossidazione dell’osmio:
IV-REAZIONI:
L'osmio metallico in forma compatta è molto resistente all'attacco di acqua
ed acidi sia a caldo che a freddo e si ossida all'aria solo al di sopra di circa
400 °C. Però, a differenza dell'iridio, in forma di polvere si ossida all'aria già
a 200 °C ed è facilmente attaccato dal fluoro, dal cloro e dagli alcali fusi in
presenza di ossidanti che lo dissolvono. La polvere di osmio reagisce
lentamente con l’ossigeno dell’aria liberando vapori di tetrossido di osmio
(molto volatili, solubili in acqua e di colore giallo palido) in quantità
rilevabili che, oltre ad avere un odore molto intenso, sono velenosi.
Al contrario il biossido di osmio (OsO2 ) è nero, non volatile e molto meno
reattivo o tossico. Gli stati di ossidazione più comuni sono +2, +3, +4 e
+8(tetrossido di osmio) ma può assumere tutti gli stati da 0 a +8.
Potenziali di riduzione standard:
Bilanciamento della semireazione Eo / V
Os2+ + 2e- Os(s)+0.85 (1 mol dm-3 HCl)
OsO2(s) + 2H2O + 4e- Os(s) + 4OH-- 0.15
OsO4(s) + 8H+ + 8e- Os(s) + 4H2O+0.85
OsO4(s) + 8H+ + 6Cl- + 4e- OsCl62- + 4H2O+1.0
HOsO5- + 2e- OsO42- + OH-+0.3
OsO42- + 2H2O + 2e- OsO2(s) + 4OH-+0.1
OsCl62- + e- OsCl63-+0.85
OsCl63- + e- Os2+ + 6Cl-+0.4
OsCl63- + 3e- Os(s) + 6Cl-+0.71
8
V-DIFFUSIONE ED ISOTOPI:
All’interno della crosta terrestre l’osmio, come l’iridio, si trova con le più
grandi concentrazioni in tre tipi di strutture geologiche: depositi eruttivi,
crateri dovuti all’impatto di asteroidi ed accumuli di minerali originari da
una delle precedenti strutture.
Le più grandi e conosciute riserve di minerali di osmio si trovano nel
complesso eruttivo Bushveld in Sud Africa; anche i noti depositi di ramenichel a Norilsk in Russia ed a Sudbury Basin in Canada sono importanti
fonti di osmio. Altre piccole riserve si possono trovare negli U.S.A..
I depositi alluvionali usati dalle popolazioni precolombiane nella regione del
Chocò in Colombia sono ancora fonti di metalli del gruppo del platino, così
come quelli situati tra le montagne degli Urali in Russia.
Diffusione:
In natura l’osmio si presenta come una miscela di sette isotopi di cui cinque
sono stabili: l'187Os, l'188Os, l'189Os, l'190Os ed il più abbondante 192Os; altri
due isotopi, l'184Os e l'186Os, sono instabili e leggermente radioattivi, anche
se praticamente vengono considerati stabili poiché presentano un
lunghissimo tempo di dimezzamento confrontato con qualsiasi applicazione
pratica.
In laboratorio sono stati inoltre preparati diversi isotopi artificiali radioattivi
con numeri di massa compresi tra 181 e 195. L’187Os è il prodotto del
decadimento del 187Re la cui emivita è pari a 4,56 · 1010 anni. Il rapporto
187
Os/188Os insieme al rapporto 187Re/187Os viene usato per la datazione di
rocce di origine terrestre e meteorica. La più notevole datazione basata
sull'osmio è quella che, insieme alla misura del tenore di iridio, è stata
condotta sullo strato di quarzo lungo la giunzione K-T risalente a circa 65
milioni di anni fa che segna il periodo di estinzione dei dinosauri.
9
Isotopi:
ISOTOPO ABBONDANZA Tempo di
IN NATURA
dimezzamento
Modalità di Energia di
Prodotto del
decadimento Decadimento[Mev] decadimento
184
α
ε
α
-1,013
2,822
180
β-
0,314
191
Ir
ββ-
1,141
0,097
193
Ir
Ir
Os
185
Os
186
Os
187
Os
188
189
190
Os
Os
Os
191
0,02%
Sintetico
1,59%
1,96%
13,24%
16,15%
26,26%
Os
192
Os
Sintetico
193
Sintetico
Sintetico
194
Os
Os
40,78%
>5,6 · 1013 anni
93,6 giorni
>2 · 1015 anni
stabile con 111
neutroni
stabile con 112
neutroni
stabile con 113
neutroni
stabile con 114
neutroni
15,4 giorni
stabile con 116
neutroni
30,11 ore
6 anni
W
Re
182
W
185
194
Isotopi dell’osmio con numeri di massa da 184 a 194(naturali e sintetici)
VI-PRODUZIONE:
L’osmio viene estratto dai suoi minerali con diversi processi basati ad
esempio su trattamenti con acqua regia, una miscela di acido cloridrico e
acido nitrico, la quale porta in soluzione la maggior parte dei metalli
appartenenti al gruppo del platino ad eccezione di osmio ed indio; un
successivo trattamento del residuo con alcali fusi in presenza di ossidanti
solubilizza il solo osmio.
Se il minerale di partenza ha un elevato tenore di osmio, può essere
direttamente fuso con perossido di sodio o miscela alcalina ossidante; dopo
trattamento con acqua la soluzione contenente l’osmio viene filtrata dal
residuo nero(costituito da diossido d’iridio), acidificata con acido nitrico e
distillata, così da ottenere il tetrossido OsO4. Da questo si prepara, in
presenza di cloruro di ammonio ed etanolo, il sale complesso
(NH4)2[OsCl6], esacloro-osmiato di ammonio, il quale per riscaldamento in
atmosfera inerte si decompone a metallo.
10
Osmio puro al 99,98% in pezzettini da 1 o 2 grammi massimo
VII-APPLICAZIONI:
Dati il suo alto costo, la difficoltà di lavorazione e la facile ossidabilità in
tetrossido, ossido dall’estrema tossicità, viene raramente usato allo stato
puro. Il suo tetrossido ha trovato impiego nel rilevamento delle impronte
digitali e nella colorazione dei tessuti grassi per la preparazione di vetrini per
microscopia; il metallo puro o legato con platino ed iridio trova utilizzo nei
contatti elettrici, nei pennini delle penne stilografiche e nelle punte dei
compassi di un certo pregio ed in altre particolari applicazioni che
richiedano una estrema durezza e resistenza all’usura(viene ad esempio
utilizzato dai vetrai per asportare graffi ed abrasioni da vetri e specchi). Un
tempo veniva utilizzato per la produzione delle punte di grammofoni di
lunga durata e per gli ingranaggi di orologi.
Una lega al 90% di platino e 10% di osmio viene usata per produrre impianti
chirurgici quali stimolatori cardiaci e valvole polmonari.
L’industria di nome OSRAM che produce lampadine a resistenza deve il
proprio nome agli elementi osmio e tungsteno(OSmium e wolfRAM).
11
Impronta digitale
Vetrino per microscopia
12
Contatti elettrici
13
Pennini di penne stilografiche
Lampadine OSRAM
14
Punte compasso
Ingranaggi orologi di pregio
Puntine grammofono
15
Valvola polmonare
VIII-EFFETTI SULLA SALUTE:
L’osmio utilizzato in lega e stabilizzato non crea problemi per la salute,
infatti viene anche utilizzato per impianti chirurgici. Il tetrossido di osmio
invece è altamente tossico per gli esseri umani anche a bassi livelli di
esposizione e va maneggiato con adeguate precauzioni dato che è molto
volatile. Oltre a contenere un metallo pesante è un forte ossidante ed attacca
tutti i tessuti biologici. In particolare l'inalazione anche a concentrazioni
inferiori a quelle necessarie a percepirne l'odore può portare ad edema
polmonare e successiva morte. I sintomi possono essere percepiti anche ore
dopo l'esposizione. OsO4 attacca inoltre la cornea umana, e può portare a
cecità se non si rispettano le prescrizioni di sicurezza. Concentrazioni in aria
di soli 10-7 g /m3 possono causare congestione ai polmoni, danni alla pelle e
severo danneggiamento degli occhi; di conseguenza l’ossido dovrebbe
sempre essere maneggiato da un chimico adeguatamente qualificato.
16
IX-BIBLIOGRAFIA:
Siti Internet consultati:
http://www.lenntech.com/italiano/tavola-periodica-elementi/os-it.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Osmium
http://lem.ch.unito.it/didattica/infochimica/2006_Nanotubi/struttura.html
http://www.astroscenza.org/Elementi/Osmio.htm
http://it.wikipedia.org/wiki/Osmio
www.pens.it/renzetti/home.htm
http://it.wikipedia.org/wiki/Impronte_digitali
http://www.crerc.com/images/meccanismidegrado_clip_image012.jpg
http://digilander.libero.it/puntinegrammofono/
http://it.wikipedia.org/wiki/Tetrossido_di_osmio
17