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Osmium
L’osmium est l'élément chimique du tableau périodique dont le symbole est Os et le numéro atomique 76. Il se présente sous la forme d'un métal gris bleuté et brillant. C'est un métal de transition appartenant aux métaux du groupe du platine. Il est avec l'iridium l'élément naturel le plus dense sur Terre. Il est le plus souvent trouvé nativement en alliage avec le platine ou l'iridium. Les alliages d'osmium sont employés notamment dans les pointes de stylo plume, les contacts électriques et dans d'autres applications où sa dureté et sa résistance extrêmes sont requises.
Sommaire
Caractéristiques
L'osmium pur sous sa forme métallique est extrêmement dense, cassant et d'un gris bleuté brillant même à haute température, mais se révèle très difficile à obtenir. La poudre d'osmium est plus facile à faire, mais celle-ci forme du tétroxyde d'osmium (OsO4), un puissant agent oxydant et très toxique au contact de l'air.
À cause de sa haute densité, l'osmium est généralement considéré comme le second élément naturel le plus lourd connu, très légèrement moins lourd que l'iridium. Toutefois, les calculs de densité fondés sur leur structure cristalline pourront produire des résultats plus fiables et précis que ceux actuels, qui sont de 22 610 kg/m3 pour l'osmium contre 22 650 kg/m3 pour l'iridium[1]. Leur classement définitif n'est donc pas possible pour l'instant.
Enfin, ce métal a la plus haute température de fusion et la plus faible pression de vapeur de la famille du platine. Ses états d'oxydation sont le plus souvent +4 et +3, mais les états allant de +1 à +8 ont été observés.
Applications
À cause de l'extrême toxicité de son oxyde, l'osmium est rarement utilisé dans son état pur mais sous forme d'alliage avec d'autres métaux. Ceux-ci sont très durs et, avec les autres métaux du groupe du platine, sont employés dans les pointes de stylo plumes, les aiguilles de phonographes, les pivots d'instruments et les contacts électriques. L'osmium est aussi utilisé en alliage avec le fer pour la fabrication de robots, tels que des "bending units" (dont certains contiennent aussi du nickel).
L'alliage de 10 % d'osmium et de 90 % de platine est utilisé pour les implants chirurgicaux comme les stimulateurs cardiaques et les remplacements de valves cardiaques.
Le tétroxyde d'osmium a été utilisé entre autres dans la détection des empreintes digitales. Il sert aussi de catalyseur en chimie organique.
Le couple isotopique Re187/Os187 a été utilisé par l'équipe de C.-J. Allègre dans les années 1970 pour dater l'âge de l'agrégation de la terre à 4,6 milliards d'années.
Histoire
Du grec osme qui signifie « odeur », l'osmium a été découvert en 1803 par Smithson Tennant à Londres, Angleterre, avec l'iridium dans les résidus de la dissolution du platine dans de l'eau régale.
La présence de l'osmium dans l'environnement augmente suite à l'utilisation de minerai en contenant.
L'osmium fait partie des déchets à risques ou produits susceptible de faire l'objet d'un trafic illicite. À titre d'exemple : en août 2000, six trafiquants ont été arrêtées à Istanbul en possession de 64 tubes de verre contenant de l'osmium 187 (utilisé dans le domaine nucléaire). La police a à cette occasion démantelé un réseau de trafic de produits radioactifs[2].
Occurrence et pollution de l'environnement
Ce métal de transition est naturellement trouvé dans l'iridiosmium, un alliage naturel d'iridium et d'osmium, et dans les sables contenant du platine que l'on trouve dans les rivières des montagnes de l'Oural, du nord et du sud de l'Amérique. L'érosion des sols est une faible source (pour partie naturelle et pour partie anthropique) d'osmium dans l'air. On en trouve aussi dans le minerai de nickel et mélangé à d'autres métaux de la famille des platines, par exemple à Sudbury, dans l'Ontario. La quantité de ces métaux trouvée dans ces minerais est faible, mais le grand volume de minerai rend son exploitation économiquement rentable.
Les structures internes des pots catalytiques sont soumis à une érosion due à la corrosion, aux vibrations et aux chocs thermiques, qui font qu'une part des métaux catalytiques sont peu à peu arrachés de leur support et expulsés avec les gaz d'échappement.
Ces métaux circulent de manière aéroportée, jusque dans les glaces de l'Arctique et dans l'air des grandes villes [3]. Le platine était jusqu'en 1998 plus présent que le rhodium, et sa présence a augmenté plus vite en Allemagne dans l'air ambiant et dans les poussières que celle du rhodium. Depuis l'apparition des pots catalytiques automobiles en 1988, les analyses ont montré une augmentation régulière des teneurs ambiantes de ces métaux sur 10 ans (de 1988 à 1998).
L'osmium est une impureté faiblement présente dans les platinoïdes catalytiques ; à raison de 600 à 700 ppt pour les pots catalytiques anciens et beaucoup moins probablement pour les nouveaux modèles))[4]. Un faible pourcentage de cet osmium est perdu sous forme particulaire (expulsé avec les gaz d'échappement, déposé sur les routes et éventuellement lessivé par les pluies). Une autre partie, probablement de loin la plus importante et la plus préoccupante est perdue sous forme gazeuse[4]. En effet, en laboratoire, la volatilité de l'osmium sous forme de Tétroxyde d'osmium (OsO4(g>) se montre élevée ; assez pour que près de 95% de l'Osmium des pots catalytiques soit vaporisé et dispersé dans l'air, faisant des automobiles contemporaines (des années 2000-2009) la première source majeure et planétaire de pollution en Osmium non radiogénique. Ce sont de 3 pico-grammes d'osmium/m2 à 126 pico-grammes/m2 (qui peuvent être émis dans de grandes agglomérations telles que New-York City) qui pourraient ainsi être déposés annuellement, surtout aux abords des réseaux routiers les plus circulants[4]. Ces dépôts sont importants si on les compare par exemple aux 1 pg d'Osmium/m2/an déposé via les poussières d'origine naturelle (érosion du sol, volcanisme, météorites..)[5]. Cet osmium n'est pas biodégradable, et s'ajoute à celui provenant des rares autres sources anthropiques déjà inventoriées et on en trouve déjà des quantités significatives dans les eaux et sédiments.
On ignore son temps moyen de vie dans l'air ou l'eau, mais comme c'est une molécule très réactive (hyperoxydant), on suppose que sa forme vapeur (la plus toxique) a une relativement faible durée de vie[6]. On ne connait pas son cycle dans les compartiments vivants des écosystèmes (chaine alimentaire), mais on mesure déjà une accumulation dans les sédiments. Par exemple, les métaux sédimentés dans le Saanich Inlet, un fjord anoxique de la Cote Ouest du Canada ont été étudiés pour fabriquer la courbe en 187Os/I88Os caractérisant certains évènement géotectoniques et climatiques des paléo-océans (du Cénozoïque, et pour partie du Mézosoïque). Les quantités d'osmium y sont faibles, probablement en raison de la faiblesse de l'enrichissement du fjord en osmium marin, mais on s'est aperçu que les couches récentes de sédiments contiennent une faible quantité d'Osmium (55-60 ppt dont la composition isotopique ne reflète pas celle de l'océan actuel mais évoque un apport local en Osmium non-radiogénique (détritique et/ou dissous). La comparaison qualitative (isotopique) et quantitative de cet osmium avec celui qui est conservé dans les couches stratigraphiques plus anciennes et préanthropiques laisse penser que cet Osmium non-radiogénique est d'origine humaine, et plus particulièrement automobile, car on trouve aussi dans les sédiments superficiels de ce fjord du plomb tétra-éthyl issu des carburants automobiles (des années 1930 à 1980). La signature isotopique de ce plomb démontre que ce fjord est fortement affecté pas les retombées de plomb atmosphérique originaire du parc automobile nord-Américain)[4].
L'osmium des catalyseurs passe en phase vapeur aux températures de fonctionnement des pots d'échappement : Une expérience a consisté à chauffer l'élément catalytique d'un pot d'échappement dans un four durant 330 h (délai correspondant à environ un an d'utilisation à raison d'une heure/jour, à 400 ° C, soit la température la plus basse pour que le catalyseur fonctionne). À cette température, 75% à 95% de l'osmium quitte le substrat catalytique pour passer dans l'air sous forme gazeuse (OSO4). Or la température dans un pot catalytique dépasse souvent 500 °C et peut atteindre 1100 ° C [7]. L'auteur suppose donc qu'en usage normal, près de 100 % de l'osmium présent dans le catalyseur pourrait être perdu dans l'air.
Une étude isotopique récente[Quand ?] a montré que cette contamination était déjà largement planétaire pour les neiges et eaux de pluies, mais aussi des eaux marines superficielles par de l'osmium anthropogénique [8]
Composés
OsO4 : tétroxyde d'osmium ou tétraoxyde d'osmium.
Isotopes
L'osmium a sept isotopes naturels, dont cinq sont stables : le 187Os, le 188Os, le 189Os, le 190Os et le 192Os (le plus courant). Le 184Os et le 186Os ont des demi-vies extrêmement longues et peuvent être considérés comme stables également.
Le 187Os est le fils du rhénium-187 (demi-vie 4,56x1010 années). Le rapport 187Os/186Os, comme le rapport 187Re/187Os, a été intensément utilisé pour dater des terrains ou des roches météoritiques. Toutefois, l'application la plus notable de l'osmium dans la datation a été en conjonction avec l'iridium pour analyser la couche de quartz choqué de la limite K-T qui marque l'extinction des dinosaures il y a 65 millions d'années.
Toxicité, écotoxicité, risques
Le tétroxyde d'osmium est extrêmement toxique. Des concentrations dans l'air de 10−7 g/m3 peuvent causer la congestion des poumons et des dommages sur la peau et aux yeux.
Notes et références
- ↑ Arblaster, J. W., « Densities of osmium and iridium: recalculations based upon a review of the latest crystallographic data », dans Platinum Metals Review, vol. 33, no 1, 1989, p. 14–16 [texte intégral]
- ↑ Source :Brève (NouvelObs et Science et Avenir), consultée 2009/07/17
- ↑ Platinum and Rhodium Concentrations in Airborne Particulate Matter in Germany from 1988 to 1998, Fathi Zereini, Clare Wiseman, Friedrich Alt, Jürgen Messerschmidt, Jürgen Müller, and Hans Urban, Environ. Sci. Technol., 2001, 35, (10), pp 1996–2000. Résumé
- ↑ a , b , c et d http://theses.uqac.ca/resume_these.php?idnotice=24607786 résumé en Français] de la Thèse d'André Poirier ; « Géochimie isotopique Re-Os et Pb-Pb :approches environnementale et météoritique » : Ed : Université du Québec à Chicoutimi. Université du Québec à Montréal, 2005
- ↑ Williams, G.A. and Turekian, K.K. (2002) Atmospheric supply of osmium to the oceans, Geochimica Cosmochimica Acta, v. 66 n. 21, 3789-3791.
- ↑ Smith I. C, Carson B. L., and Ferguson T.L. (1974) Osmium : An Appraisal of Environmental Exposure. Environ. Health Perspectives 8, 201-213.
- ↑ Farrauto R. and Heck R. (1999) Catalytic converters: state of the art and perspectives. Catalysis Today 51, 351-360.
- ↑ Cynthia Chena, Peter N. Sedwickb and Mukul Sharmaa ; Anthropogenic osmium in rain and snow reveals global-scale atmospheric contamination ; Ed : Karl K. Turekian, Yale University, New Haven ; April 24, 2009, doi:0.1073/pnas.0811803106
Voir aussi
Articles connexes
Liens externes
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