Biologische Funktionen von Osmium sind weder im menschlichen noch in anderenOrganismen bekannt. Technisch wird Osmium wegen seines hohen Preises nur verwendet, wenn Haltbarkeit und Härte ausschlaggebend sind.
Im Jahr 1800 kauftenWilliam Hyde Wollaston undSmithson Tennant 5959 Feinunzen (etwa 185 Kilogramm) Platinerz ausKolumbien und untersuchten es, indem sie das Erz inKönigswasser lösten. Dabei löste sich ein Großteil des Erzes, es blieb aber auch ein unlöslicher Rückstand. Daraufhin teilten die beiden Chemiker die weitere Untersuchung. Wollaston untersuchte die löslichen Bestandteile und entdeckte darin 1803 die ElementeRhodium undPalladium.[11]
Tennant kümmerte sich dagegen um den in Königswasser unlöslichen Rückstand. Er erhitzte das schwarze Pulver mitNatriumhydroxid und löste die erhaltene Masse in Wasser. Der Chemiker erhielt eine gelbe Lösung. Beim Ansäuern bildete sich ein weißes, leicht flüchtiges Oxid mit einem stechenden Geruch, bei dem es sich umOsmium(VIII)-oxid handelte. Als TennantKupfer,Zinn,Zink oderPhosphor zu einer Osmium(VIII)-oxid-Lösung gab, bildete sich metallisches Osmium. Auf Grund seines Geruches nannte er das neue ElementOsmium,altgriechischὀσμήosmē „Geruch, Gestank“. Bei seinen Experimenten entdeckte Tennant in dem Rückstand, der nach dem Erhitzen mit Natriumhydroxid blieb, noch ein weiteres Element, dasIridium. Seine Entdeckungen stellte er 1804 vor.[12][13]
Gleichzeitig mit Tennant führten auch die französischen ChemikerLouis-Nicolas Vauquelin undAntoine-François de Fourcroy ähnliche Experimente mit Platinerz durch und entdeckten darin ein neues Element, das sieptène nannten. Dabei handelte es sich wahrscheinlich um eine Iridium-Osmium-Mischung. Dieser Name setzte sich jedoch nicht durch, Tennant gilt als Entdecker der beiden Elemente und seine Namen wurden beibehalten.[14][12]
Die erste wichtige Anwendung des Metalls war am Anfang des 20. Jahrhunderts seine Verwendung als Material fürGlühfäden inGlühlampen durchCarl Auer von Welsbach. Für die Herstellung mischte er feinesOsmyltetraamminchlorid-Pulver mitkaramellisiertemZucker zu einer Paste und erhitzte sie, um den Kohlenstoff zu entfernen. Das 1898 patentierte Ergebnis war ein Glühfaden, der 1,5 Watt benötigte und 5000 bis 6000 Betriebsstunden hielt, allerdings sehr fragil und teuer war. Die neue Glühlampe wurde 1900 auf derWeltausstellung in Paris vorgestellt. Ab 1906 wurde Osmium durch das besser geeigneteWolfram ersetzt. Welsbach bildete aus den Namen von Osmium und Wolfram den MarkennamenOsram für die von ihm erfundene Glühlampe.[15]
1908 entwickelteFritz Haber mit einem Osmium-Katalysator ein Verfahren zur Herstellung vonAmmoniak aus den Elementen, heute alsHaber-Bosch-Verfahren bekannt.[16][17] Da das teure und nur in geringen Mengen verfügbare Osmium für eine großtechnische Umsetzung nicht geeignet war, suchteAlwin Mittasch einen geeigneten Ersatz und fand die seitdem genutztenEisen-Katalysatoren.[18]
Bei den Osmiumvorkommen wird zwischen primären und sekundären Lagerstätten unterschieden. Primäre Lagerstätten sindKupfer-,Nickel-,Chrom- oderEisenerze, in denen geringe Mengen an Platinmetallen in gebundener Form enthalten sind. Es gibt keine eigenständigen Osmiumerze.Neben diesen Erzen existieren sekundäre Lagerstätten oderSeifenlagerstätten, in denen Osmium und die anderen Platinmetalle gediegen vorkommen. Dabei wurden die Metalle nachVerwitterung vom Wasser ausgewaschen und haben sich – bedingt durch ihre hoheDichte – an geeigneten Stellen angereichert (vgl.Gold). Osmium kommt dabei vor allem in den natürlichen LegierungenOsmiridium undIridosmium vor, die neben Osmium vor allem Iridium enthalten und nach ihrem überwiegenden Bestandteil unterschieden werden.
Seit der 1991 erfolgten Neudefinition der Platingruppen-Elementminerale und -legierungen durch Donald C. Harris und Louis J. Cabri werden innerhalb des ternären Systems Os-Ir-Ru alle hexagonalen Legierungen mit Os als Hauptelement als Osmium angesprochen. Die früher parallel verwendeten Mischkristall-MineralnamenIridosmin,Osmiridium undRutheniridosmium sind entsprechend diskreditiert und gelten nun alsVarietäten von Osmium.[20]
Osmium ist seit dieser Neudefinition von derInternational Mineralogical Association (IMA) als eigenständiges Mineral anerkannt.[21] Gemäß derSystematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) wird Osmium unter der System-Nr. 1.AF.05 (Elemente – Metalle und intermetallische Verbindungen – Platin-Gruppen-Elemente (PGE) – Rutheniumgruppe)[22] (8. Auflage: Osmium-ReiheI/A.05a; beziehungsweise der nachfolgendenLapis-Systematik:I/A.13-020) eingeordnet. Die vorwiegend im englischsprachigen Raum verwendeteSystematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. 01.02.02.01 (Elemente: Platingruppenmetalle und -legierungen – Osmiumgruppe (Raumgruppe P63/mmc)).[23]
Insgesamt sind weltweit bisher mehr als 300 Fundorte für gediegenes Osmium und seine Varietäten dokumentiert (Stand 2024).[24]
Die Herstellung von Osmium ist aufwendig und erfolgt im Zuge der Gewinnung anderer Edelmetalle wieGold oderPlatin. Die dazu verwendeten Verfahren nutzen die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Edelmetalle und ihrer Verbindungen, wobei nach und nach die Elemente voneinander getrennt werden.
Als Ausgangsmaterial dienen edelmetallhaltige Erze oderAnodenschlamm aus derNickel- oder Goldgewinnung. Das Erz wird zunächst inKönigswasser gelöst. Dabei gehen Gold,Palladium und Platin in Lösung, die anderen Platinmetalle undSilber bleiben zurück. Das Silber reagiert zunächst zu unlöslichemSilberchlorid, das mitBleicarbonat undSalpetersäure (Bildung vonSilbernitrat) entfernt werden kann. Durch Schmelzen mitNatriumhydrogensulfat und anschließendemAuslaugen kannRhodium alsRhodium(III)-sulfat gelöst und abgetrennt werden. Danach wird der verbleibende Rückstand mitNatriumperoxid geschmolzen, wodurch Osmium undRuthenium gelöst werden und das unlösliche Iridium zurückbleibt. Wenn diese Lösung mit Chlor behandelt wird, entstehen die flüchtigen StoffeRutheniumtetroxid undOsmiumtetroxid. Bei Zugabe von alkoholischer Natronlauge löst sich nur Osmiumtetroxid und kann auf diese Weise vom Ruthenium abgetrennt werden. Das Osmium wird mitAmmoniumchlorid alsKomplex ausgefällt und schließlich mitWasserstoff zu metallischem Osmiumreduziert:
Osmium wird nur in sehr geringen Mengen gewonnen, die Produktionsmenge liegt weltweit bei ca. 100 kg pro Jahr.[1]
Osmium ist vor Iridium das Element mit der höchstenDichte. Kristallographische Berechnungen ergeben für Osmium 22,59 g/cm3 und für Iridium 22,56 g/cm3[6] im natürlichenIsotopenverhältnis. Damit ist Osmium das dichteste auf der Erde natürlich vorkommende Element.
Osmium gehört zu denEdelmetallen und ist damit reaktionsträge. Es reagiert direkt nur mit denNichtmetallenFluor,Chlor undSauerstoff. Eine Reaktion von Sauerstoff und kompaktem Osmium findet erst beiRotglut statt. Je nach Reaktionsbedingungen entstehtOsmiumtetroxid (weniger hohe Temperaturen, hoher Sauerstoffdruck) oderOsmiumtrioxid (nur in der Gasphase stabil[28]). Feinverteiltes Osmium bildet schon bei Raumtemperatur in Spuren hochgiftiges Osmiumtetroxid.
Von Osmium sind insgesamt 34 Isotope und 6Kernisomere bekannt, davon kommen die sieben Isotope mit den Massen 184, 186, 187, 188, 189, 190 und 192 natürlich vor.192Os ist mit einem Anteil von 40,78 %[29] des natürlichen Osmiums das häufigste Isotop,184Os mit 0,02 %[29] das seltenste. Als einziges der natürlichen Isotope ist186Osradioaktiv, jedoch mit über 2 Billiarden Jahren Halbwertszeit nur schwach. Neben diesen gibt es noch weitere 27 kurzlebige Isotope von162Os bis196Os,[29] die wie die kurzlebigen Kernisomere nur künstlich herstellbar sind.
Die zwei Isotope187Os und189Os können fürkernspintomographische Untersuchungen verwendet werden. Von den künstlichen Nukliden werden185Os (Halbwertszeit 96,6 Tage) und191Os (15 Tage) alsTracer verwendet. Das Verhältnis von187Os zu188Os kann inRhenium-Osmium-Chronometern zur Altersbestimmung inEisenmeteoriten benutzt werden, da187Re langsam zu187Os zerfällt (Halbwertszeit: 4,12 · 1010 Jahre[29]).[30]
Je 1 Feinunze Sammlerbarren aus Eisen, Osmium und Aluminium, hergestellt aus verpresstem und gesintertem Pulver.
Für das Element gibt es wegen seiner Seltenheit, komplizierten Gewinnung und des damit einhergehenden hohen Preises von ca. 400 US$ proUnze (Osmium powder, Stand 2018)[31] verhältnismäßig wenige technische Anwendungen.[32] Aufgrund der hohen Giftigkeit der Oxide wird Osmium selten in reinem Zustand verwendet. Inabrasiven undverschleißenden Anwendungen wie in Spitzen von Füllfederhaltern, phonographischen Abtastnadeln, Wellen und Zapfen im Instrumentenbau sowie elektrischen Kontakten kommen harte osmiumhaltigeLegierungen der Platinmetalle zum Einsatz. Eine Legierung aus 90 % Platin und 10 % Osmium wird zu medizinischenImplantaten undkünstlichen Herzklappen verarbeitet sowie inHerzschrittmachern verwendet. Manchmal wird Osmium alsKatalysator fürHydrierungen benutzt. Osmium wurde auch in Legierung mitWolfram in den Glühfäden derOsram-Glühlampen verwendet.
MöglicheNachweise von Osmium können über das Osmiumtetroxid erfolgen. Ein einfacher, aber wegen der Giftigkeit nicht empfehlenswerter Nachweis wäre über den charakteristischen Geruch des Osmiumtetroxids. Es sind aber auch chemische Nachweise möglich. Dabei wird eine osmiumhaltige Probe auf Filterpapier mitBenzidin- oderKaliumhexacyanoferratlösung zusammengebracht. Mit Benzidin verfärbt sich das Papier bei Anwesenheit von Osmiumtetroxid violett, mit Kaliumhexacyanoferrat hellgrün.[33]
Metallisches, kompaktes Osmium ist luftbeständig und harmlos.[35] Das Pulver ist gefährlicher, denn neben seiner Einstufung als „Entzündlich“, „Ätzend“ und „Reizend“ bildet es bereits beiRaumtemperatur das hochgiftigeOsmium(VIII)-oxid. Stäube davon können eine Lungenreizung mitHyperämie bis zumLungenödem hervorrufen sowie zu Haut- oder Augenschäden führen.[36] Schon bei Hautkontakt besteht eine Lebensgefahr.[37]
Metallisches Osmium ist als fein verteiltes Pulver oder Staub leichtentzündlich, in kompakter Form aber nicht brennbar. Zum Löschen von Osmiumbränden müssen Metallbrandlöscher (Klasse D) oderLöschpulver verwendet werden, keinesfalls darf Wasser verwendet werden, wegen der Explosionsgefahr durch entstehendenWasserstoff und Sauerstoff.[10]
Es sind Verbindungen und Komplexe in den Oxidationsstufen von −II bis +VIII bekannt, die stabilsteOxidationsstufe ist +IV. Osmium zählt zusammen mit Ruthenium und Xenon zu den wenigen Elementen, die die Oxidationsstufe +VIII erreichen. Lediglich Iridium weist eine höhere Oxidationsstufe von +IX auf. Osmium bildet mit den meisten Nichtmetallen Verbindungen wieOxide,Halogenide,Sulfide,Telluride, undPhosphide.
Osmium(VIII)-oxid (OsO4) ist die bekannteste Verbindung des Osmiums und eine der wenigen stabilen Verbindungen, in der Osmium dieOxidationsstufe +VIII besitzt. Die Verbindung bildet sich durch Einwirkung von Oxidationsmitteln wieSalpetersäure auf metallisches Osmium. Es ist ein leichtflüchtiger Feststoff, der sehr starkoxidierend wirkt. Im Unterschied zu vielen anderen Oxidationsmitteln kann die Reaktion unterstereochemischer Kontrolle ablaufen. Aufgrund dieser Eigenschaften hat die Verbindung trotz der hohenToxizität und des hohen Preises einige Anwendungen wie in derSharpless-Dihydroxylierung gefunden.[38] Osmiumtetroxid wird häufig nur inkatalytischen Mengen eingesetzt.
Mit Sauerstoff bildet Osmium weitere Verbindungen, die Oxide Osmiumtrioxid OsO3 undOsmiumdioxid OsO2. Osmiumtrioxid ist nur in der Gasphase stabil, Osmiumdioxid dagegen ein stabiler, hochschmelzender Feststoff inRutil-Struktur.
Neben diesen Verbindungen sind zahlreicheKomplexverbindungen bekannt. Vom Osmiumtetroxid leiten sich dieOsmate, anionische Komplexe des Osmiums ab. Auch mit anderenLiganden, wieAmmoniak,Kohlenstoffmonoxid,Cyanid undStickstoffmonoxid sind viele Komplexe in verschiedenen Oxidationsstufen bekannt. Mitorganischen Liganden, wieCyclopentadien kann der OsmiumkomplexOsmocen, der zu denMetallocenen gehört, gebildet werden. Neben klassischen Komplexen, bei denen jede Metall-Ligand-Bindung eindeutig bestimmt werden kann, existieren auch nicht-klassische Komplexe. Bei diesen liegenMetallcluster aus mehreren Osmiumatomen vor. Ihre konkrete Gestalt kann mit Hilfe derWade-Regeln bestimmt werden.
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