Osmium

Osmium () ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Os und der Ordnungszahl 76; im Periodensystem der Elemente steht es in der 8. Gruppe, der Eisengruppe. Es ist ein hartes, sprödes, stahlblaues Übergangsmetall und gehört zu den Platinmetallen. Osmium besitzt mit 462 GPa den höchsten Kompressionsmodul aller Elemente, lediglich übertroffen von aggregierten Diamant-Nanostäbchen, und mit die höchste Dichte.

Biologische Funktionen von Osmium sind weder im menschlichen noch in anderen Organismen bekannt. Technisch wird Osmium wegen seines hohen Preises nur verwendet, wenn Haltbarkeit und Härte ausschlaggebend sind.

Geschichte Im Jahr 1800 kauften William Hyde Wollaston und Smithson Tennant 5959 Feinunzen (etwa 185 Kilogramm) Platinerz aus Kolumbien und untersuchten es, indem sie das Erz in Königswasser 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 Elemente Rhodium und Palladium.W. P. Griffith: Bicentenary of Four Platinum Group Metals Part I: Rhodium and Palladium – Events Surrounding their Discoveries. In: Platinum Metals Review. 47, 4, 2003, S. 175–183, .

Tennant kümmerte sich dagegen um den in Königswasser unlöslichen Rückstand. Er erhitzte das schwarze Pulver mit Natriumhydroxid 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 um Osmium(VIII)-oxid handelte. Als Tennant Kupfer, Zinn, Zink oder Phosphor zu einer Osmium(VIII)-oxid-Lösung gab, bildete sich metallisches Osmium. Auf Grund seines Geruches nannte er das neue Element Osmium, „Geruch, Gestank“. Bei seinen Experimenten entdeckte Tennant in dem Rückstand, der nach dem Erhitzen mit Natriumhydroxid blieb, noch ein weiteres Element, das Iridium. Seine Entdeckungen stellte er 1804 vor.W. P. Griffith: Bicentenary of Four Platinum Group Metals Part II. Osmium and Iridium - Events Surrounding Their Discoveries. In: Platinum Metals Review. 48, 4, 2004, S. 182–189, .Smithson Tennant: On two metals, found in the black powder remaining after the solution of platina. In: Philosophical Transactions. 94, 1804, S. 411–418, .

Gleichzeitig mit Tennant führten auch die französischen Chemiker Louis-Nicolas Vauquelin und Antoine-François de Fourcroy ähnliche Experimente mit Platinerz durch und entdeckten darin ein neues Element, das sie ptène 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.Rolf Haubrichs, Pierre-Léonard Zaffalon: Osmium vs. ‘Ptène’: The Naming of the Densest Metal. In: Johnson Matthey Technology Review. Nr. 61, 2017, S. 190–196, .

Die erste wichtige Anwendung des Metalls war am Anfang des 20. Jahrhunderts seine Verwendung als Material für Glühfäden in Glühlampen durch Carl Auer von Welsbach. Für die Herstellung mischte er feines Osmyltetraamminchlorid-Pulver mit karamellisiertem Zucker 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 der Weltausstellung in Paris vorgestellt. Ab 1906 wurde Osmium durch das besser geeignete Wolfram ersetzt. Welsbach bildete aus den Namen von Osmium und Wolfram den Markennamen Osram für die von ihm erfundene Glühlampe.Roland Adunka, Mary Virginia Orna: Carl Auer von Welsbach: Chemist, Inventor, Entrepreneur. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-77904-1, S. 86–90.

1908 entwickelte Fritz Haber mit einem Osmium-Katalysator ein Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus den Elementen, heute als Haber-Bosch-Verfahren bekannt.Fritz:Haber: Nobelvortrag. gehalten am 2. Juni 1920 (online auf nobelprize.org). Da das teure und nur in geringen Mengen verfügbare Osmium für eine großtechnische Umsetzung nicht geeignet war, suchte Alwin Mittasch einen geeigneten Ersatz und fand die seitdem genutzten Eisen-Katalysatoren.Maria Osietzki: Die nationalsozialistische Rezeption Julius Robert Mayers: Alwin Mittasch und das Konzept der Auslösung. In: Mitteilungen der Fachgruppe Geschichte der Chemie. Band 8, 1993, S. 61–65 (online bei der GDCh).

Vorkommen Osmium ist mit einem Anteil von 1 · 10−8 an der Erdkruste sehr selten.Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie. Band 1, 9. Auflage. dtv-Verlag, 2000, ISBN 3-423-03217-0. Es ist fast immer mit den anderen Platinmetallen Ruthenium, Rhodium, Iridium, Palladium und Platin vergesellschaftet. Osmium kommt häufig gediegen, aber auch gebunden als Sulfid, Selenid oder Tellurid vor.

Bei den Osmiumvorkommen wird 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 wurden die Metalle nach Verwitterung vom Wasser ausgewaschen und haben sich – bedingt durch ihre hohe Dichte – an geeigneten Stellen angereichert (vgl. Gold). Osmium kommt dabei vor allem in den natürlichen Legierungen Osmiridium und Iridosmin vor, die Osmium und Iridium in variablen Anteilen enthalten und nach ihrem überwiegenden Bestandteil entweder Osmium oder Iridium als Varietät zugerechnet 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.

Osmium als Mineral Mineralanerkennung Osmium war schon lange vor der 1958 gegründeten International Mineralogical Association (IMA) bekannt und als eigenständige Mineralart anerkannt. Damit hätte Osmium theoretisch den Status eines grandfathered Mineral. 1991 erfolgte jedoch eine Neudefinition der Platingruppen-Elementminerale und -legierungen durch Donald C. Harris und Louis J. Cabri. Seitdem werden innerhalb des ternären Systems Os-Ir-Ru alle hexagonalen Legierungen mit Os als Hauptelement als Osmium angesprochen. Die früher parallel verwendeten Mischkristall-Mineralnamen Iridosmin, Osmiridium und Rutheniridosmium sind entsprechend diskreditiert und gelten nun als Varietäten von Osmium.

Osmium ist seit dieser Neudefinition auch offiziell von der IMA als eigenständige Mineralart anerkannt und wird in der „Liste der Minerale und Mineralnamen“ der IMA unter der Summenanerkennung „1991 s.p.“ (special procedure) geführt.

Klassifikation In der letztmalig 1977 überarbeiteten 8. Auflage der Mineralsystematik nach Strunz gehörte Osmium zur Mineralklasse der „Elemente“ und dort zur Abteilung „Metalle und intermetallische Verbindungen“, wo er zusammen mit Iridosmium, Ruthenium und Rutheniridosmin die „Osmium-Reihe“ mit der Systemnummer I/A.05a bildete.

In der zuletzt 2018 überarbeiteten Lapis-Systematik nach Stefan Weiß, die formal auf der alten Systematik von Karl Hugo Strunz in der 8. Auflage basiert, erhielt das Mineral die System- und Mineralnummer I/A.13-020. Dies entspricht ebenfalls der Abteilung „Metalle und intermetallische Verbindungen“, wo Osmium zusammen mit Garutiit, Hexaferrum, Hexamolybdän, Rhenium, Rutheniridosmin und Ruthenium eine unbenannte Gruppe mit der Systemnummer I/A.13 bildet.

Auch die von der IMA zuletzt 2009 aktualisierte 9. Auflage der Strunz’schen Mineralsystematik ordnet Osmium in die Abteilung „Metalle und intermetallische Verbindungen“ ein. Diese ist weiter unterteilt nach den in der Verbindung vorherrschenden Metallen, die entsprechend ihrer verwandten Eigenschaften in Metallfamilien eingeteilt wurden. Das Mineral ist hier entsprechend seiner Zusammensetzung in der Unterabteilung „Platin-Gruppen-Elemente (PGE)“ zu finden, wo es zusammen mit Garutiit, Hexaferrum, Rutheniridosmin und Ruthenium die „Rutheniumgruppe“ mit der Systemnummer 1.AF.05 bildet.

In der vorwiegend im englischen Sprachraum gebräuchlichen und zuletzt 1997 veröffentlichten Systematik der Minerale nach Dana hat Osmium die System- und Mineralnummer 01.02.02.01. Dies entspricht ebenfalls der Klasse der „Elemente“ und dort der Abteilung „Elemente und Legierungen“, wo das Mineral zusammen mit Ruthenium, Rutheniridosmin und dem inzwischen diskreditierten Rhenium in der „Osmiumgruppe“ mit der Systemnummer 01.02.02 zu finden ist.

Osmiumfunde Für gediegen Osmium sind weltweit bisher mehr als 300 Vorkommen dokumentiert (Stand 2026).

Die Fundstätten liegen überwiegend in Australien, China, Frankreich, Japan, Kanada, Russland und den Vereinigten Staaten.Fundortliste für Osmium beim Mineralienatlas (deutsch) und bei Mindat (englisch), abgerufen am 3. Mai 2024.

In Deutschland kennt man Osmiumfunde bisher nur aus Breisach am Rhein sowie an unbenannten Seifen am Ober- und Hochrhein in Baden-Württemberg, aus einer Donauseife bei Straubing in Niederbayern und aus der Holcim-Kiesgrube bei Rheinzabern in Rheinland-Pfalz. Der bisher einzige bekannte Fundort in Österreich ist eine unbenannte Chromitgrube am Mitterberg bei Sankt Stefan ob Leoben in der Steiermark.

Gewinnung und Darstellung mini|Osmium-Kristallcluster, gezüchtet mittels einer chemischen Transportreaktion Die Herstellung von Osmium ist aufwendig 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, wobei nach und nach die Elemente voneinander getrennt werden.

Als Ausgangsmaterial dienen edelmetallhaltige Erze oder Anodenschlamm aus der Nickel- oder Goldgewinnung. 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 Rhodium(III)-sulfat gelöst und abgetrennt werden. Danach wird der verbleibende Rückstand mit Natriumperoxid geschmolzen, wodurch Osmium und Ruthenium gelöst werden und das unlösliche Iridium zurückbleibt. 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 abgetrennt werden. Das Osmium wird mit Ammoniumchlorid als Komplex ausgefällt und schließlich mit Wasserstoff zu metallischem Osmium reduziert:

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

Osmium wird nur in sehr geringen Mengen gewonnen, die Produktionsmenge liegt weltweit bei ca. 100 kg pro Jahr.Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

Eigenschaften Physikalische Eigenschaften mini|links|Kristallstruktur von Os, a = 273,5 pm, c = 431,9 pmK. Schubert: Ein Modell für die Kristallstrukturen der chemischen Elemente. In: Acta Crystallographica. B30, 1974, S. 193–204; doi:10.1107/S0567740874002469. mini|Osmium als Schmelzperle

Metallisches Osmium ist ein auch bei höheren Temperaturen glänzendes Schwermetall von stahlblauer Farbe. Es kristallisiert in einer hexagonal-dichtesten Kugelpackung in der mit den Gitterparametern a = 273,5 pm, c = 431,9 pm sowie zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle.

Osmium ist vor 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.