Osmium

Du grec osme qui signifie « odeur », l'osmium a été découvert en 1803 par Smithson Tennant à Londres, avec l'iridium dans les résidus de la dissolution du platine dans de l'eau régale. Ce premier résidu de fabrication industrielle est principalement de l'osmiure d'iridium, un corps dur inaltéré dans l'attaque du minerai de platine par l'eau régale. Les chimistes français Antoine-François Fourcroy et Louis-Nicolas Vauquelin l'identifient également dans des résidus de platine qu'ils nomment ptène[5].

C'est un métal de transition appartenant au groupe du platine. Il est 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.

Ce platinoïde fait partie du sous-groupe de l'osmium ou couple Osmium (lourd) / Ruthénium (léger), et dans un sens plus large du « groupe du fer » ou groupe 8, parfois qualifié de triade du fer.

Il est possible de le purifier par fusion avec au moins une masse 8 fois supérieure de poudre métallique de zinc, l'ensemble étant dans un creuset de charbon des cornues, chauffé à hautes températures. Il s'agit d'un procédé mis au point au laboratoire de chimie par Henri Sainte-Claire Deville et Henri Debray. Plus la température se maintient et augmente progressivement, plus le métal solvant zinc se volatilise avec diverses impuretés volatiles. L'osmiure d'iridium purifié est récupéré pulvérulent, il est alors mis à chauffer au rouge avec trois parties en masse d'oxyde de baryum et une partie de nitrate de baryum sec. La masse pulvérisée chaude est ensuite traitée par l'eau régale à ébullition, l'ensemble est à l'origine placé dans une cornue à col étanche, puis additionné d'ammoniaque, l'essentiel de l'osmium s'évacue du récipient sous forme d'une vapeur condensée d'acide osmique ou de tétraoxyde d'osmium, dont les odeurs fortes et déjà caractéristiques du premier résidu semblent à l'origine de la dénomination. L'évaporation est conduite jusqu'à sec, le résidu est repris avec de l'eau chaude, il se forme une liqueur jaune recelant les autres composés platinoïdes à base d'iridium, et accessoirement de rhodium et de ruthénium.

L'osmium a sept isotopes naturels, dont cinq sont stables : ¹⁸⁷Os, ¹⁸⁸Os, ¹⁸⁹Os, ¹⁹⁰Os et ¹⁹²Os (le plus abondant). ¹⁸⁴Os et ¹⁸⁶Os sont radioactifs mais de demi-vies extrêmement longues, et peuvent en pratique être considérés comme stables.

L'osmium est un platinoïde très rare : son clarke est de l'ordre du millième de ppm.

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 en Russie, mais aussi au nord et au 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 la province canadienne de l'Ontario. La quantité de ces métaux trouvée dans ces minerais est faible, mais le grand volume de minerai rend son exploitation économiquement rentable.

Le corps simple se présente sous la forme d'un métal gris bleuté et brillant, dur et cassant.

Caractéristiques du corps simple

Petite bille d'osmium métallique obtenue après solidification du liquide

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 produire. La poudre d'osmium est plus facile à obtenir, mais celle-ci forme au contact de l'air du tétroxyde d'osmium OsO₄, un agent oxydant puissant et très toxique.

La densité de l'osmium (22,61) en fait le corps simple naturel le plus dense, devançant de peu l'iridium[6]. Il est moins fusible que l'iridium.

Enfin, ce métal a la plus haute température de fusion et la plus faible pression de vapeur des métaux du groupe du platine.

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 stylos plume, les aiguilles de phonographe, les pivots d'instruments et les contacts électriques[7].

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.

L'osmium sous forme métallique est une matière non toxique pour l'être humain[13]. Cependant, la poudre d'osmium métallique est pyrophorique[14] et réagit avec l'oxygène à la température ambiante, formant du tétroxyde d'osmium volatil qui lui est extrêmement toxique. Certains composés de l'osmium sont également convertis en tétroxyde si de l'oxygène est présent. Cela fait du tétroxyde d'osmium la principale source de contact avec l'environnement. Des concentrations dans l'air de 10⁻⁷ g/m³ peuvent provoquer des atteintes graves au système respiratoire et des dommages sur la peau et aux yeux[15].

La présence de l'osmium dans l'environnement augmente à la suite de l'utilisation de minerai en contenant. L'osmium fait partie des déchets à risques ou produits susceptibles 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[16].

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[17]. 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[18]. 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[18]. En effet, en laboratoire, la volatilité de l'osmium sous forme de tétroxyde d'osmium OsO₄ 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 picogrammes d'osmium/m² à 126 picogrammes/m² (qui peuvent être émis dans de grandes agglomérations telles que New York) qui pourraient ainsi être déposés annuellement, surtout aux abords des réseaux routiers les plus circulants[18]. 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...)[19]. 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[20]. On ne connait pas son cycle dans les compartiments vivants des écosystèmes (chaîne alimentaire), mais on mesure déjà une accumulation dans les sédiments. Par exemple, les métaux sédimentés dans le Saanich Inlet, un fjord anoxique de la côte Ouest du Canada, ont été étudiés pour fabriquer la courbe en 1870s/1880s caractérisant certains évènements géotectoniques et climatiques des paléo-océans (du Cénozoïque, et pour partie du Mésozoïque). 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 par les retombées de plomb atmosphérique originaire du parc automobile nord-américain)[18].

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 1 100 °C[21]. 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 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[22].