Dwa najgęstsze pierwiastki, czyli Osm i Iryd

Według obecnej wiedzy naukowej dwa najgęstsze pierwiastki chemiczne to iryd i osm. Zapewne nasuwa się Wam pytanie, dlaczego dwa? W tym artykule dowiecie się szczegółowych informacji na temat obu tych pierwiastków i poznacie tajemnicę największej gęstości.

Właściwości osmu i irydu

Osm i iryd należą do tzw. triady platynowców ciężkich. Platynowce jest to wspólna nazwa pierwiastków chemicznych, które w układzie okresowym należą do grupy 9, 10 i 11. Dzieli się je na 2 triady: platynowce lekkie i ciężkie jak w poniższej tabeli.

Dane na temat osmu i irydu według encyklopedii PWN.

OSM, osmium,
Symbol: Os
Nazwa łacińska: Osmium
Liczba atomowa: 76
Pierwiastek promieniotwórczy: nie
Grupa układu okresowego pierwiastków: 8 — żelazowce
Odkrycie: 1804
Odkrywca: Tennant Smithson

IRYD, iridium
Symbol: Ir
Nazwa łacińska: Iridium
Liczba atomowa: 77
Pierwiastek promieniotwórczy: nie
Grupa układu okresowego pierwiastków: 9 — kobaltowce
Odkrycie: 1804
Odkrywca: Tennant Smithson

Jak wyznaczamy gęstość?

Aby zrozumieć tajemnicę największej gęstości musicie najpierw dowiedzieć się kilku faktów o niej. Przeczytajcie w jaki sposób można ją wyznaczyć. Gęstość jako wielkość fizyczną można wyznaczyć na dwa sposoby: teoretycznie i eksperymentalnie.

Wyznaczenie gęstości teoretycznie

Wyznaczenie gęstości w sposób teoretyczny oznacza, iż obliczamy jej wartość na podstawie określonych informacji na temat danej substancji. W przypadku substancji, które charakteryzują się uporządkowaną strukturą wewnętrzną (strukturą krystaliczną) jak właśnie iryd i osm informacjami tymi są przede wszystkim masa atomowa i wielkość tzw. komórki elementarnej, czyli najmniejszej powtarzalnej części struktury kryształu. Komórki elementarne w kryształach osmu są heksagonalne, a w kryształach irydu są sześcianami. Znając dokładne wymiary tych komórek oraz masę atomową danego pierwiastka możemy na podstawie konkretnych równań matematycznych obliczyć wartość jego gęstości, czyli stwierdzić, ile teoretycznie powinna ona wynosić w rzeczywistości. Jak się pewnie domyślacie pomiędzy teorią a rzeczywistością istnieje pewna różnica. No właśnie. Naukowcy wyznaczali wielokrotnie gęstość osmu i irydu eksperymentalnie i okazało się, że wartości te są nieco inne w porównaniu do wartości teoretycznych. Czym różnią się te dwa podejścia?

Wyznaczenie gęstości eksperymentalnie

Przede wszystkim tym, że w warunkach eksperymentalnych gęstość wyznaczamy makroskopowo. Nie bierzemy wtedy pod uwagę wielkości komórki elementarnej, ponieważ komórka taka jest bardzo mała – o rozmiarach rzędu nanometrów, a także nie bierzemy do rozważań masy atomowej, bo jak sama nazwa wskazuje dotyczy ona atomów. W eksperymencie wykorzystujemy makroskopową objętość wyrażoną np. w cm3 lub m3 oraz masę substancji wyrażoną w g lub kg. Można też brać pod uwagę np. masę wypartej cieczy – wszystko zależy od wykorzystywanej metody eksperymentalnej. Wszystko wskazuje więc na to, że w zależności od tego czy rozpatrujemy substancję w skali nano, czy w skali makro otrzymujemy inne wyniki. Dlaczego?

Jednym z powodów jest fakt, iż w podejściu teoretycznym przyjmujemy idealną czystość oraz idealną strukturę krystaliczną danego pierwiastka. W rzeczywistości jednak, kiedy ważymy makroskopowo kryształ, który możemy wziąć do ręki i dotknąć to powinniśmy pamiętać o kilku faktach. Po pierwsze praktycznie nie istnieją kryształy o 100% czystości, co oznacza, że w ich strukturze są obecne śladowe ilości innych pierwiastków, a te z kolei mają już właśnie inną gęstość. Po drugie powinniście też wiedzieć, że ekstremalnie trudne, a niektórzy naukowcy powiedzieliby, że niemożliwe, jest otrzymanie kryształu o idealnej strukturze wolnej od nieregularności i defektów. One jak się domyślacie także wpływają na wartość gęstości.

Trzeba też wspomnieć, że gęstość zależy silnie od innych wielkości fizycznych takich jak np. temperatura, ciśnienie, zawartość wody, czy porowatość. Właśnie z tego powodu naukowcy podając wartość gęstości podają też często dla jakiej temperatury i ciśnienia jest ona określona. Wszystkie te czynniki wpływają na to, że mimo iż w osm jest uznawany za najgęstszy pierwiastek, trudno jednoznacznie stwierdzić, który z pierwiastków – osm, czy iryd charakteryzuje się względnie największą gęstością. Trzeba podać warunki.

Dlaczego osm jest najgęstszym pierwiastkiem?

Osm to pierwiastek o dużej masie atomowej (190,23 u), więc jego atomy należą do najcięższych przy jednak niezbyt dużej wielkości, co powoduje, iż są one bardzo masywne. Osm znajduje się pośrodku układu okresowego w najniższym okresie, co przekłada się na jego unikatowe właściwości takie jak wysoki ładunek jądra, wysoką energię kohezji (oddziaływań pomiędzy elektronami) oraz stosunkowo krótkie wiązania metaliczne. W związku z tym w danej objętości może się zmieścić bardzo dużo jego masywnych atomów. Według obliczeń teoretycznych to jednak nie osm wygrywa rywalizację o tytuł najgęstszego pierwiastka. Najcięższym według obliczeń teoretycznych jak się okazuje powinien być iryd, który w układzie okresowym pierwiastków jest położony tuż obok osmu. No tak…. Ale dlaczego w takim razie iryd przegrywa?

Gęstość osmu i irydu w zależności od temperatury i ciśnienia

Zobaczcie jak przedstawia się wartość gęstości obu tych pierwiastków na wykresie. Dla ułatwienia sprawy pamiętajcie, że 0 °C to około 273 K (kelwinów), a więc np. 27 °C to na tym wykresie 300 K. Wszystko poniżej 273 K to już temperatury ujemne w znanej Wam skali stopni Celsjusza. Przeanalizujemy więc wykres. W temperaturze 300 K gęstość osmu wynosi 22,59 kg/m³ natomiast irydu 22,56 kg/m³. Widać wyraźnie, że niebieska krzywa cały czas jest wyżej. Oznacza to, że nawet wraz ze spadkiem temperatury idąc w lewo osm cały czas wygrywa… jednak!! I tutaj tkwi tajemnica gęstości!

Widzicie te pionowe kreski na wykresach? Te kreski oznaczają błąd pomiarowy, a mówiąc prościej to, że ta cała krzywa może też przechodzić trochę wyżej lub niżej. Niestety dokładność obliczeń pozwoliła na wyznaczenie jej położenia średnio. Zauważcie, że już poniżej 200 K te pionowe kreski zaczynają się nakładać, a dla niższych temperatur jest to jeszcze wyraźniejsze. To właśnie obszar temperatur, dla których to iryd będzie mógł mieć większą gęstość. Musimy jednak jeszcze zastanowić się nad ciśnieniem, w którym określamy gęstość irydu.

gęstość osm i iryd
Johnson Matthey Technol. Rev., 2014, 58, (3), 137. doi: 10.1595/147106714X682337

Popatrzmy jeszcze jak ma się sprawa jeśli chodzi o ciśnienie. Jak widzicie na poniższym wykresie, sprawy mają się jasno, ponieważ bardzo dobrze widoczny jest punkt, w którym to iryd zaczyna mieć większą gęstość od osmu. Ten punkt przypada na 3 K przy ciśnieniu około 3 GPa (gigapaskali)! Dla porównania ciśnienie atmosferyczne wynosi około 1013 hPa.

gestość Irydu i osmu
Johnson Matthey Technol. Rev., 2014, 58, (3), 137. doi: 10.1595/147106714X682337

Abyście lepiej poczuli, co to znaczy największa gęstość, wyobraźcie sobie, że kostka o boku 10 cm wykonana z materiału o gęstości osmu, czyli około 22,6 kg/m³, waży 22,6 kg!!! Wyobrażacie to sobie?! To około dwa razy więcej niż w przypadku ołowiu.

Podsumowując, w warunkach eksperymentalnych osm jest prawie zawsze bardziej gęsty niż iryd. Jednak jak widzicie w bardzo niskich temperaturach lub pod bardzo wysokim ciśnieniem sytuacja się odwraca. Wartości gęstości dla obu omawianych pierwiastków są bardzo bliskie i zależne od wielu czynników.

Osm i iryd – co mają ze sobą wspólnego?

Osm i iryd oprócz niemal identycznej gęstości łączy dużo więcej! W przyrodzie oba te pierwiastki występują pod postacią stopów, nazywanych osmirydem. Zawartość osmu wynosi 74,80% a irydu 25,20%.

osmiryd zdjęcie
Źródło: https://www.mindat.org/element/Iridium

Osm jest najrzadszym stabilnym pierwiastkiem na Ziemi. Jego nazwa oznacza po grecku „zapach”, co osm zawdzięcza swojemu tlenkowi o ostrym zapachu. Ze stopów osmu powstają osłony przeciwpancerne, czy osłony niektórych implantów chirurgicznych, w tym rozruszników serca. Osm jest stosowany także jako katalizator w przemyśle petrochemicznym i farmaceutycznym.

Iryd jest na Ziemi rzadko spotykany jednak w Układzie Słonecznym jest go bardzo dużo. Dociera do nas dzięki meteorytom. Swoją nazwę zawdzięcza Iris – greckiej bogini tęczy, ponieważ pierwiastek ten tworzy sole o wielu barwach.

zdjęcie bogini Iris
Źródło: https://www.mindat.org/element/Iridium

Iryd jest bardzo niereaktywny i wytrzymały na wysokie temperatury. To dlatego stosuje się w go w stopach metali i katalizatorach, w elektronice, w świecach zapłonowych, w przemyśle lotniczym i chemiczny, a jego małą kropelkę można znaleźć nawet w na końcu stalówki bardzo drogich piór wiecznych. Jest również uważany za najmniej korozyjny pierwiastek, nie wpływa na niego woda, chemikalia ani kwasy. Iryd pomógł też wyjaśnić zagadkę masowego wymarcia dinozaurów około 65 mln lat temu. Badania wykazały, że w wapiennych skałach osadowych z tamtego okresu znajduje się bardzo dużo irydu, który prawdopodobnie pochodzi z asteroidy.

Tennant Smithson – odkrywca osmu i irydu

Tennant Smithson urodził się 30 listopada 1761 w Selby w Anglii, a zmarł 22 lutego 1815 Boulogne-sur-Mer we Francji. Był on lekarzem, chemikiem i botanikiem, a sławę przyniosło mu odkrycie dwóch pierwiastków – irydu oraz osmu wraz z Williamem Wollastonem.

Oba pierwiastki udało się odnaleźć w rudzie platyny, którą naukowcy rozpuścili przy pomocy kwasów. Na początku zidentyfikowali jedynie osm. Po pewnym czasie Tennant zauważył, iż po dodaniu do mieszaniny jeszcze wodorotlenku sodu i kwasu solnego powstały ciemnoczerwone kryształy. Nie udało się ich przyporządkować do znanych wtedy substancji. Po wykonaniu dodatkowych badań Tennant udowodnił, iż są to kryształy zawierające iryd – nowy pierwiastek. Jeśli chodzi o inne osiągnięcia to naukowiec ten m. in. wykazał, iż dwutlenek węgla składa się wyłącznie z węgla i tlenu, opracował metodę przemysłowej produkcji potasu oraz metodę spalania diamentu! Ciekawostką jest, że w 2016 roku firma American Elements wprowadziła linię irydowych obrączek ślubnych sprzedawanych pod znakiem towarowym Smithson Tennant. Zobaczcie sami: https://www.americanelements.com/smithsontennant/rings.

Czy istnieje pierwiastek bardziej gęsty od osmu i irydu?

Czy to już koniec opowieści o największej gęstości? Oczywiście, że nie!:) Na koniec mamy jeszcze ciekawszą informację! Według obliczeń teoretycznych, jeszcze większą gęstość ma metaliczny has (Hs) o liczbie atomowej 108, który leży w układzie okresowym pod osmem. Jego gęstość powinna wynosić aż 41 kg/m3, a więc dwa razy więcej niż osmu i irydu. Jednakże ze względu na bardzo krótki czas życia tego pierwiastka, wynoszący około minuty, zmierzenie jego gęstości bezpośrednio jest obecnie niemożliwe.

Książki o pierwiastkach – zajrzyjcie koniecznie!

Jeśli nadal jesteście ciekawi i chcecie poznać także inne pierwiastki oraz dowiedzieć się skąd my czerpałyśmy wiedzę oraz inspirację zajrzyjcie do poniższych pozycji! Polecamy!

Pamiętajcie, że naszą główną inspiracją jest gra Chemiczny Detektyw, dzięki której możecie szybko i łatwo nauczyć się całego układu okresowego pierwiastków!
Zajrzyjcie do naszego sklepu, aby nabyć swoją własną grę!

gra Chemiczny Detektyw

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *