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오스뮴

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목차

1. 개요

오스뮴은 청색을 띠는 고체 금속 원소로, 자연에서 발견되는 원소 중 밀도가 가장 크다. 단단하고 부서지기 쉬운 성질을 가지며, 녹는점이 매우 높고 압축률이 낮아 가공이 어렵다. 오스뮴은 다양한 산화 상태를 가지며, 사산화 오스뮴(OsO₄) 형태로 존재할 경우 독성을 띤다. 1803년 백금 잔류물에서 발견되었으며, 주로 백금 및 니켈 광석 처리의 부산물로 생산된다. 이리듐과의 합금 형태로 만년필 펜촉, 전기 접점 등에 사용되며, 사산화오스뮴은 지문 감식 및 전자 현미경에서 지방 조직 염색에 활용된다. 오스뮴은 상업적 용도가 제한적이며, 독성으로 인해 안전하게 보관하기 어려워 가격 변동이 크지 않다.

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오스뮴
기본 정보
푸른색을 띤 은백색의 오스뮴 결정
원소 이름오스뮴
영어 이름Osmium
원소 기호Os
원자 번호76
이전 원소레늄
다음 원소이리듐
위 원소Ru
아래 원소Hs
분류전이 금속
족8
주기6
블록d
겉모습청백색을 띠는 은색
CAS 등록 번호7440-04-2
물리적 성질
원자 질량190.23
전자 배치[Xe] 4f14 5d6 6s2
껍질 당 전자 수2, 8, 18, 32, 14, 2
상온에서의 상태고체
밀도22.587 g/cm3
녹는점3306 K (3033 °C, 5491 °F)
끓는점5281 K (5008 °C, 9046 °F)
융해열31 kJ/mol
기화열378 kJ/mol
열용량24.7 J/(mol·K)
증기압 (1 Pa)3160 K
증기압 (10 Pa)3423 K
증기압 (100 Pa)3751 K
증기압 (1 kPa)4148 K
증기압 (10 kPa)4638 K
증기압 (100 kPa)5256 K
결정 구조조밀 육방 격자
격자 상수a = 273.42 pm
c = 431.99 pm (20 °C)
전기 음성도2.2 (폴링 척도)
이온화 에너지 (1차)840 kJ/mol
이온화 에너지 (2차)1600 kJ/mol
원자 반지름135 pm
공유 반지름144±4 pm
자기 정렬상자성
전기 저항 (0°C)81.2 nΩ·m
열전도율87.6 W/(m·K)
열팽창 계수 (20 °C)4.99×10−6/K
음속 (막대, 20°C)4940 m/s
전단 탄성 계수222 GPa
푸아송 비0.25
부피 탄성 계수462 GPa
모스 경도7.0
브리넬 경도3920 MPa
비커스 경도4137 MPa
자기 감수율11×10−6
화학적 성질
산화 상태8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2 (약산성 산화물)
동위 원소
동위 원소질량수: 184
존재비: 0.02%
반감기: 1.1×1013 년
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 2.963 MeV
붕괴 생성 원소: 180 (W)
질량수: 185
존재비: 인공
반감기: 93.6 일
붕괴 방식: ε
붕괴 에너지: 1.013 MeV
붕괴 생성 원소: 185 (Re)
질량수: 186
존재비: 1.59%
반감기: 2.0×1015 년
붕괴 방식: α
붕괴 에너지: 2.822 MeV
붕괴 생성 원소: 182 (W)
질량수: 187
존재비: 1.96%

질량수: 188
존재비: 13.24%

질량수: 189
존재비: 16.15%

질량수: 190
존재비: 26.26%

질량수: 191
존재비: 인공
반감기: 15.4 일
붕괴 방식: β-
붕괴 에너지: 0.314 MeV
붕괴 생성 원소: 191 (Ir)
질량수: 192
존재비: 40.78%
반감기: > 9.8×1012 년 (미확인)
붕괴 방식: β-β-
붕괴 에너지: 0.414 MeV
붕괴 생성 원소: 192 (Pt)
질량수: 193
존재비: 인공
반감기: 30.11 일
붕괴 방식: β-
붕괴 에너지: 1.141 MeV
붕괴 생성 원소: 193 (Ir)
질량수: 194
존재비: 인공
반감기: 6 년
붕괴 방식: β-
붕괴 에너지: 0.097 MeV
붕괴 생성 원소: 194 (Ir)
역사
발견자스미스슨 테넌트
발견 년도1803년

2. 특징

오스뮴은 상온에서 청색을 띠는 고체 금속이다. 천연에서 발견되는 밀도가 가장 큰 원소이다.[7][8]

순도 99.99% 오스뮴 결정 2.2 g.


오스뮴, 재용융된 펠릿


오스뮴은 단단하고 부서지기 쉬운 청회색 금속이며, 가장 밀도가 높은 안정한 원소이다. 납의 약 두 배에 달하는 밀도를 지닌다. 오스뮴의 밀도는 이리듐보다 약간 높다. 1990년대에 X선 결정학을 이용하여 오스뮴이 두 원소 중 더 밀도가 높다는 것이 확실해졌다.

오스뮴은 단단하지만 부서지기 쉬운 금속으로 고온에서도 광택을 유지한다. 압축률이 매우 낮다. 따라서 체적 탄성률이 매우 높으며, 다이아몬드와 맞먹는다. 오스뮴의 경도는 중간 정도로 높다. 경도, 부서지기 쉬운 성질, 낮은 증기압(백금족 금속 중 가장 낮음), 매우 높은 녹는점(모든 원소 중 네 번째로 높음, 탄소, 텅스텐, 레늄 다음) 때문에 고체 오스뮴은 기계 가공, 성형 또는 작업이 어렵다.

2. 1. 물리적 특성

오스뮴은 단단하고 부서지기 쉬운 청회색 금속으로, 고온에서도 광택을 유지한다.[10][11][12] 밀도는 납의 약 두 배이며, 이리듐보다 약간 높다.[83] X선 결정학으로 측정한 결과, 오스뮴의 밀도는 22.587 g/cm³이다.[7][8]

오스뮴은 압축률이 매우 낮고, 체적 탄성률은 ~로 보고되는데, 이는 다이아몬드()와 맞먹는다.[10][11][12] 경도는 로 중간 정도로 높다.[10][11][12] 녹는점은 모든 원소 중 탄소, 텅스텐, 레늄 다음으로 높으며,[12] 증기압은 백금족 금속 중 가장 낮다.[12] 이러한 특성으로 인해 고체 오스뮴은 기계 가공, 성형, 작업이 어렵다.

2. 2. 화학적 특성

오스뮴은 -4에서 +8까지 다양한 산화 상태를 가질 수 있으며, +2, +3, +4, +8이 가장 일반적이다.[25][26][28][29] +8 산화 상태는 사산화 오스뮴(OsO4)에서 나타나며, 이는 크세논[15][16], 루테늄[17], 하슘[18], 이리듐[19] 및 플루토늄[20][21]에서만 발견되는 높은 산화상태이다. 분말 오스뮴은 상온에서 서서히 산화되어 사산화 오스뮴을 생성하며, 이는 강한 냄새와 독성을 가진다.[24]

사산화오스뮴 ()


사산화오스뮴은 염기와 반응하면 적색 오스메이트 를 형성한다.[25][26][27] 암모니아와 함께 니트리도-오스메이트 를 형성한다.[96][97][98]

상온, 상압에서 오스뮴은 안정적이며, 왕수를 포함한 대부분의 산과 염기에 대한 부식에 저항성이 있지만,[102] 고온에서 및 에 의해, 그리고 뜨겁고 진한 질산에 의해 공격을 받아 를 생성한다. 과산화나트륨 () 또는 염소산칼륨 ()과 같은 산화제와 융합된 용융 알칼리에 용해되어 과 같은 오스메이트를 생성할 수 있다.[28]

3. 역사

오스뮴은 1803년 영국 런던에서 스미스슨 테넌트(Smithson Tennant)와 윌리엄 하이드 월러스턴(William Hyde Wollaston)이 왕수(aqua regia)에 녹지 않는 백금 잔류물에서 발견되었다.[35][107] 오스뮴의 발견은 백금 및 다른 백금족 원소들의 발견과 밀접하게 연관되어 있다. 백금은 17세기 후반 콜롬비아 초코 주(Chocó Department)의 은광에서 처음 발견되어 "작은 은"을 의미하는 플라티나(platina)라는 이름으로 유럽에 전해졌다.[36][108] 이 금속이 합금이 아니라 별개의 새로운 원소라는 사실은 1748년에 발표되었다.[37][109]

백금을 연구한 화학자들은 염산(hydrochloric)과 질산의 혼합물인 왕수에 백금을 녹여 가용성 염을 만들었다. 그들은 항상 소량의 어둡고 불용성인 잔류물을 관찰했다.[38][110] 조제프 루이 프루스트(Joseph Louis Proust)는 그 잔류물이 흑연(graphite)이라고 생각했다.[38][110] 빅토르 콜레-데스코틸(Victor Collet-Descotils), 앙투안 프랑수아 드 포크로아 백작(Antoine François, comte de Fourcroy), 루이 니콜라 보클랭(Louis Nicolas Vauquelin)도 1803년에 검은 백금 잔류물에서 이리듐을 관찰했지만, 추가 실험을 위한 충분한 물질을 얻지 못했다.[38][110]

1803년, 스미스슨 테넌트는 불용성 잔류물을 분석하여 이리듐과 오스뮴이라는 두 가지의 이전에 발견되지 않은 원소를 확인했다.[38][110] 그는 적열에서 수산화나트륨(sodium hydroxide)과의 반응으로 황색 용액을 얻었다. 산성화 후 그는 생성된 OsO₄를 증류할 수 있었다.[40][112] 테넌트는 휘발성 사산화오스뮴의 염소와 약간 마늘 냄새가 나는 특징 때문에 그리스어 ''osme''(냄새)에서 유래하여 오스뮴이라고 명명했다.[42][114] 새로운 원소의 발견은 1804년 6월 21일 왕립 학회(Royal Society)에 보낸 편지에 기록되었다.[38][43][110][115]

우라늄과 오스뮴은 초기의 성공적인 하버-보슈법(Haber process) 촉매였는데, 질소와 수소의 질소 고정 반응을 통해 암모니아를 생산하여 경제적으로 성공적인 공정을 가능하게 할 만큼 충분한 수율을 제공했다. 당시, Carl Bosch가 이끄는 BASF(BASF)의 한 연구팀은 촉매로 사용하기 위해 세계의 오스뮴 공급량 대부분을 구입했다. 그 후 얼마 지나지 않아, 1908년에 같은 연구팀이 최초의 파일럿 플랜트를 위해 철과 산화철을 기반으로 한 더 저렴한 촉매를 도입하여 값비싸고 희귀한 오스뮴에 대한 필요성을 없앴다.[44][116]

오스뮴은 현재 주로 백금과 니켈 광석의 처리에서 얻는다.[45][117]

4. 동위 원소

오스뮴은 자연적으로 발생하는 7가지 동위원소를 가지고 있으며, 그중 5가지(187Os, 188Os, 189Os, 190Os, 그리고 가장 풍부한 192Os)는 안정적이다.[31] 186Os는 매우 긴 반감기(약 2.0×1015년, 우주의 나이의 약 140,000배)를 가진 알파 붕괴를 겪지만, 실질적으로는 안정적인 것으로 간주된다.[103] 184Os 또한 반감기 1.12 × 1013년의 알파 붕괴를 겪는 것으로 알려져 있다.[103] 다른 모든 자연 발생 동위원소들도 알파 붕괴를 할 것으로 예측되지만, 아마도 매우 긴 반감기 때문에 관측된 적이 없다. 184Os와 192Os는 이중 베타 붕괴를 할 수 있을 것으로 예측되지만, 이 방사능은 아직 관측되지 않았다.[31][104]187Os는 187Re(반감기 4.56×1010년)의 붕괴 생성물이며, 레늄-오스뮴 연대 측정을 통해 지구와 운석의 연대 측정에 널리 사용된다.[33][105] 또한 지질 시대의 대륙 풍화의 강도를 측정하고, 대륙 크라톤의 맨틀 뿌리의 안정화에 대한 최소 연령을 결정하는 데에도 사용되었다.[33][105] 이 붕괴는 레늄이 풍부한 광물이 187Os가 비정상적으로 풍부한 이유이다.[33][105] 지질학에서 오스뮴 동위원소의 가장 주목할 만한 응용은 이리듐의 풍부함과 함께, 6500만 년 전 비조류 공룡의 멸종을 표시하는 K-Pg 경계를 따라 충격 석영 층을 특징짓는 데 사용되었다는 것이다.[34][106]

5. 발생

오스뮴은 지구 지각에서 가장 희귀한 안정 원소 중 하나이며, 대륙 지각에서 평균 질량 분율은 50ppt이다.[46][118]

다른 백금족 금속의 흔적을 포함하는 천연 백금


자연 상태에서 비결합 원소 또는 천연 합금, 특히 이리듐-오스뮴 합금인 오스미리듐(이리듐이 풍부)과 이리도스뮴(오스뮴이 풍부)으로 발견된다.[47][119] 니켈과 구리 광상에서 백금족 금속은 황화물(예: (Pt,Pd)S), 텔루르화물(예: PtBiTe), 안티모니드(예: PdSb) 및 비소화물(예: PtAs2)로 존재하며, 이 화합물들에서 백금은 소량의 이리듐과 오스뮴으로 치환된다. 오스뮴은 니켈 또는 구리와의 합금으로 자연적으로 발견될 수 있다.[48][120]

지구 지각 내에서 오스뮴은 이리듐과 마찬가지로 화성암 광상(아래로부터의 지각 관입), 운석 충돌구, 그리고 이전 구조 중 하나에서 재작업된 광상에서 높은 농도로 발견된다. 가장 큰 알려진 주요 매장량은 남아프리카 공화국의 부시벨트 암상에 있다.[49][121] 러시아의 노릴스크 근처의 대규모 구리-니켈 광상과 캐나다의 서드베리 분지도 중요한 오스뮴 공급원이다. 미국에서도 소규모 매장량을 찾을 수 있다.[49][121] 콜롬비아 초코 주에서 콜럼버스 이전 시대 사람들이 사용했던 사광상은 여전히 백금족 금속의 공급원이다. 두 번째로 큰 사광상은 러시아의 우랄 산맥에서 발견되었으며, 현재도 채굴되고 있다.[45][50][117][122] 일본에서는 홋카이도에 많이 산출된다.

6. 생산

오스뮴은 상업적으로 니켈과 구리 채광 및 처리 과정에서 부산물로 얻어진다. 구리와 니켈의 전해 정련 중에 은, 금, 백금족 금속과 같은 귀금속과 셀레늄, 텔루륨과 같은 비금속 원소는 전극 침전물(anode mud)로 전지 바닥에 가라앉는데, 이것이 이들 금속을 추출하는 원료가 된다.[51][52] 금속을 분리하려면 먼저 용액 상태로 만들어야 하며, 분리 공정과 혼합물의 조성에 따라 과산화나트륨과의 용융 후 왕수에 용해하는 방법과 염소와 염산의 혼합물에 용해하는 방법 등 여러 가지 방법이 사용된다.[49][53]

오스뮴, 루테늄, 로듐, 이리듐은 왕수에 불용성이기 때문에 백금, 금, 기타 기본 금속으로부터 분리할 수 있으며, 고체 잔류물로 남는다. 로듐은 용융된 황산수소나트륨으로 처리하여 잔류물에서 분리할 수 있다. 루테늄, 오스뮴, 이리듐을 포함하는 불용성 잔류물은 산화나트륨으로 처리하는데, 이리듐은 불용성이므로 물에 용해되는 루테늄과 오스뮴 염을 생성한다. 휘발성 산화물로 산화시킨 후, 염화암모늄으로 (NH4)3RuCl6를 침전시켜 를 로부터 분리한다. 용해된 후, 오스뮴은 휘발성 사산화오스뮴의 증류 또는 유기 용매를 이용한 추출 방법으로 다른 백금족 금속으로부터 분리된다.[54] 생성물은 수소를 사용하여 환원시켜 분말 또는 금속 스펀지 형태의 금속을 얻고, 이를 분말 야금 기술로 처리할 수 있다.[55]

전 세계 연간 오스뮴 생산량은 수백 킬로그램에서 수천 킬로그램으로 추정된다.[56][28] 오스뮴에 대한 생산 및 소비량은 잘 보고되지 않는데, 이는 금속에 대한 수요가 제한적이며 다른 정련 공정의 부산물로 충족될 수 있기 때문이다.[28] 2014년부터 2021년까지 미국의 오스뮴 수입량은 연평균 155kg였다.[57][58]

화학 기상 수송법으로 성장시킨 오스뮴 결정

7. 용도

오스뮴은 밀도와 경도가 매우 높아 순수한 상태보다는 주로 고내마모성 합금 형태로 사용된다.[59] 이리듐-오스뮴 합금은 매우 단단하여 만년필 펜촉, 기기 피벗, 전기 접점 등에 사용된다.[59] 1945년부터 1955년경까지는 축음기 바늘 끝에도 사용되었으나, 사파이어와 다이아몬드 팁에 밀려 단종되었다.[59]

사산화오스뮴은 지문 감식[60]과 전자 현미경에서 지방 조직 염색에 사용된다.[61] 강력한 산화제인 사산화오스뮴은 생체막을 고정하고 염색하는 데 효과적이다.[61] 투과 전자 현미경(TEM) 연구에서 오스뮴 염색은 이미지 대비를 크게 향상시킨다.[61] 페리시안화오스뮴(OsFeCN)도 유사한 작용을 한다.[62]

유기 합성에서 사산화오스뮴과 오스메이트(VI)칼륨은 중요한 산화제이다.[63][64] 칼 배리 샤플리스는 샤플리스 비대칭 디히드록실화 개발로 2001년 노벨 화학상을 수상했다.[63][64]

1898년 카를 아우어 폰 벨스바흐는 오스뮴 필라멘트를 사용한 Oslamp을 개발, 1902년 상업화했다.[40] 그러나 오스뮴은 곧 텅스텐으로 대체되었다.[40] 오스람은 오스뮴과 텅스텐(Wolfram)의 이름을 따서 지어졌다.[65]

분말 오스뮴은 수소를 효과적으로 흡수하여 금속 수소화물 배터리 전극의 잠재적 후보로 거론되지만, 비싸고 수산화칼륨과 반응하는 단점이 있다.[66]

오스뮴은 자외선 영역에서 높은 반사율을 가져, 우주 기반 UV 분광계에 사용된다.[67] 오스뮴 코팅 거울은 우주왕복선 임무에 사용되었으나, 저궤도 산소 라디칼에 의해 손상되는 문제가 있었다.[68]

8. 주의 사항

금속 오스뮴 자체는 무해하지만,[146] 미세하게 분쇄된 금속 오스뮴은 자연 발화하며,[128] 상온에서 산소와 반응하여 휘발성인 사산화오스뮴을 형성한다. 일부 오스뮴 화합물은 산소가 존재하면 사산화물로 변환된다. 이로 인해 사산화오스뮴이 환경과의 주요 접촉원이 된다.

사산화오스뮴은 휘발성이 높고 피부에 침투하기 쉽고, 흡입, 섭취, 피부 접촉 시 매우 독성이 높다.[147] 공기 중의 저농도 사산화오스뮴 증기는 폐의 울혈과 피부 또는 눈의 손상을 일으킬 수 있으므로 드래프트 챔버 내에서 사용해야 한다.[148] 사산화오스뮴은 예를 들어 아스코르브산[149] 또는 다가불포화 식물성 기름(옥수수 기름 등)에 의해 비교적 불활성인 화합물로 빠르게 환원된다.[150] 금속 오스뮴의 주된 위험은 매우 독성이 강하고 휘발성이 있는 사산화오스뮴(OsO₄)이 생성될 가능성이다.[71] 이 반응은 상온에서 열역학적으로 유리하지만,[72] 그 속도는 온도와 금속의 표면적에 따라 달라진다.[73][74] 따라서, 덩어리 형태의 물질은 위험한 것으로 간주되지 않지만,[73][75][76][77] 분말은 공기 중에서 취급하면 때때로 OsO₄ 냄새가 날 정도로 빠르게 반응한다.[28][78]

9. 가격

오스뮴은 상업적 용도가 거의 없어 거래량이 많지 않고 가격이 거의 보고되지 않는다.[79] 일반적으로 최소 99.9%의 순도를 가진 분말 형태로 판매되며, 트로이 衡량과 그램으로 측정된다. 시장 가격은 수십 년 동안 수요와 공급의 변화가 거의 없었기 때문에 크게 변하지 않았다. 이용 가능한 양이 적을 뿐만 아니라 취급이 어렵고 용도가 적으며, 산화되면 독성 화합물을 생성하기 때문에 안전하게 보관하기 어렵다.

1990년대 이후로 1트로이온스당 400달러 수준의 가격을 유지해 왔으나,[79] 1990년부터 2010년까지 오스뮴 금속의 명목 가격은 거의 일정했지만, 인플레이션으로 인해 실질 가치는 약 950달러/온스에서 약 600달러/온스로 감소했다.[79]

참조

[1] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics: A Ready Reference Book of Chemical and Physical Data CRC Press 2022
[2] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics: A Ready Reference Book of Chemical and Physical Data CRC Press 2022
[3] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics: A Ready Reference Book of Chemical and Physical Data CRC Press 2022
[4] 서적 Selected Values of the Crystallographic Properties of Elements ASM International 2018
[5] 웹사이트 Recent estimates of the abundances of the elements in the Earth's crust https://pubs.usgs.go[...] U.S. Geological Survey 2018-05-10
[6] 웹사이트 Reading: Abundance of Elements in Earth's Crust Geology https://courses.lume[...] 2018-05-10
[7] 논문 Osmium, the Densest Metal Known https://technology.m[...] 2023-11-11
[8] 논문 Osmium weighs in 2012-11
[9] 논문 The structure of the energy bands and optical absorption in osmium http://www.jetp.ras.[...] 2022-12-28
[10] 논문 Osmium Metal Studied under High Pressure and Nonhydrostatic Stress 2008
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[13] 논문 Late transition metal anions acting as p-metal elements 2010
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[15] 논문 Xenon tetroxide – Preparation + Some Properties 1964
[16] 논문 Xenon tetroxide – Mass Spectrum 1964
[17] 논문 Oxidation States of Ruthenium and Osmium 2004
[18] 웹사이트 Chemistry of Hassium http://www.gsi.de/do[...] 2007-01-31
[19] 논문 Formation and Characterization of the Iridium Tetroxide Molecule with Iridium in the Oxidation State +VIII 2009
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[22] 논문 Preparation of [Os3(CO)11]2− and its reactions with Os3(CO)12; structures of [Et4N] [HOs3(CO)11] and H2OsS4(CO) 1993
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[25] 서적 Inorganic Chemistry Academic Press 2001
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