Кобальт: история открытия и свойства металла¶

Кобальт — химический элемент восьмой группы четвёртого периода периодической системы, с атомным номером 27 и атомной массой 58,933. Обозначается символом Co (от лат. Cobaltum). Представляет собой твёрдый, серебристо-белый с голубоватым оттенком переходный металл, который относится к группе ферромагнетиков. В природе кобальт встречается преимущественно в виде соединений и входит в состав многих минералов, таких как кобальтин, скуттерудит и эритрин.

¶История открытия

Соединения кобальта использовались человеком ещё в глубокой древности. Синие пигменты на основе кобальта находили в стеклянных изделиях Древнего Египта и Месопотамии, датируемых вторым тысячелетием до нашей эры. Однако сам металл был выделен значительно позже.

Название элемента происходит от немецкого слова «Kobold» (домовой, гном). Такое имя руда получила от саксонских горняков средневековья. При добыче серебряных руд они сталкивались с минералами, которые внешне напоминали серебряные, но при плавке не давали металла, а выделяли ядовитые мышьяковистые газы. Горняки приписывали эти козни злым духам — гномам-кобольдам, которые подменяли серебряную руду на бесполезную породу.

В 1735 году шведский химик Георг Брандт впервые выделил из такой руды неизвестный металл, который назвал кобальтом. Он же установил, что именно соединения этого элемента придают стеклу характерный синий цвет. Долгое время кобальт путали с висмутом, однако исследования Брандта убедительно доказали самостоятельность нового элемента. В 1780 году французский химик Торберн Бергман подтвердил открытие Брандта и уточнил свойства металла.

¶Физические и химические свойства

Кобальт — металл с плотностью 8,9 г/см³, температурой плавления 1495 °C и температурой кипения около 2900 °C. Он обладает высокой твёрдостью и прочностью, хорошо поддаётся ковке и прокатке. Кобальт существует в двух аллотропных модификациях: гексагональная плотноупакованная форма устойчива при температуре ниже 417 °C, а кубическая гранецентрированная — при более высоких температурах.

Важнейшее физическое свойство кобальта — ферромагнетизм. Металл способен намагничиваться под действием внешнего магнитного поля, хотя его магнитные характеристики уступают железу. Точка Кюри для кобальта составляет 1121 °C — это самый высокий показатель среди ферромагнитных металлов.

По химической активности кобальт близок к железу, но проявляет большую устойчивость к коррозии. При комнатной температуре он не окисляется на воздухе, однако при нагревании выше 300 °C покрывается оксидной плёнкой. В компактном виде металл не реагирует с водой и разбавленными кислотами, но растворяется в азотной и концентрированной серной кислотах. Кобальт образует соединения в степенях окисления от −1 до +4, наиболее характерные из которых — +2 и +3.

¶Получение

Основным сырьём для производства кобальта служат кобальтовые руды, а также никелевые и медные руды, в которых кобальт присутствует как примесь. Крупнейшие месторождения находятся в Демократической Республике Конго, Австралии, России, Канаде и Замбии. Значительная часть мирового производства кобальта приходится на ДР Конго, где сосредоточено более половины разведанных запасов.

Технология получения включает несколько этапов. Руду обогащают флотационным или магнитным способом, затем концентрат подвергают обжигу для удаления серы и мышьяка. Полученный оксид восстанавливают алюминием или углеродом при высокой температуре. Для получения чистого металла применяют электролиз водных растворов солей кобальта или термическое разложение карбонила кобальта.

¶Применение

¶Сплавы и металлургия

Наиболее значительная часть производимого кобальта используется в металлургии для создания специальных сплавов. Кобальт входит в состав жаропрочных суперсплавов, применяемых в производстве турбинных лопаток авиационных двигателей и газовых турбин. Такие сплавы сохраняют прочность при температурах до 1000 °C.

Сплавы кобальта с хромом и вольфрамом (стеллиты) отличаются исключительной износостойкостью и применяются для наплавки режущих инструментов, клапанов двигателей и деталей, работающих в агрессивных средах. Кобальтовые магниты, созданные на основе сплавов с самарием, обладают высокой коэрцитивной силой и используются в электродвигателях, датчиках и накопителях информации.

¶Химическая промышленность

Соединения кобальта служат катализаторами многих химических процессов. Кобальтовые катализаторы применяют в реакциях гидроформилирования олефинов, синтезе Фишера — Тропша для получения жидких углеводородов из синтез-газа, а также в процессах очистки нефтяных фракций от серы.

¶Аккумуляторные технологии

Оксид лития-кобальта (LiCoO₂) стал одним из первых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Такие батареи используются в мобильных телефонах, ноутбуках и электроинструменте. В современных электромобилях всё чаще применяют никель-кобальт-марганцевые и никель-кобальт-алюминиевые катоды, где кобальт обеспечивает стабильность структуры и высокую энергоёмкость.

¶Медицина

Радиоактивный изотоп кобальт-60 с периодом полураспада 5,27 года используется в лучевой терапии онкологических заболеваний. Гамма-излучение этого изотопа применяется для облучения опухолей, а также для стерилизации медицинских инструментов и пищевых продуктов. Стабильный кобальт входит в состав витамина B12 (цианокобаламина), необходимого для кроветворения и функционирования нервной системы.

¶Керамика и стекло

Соединения кобальта придают стеклу, керамике и эмалям интенсивный синий цвет. Кобальтовые пигменты отличаются высокой термостойкостью и устойчивостью к выцветанию, поэтому используются для окрашивания фарфора, художественного стекла и глазурей.

¶Биологическая роль

Кобальт является жизненно важным микроэлементом для человека и животных. Он входит в состав витамина B12, который участвует в синтезе ДНК, образовании эритроцитов и функционировании нервной системы. Суточная потребность взрослого человека в кобальте составляет около 10–20 мкг.

Недостаток кобальта приводит к анемии и нарушениям обмена веществ, однако избыток металла токсичен. Профессиональное отравление кобальтом возможно у работников металлургических и химических производств и проявляется поражением дыхательной системы, кожи и сердечной мышцы.

¶Интересные факты

Кобальт-60 стал одним из первых радиоактивных изотопов, применённых в промышленных масштабах. В 1950-х годах его использовали для радиографического контроля сварных швов и отливок. В России кобальт добывается преимущественно в Норильском промышленном районе как попутный компонент при переработке медно-никелевых руд.