Ко́бальт ( химический символ — Co , от лат. Co baltum ) — химический элемент 9-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 27.

Простое вещество кобальт — это серебристо-белый, слегка желтоватый переходный металл с розоватым или синеватым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: α -Co с гексагональной плотноупакованной решёткой , β -Co с кубической гранецентрированной решёткой , температура перехода α ↔ β 427 °C .

Происхождение названия

Название «кобальт» происходит от нем. Kobold — домовой, гном. При обжиге содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка . Руда, содержащая эти минералы, получила у горняков имя горного духа кобольда . Древние норвежцы приписывали отравления плавильщиков при переплавке серебра проделкам этого злого духа. В этом происхождение названия кобальта схоже с возникновением названия никеля ( нем. Nickel — озорник, гном Никель) . В 1735 году шведский минералог Георг Брандт сумел выделить неизвестный ранее металл из саксонских полиметаллических руд , который назвал кобальтом, что описал в своей диссертации «О полуметаллах» ( Dissertatio de semimetallis ) . В ней он показал, что имел честь открыть новый «полуметалл», ранее часто принимавшийся за висмут . Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет — этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне . Однако первоначально открытие Брандта не получило должной известности . Некоторые учёные полагали, что открытый шведом металл представляет собой смесь веществ с «особой землёй ». Окончательно доказал, что это самостоятельный элемент французский химик в 1781 году ; он также дал описание металлургических методов его извлечения . В середине 1830-х годов французский ветеринар Шарль Аскин разработал способ разделения кобальто-никелевых руд с применением хлорной извести . Позже этот метод был усовершенствован и внедрён в промышленное производство .

Кобальтовый синий имеет шестнадцатеричный код цвета #0047ab.

История

Соединения кобальта известны человеку с глубокой древности. Первоначально кобальт нашёл применение в качестве синего красителя при производстве предметов декоративно-прикладного искусства, стекла, эмалей, фарфора и керамики и др. Кобальтовые фарфор и керамика отличаются особенным глубоким тёмно-синим цветом. Кобальтовые краски являются одними из древнейших и использовались во многих центрах декоративно-прикладного искусства Европы и Азии . Считается, что в Китае применение кобальта для окраски изделий из керамики началось одновременно с распространением фарфора. Синие кобальтовые стёкла, эмали, краски находят в гробницах Вавилонии и Древнего Египта не позднее 2600 года до н. э. Так, в гробнице Тутанхамона нашли предметы из стекла, окрашенные в синий цвет, причём не только с использованием меди, но и кобальта . Синие стёкла и эмали, получаемые с применением кобальта, известны среди наследия Древней Греции и Древнего Рима . Неизвестно, было ли приготовление стёкол и красок сознательным или случайным. Установлено, что в Азербайджане кобальт для изготовления стёкол, эмалей и глазурей употреблялся со времён Х—XII веков. Видимо он был побочным продуктом при выплавке меди из рудных месторождений Дашкесана . В средневековой Европе об использовании металла для создания предметов обихода ( венецианское стекло ) известно со второй половины XV века . Позже, в ХV—XVI веках, в Европе он стал применяться более широко. В 1550 году алхимик Беренгуччио отмечал, что синий окрас стекла обязан содержанием вещества заффар (заффер). С этого времени варианты этого названия встречаются в трудах других авторов. Предполагается, что именно заффару обязан своим названием один из минералов кобальта — саффлорит ( нем. Safflorit ) .

На базе южносаксонского месторождения полиметаллических руд в Шнееберге ( Рудные горы ) развернулась добыча кобальта. Установлено, что начиная с 1520-х годов там из него стали изготавливать краску, которая отправлялась в Венецию — крупнейший центр стекольного производства. В 1679 году немецкий алхимик Иоганн Кункель привёл описание получения заффера. К 1790 году в Европе насчитывалось 25 кобальтовых производств, специализирующихся на изготовлении смальты , известной также как синее кобальтовое стекло, синяя смальта — одного из элементов мозаики . До второй половины XIX века главным центром добычи металла была Германия, хотя в меньшем количестве он производился и в других европейских регионах ( Швеция , Норвегия , Испания ). Такое положение сохранялось до 1860-х годов, когда французский инженер установил наличие на Новой Каледонии богатых залежей никелевых и кобальтовых руд. С 1870-х годов началась их интенсивная разработка, и французский остров на протяжении нескольких десятилетий стал основным экспортёром кобальта. В начале XX века были найдены богатые залежи серебряно-кобальтовых руд в канадской провинции Онтарио , которая становится основным поставщиком кобальта на мировой рынок. В 1909 году там было добыто более 1500 тонн металла, после чего производство в этом регионе стало постепенно падать . С 1920-х годов центр добычи переместился в провинцию Катанга в Бельгийском Конго , где компания Union Minière du Haut-Katanga приступила к промышленной добыче кобальта . В XXI веке основным производителем кобальта в мире является швейцарская компания Glencore . Именно она является основным поставщиком кобальта при производстве аккумуляторных батарей для электронных устройств и электроавтомобилей. Главным активом швейцарского трейдера в этой сфере является кобальтовое производство в Заире . Стимулированию добычи кобальта способствовали открытие его свойств и расширение сферы его применения. В 1897 году французский химик Поль Сабатье предложил его в качестве катализатора . С 1901 года металл был внедрён в производство быстросохнущих масляных красок. В 1907 году американский изобретатель и промышленник Элвуд Хейнс запатентовал способ изготовления металлорежущих резцов из стеллитов — сверхтвёрдых сплавов кобальта с хромом, а позже стали внедряться технологии с использованием в них различных добавок (вольфрама и/или молибдена). Стеллиты широко используются для напыления, наплавки и напайки деталей машин, станков и инструмента с целью повышения износостойкости . Со времён Первой мировой войны кобальт применяется при производстве гопкалита , используемого в средствах индивидуальной защиты органов дыхания , в частности, противогазов. В 1917 году японский учёный и изобретатель Котаро Хонда открыл кобальтосодержащие магнитные сплавы (кобальтовая, японская сталь) .

Нахождение в природе

Массовая доля кобальта в земной коре 4⋅10 ⁻³ %.

Кобальт входит в состав минералов: CuCo ₂ S ₄ , Co ₃ S ₄ , кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO ₃ , смальтин CoAs ₂ , скуттерудит (Co, Ni)As ₃ и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Кобальту сопутствуют мышьяк , железо , никель , хром , марганец и медь .

Содержание в морской воде приблизительно 1,7⋅10 ⁻¹⁰ %.

Месторождения

60 % разведанных запасов кобальта находятся в Конго (6 млн т ) . Кроме того известны месторождения в Австралии (1 млн т), Кубе (500 тыс. т), Филиппинах (290 тыс. т), Канаде (270 тыс. т), Замбии (270 тыс. т), России (250 тыс. т), а также в США , Франции и Казахстане . Добыча кобальта в мире может увеличиться до 200 тыс. тонн к 2025 году

Получение

Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используются методы пирометаллургии .

Для отделения от близкого по свойствам никеля используется хлор , хлорат кобальта(II) (Co(ClO ₃ ) ₂ ) выпадает в осадок, а соединения никеля остаются в растворе.

Стоимость металлического кобальта

Из-за политической ситуации в бассейне реки Конго в конце 1970-х годов цена на кобальт за год поднялась на 2000 %.

На 15 января 2018 года стоимость кобальта на мировом рынке, по данным London Metal Exchange, составляет 75 000 долл./т . В марте 2021 года цена достигала на биржах 53 000 долл. за тонну.

Физические свойства

Кобальт — твёрдый металл, существующий в двух модификациях . При температурах от комнатной до 427 °C устойчива α -модификация. При температурах от 427 °C до температуры плавления (1494 °C) устойчива β -модификация кобальта (решётка кубическая гранецентрированная). Кобальт — ферромагнетик , точка Кюри 1121 °C. Желтоватый оттенок ему придаёт тонкий слой оксидов .

Изотопы

Кобальт имеет только один стабильный изотоп — ⁵⁹ Co ( изотопная распространённость 100 % ). Известны ещё 22 радиоактивных изотопа кобальта. Искусственный изотоп кобальт-60 широко применяется как источник жёсткого гамма-излучения для стерилизации, в медицине в гамма-ножах , гамма-дефектоскопии и т. п.

Химические свойства

Оксиды

• На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C.
• Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта представляет собой сложный оксид Co ₃ O ₄ , имеющий структуру шпинели , в кристаллической структуре которого одна часть узлов занята ионами Co ²⁺ , а другая — ионами Co ³⁺ ; разлагается с образованием CoO при температуре выше 900 °C.
• При высоких температурах можно получить α -форму или β -форму оксида CoO .
• Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом:

  ${\displaystyle {\ce {Co3O4 + 4 H2 -> 3 Co + 4 H2O}}}$

• Оксид кобальта(III) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II), например:

  ${\displaystyle {\ce {4 Co(OH)2 + O2 -> 2 Co2O3 + 4 H2O}}}$

Другие соединения

• При нагревании кобальт реагирует с галогенами , причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором .

  ${\displaystyle {\ce {2 Co + 3 F2 -> 2 CoF3}}}$

  ${\displaystyle {\ce {Co + Cl2 -> CoCl2}}}$

• С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS : серебристо-серую α-форму (при сплавлении порошков) и чёрную β-форму (выпадает в осадок из растворов).
• При нагревании CoS в атмосфере сероводорода получается сложный сульфид Со ₉ S ₈ .
• С другими окисляющими элементами, такими как углерод , фосфор , азот , селен , кремний , бор , кобальт тоже образует сложные соединения, являющиеся смесями, где присутствует кобальт со степенями окисления 1, 2, 3.
• Кобальт способен растворять водород , не образуя химических соединений . Косвенным путём синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта CoH ₂ и CoH .
• Растворы солей кобальта CoSO ₄ , CoCl ₂ , Со(NO ₃ ) ₂ придают воде бледно-розовую окраску, поскольку в водных растворах ион Co ²⁺ существует в виде аквакомплексов [Co(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ розового цвета. Растворы солей кобальта в спиртах тёмно-синие, так как спирт извлекает из аквакатиона две молекулы воды, образуя аквакатион [Co(H ₂ O) ₄ ] ²⁺ . Многие соли кобальта нерастворимы.
• Кобальт образует комплексные соединения . В степени окисления +2 кобальт образует лабильные комплексы, в то время как в степени окисления +3 — очень инертные. Это приводит к тому, что комплексные соединения кобальта(III) практически невозможно получить путём непосредственного обмена лигандов, поскольку такие процессы идут чрезвычайно медленно. Наиболее известны аминокомплексы кобальта. Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли (например, [Co(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺ ) жёлтого цвета и розеосоли (например, [Co(NH ₃ ) ₅ H ₂ O] ³⁺ ) красного или розового цвета.
• Также кобальт образует комплексы с CN ⁻ , NO ₂ ⁻ и многими другими лигандами. Комплексный анион гексанитрокобальтат [Co(NO ₂ ) ₆ ] ³⁻ образует нерастворимый осадок с катионами калия, что используется в качественном анализе.

Применение

• Специальные сплавы и стали — главное применение кобальта.
  • Легирование стали кобальтом повышает её твёрдость, износо- и жаростойкость . Из кобальтовых сталей создают обрабатывающий инструмент: свёрла, резцы, и т. п.
  • Сплавы кобальта и хрома получили собственное название стеллит . Они обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Также благодаря коррозионной стойкости и биологической нейтральности некоторые стеллиты применяются в протезировании (см. статью « Виталлий »).
  • Некоторые сплавы кобальта, например, с самарием или эрбием, проявляют высокую остаточную намагниченность, то есть они пригодны для изготовления мощных жаростойких постоянных магнитов (см. (англ.) ( ). Также в качестве магнитов используют сплавы на основе железа и алюминия с кобальтом, например альнико .
  • Кобальт применяется при изготовлении химически стойких сплавов .
• Кобальт и его соединения применяются в никель-кадмиевых и некоторых конструкциях литий-ионных аккумуляторов.
• Соединения кобальта, например, тенарова синь , широко применяются для получения ряда красок и при окраске стекла и керамики .
• Кобальт применяется как катализатор химических реакций в нефтехимии, промышленности полимеров и других процессах.
• Силицид кобальта — отличный термоэлектрический материал, он позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД.
• Искусственный изотоп кобальт-60 широко применяется как источник жёсткого гамма-излучения для стерилизации, в медицине в гамма-ножах , гамма-дефектоскопии, облучении продуктов питания и т. п.

Использование кобальта в декорировании керамики и стекла

Существует мнение, что впервые кобальт был использован в Месопотамии на рубеже III и II тысячелетий до нашей эры. Оттуда технологические приёмы соединять кобальт с медью распространились в древний Египет. С помощью кобальта получалось имитировать лазурит и бирюзу, пользовавшиеся популярностью у египтян. Археологи находили в Ниневии керамические таблички, на которых рассказывалось о получении искусственного лазурита и сапфиров. Эти таблички датированы VII веком до нашей эры. Античные и венецианские стеклодувы активно использовали кобальт.

В Китае использование кобальта для окраски изделий из керамики началось одновременно с распространением фарфора . Это произошло во время эпохи Тан (618—907 годы н. э.). Во время правления монгольской династии Юань (1280—1368 годы) началось использование кобальта для подглазурной росписи. Расцвет производства фарфора с синей подглазурной росписью пришёлся на эпоху Мин (1368—1644 годы). На распространение кобальта повлияло открытие месторождения залежей руды неподалёку от Цзиндэчжэня . В XVII веке получил распространение приём blue poudre (soufle) . Кобальтовый порошок задувался на влажную поверхность фарфора с помощью бамбуковой трубочки, конец который закрывался шёлковой тряпкой. Кобальт ложился на изделие неравномерно тонким слоем, что давало эффект мерцания.

Кобальт активно использовался и в Японии. Причём по заказу Ост-Индской компании выполнял ^{[ кто? ]} роспись в стиле китайских мастеров, на изделия которых был особенный спрос .

Биологическая роль

Кобальт — один из микроэлементов, жизненно важных организму. Он входит в состав витамина B ₁₂ ( кобаламин ). Кобальт задействован при кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях. Потребность человека в кобальте — 0,007—0,015 мг ежедневно. В теле человека содержится 0,2 мг кобальта на каждый килограмм массы тела. При отсутствии кобальта развивается .

Однако, избыток кобальта в организме тоже вреден.

Токсикология

Кобальт и его соединения токсичны при попадании в организм в высоких дозах. Известны также его неорганические соединения, обладающие канцерогенным и мутагенным действием (например, сульфат ).

В 1960-х годах соли кобальта использовались некоторыми пивоваренными компаниями для стабилизации пены. Регулярно выпивавшие более четырёх литров пива в день получали серьёзные побочные эффекты на сердце, и, в отдельных случаях, это приводило к смерти. Известные случаи т. н. в связи с употреблением пива происходили с 1964 по 1966 год в Омахе (штат Небраска), Квебеке (Канада), Левене (Бельгия), и Миннеаполисе (штат Миннесота). С тех пор его использование в пивоварении прекращено и в настоящее время является незаконным .

ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 мг/м³, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 мг/л ^{[ источник не указан 137 дней ]} .

Токсическая доза ( LD50 для крыс) — 50 мг ^{[ источник не указан 137 дней ]} .

Особенно токсичны пары октакарбонила кобальта Со ₂ (СО) ₈ ^{[ источник не указан 137 дней ]} .

При этом 40000 детей до 13 лет в Конго ежедневно используются в качестве рабочих на добыче кобальта, который идёт для получения запчастей для сотовых телефонов и прочей бытовой электроники ^{[ источник не указан 137 дней ]} .

Примечания

Литература

• Венецкий С. И. Рассказы о металлах. — М. : МИСИС; Руда и Металлы, 2005. — 432 с. — ISBN 5-87623-147-9 .
• Энциклопедический словарь юного химика / Крицман В. А., Станцо В. В.. — М. : Педагогика, 1990. — 320 с. — ISBN 5-7155-0292-6 .
• Резник И. Д., Соболь С. И., Худяков В. М. Кобальт. — М. : Машиностроение, 1995. — Т. 1: Исторический очерк. Сырьевые источники кобальта. Пирометаллургия кобальта. — 440 с. — ISBN 5-217-02685-5 .
• Витязь, П., Свидунович, Н.; Куис, Д.; Войтов И., Мюрек, М. Выбор и применение материалов / Под. ред. Н. А. Свидуновича. — Минск: Беларуская навука, 2020. — Т. 4. Выбор и применение цветных металлов и сплавов. — 616 с. — ISBN 978-985-08-2531-5 .

Ссылки

• от 30 августа 2004 на Wayback Machine
• от 25 мая 2007 на Wayback Machine