Osmium wird in Sternen hauptsächlich durch den r-Prozess (schnelle Neutroneneinfang) synthetisiert, der bei kataklysmischen Ereignissen wie Supernovae und Neutronensternverschmelzungen auftritt. Als schweres Element mit gerader Ordnungszahl (Z=76) wird es effizient durch diesen Prozess produziert. Osmium weist auch einen signifikanten Beitrag des s-Prozesses (langsamer Neutroneneinfang) in AGB-Sternen (asymptotische Riesen) auf, aber der r-Prozess dominiert mit 70-80% seiner solaren Häufigkeit. Osmium ist Teil des "Osmium-Peaks" im Produktionsspektrum schwerer Elemente durch Neutroneneinfang.
Die kosmische Häufigkeit von Osmium beträgt etwa 6,0×10⁻¹³ der von Wasserstoff in Atomzahl, was es in der Seltenheit mit Platin und Gold vergleichbar macht und etwa 2-3 Mal seltener als Wolfram. Osmium hat sieben natürliche Isotope, wobei Osmium-192 (41,0%) das häufigste ist. Die isotopischen Häufigkeiten von Osmium, insbesondere das Verhältnis ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os, sind von entscheidender Bedeutung in der Geochemie und Kosmochemie.
Das isotopische Rhenium-Osmium-System (¹⁸⁷Re → ¹⁸⁷Os) ist eines der wichtigsten chronologischen Werkzeuge zur Erforschung der Entwicklung der Erde und des Sonnensystems. Osmium-187 ist das radiogene Isotop, das durch den Betazerfall von Rhenium-187 (Halbwertszeit 41,6 Milliarden Jahre) entsteht. Die Bedeutung dieses Systems liegt in den markanten geochemischen Unterschieden zwischen diesen Elementen: Rhenium ist mäßig siderophil und chalkophil (bevorzugt Sulfide), während Osmium stark siderophil (bevorzugt Metall) ist. Diese Unterschiede führen zu signifikanten Fraktionierungen während der Bildung des Planetenkerns und der Differenzierung geologischer Reservoirs.
Das Re-Os-System ist besonders nützlich für:
Das ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os-Verhältnis gilt als einer der empfindlichsten Tracer für die Wechselwirkung zwischen Mantel und Erdkruste.
Osmium leitet seinen Namen vom altgriechischen ὀσμή (osmḗ) ab, was "Geruch" bedeutet. Dieser Name wurde von seinem Entdecker Smithson Tennant wegen des stechenden und unangenehmen Geruchs von Osmiumoxid (OsO₄) gewählt, der an Ozon oder Chlor erinnert. Osmium teilt diese Etymologie mit Ozon (O₃), das ebenfalls einen charakteristischen Geruch hat. Es ist eines der wenigen Elemente, die nach einer sensorischen Eigenschaft benannt sind.
Osmium wurde 1803 vom englischen Chemiker Smithson Tennant (1761-1815) entdeckt, der im selben Jahr auch Iridium entdeckte. Tennant arbeitete mit Rohplatin aus Südamerika, das sich nicht vollständig in Königswasser löste. Er bemerkte, dass ein schwarzer, unlöslicher Rückstand nach der Behandlung blieb. Bei der Untersuchung dieses Rückstands identifizierte er zwei neue Elemente: eines, das farbige Salze bildete (das er Iridium nannte, nach Iris, der griechischen Göttin des Regenbogens), und ein anderes, das ein flüchtiges Oxid mit starkem Geruch bildete (das er Osmium nannte).
Frühe Studien zu Osmium waren aufgrund seiner großen Härte, Sprödigkeit und der Toxizität seiner flüchtigen Oxide schwierig. Das erste relativ reine metallische Osmium wurde 1804 von Tennant hergestellt. Erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts wurden jedoch effizientere Produktions- und Reinigungsmethoden entwickelt. Osmium war eines der letzten natürlichen Elemente, das in reiner Form isoliert wurde, aufgrund der technischen Herausforderungen, die seine Eigenschaften mit sich brachten.
Osmium ist eines der seltensten natürlichen Elemente auf der Erde mit einer geschätzten Krustenhäufigkeit von etwa 0,05 ppb (parts per billion). Es gibt keine primären Osmium-Bergwerke; es wird immer als Nebenprodukt der Verarbeitung anderer Metalle gewonnen, hauptsächlich:
Die weltweite Osmiumproduktion ist sehr gering und wird auf weniger als 1 Tonne pro Jahr geschätzt. Die Hauptproduzenten sind Südafrika, Russland, Kanada und die USA. Aufgrund seiner extremen Seltenheit, einzigartigen Eigenschaften und Produktionsschwierigkeiten ist Osmium eines der teuersten Metalle mit typischen Preisen von 10.000 bis 15.000 Dollar pro Kilogramm (oder viel mehr für bestimmte Formen). Die Nachfrage ist durch Nischenanwendungen und Verfügbarkeit begrenzt.
Osmium (Symbol Os, Ordnungszahl 76) ist ein Übergangsmetall der 6. Periode, das in der Gruppe 8 (früher VIII) des Periodensystems steht, zusammen mit Eisen, Ruthenium und Hassium. Es gehört zu den Platinmetallen (Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Iridium, Osmium). Sein Atom hat 76 Protonen, in der Regel 116 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{192}\mathrm{Os}\)) und 76 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d⁶ 6s². Diese Konfiguration weist sechs Elektronen in der 5d-Unterschale und zwei in der 6s auf.
Osmium ist ein bläulich-weißes, glänzendes, extrem dichtes, hartes und sprödes Metall. Es hält mehrere Rekorde unter den natürlichen Elementen:
Osmium hat bei Raumtemperatur eine hexagonale, dicht gepackte (hdp) Kristallstruktur, die zu seiner hohen Dichte und Härte beiträgt.
Osmium schmilzt bei 3033 °C (3306 K) - einer der höchsten Schmelzpunkte unter den Metallen - und siedet bei 5012 °C (5285 K). Es weist eine gute thermische Stabilität auf und behält seine mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen, ist jedoch im Allgemeinen spröde und schwer zu bearbeiten.
Bei Raumtemperatur ist Osmium relativ inert und korrosionsbeständig. Es bildet jedoch OsO₄ (Osmiumtetroxid) bei mäßigen Temperaturen in Gegenwart von Sauerstoff. OsO₄ ist ein blassgelber kristalliner Feststoff bei Raumtemperatur, sublimiert jedoch (geht direkt von fest zu gasförmig) bereits bei 40 °C und produziert dabei hochgiftige Dämpfe mit charakteristischem Geruch. Osmium wird von geschmolzenen Alkalien in Gegenwart von Oxidationsmitteln angegriffen und löst sich in Königswasser und konzentrierter Salpetersäure.
Dichte: 22,59 g/cm³ - die höchste aller natürlichen Elemente.
Schmelzpunkt: 3306 K (3033 °C) - einer der höchsten unter den Metallen.
Siedepunkt: 5285 K (5012 °C).
Kristallstruktur: Hexagonal dicht gepackt (hdp).
Elastizitätsmodul: ~550 GPa - extrem steif.
Härte: 7,0 auf der Mohs-Skala (rein) - sehr hart für ein Metall.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Osmium-184 — \(\,^{184}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 108 | 183,952489 u | ≈ 0,02 % | Stabil | Leichtestes stabiles Isotop, in der Natur sehr selten. |
| Osmium-186 — \(\,^{186}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 110 | 185,953838 u | ≈ 1,59 % | 2,0×10¹⁵ Jahre | Alpha-radioaktiv mit extrem langer Halbwertszeit. Für die meisten Anwendungen als stabil betrachtet. |
| Osmium-187 — \(\,^{187}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 111 | 186,955750 u | ≈ 1,96 % | Stabil | Wichtiges radiogenes Isotop (Produkt von ¹⁸⁷Re), entscheidend für die Re-Os-Geochronologie. |
| Osmium-188 — \(\,^{188}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 112 | 187,955838 u | ≈ 13,24 % | Stabil | Referenzstabiles Isotop für isotopische Messungen (¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os-Verhältnis). |
| Osmium-189 — \(\,^{189}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 113 | 188,958147 u | ≈ 16,15 % | Stabil | Wichtiges stabiles Isotop. |
| Osmium-190 — \(\,^{190}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 114 | 189,958447 u | ≈ 26,26 % | Stabil | Häufigstes stabiles Isotop in der Natur. |
| Osmium-192 — \(\,^{192}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 116 | 191,961481 u | ≈ 40,78 % | Stabil | Hauptstabiles Isotop, das etwa 41% der natürlichen Mischung ausmacht. |
N.B.:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Osmium hat 76 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d⁶ 6s² weist eine vollständig gefüllte 4f-Unterschale (14 Elektronen) und sechs Elektronen in der 5d-Unterschale auf. Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(8), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁶ 6s².
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen, verteilt auf 2s² 2p⁶. Diese Schale ist vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur elektronischen Abschirmung bei.
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen, verteilt auf 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Diese Schale bildet eine stabile Struktur.
O-Schale (n=5): enthält 32 Elektronen, verteilt auf 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁶. Die vollständig gefüllte 4f-Unterschale und die sechs 5d-Elektronen verleihen Osmium seine Übergangsmetalleigenschaften.
P-Schale (n=6): enthält 8 Elektronen in den 6s²- und 5d⁶-Unterschalen.
Osmium hat effektiv 8 Valenzelektronen: zwei 6s²-Elektronen und sechs 5d⁶-Elektronen. Osmium zeigt eine breite Palette von Oxidationszuständen, von -2 bis +8, wobei die Zustände +4, +6 und +8 die stabilsten und charakteristischsten sind.
Im Oxidationszustand +8 bildet Osmium OsO₄ (Osmiumtetroxid), eine flüchtige und hochgiftige kovalente Verbindung. Der Zustand +6 ist in Verbindungen wie OsF₆ (Hexafluorid) und Osmat(VI) bekannt. Der Zustand +4 ist sehr stabil und kommt in vielen Verbindungen wie OsO₂ (Osmiumdioxid) und Osmium(IV)-Komplexen vor. Osmium zeigt auch niedrigere Zustände (+3, +2, +1, 0, -2) in verschiedenen Koordinationskomplexen.
Osmium teilt mit Ruthenium die Fähigkeit, den Oxidationszustand +8 zu erreichen, den höchsten, der für ein Element bekannt ist, zusammen mit Ruthenium und Xenon. Diese reiche Chemie der Oxidationszustände, kombiniert mit der Fähigkeit von Osmium, multiple Bindungen mit Sauerstoff, Halogenen und anderen Liganden zu bilden, macht es zu einem chemisch sehr interessanten Element für Katalyse und organische Synthese.
Bei Raumtemperatur ist metallisches Osmium an der Luft stabil. Beim Erhitzen oxidiert es jedoch zu OsO₄: Os + 2O₂ → OsO₄. Diese Reaktion beginnt bei etwa 200-300 °C. OsO₄ ist ein blassgelber kristalliner Feststoff, der bereits bei 40 °C sublimiert (direkt von fest zu gasförmig übergeht). OsO₄-Dämpfe sind extrem giftig und haben einen charakteristischen stechenden Geruch, der dem Element seinen Namen gab. OsO₄ ist ein starkes Oxidationsmittel und reagiert mit vielen organischen Materialien.
Metallisches Osmium ist gegen die meisten kalten Säuren beständig:
Osmium wird von geschmolzenen Alkalien in Gegenwart von Oxidationsmitteln angegriffen und bildet lösliche Osmate.
N.B.:
Königswasser, oder aqua regia, ist eine ätzende Mischung aus konzentrierter Salpetersäure (HNO₃) und konzentrierter Salzsäure (HCl) in einem typischen Verhältnis von 1:3. Seine Fähigkeit, Gold und Platin aufzulösen, obwohl diese gegen die Säuren einzeln resistent sind, erklärt sich durch die in situ-Bildung von Chlor (Cl₂) und Nitrosylchlorid (NOCl), die diese Metalle zu löslichen Komplexionen (wie [AuCl₄]⁻) oxidieren. Seit der Alchemie zur Reinigung von Edelmetallen eingesetzt, spielt es nach wie vor eine entscheidende Rolle in der Metallurgie, Mikroelektronik und analytischen Chemie.
Osmium reagiert bei mäßigen Temperaturen mit Halogenen unter Bildung von Halogeniden. Mit Fluor bildet es OsF₆ (Hexafluorid, gelb-grüne Flüssigkeit) und OsF₄ (Tetrafluorid, gelber Feststoff). Mit Chlor bildet es OsCl₄ (Tetrachlorid, rot-brauner Feststoff) und OsCl₃ (Trichlorid, brauner Feststoff). Osmium reagiert bei hohen Temperaturen mit Schwefel zu OsS₂-Sulfid, mit Phosphor zu Phosphiden und mit Kohlenstoff zu OsC-Carbid. Es bildet auch Silizide, Boride und Nitride.
Die wichtigste und gefährlichste Osmiumverbindung ist Tetroxid (OsO₄). Eigenschaften:
Trotz seiner Toxizität wird OsO₄ in der Elektronenmikroskopie zur Fixierung und Färbung biologischer Proben und in der organischen Synthese als selektives Oxidationsmittel verwendet.
Die bekannteste Anwendung von Osmium ist seine Verwendung in ultra-harten Legierungen, insbesondere in der Legierung mit Iridium. Osmiridium ist eine natürliche oder synthetische Legierung, die in der Regel 30-70% Osmium mit Iridium und manchmal anderen Platinmetallen enthält. Diese Legierungen weisen außergewöhnliche Eigenschaften auf:
Während des größten Teils des 20. Jahrhunderts wurden hochwertige Füllfederhalterspitzen aus Osmiridium hergestellt. Eine kleine Osmiridium-Kugel wurde an die Spitze der Feder (in der Regel aus 14- oder 18-karätigem Gold) gelötet, um eine dauerhafte Schreibfläche zu bieten. Diese Spitzen konnten Millionen von Wörtern schreiben, ohne sich merklich abunutzen. Obwohl Kugelschreiber den Füllfederhalter im Alltagsgebrauch weitgehend ersetzt haben, verwenden hochwertige Füllfederhalter nach wie vor Spitzen aus Hartmetalllegierungen (häufig Ruthenium, Iridium oder Osmium).
Trotz seiner Toxizität ist OsO₄ ein wertvoller Katalysator in der organischen Synthese für die asymmetrische Hydroxylierung von Alkenen. In Gegenwart von Co-Oxidationsmitteln wie N-Methylmorpholin-N-oxid (NMO) oder Kaliumferricyanid katalysiert OsO₄ die Umwandlung von Alkenen in vicinale Diole (Glykole) mit hoher Stereoselektivität und Regioselektivität. Diese Reaktion, bekannt als Upjohn- oder Sharpless-Hydroxylierung (für die asymmetrische Version), ist entscheidend für die Synthese vieler natürlicher und pharmazeutischer Verbindungen.
Osmiumkomplexe, insbesondere solche in niedrigeren Oxidationszuständen, werden als Katalysatoren für die Hydrierung von Olefinen, Ketonen und anderen ungesättigten Verbindungen untersucht. Obwohl sie weniger verwendet werden als Ruthenium- oder Rhodiumkatalysatoren, zeigen einige Osmiumkomplexe interessante Aktivität und Selektivität für spezifische Reaktionen.
OsO₄ wird in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) als Fixier- und Färbemittel verwendet. Es fixiert biologische Strukturen durch Vernetzung ungesättigter Lipide und erhöht die Elektronendichte (Osmium ist ein schweres Element, das Elektronen gut streut). Dies ermöglicht die Visualisierung von Zellmembranen und anderen Lipidstrukturen mit hoher Auflösung.
Osmium und seine Legierungen werden für medizinische Implantate untersucht wegen:
Aufgrund der hohen Kosten und der Schwierigkeit der Verarbeitung ist seine Verwendung jedoch auf sehr spezialisierte Anwendungen beschränkt.
Osmiumtetroxid (OsO₄) ist extrem giftig:
Der berufliche Expositionsgrenzwert (PEL) für OsO₄ ist sehr niedrig: 0,0002 ppm (0,002 mg/m³) über 8 Stunden. Extrem vorsichtige Handhabung unter dem Abzug mit vollständiger Schutzausrüstung ist obligatorisch.
Reines metallisches Osmium ist viel weniger giftig als OsO₄. Osmiummetallstaub kann mechanische Reizungen verursachen, weist aber nicht die akute Toxizität von OsO₄ auf. Andere Osmiumverbindungen (Halogenide, niedere Oxide) haben variable, aber im Allgemeinen geringere Toxizitäten als OsO₄.
Abfälle, die Osmium enthalten, insbesondere OsO₄, müssen mit äußerster Vorsicht behandelt werden. OsO₄ wird in der Regel zu weniger giftigen Verbindungen (wie OsO₂) reduziert, bevor es entsorgt wird. Feste Abfälle, die Osmium enthalten, werden oft als gefährlicher Abfall behandelt.
Osmium wird recycelt aus:
Das Recycling ist wirtschaftlich attraktiv aufgrund des hohen Osmiumpreises, aber technisch schwierig wegen der geringen Mengen und der Verteilung in den Produkten. Die Recyclingmethoden umfassen pyrometallurgische und hydrometallurgische Verfahren.
Die berufliche Exposition gegenüber Osmium erfolgt hauptsächlich in:
Eine angemessene Belüftung, Abzüge und persönliche Schutzausrüstung (Handschuhe, Brille, Atemschutzmaske bei Bedarf) sind unerlässlich.
Das Atom in all seinen Formen: Von der antiken Intuition zur Quantenmechanik 
