Osmium

Osmium ist ein seltenes chemisches Element mit dem Symbol Os und der Ordnungszahl 76 im Periodensystem. Es gehört zur Platinmetallgruppe und ist das dichteste bekannte Element.

Osmium wurde erstmals im Jahr 1804 von Smithson Tennant, einem britischen Chemiker, entdeckt. Er isolierte das Element aus dem Rückstand, der bei der Behandlung von Platinerzen mit Königswasser anfiel. Tennant nannte das Element nach dem griechischen Wort für „Geruch“, da das Oxid von Osmium einen unangenehmen Geruch aufweist.

1898 wurde die erste Glühlampe mit einem Osmium-Glühdraht von Carl Auer von Welsbach erfunden. Da die zur Verfügung stehenden Mengen des Elements zu gering für die Produktion waren, wurde dieser später durch Wolfram ersetzt. Daraufhin gründete man das Unternehmen „OSRAM“ und benannte es nach den beiden Elementen.

In den folgenden Jahren wurde Osmium in kleinen Mengen für die Herstellung von Iridium und Platin verwendet. Erst in den 1920er Jahren wurde es jedoch als eigenständiges Element betrachtet und isoliert. Es dauerte noch einige Jahre, bis es möglich war, Osmium in größeren Mengen zu produzieren und zu isolieren.

Osmium hat viele Anwendungen in der Industrie und Forschung. Einer seiner Hauptverwendungszwecke ist als Katalysator in der chemischen Industrie. Es wird zur Herstellung von organischen Verbindungen wie Ammoniak und Salpetersäure eingesetzt. Osmium ist ein sehr hartes und dichtes Metall, das sich hervorragend für die Herstellung von Schmuck eignet. Es wird oft mit anderen Edelmetallen wie Platin und Gold legiert, um die Härte und Dichte zu erhöhen.

Die jährliche Fördermenge von Osmium ist relativ gering und wird auf etwa 1000 Kilogramm pro Jahr geschätzt. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Osmium ein sehr seltenes Element ist und in der Erdkruste nur in sehr geringen Mengen vorkommt. Die größten bekannten Vorkommen von Osmium befinden sich in Südafrika und Russland. In Südafrika wird Osmium als Nebenprodukt bei der Förderung von Platin und Nickel gewonnen.

Spezifikationen:

Schmelzpunkt: 3130 °C
Spezifisches Gewicht: 22,61 g/cm³
Farbe: bläulich-grau
Siedepunkt: 5000 °C
Weltjahresproduktion ca.: 1 Tonne
Massenanteil / Erdhülle: 0,01 ppm
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Wertentwicklung 2021: + 24,87%
Wertentwicklung 2022: + 9,96%

Verwendung:

Glühfaden
Legierungen
Kugelschreiber
Herzschrittmacher
elektrische Kontakte
Medizinische Implantate
künstliche Herzklappen
hochwertige Schmuckstücke
phonografischen Abtastnadeln
Wellen und Zapfen im Instrumentenbau

Die Geschichte von Osmium

Von der Entdeckung bis zur Glühbirnen-Anwendung

Die Entdeckung des Elements Osmium reicht zurück bis ins Jahr 1804, als es von dem Chemiker Smithson Tennant zusammen mit Iridium entdeckt wurde. Die beiden Elemente wurden im Rückstand von in Königswasser aufgelöstem Platin gefunden. Der Name „Osmium“ leitet sich von seinem rettichartigen Geruch ab, der von seinem flüchtigen Tetroxid in geringer Konzentration stammt.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erfolgte eine der ersten bedeutenden Anwendungen von Osmium, als es als Material für Glühfäden in Glühbirnen verwendet wurde. Diese Verwendung geht auf den Chemiker Carl Auer von Welsbach zurück. Tatsächlich leitet sich der Name des Unternehmens „Osram“ von den eingesetzten Metallen Osmium und Wolfram ab. Die Verwendung von Osmium in Glühfäden brachte jedoch einige Herausforderungen mit sich. Zum einen war das Metall sehr teuer, und zum anderen gestaltete sich die Verarbeitung schwierig. Osmium ist von Natur aus spröde und konnte daher nicht zu dünnen Fäden gezogen werden. Stattdessen wurden die Glühfäden hergestellt, indem eine osmiumhaltige Paste gespritzt und die organischen Bestandteile anschließend verglüht wurden. Allerdings erwiesen sich die so erhaltenen Fäden als zu dick für den Einsatz bei hohen Spannungen. Zudem waren sie empfindlich gegenüber Erschütterungen und Spannungsschwankungen. Aus diesen Gründen wurden die Osmium-Fäden schon bald durch Materialien wie Tantal und später durch Wolfram ersetzt.

Trotz der Herausforderungen bei der Anwendung in Glühbirnen hat Osmium auch in anderen Bereichen eine Rolle gespielt. Es wird häufig in Legierungen mit anderen Metallen verwendet, um die Eigenschaften dieser Legierungen zu verbessern. Zum Beispiel wird Osmium oft mit Platin legiert, um Schmuck herzustellen, da diese Legierung besonders hart und beständig ist. Osmium- Legierungen finden auch Verwendung in medizinischen Instrumenten, wie zum Beispiel feine Nadeln für chirurgische Eingriffe.

Eine bemerkenswerte Eigenschaft von Osmium ist seine Dichte, die zu den höchsten aller Elemente gehört. Aufgrund seiner Dichte und Härte wird Osmium auch in der Uhrenindustrie eingesetzt, um Präzisionsmechanismen herzustellen.

Heutzutage ist die Verwendung von reinem Osmium eher selten, da es durch andere Materialien in vielen Anwendungen ersetzt wurde. Dennoch bleibt Osmium ein Element mit einer interessanten Geschichte und einigen einzigartigen Eigenschaften, die es zu einem wichtigen Bestandteil einiger Spezialanwendungen machen.

Vorkommen

Osmium ist mit einem Massenanteil von 0,01 ppm an der Erdkruste sehr selten und ist fast immer mit den anderen Platinmetallen Ruthenium, Rhodium, Iridium, Palladium und Platin vergesellschaftet. Osmium kommt häufig gediegen, jedoch auch gebunden als Sulfid, Selenid oder Tellurid vor.

Die Osmiumvorkommen werden zwischen primären und sekundären Lagerstätten unterschieden. Primäre Lagerstätten sind Kupfer-, Nickel-, Chrom– oder Eisenerze, in denen geringe Mengen an Platinmetallen in gebundener Form enthalten sind. Es gibt keine eigenständigen Osmiumerze. Neben diesen Erzen existieren sekundäre Lagerstätten oder Seifenlagerstätten, in denen Osmium und die anderen Platinmetalle gediegen vorkommen. Dabei sind die Metalle nach Verwitterung vom Wasser ausgewaschen worden und haben sich – bedingt durch ihre hohe Dichte – an geeigneten Stellen angereichert. Osmium kommt dabei vor allem in den natürlichen Legierungen Osmiridium und Iridosmium vor, die neben Osmium vor allem Iridium enthalten und nach ihrem überwiegenden Bestandteil unterschieden werden.

Die wichtigsten Vorkommen sind die platinmetallreichen Nickelerze in Kanada (Sudbury, Ontario), Russland (Ural) und Südafrika (Witwatersrand). Sekundäre Lagerstätten befinden sich am Fuß des Urals, in Kolumbien, Äthiopien und auf Borneo.

Gewinnung und Darstellung

Die Herstellung von Osmium ist aufwändig und erfolgt im Zuge der Gewinnung anderer Edelmetalle, wie Gold oder Platin. Die dazu verwendeten Verfahren nutzen die unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Edelmetalle und ihrer Verbindungen aus, wobei nach und nach die Elemente voneinander getrennt werden.

Als Ausgangsmaterial dienen edelmetallhaltige Erze oder Anodenschlamm aus der Nickel- oder Goldproduktion. Das Erz wird zunächst in Königswasser gelöst. Dabei gehen Gold, Palladium und Platin in Lösung, die anderen Platinmetalle und Silber bleiben zurück. Das Silber reagiert zunächst zu unlöslichem Silberchlorid, das mit Bleicarbonat und Salpetersäure (Bildung von Silbernitrat) entfernt werden kann. Durch Schmelzen mit Natriumhydrogensulfat und anschließendem Auslaugen kann Rhodium als Rhodiumsulfat gelöst und abgetrennt werden. Danach wird der verbleibende Rückstand mit Natriumperoxid geschmolzen, dadurch werden Osmium und Ruthenium gelöst und das unlösliche Iridium bleibt zurück. Wenn diese Lösung mit Chlor behandelt wird, entstehen die flüchtigen Stoffe Rutheniumtetroxid und Osmiumtetroxid. Bei Zugabe von alkoholischer Natronlauge löst sich nur Osmiumtetroxid und kann auf diese Weise vom Ruthenium getrennt werden. Das Osmium wird mit Ammoniumchlorid als Komplex ausgefällt und schließlich mit Wasserstoff zu metallischem Osmium reduziert.

Osmium wird nur in sehr geringen Mengen gewonnen, die Produktionsmenge liegt weltweit bei etwa einer Tonne pro Jahr. Die Förderung von Osmium ist aufgrund seiner Seltenheit und geringen Vorkommen in der Erdkruste eine anspruchsvolle Aufgabe. Die größten bekannten Vorkommen befinden sich in Südafrika und Russland, wo Osmium als Nebenprodukt bei der Förderung von Platin und Nickel gewonnen wird.

Physikalische Eigenschaften

Metallisches Osmium ist ein auch bei höheren Temperaturen glänzendes Schwermetall von stahlblauer Farbe. Es kristallisiert in einer hexagonal-dichtesten Kugelpackung. Osmium ist neben Iridium das Element mit der höchsten Dichte. Kristallographische Berechnungen ergeben für Osmium 22,59 g/cm3 und für Iridium 22,56 g/cm3 im natürlichen Isotopenverhältnis. Damit ist Osmium das dichteste auf der Erde natürlich vorkommende Element.

Osmium besitzt von allen Platinmetallen den höchsten Schmelzpunkt und den niedrigsten Dampfdruck. Sein Kompressionsmodul von 462 GPa ist das höchste aller bekannten Elemente und Verbindungen; damit ist es sogar weniger komprimierbar als Diamant mit 443 GPa. Unterhalb der Sprungtemperatur von 0,66 K wird Osmium zum Supraleiter.

Chemische Eigenschaften

Osmium gehört zu den Edelmetallen und ist damit relativ reaktionsträge. Es reagiert direkt nur mit den Nichtmetallen Fluor, Chlor und Sauerstoff. Eine Reaktion von Sauerstoff und kompaktem Osmium findet erst bei Rotglut statt, während feinverteiltes Osmium schon bei Raumtemperatur in Spuren Osmiumtetroxid bildet.

In nichtoxidierenden Mineralsäuren ist Osmium unlöslich, selbst Königswasser kann Osmium bei niedrigen Temperaturen nicht auflösen. Jedoch greifen starke Oxidationsmittel, beispielsweise konzentrierte Salpetersäure, heiße Schwefelsäure, sowie alkalische Oxidationsschmelzen, wie Natriumperoxid- und Kaliumchloratschmelzen Osmium an.

Verwendung

Für das Element gibt es wegen seiner Seltenheit, seines komplizierten Herstellungsverfahrens und des damit einhergehenden hohen Preises von 1.292,04 US-Dollar / Gramm (Stand Juni 2023) verhältnismäßig wenige technische Anwendungen. Aufgrund der hohen Giftigkeit der Oxide wird Osmium selten in reinem Zustand verwendet. In abrasiven und verschleißenden Anwendungen wie Schreibkugeln in Kugelschreibern, phonografischen Abtastnadeln, Wellen und Zapfen im Instrumentenbau sowie elektrischen Kontakten kommen harte osmiumhaltige Legierungen der Platinmetalle zum Einsatz. Eine Legierung aus 90 % Platin und 10 % Osmium wird zu medizinischen Implantaten und künstlichen Herzklappen verarbeitet sowie in Herzschrittmachern verwendet. Manchmal wird Osmium als Katalysator für Hydrierungen benutzt.

Nachweis

Mögliche Nachweise von Osmium können über das Osmiumtetroxid erfolgen. Ein einfacher, jedoch wegen der Giftigkeit nicht empfehlenswerter Nachweis wäre über den charakteristischen Geruch des Osmiumtetroxids. Zudem sind auch chemische Nachweise möglich, dabei wird eine osmiumhaltige Probe auf Filterpapier mit Benzidin- oder Kaliumhexacyanoferratlösung zusammengebracht. Mit Benzidin verfärbt sich das Papier bei Anwesenheit von Osmiumtetroxid violett, mit Kaliumhexacyanoferrat hellgrün.

In der modernen Analytik sind diese Nachweise nicht mehr von Bedeutung; heute kann Osmium über genauere Verfahren wie NMR-Spektroskopie oder Massenspektrometrie nachgewiesen werden.