L'osmium est synthétisé dans les étoiles principalement par le processus r (capture rapide de neutrons) qui se produit lors d'événements cataclysmiques comme les supernovae et les fusions d'étoiles à neutrons. En tant qu'élément lourd avec un numéro atomique pair (Z=76), il est produit efficacement par ce processus. L'osmium présente également une contribution significative du processus s (capture lente de neutrons) dans les étoiles AGB (géantes asymptotiques), mais la contribution du processus r domine, estimée à 70-80% de son abondance solaire. L'osmium fait partie du "pic de l'osmium" dans le spectre de production des éléments lourds par capture neutronique.
L'abondance cosmique de l'osmium est d'environ 6,0×10⁻¹³ fois celle de l'hydrogène en nombre d'atomes, ce qui le rend comparable au platine et à l'or en rareté, et environ 2-3 fois plus rare que le tungstène. L'osmium possède sept isotopes naturels, dont le plus abondant est l'osmium-192 (41,0%). Les abondances isotopiques de l'osmium, en particulier le rapport ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os, sont d'une importance cruciale en géochimie et cosmochimie.
Le système isotopique rhénium-osmium (¹⁸⁷Re → ¹⁸⁷Os) est un des outils chronologiques les plus importants pour l'étude de l'évolution de la Terre et du système solaire. L'osmium-187 est l'isotope radiogénique produit par la désintégration bêta du rhénium-187 (demi-vie de 41,6 milliards d'années). L'importance de ce système vient des différences géochimiques marquées entre ces éléments : le rhénium est modérément sidérophile et chalcopyhile (préfère les sulfures), tandis que l'osmium est fortement sidérophile (préfère le métal). Ces différences créent des fractionnements importants lors de la formation du noyau planétaire et de la différenciation des réservoirs géologiques.
Le système Re-Os est particulièrement utile pour :
Le rapport ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os est considéré comme l'un des traceurs les plus sensibles de l'interaction entre le manteau et la croûte terrestre.
L'osmium tire son nom du grec ancien ὀσμή (osmḗ), qui signifie "odeur". Ce nom a été choisi par son découvreur Smithson Tennant en raison de l'odeur piquante et désagréable de l'oxyde d'osmium (OsO₄), qui évoque l'ozone ou le chlore. L'osmium partage cette étymologie avec l'ozone (O₃), qui a également une odeur caractéristique. C'est l'un des rares éléments nommés d'après une propriété sensorielle.
L'osmium fut découvert en 1803 par le chimiste anglais Smithson Tennant (1761-1815), qui découvrit également l'iridium la même année. Tennant travaillait sur le platine brut provenant d'Amérique du Sud, qui ne se dissolvait pas complètement dans l'eau régale. Il remarqua qu'un résidu noir insoluble restait après traitement. En étudiant ce résidu, il identifia deux nouveaux éléments : l'un produisant des sels colorés (qu'il nomma iridium, d'après Iris, la déesse grecque de l'arc-en-ciel), et l'autre produisant un oxyde volatil à l'odeur forte (qu'il nomma osmium).
Les premières études sur l'osmium furent difficiles en raison de sa grande dureté, de sa fragilité et de la toxicité de ses oxydes volatils. Le premier osmium métallique relativement pur fut produit en 1804 par Tennant. Cependant, ce n'est qu'au milieu du 19ème siècle que des méthodes plus efficaces de production et de purification furent développées. L'osmium fut l'un des derniers éléments naturels à être isolé sous forme pure, en raison des défis techniques posés par ses propriétés.
L'osmium est l'un des éléments naturels les plus rares sur Terre, avec une abondance crustale estimée à environ 0,05 ppb (parties par milliard). Il n'existe pas de gisements miniers d'osmium primaire ; il est toujours récupéré comme sous-produit du traitement d'autres métaux, principalement :
La production mondiale d'osmium est très faible, estimée à moins de 1 tonne par an. Les principaux producteurs sont l'Afrique du Sud, la Russie, le Canada et les États-Unis. En raison de son extrême rareté, de ses propriétés uniques et de la difficulté de production, l'osmium est l'un des métaux les plus chers, avec des prix typiques de 10 000 à 15 000 dollars par kilogramme (voire beaucoup plus pour certaines formes). La demande est limitée par les applications de niche et la disponibilité.
L'osmium (symbole Os, numéro atomique 76) est un métal de transition de la 6ème période, situé dans le groupe 8 (anciennement VIII) du tableau périodique, avec le fer, le ruthénium et le hassium. Il appartient aux métaux du groupe du platine (platine, palladium, rhodium, ruthénium, iridium, osmium). Son atome possède 76 protons, généralement 116 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{192}\mathrm{Os}\)) et 76 électrons avec la configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d⁶ 6s². Cette configuration présente six électrons dans la sous-couche 5d et deux dans la 6s.
L'osmium est un métal blanc bleuâtre, brillant, extrêmement dense, dur et cassant. Il présente plusieurs records parmi les éléments naturels :
L'osmium présente une structure cristalline hexagonale compacte (HC) à température ambiante, qui contribue à sa grande densité et à sa dureté.
L'osmium fond à 3033 °C (3306 K) - l'un des points de fusion les plus élevés parmi les métaux - et bout à 5012 °C (5285 K). Il présente une bonne stabilité thermique et conserve ses propriétés mécaniques à haute température, bien qu'il soit généralement fragile et difficile à travailler.
À température ambiante, l'osmium est relativement inerte et résiste à la corrosion. Cependant, il forme l'oxyde OsO₄ (tétroxyde d'osmium) à température modérée en présence d'oxygène. OsO₄ est un solide cristallin jaune pâle à température ambiante, mais il sublime (passe directement de solide à gaz) à seulement 40 °C, produisant des vapeurs très toxiques à l'odeur caractéristique. L'osmium est attaqué par les alcalis fondus en présence d'oxydants, et se dissout dans l'eau régale et l'acide nitrique concentré.
Densité : 22,59 g/cm³ - la plus élevée de tous les éléments naturels.
Point de fusion : 3306 K (3033 °C) - parmi les plus élevés des métaux.
Point d'ébullition : 5285 K (5012 °C).
Structure cristalline : Hexagonale compacte (HC).
Module d'élasticité : ~550 GPa - extrêmement rigide.
Dureté : 7,0 sur l'échelle de Mohs (pur) - très dur pour un métal.
| Isotope / Notation | Protons (Z) | Neutrons (N) | Masse atomique (u) | Abondance naturelle | Demi-vie / Stabilité | Désintégration / Remarques |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Osmium-184 — \(\,^{184}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 108 | 183,952489 u | ≈ 0,02 % | Stable | Isotope stable le plus léger, très rare dans la nature. |
| Osmium-186 — \(\,^{186}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 110 | 185,953838 u | ≈ 1,59 % | 2,0×10¹⁵ ans | Radioactif alpha avec demi-vie extrêmement longue. Considéré comme stable pour la plupart des applications. |
| Osmium-187 — \(\,^{187}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 111 | 186,955750 u | ≈ 1,96 % | Stable | Isotope radiogénique important (produit de ¹⁸⁷Re), crucial pour la géochronologie Re-Os. |
| Osmium-188 — \(\,^{188}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 112 | 187,955838 u | ≈ 13,24 % | Stable | Isotope stable de référence pour les mesures isotopiques (rapport ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os). |
| Osmium-189 — \(\,^{189}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 113 | 188,958147 u | ≈ 16,15 % | Stable | Isotope stable important. |
| Osmium-190 — \(\,^{190}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 114 | 189,958447 u | ≈ 26,26 % | Stable | Isotope stable le plus abondant dans la nature. |
| Osmium-192 — \(\,^{192}\mathrm{Os}\,\) | 76 | 116 | 191,961481 u | ≈ 40,78 % | Stable | Isotope stable majoritaire, représentant environ 41% du mélange naturel. |
N.B. :
Couches électroniques : Comment les électrons sont organisés autour du noyau.
L'osmium possède 76 électrons répartis sur six couches électroniques. Sa configuration électronique [Xe] 4f¹⁴ 5d⁶ 6s² présente une sous-couche 4f complètement remplie (14 électrons) et six électrons dans la sous-couche 5d. Cette configuration peut également s'écrire : K(2) L(8) M(18) N(18) O(32) P(8), ou de manière complète : 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d⁶ 6s².
Couche K (n=1) : contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2) : contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3) : contient 18 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Cette couche complète contribue à l'écran électronique.
Couche N (n=4) : contient 18 électrons répartis en 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Cette couche forme une structure stable.
Couche O (n=5) : contient 32 électrons répartis en 5s² 5p⁶ 4f¹⁴ 5d⁶. La sous-couche 4f complètement remplie et les six électrons 5d confèrent à l'osmium ses propriétés de métal de transition.
Couche P (n=6) : contient 8 électrons dans les sous-couches 6s² et 5d⁶.
L'osmium possède effectivement 8 électrons de valence : deux électrons 6s² et six électrons 5d⁶. L'osmium présente une large gamme d'états d'oxydation, de -2 à +8, avec les états +4, +6 et +8 étant les plus stables et les plus caractéristiques.
Dans l'état d'oxydation +8, l'osmium forme l'oxyde OsO₄ (tétroxyde d'osmium), un composé covalent volatil et très toxique. L'état +6 est connu dans des composés comme OsF₆ (hexafluorure) et les osmates(VI). L'état +4 est très stable et se trouve dans de nombreux composés comme OsO₂ (dioxyde d'osmium) et les complexes d'osmium(IV). L'osmium présente également des états inférieurs (+3, +2, +1, 0, -2) dans divers complexes de coordination.
L'osmium partage avec le ruthénium la capacité à atteindre l'état d'oxydation +8, le plus élevé connu pour tout élément avec le ruthénium et le xenon. Cette chimie riche en états d'oxydation, combinée à la capacité de l'osmium à former de multiples liaisons avec l'oxygène, les halogènes et d'autres ligands, en fait un élément chimiquement très intéressant pour la catalyse et la synthèse organique.
À température ambiante, l'osmium métallique est stable à l'air. Cependant, lorsqu'il est chauffé, il s'oxyde pour former l'oxyde OsO₄ : Os + 2O₂ → OsO₄. Cette réaction commence vers 200-300 °C. OsO₄ est un solide cristallin jaune pâle qui sublime à seulement 40 °C (passe directement de solide à gaz). Les vapeurs d'OsO₄ sont extrêmement toxiques, avec une odeur piquante caractéristique qui a donné son nom à l'élément. OsO₄ est un oxydant puissant et réagit avec de nombreux matériaux organiques.
L'osmium métallique est résistant à la plupart des acides à froid :
L'osmium est attaqué par les alcalis fondus en présence d'oxydants, formant des osmates solubles.
N.B. :
L'eau régale, ou aqua regia, est un mélange corrosif d'acide nitrique concentré (HNO₃) et d'acide chlorhydrique concentré (HCl) dans un rapport typique de 1:3. Sa capacité à dissoudre l'or et le platine, pourtant résistants aux acides séparés, s'explique par la formation in situ de chlore (Cl₂) et de chlorure de nitrosyle (NOCl), qui oxydent ces métaux en ions complexes solubles (comme [AuCl₄]⁻). Utilisée depuis l'alchimie pour la purification des métaux précieux, elle joue toujours un rôle crucial en métallurgie, microélectronique et chimie analytique.
L'osmium réagit avec les halogènes à température modérée pour former des halogénures. Avec le fluor, il forme OsF₆ (hexafluorure, liquide jaune-vert) et OsF₄ (tétrafluorure, solide jaune). Avec le chlore, il forme OsCl₄ (tétrachlorure, solide rouge-brun) et OsCl₃ (trichlorure, solide brun). L'osmium réagit avec le soufre à haute température pour former le sulfure OsS₂, avec le phosphore pour former des phosphures, et avec le carbone pour former le carbure OsC. Il forme également des siliciures, borures et nitrures.
Le composé le plus important et le plus dangereux de l'osmium est le tétroxyde (OsO₄). Propriétés :
En dépit de sa toxicité, OsO₄ est utilisé en microscopie électronique pour fixer et colorer les échantillons biologiques, et en synthèse organique comme oxydant sélectif.
L'application la plus célèbre de l'osmium est son utilisation dans les alliages ultra-durs, particulièrement l'alliage avec l'iridium. L'osmiridium est un alliage naturel ou synthétique contenant généralement 30-70% d'osmium avec de l'iridium, et parfois d'autres métaux du groupe du platine. Ces alliages présentent des propriétés exceptionnelles :
Pendant la majeure partie du 20ème siècle, les pointes de stylos à plume de qualité étaient fabriquées en osmiridium. Une petite boule d'osmiridium était soudée à l'extrémité de la plume (généralement en or 14 ou 18 carats) pour fournir une surface d'écriture durable. Ces pointes pouvaient écrire des millions de mots sans s'user de manière significative. Bien que les stylos à bille aient largement remplacé les stylos à plume pour l'usage quotidien, les stylos à plume de qualité utilisent encore des pointes en alliages de métaux durs (souvent en ruthénium, iridium ou osmium).
Malgré sa toxicité, OsO₄ est un catalyseur précieux en synthèse organique pour l'hydroxylation asymétrique des alcènes. En présence de co-oxydants comme le N-méthylmorpholine N-oxyde (NMO) ou le ferricyanure de potassium, OsO₄ catalyse la conversion des alcènes en diols vicinaux (glycols) avec une stéréosélectivité et une régiosélectivité élevées. Cette réaction, connue sous le nom d'hydroxylation de Upjohn ou de Sharpless (pour la version asymétrique), est cruciale pour la synthèse de nombreux composés naturels et pharmaceutiques.
Les complexes d'osmium, particulièrement ceux aux états d'oxydation inférieurs, sont étudiés comme catalyseurs pour l'hydrogénation des oléfines, des cétones et d'autres composés insaturés. Bien que moins utilisés que les catalyseurs au ruthénium ou au rhodium, certains complexes d'osmium présentent une activité et une sélectivité intéressantes pour des réactions spécifiques.
OsO₄ est utilisé en microscopie électronique à transmission (MET) comme agent de fixation et de coloration. Il fixe les structures biologiques en réticulant les lipides insaturés et en ajoutant de la densité électronique (l'osmium étant un élément lourd qui diffuse bien les électrons). Cela permet de visualiser les membranes cellulaires et autres structures lipidiques avec une grande résolution.
L'osmium et ses alliages sont étudiés pour les implants médicaux en raison de :
Cependant, le coût élevé et la difficulté de travail limitent son utilisation aux applications très spécialisées.
Le tétroxyde d'osmium (OsO₄) est extrêmement toxique :
La limite d'exposition professionnelle (PEL) pour OsO₄ est très basse : 0,0002 ppm (0,002 mg/m³) sur 8 heures. Une manipulation extrêmement prudente sous hotte, avec équipement de protection complet, est obligatoire.
L'osmium métallique pur est beaucoup moins toxique que OsO₄. Les poussières d'osmium métallique peuvent provoquer des irritations mécaniques mais ne présentent pas la toxicité aiguë de OsO₄. Les autres composés d'osmium (halogénures, oxydes inférieurs) ont des toxicités variables mais généralement inférieures à OsO₄.
Les déchets contenant de l'osmium, particulièrement OsO₄, doivent être traités avec des précautions extrêmes. OsO₄ est généralement réduit en composés moins toxiques (comme OsO₂) avant élimination. Les déchets solides contenant de l'osmium sont souvent traités comme des déchets dangereux.
L'osmium est recyclé à partir de :
Le recyclage est économiquement intéressant en raison du prix élevé de l'osmium, mais techniquement difficile en raison des faibles quantités et de la dispersion dans les produits. Les méthodes de recyclage incluent des procédés pyrométallurgiques et hydrométallurgiques.
L'exposition professionnelle à l'osmium se produit principalement dans :
Une ventilation adéquate, des hottes chimiques, et un équipement de protection individuel (gants, lunettes, appareil respiratoire si nécessaire) sont essentiels.
L’atome sous toutes ses formes : de l’intuition antique à la mécanique quantique 
