Osmium-Chemie

Nachweis

Das Element Osmium wird über seine Verbindung Osmiumtetroxid nachgewiesen. Die Nachweisreaktion ist zwar spezifisch, aber aufgrund der Toxizität nicht empfehlenswert.

Die Osmium-haltige Untersuchungslösung wird auf ein Filterpapier getropft, das zuvor mit einer Benzidin- oder Kaliumhexacyanoferrat-Lösung befeuchtet wurde. Wurde die Benzidin-Lösung verwendet, färbt sich das Filterpapier violett. Im Fall der Kaliumhexacyanoferrat-Lösung tritt eine hellgrüne Färbung auf.

Heutzutage werden jedoch immer mehr instrumentelle Verfahrenstechniken angewendet. Beispiele hierfür sind Atomspektrometrie, Neutronenaktivierungsanalyse und Voltametrie. Mit Hilfe dieser Methoden sind exaktere Bestimmungen möglich.

Gewinnung

Die Gewinnung von Osmium gestaltet sich sehr aufwendig und erfolgt meist während der Verarbeitung anderer Metalle, wie zum Beispiel Platin oder Gold. 

Edukt für die Osmiumgewinnung ist meist der Abbau über den Platinbergbau, aber auch der Anodenschlamm aus der Gold- oder Nickelproduktion. Der Anodenschlamm wird in Königswasser gelöst, wodurch Platin und Gold in Lösung gehen. Die anderen Platinmetalle und Silber bleiben zurück. 

Das Silber bildet unlösliches Silberchlorid, das mit Hilfe von Salpetersäure und Bleicarbonat abgetrennt werden kann. Anschließend wird mit Natriumhydrogencarbonat geschmolzen und ausgelaugt. 

So wird Rhodium als Rhodiumsulfat gelöst und entfernt. Der Rückstand wird zusammen mit Natriumperoxid eingeschmolzen, wodurch Ruthenium und Osmium in Lösung gehen. Iridium verbleibt im unlöslichen Rückstand. 

Die Lösung wird mit Chlor versetzt. Dadurch entstehen die flüchtigen Stoffe Osmiumtetroxid und Rutheniumtetroxid. 

Nach der Zugabe von alkoholischer Natronlauge geht nur Osmiumtetroxid in Lösung und kann somit vom Rutheniumtetroxid separiert werden. 

Um elementares Osmium zu erhalten wird es mit Ammoniumchlorid als Komplex ausgefällt. 

Schließlich wird mit Wasserstoff zu metallischem Osmium reduziert. 

OsO₂(NH₃)₄Cl₂ + 3 H₂ → Os + 4 NH₄⁺ + 2 Cl^- + 2 OH^- 

Eigenschaften

Osmium steht im Periodensystem in der sechsten Übergangsgruppe. Innerhalb dieser Gruppe finden wir es in der sechsten Periode. 

Osmium besitzt die Ordnungszahl 76 und eine Atommasse von 190,23 u. Seine Elektronenkonfiguration ist [Xe] 4f¹⁴ 5d⁶ 6s². 

Osmium ist in seiner kristallinen Form ungiftig solange eine Temperatur von 400 °C nicht überschritten wird. Es kann unter Schutzgas verarbeitet oder kristallisiert werden.

Osmium ist ein blau-weiß-glänzendes, dichtes und hartes Metall, dass sich nur schwer verarbeiten lässt. 

Es ist das härteste der Platinmetalle und weist mit 22,61 g/cm³ die größte Dichte des PSE auf. 

Die Kristallstruktur des Osmium ist die hexagonal dichteste Kugelpackung. 

Osmium ist ein Edelmetall und damit nicht reaktionsfreudig. 

Auf direktem Wege reagiert es nur mit Chlor, Fluor und Sauerstoff. 

Liegt Osmium kompakt vor, ist es an Wasser und Luft gegen nichtoxidierende Säuren beständig. 

Fein verteiltes Osmium oder Osmium an Oberflächen von Schmelzperlen oder Sinterbarren oxidiert langsam zu Osmium-VIII-oxid. Der Name der Verbindung ist Osmiumtetraoxid, welches für Schleimhäute und Augen gesundheitsschädlich ist.

Os + 2O₂ → OsO₄  

Nach Rhenium und Wolfram hat Osmium mit 3.033 °C den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. 

Sein Siedepunkt liegt bei über 5000 Grad Celsius. Diese Temperatur entspricht den herrschenden Verhältnissen in der Corona der Sonne.

Im Bereich tieferer Temperaturen wird Osmium zu einem Supraleiter. 

Darüber hinaus besitzt Osmium den größten Kompressionsmodul aller Elemente. 

Mit einem Wert von 462 Gigapascal übertrifft es sogar Diamanten.

Gleiches gilt für seine Abriebfestigkeit, die auch in der Natur den Extremwert darstellt.

Verbindungen

Eine Osmiumverbindung ist das Osmiumtetroxid. Gebildet wird es durch die Reaktion von Oxidationsmitteln wie Salpetersäure auf elementares Osmium. Beim Osmiumtetroxid handelt es sich um einen leicht flüchtigen Feststoff, der eine stark oxidierende Wirkung besitzt. 

Kristallines Osmium ist keine neue Verbindung sondern nur eine Kristallisationsart des reinen Elementes, die auf Grund ihrer chemischen Eigenschaften bis 400 °C ungiftig ist. Die Umordnung der Kristallstruktur kann mit der Verarbeitung von Kohlenstoff zu Diamanten verglichen werden, wenngleich sie um ein Vielfaches aufwendiger und teurer ist.

Im Gegensatz zu den meisten Oxidationsmitteln kann die Oxidation mit Osmiumtetroxid unter stereochemischer Kontrolle ablaufen. Obwohl es eine teure und toxische Verbindung ist, hat Osmiumtetroxid einige Anwendungen, in denen es im Milligrammbereich eingesetzt wird. 

So wird es beispielsweise in der Spurensicherung bei Fingerabdrücken eingesetzt. Ebenfalls dient es zur Kontrastverstärkung von Zellmembranen in der Elektronenmikroskopie. 

Einige weitere Verbindungsarten sind die Komplexverbindungen des Osmiums. Von Osmiumtetroxid stammen die sogenannten Osmate ab. Es handelt sich dabei um anionische Sauerstoffkomplexe. 

Die Komplexverbindungen gibt es auch mit anderen Liganden, wie Ammoniak, Cyanid, Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffmonoxid. Ist der Ligand organischer Naturkann ein Osmocen gebildet werden. 

Interessant werden könnte die Osmium Organochemie, die noch in den Kinderschuhen steckt, sich aber lebhaft weiter entwickelt.

Isotope

Osmium besteht aus einer Mischung aus sieben stabilen Isotopen: Osmium-192 mit 41 Prozent, Osmium-190 mit 26,4 Prozent, Osmium-189 mit 16,1 Prozent, Osmium-188 mit 13,3 Prozent, Osmium-187 mit 1,6 Prozent, Osmium-186 mit 1,58 Prozent und Osmium-184 mit 0,02 Prozent. 

Das einzige natürliche radioaktive Isotop ist Osmium-186 mit einer Halbwertszeit von rund zwei Billiarden Jahren. 

Daneben existieren noch 27 kurzlebige Isotope, von denen Osmium-194 mit sechs Jahren die längste Halbwertszeit aufweist. 

Das Verhältnis der Isotope Osmium-187 zu -186 macht man sich in Rhenium-Osmium-Chronometern zu Nutzen. Diese werden zur Altersbestimmung von Eisenmeteoriten eingesetzt. 

Das aus der Rhenium Zerfallsreihe stammende Os 187 besitzt eine besondere Geschichte, da es während des kalten Krieges in einer Agentenstory besonderer Art eine Rolle spielte, die sich zwischen der Sovietunion und den USA abgespielt hat. Dabei ging es um die Entwicklung einer Strahlenwaffe, die vermeintlich in den USA bereits zum Patent angemeldet war und in einem zukünftigen Krieg vermeintlich entscheidend hätte werden können. Aus diesem Grund gab Russland riesige Ressourcen an Arbeit und Geld aus, um das Isotop zu isolieren, nur um festzustellen, dass es nicht in der beabsichtigen Weise eingesetzt werden konnte.