研究背景:
“重磅!广期所铂、钯期货合约草案亮相”,铂、钯期货是广期所规划上市的服务绿色发展类品种板块的重要组成部分。6月28日,在2023上海铂金周暨中国铂族金属市场峰会上,广期所商品事业部有关负责人介绍了广期所铂、钯期货合约草案设计情况,并邀请业界专家、企业建言献策,以对合约进一步修改完善。
我国是全球最大的铂族金属消费市场和进口国。作为新能源、新材料行业的“维生素”,以铂金为代表的铂族金属应用日趋广泛,战略地位凸显。虽然此次披露的合约设计仍处于初期的草案阶段,但中国版铂金、钯金期货依然备受海内外市场关注。
锇,是一种化学元素,其化学符号为Os,原子序数为76,原子量为190.23u。锇是一种坚硬、易碎的铂系过渡金属,具有独特的蓝白色光泽。锇是自然界中密度最高的元素,有22.59g/cm3。锇一般以痕量存在于自然中,大部分在铂矿藏的合金当中,是地壳中存量最低的稳定元素之一。锇与铂、铱及其他铂系元素形成的合金具有超强的耐用性和硬度,能用于制造钢笔笔头和电触头等。但由于锇金属坚硬易碎且熔点极高,难以塑形、加工,且在空气中容易形成具高挥发性和高毒性的四氧化锇,再加上锇本身非常稀有且昂贵,因此金属态的锇应用很少。
物理性质
锇呈蓝白色,其密度比铱稍高,是密度最高的稳定元素。从X射线散射数据计算出的密度数值最准确。这种方法得出铱的密度为22.562±0.009g/cm3,而锇的密度为22.587±0.009g/cm3。
锇金属坚硬,在高温下可保持光泽。锇的压缩性非常低,因此体积模量非常高,在395和462GPa之间,与钻石的443GPa相约。在压强为4GPa的情况下,锇的硬度也比较高。由于坚硬易碎,蒸气压低(铂系元素中最低),熔点极高(所有元素中第四高),所以固体锇很难塑形,生产过程十分困难。
化学性质
锇可以形成氧化态为−2至+8的化合物。最常见的氧化态有+2、+3、+4和+8。+8态是任何元素可达至的最高氧化态。氧化态为−1和−2的Na2[Os4(CO)13]和Na2[Os(CO)4]反应性很强,可用于合成锇的原子簇化合物。
具有主要用途的锇化合物只有两种:四氧化锇在电子显微镜照相中用以对组织染色,并在有机合成过程中作烯烃的氧化剂;不挥发的锇酸盐则用在有机氧化反应当中。
存量
锇是地球地壳中最稀有的稳定元素,在大陆地壳里的平均质量比例只有1千亿分之5。
锇在自然中以纯金属或合金的形态出现,尤其是各种比例的铱﹣锇合金。镍和铜矿藏中还含有锇和铱的硫化物、碲化物、锑化物和砷化物。与其他铂系元素一样,锇可以形成自然镍合金及铜合金。
地壳中有三种地质结构的锇含量最高:火成岩、撞击坑以及前二者演化而成的地质结构。最大的已知矿藏有南非的布什维尔德火成杂岩体、俄罗斯的诺里尔斯克及加拿大的索德柏立盆地等。美国有较小的锇矿藏。前哥伦布时期哥伦比亚乔科省居民所用的冲积层矿藏至今仍是铂系元素的一大来源。第二大的冲积层矿藏位于俄罗斯乌拉尔山脉。
生产
锇是镍和铜开采和提炼过程的副产品。在镍和铜的电解精炼过程中,金、银等贵金属、铂系元素以及硒和碲等非金属元素都会积聚在正电极上。这一泥状物质要进入溶液才可把其中的金属分离出来。具体方法取决于混合物的成分,但主要有两种:加入过氧化钠后溶于王水,或直接溶于氯和氢氯酸的混合溶液。锇、钌、铑和铱不可溶于王水,可从铂、金等金属分离开来。铑与熔化的硫酸氢钠反应后会再分离出来。剩余的物质中含有钌、锇和铱,其中铱不可溶于氧化钠。加入氧化钠会产生水溶的钌盐和锇盐,而在氧化后,这些盐会变成挥发性的RuO4和OsO4。氯化铵可将前者沉淀为(NH4)3RuCl6。
溶解后的锇要从其他铂系元素中分离出来。分离方法包括蒸馏法和用适当的有机溶剂把四氧化锇提取出来。特南特和沃拉斯顿所用的方法类似于前者。两种方法所得出的产物与氢进行还原反应,产生粉状或海绵状锇粉末,再经粉末冶金手法进行加工。
锇生产商和美国地质调查局都没有公布锇的产量数据。1971年发布的数字当中,单在美国的消耗量共有2000金衡盎司(62公斤),意味着产量低于每年1吨。2012年美国锇产量的估值为75公斤。
锇一般以99%或更高纯度的粉末的形式出售。锇的量度单位可以采用金衡制或公制。2012年锇的价格约为每金衡盎司400美元(每克13美元)。
应用
由于锇的氧化物具有高挥发性和高毒性,而锇金属容易形成氧化物,所以其金属态的应用很少。人们一般使用的是耐用性很强的锇合金。铱锇合金非常坚硬,可同其他铂系金属用于制造需耐用的钢笔笔头、机器枢轴及电触头等。
四氧化锇可用于指纹识别,以及在光学和电子显微镜照相中对脂组织进行染色。四氧化锇的氧化性很强,所以能与未饱和碳﹣碳键反应,从而连接油脂。因此在染色的同时,它还会固定生物膜。锇原子的电子密度极高,在透射电子显微镜(TEM)下能大大提高对比度。未经处理的碳物质在TEM下的对比度很低(见图)。铁氰化锇(OsFeCN)也有染色兼固定的性质。
四氧化锇和锇酸钾是化学合成过程中重要的氧化剂,但都是剧毒。夏普莱斯不对称双羟基化反应中,锇酸将双键转换为邻二醇。巴里·夏普莱斯因这一发现而在2001年获得诺贝尔化学奖。OsO4非常昂贵,所以化学家一般改用KMnO4。虽然产量会降低,但后者的价格远没有锇高。
和钯相似,锇粉末可有效吸收氢原子,因此有潜力作金属氢化物电池电极。不过锇价格高昂,而且会与氢氧化钾(最常用的电池电解质)反应。
锇的紫外线反射率很高:锇对600Å波长的反射率是金的两倍。锇因此被用于大小有限的太空紫外光谱仪。多个太空航天飞机任务曾搭载镀锇镜子进入太空,但不久后人们发现近地轨道中的氧自由基足以破坏锇涂层。