Почему так важен кобальт?

Кобальт — 27 элемент таблицы Менделеева

Кобальт — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 27. Обозначается символом Co (лат. Cobaltum).

Атомный номер — 27 Атомная масса — 58,933 Плотность, кг/м³ — 8900 Температура плавления, °С — 1495 Теплоемкость, кДж/(кг·°С) — 0,414 Электроотрицательность — 1,8 Ковалентный радиус, Å — 1,16 1-й ионизац. потенциал, эв — 7,86

Соединения кобальта (англ. Cobalt, франц. Cobalt, нем. Kobalt) были известны и применялись в глубокой древности. Сохранился египетский стеклянный кувшин, относящийся к ХV в. до н.э., окрашенный солями кобальта, а также голубые стекловидные кирпичи, содержащие кобальт. В древней Ассирии, а также в Вавилоне из кобальта изготовляли лазурит — голубую краску, которой обливали керамические изделия. Вероятно, исходным материалом для получения кобальтовых соединений служил тогда цаффер (Zaffer) — сапфир, содержащий висмут и кобальт; откуда, по-видимому, и произошли названия красок — сафлор, шафран и др. В средние века горняки находили вместе с другими рудами кобальтовую «землю», но не знали, что с ней делать. Иногда эта земля была похожа на серебряную руду, но не содержала никакого серебра. Примесь кобальтовой земли к другим рудам мешала выплавке металлов: с образующимся густым дымом (сульфидов и арсенидов) терялась часть выплавляемого металла. Еще в IV в. у Псевдодемокрита и других авторов встречаются слова, означающие дым, образующийся при обжигании руд, содержащих сульфиды мышьяка. В средние века немецкие горняки,очевидно, желая подчеркнуть свойства кобальтовых земель, называли их коб-ольд (или кобельт), что означало подземный гном, насмешливый дух, бессовестный плут. В древнерусском языке имеются близкие по смыслу слова кобение (гадание), кобь (гадание по птичьему полету); последнее слово интересно сравнить с современным названием птицы — кобчик.

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 происхождением названия никеля.

В 1735 году шведский минералог Георг Брандт сумел выделить из этого минерала неизвестный ранее металл, который и назвал кобальтом. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет — этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.

История

Соединения кобальта известны человеку с глубокой древности. Синие кобальтовые стёкла, эмали, краски находят в гробницах Древнего Египта. Так, в гробнице Тутанхамона нашли много осколков синего кобальтового стекла; неизвестно, было ли приготовление стёкол и красок сознательным или случайным.

Первое приготовление синих красок относится к 1800 году.

Основные сведения

Кобальт (Co) (Cobaltum) — химический элемент VIII группы в периодической системе химических элементов с атомным номером 27, твердый вязкий блестящий голубовато-серый металл, относится к тяжелым металлам. Плотность равна 8,9 г/см3, tпл.=1493 °C, tкип.=2957 °C. В земной коре содержание Co равно 4·10-3% по массе. Данный металл входит в состав более 30 минералов. К ним относятся каролит CuCo2S4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтит СоAs2 и другие. В морской воде приблизительно (1-7)·10-10% Co.

Свойства металла

Кобальт — элемент периодической таблицы Менделеева под номером 27. Его относят к металлам, он имеет белый или желтоватый серебристый цвет. Имеет синеватый или розоватый отлив.

Физические свойства металла:

• плотность 8,9 г/см³;
• температура плавления 1495°С;
• кипит при 2870  градусах Цельсия;

Кобальт ферромагнетик, как и два его соседа по таблице Менделеева — железо и никель.

Химические свойства металла обусловлены его степенями окисления — +2, +3, 0.

Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует Co.

Щелочи реагируют с водными растворами солей, при этом образуется гидроксид Со(ОН)2.

Физические и механические свойства

Свойство                                                 Значение

Химические свойства

Свойство                                                    Значение

Оксиды

• На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C.
• Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта состоит из смеси оксидов CoO и Co2O3, поэтому в справочниках можно встретить брутто формулу Co3O4.
• При высоких температурах можно получить α-форму или β-форму оксида CoO
• Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом. Со3О4 + 4Н2 → 3Со + 4Н2О.
• Оксид кобальта (II) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II), например: 2Со(ОН)2 + O2 → Co2O3 + Н2O.

Другие соединения

• При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором. Co + 3F → CoF3, но, Co + 2Cl → CoCl2
• С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую α-форму (при сплавлении порошков) и черную β-форму (выпадает в осадок из растворов).
• При нагревании CoS в атмосфере сероводорода получается сложный сульфид Со9S8
• 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 путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН2 и СоН.
• Растворы солей кобальта CoSO4, CoCl2, Со(NO3)2 придают воде бледно-розовую окраску. Растворы солей кобальта в спиртах темно-синие. Многие соли кобальта нерастворимы.
• Кобальт создаёт комплексные соединения. Чаще всего на основе аммиака.

Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли [Co(NH3)6]3+ желтого цвета и розеосоли [Co(NH3)5H2O]3+ красного или розового цвета.

• Также кобальт создаёт комплексы на основе CN−, NO2− и многих других.
• Хлорид кобальта
• Ионные комплексы кобальта

Термодинамические свойства простого вещества

8,9 г/см³ — Плотность (при н. у.)

1768 K — Температура плавления

3143 K — Температура кипения

15,48 кДж/моль — Уд. теплота плавления

389,1 кДж/моль — Уд. теплота испарения

24,8 Дж/(K·моль) — Молярная теплоёмкость

6,7 см³/моль — Молярный объём

Кристаллическая решётка простого вещества

гексагональная — Структура решётки

a=2,505 c=4,089 Å — Параметры решётки

1,632 — Отношение c/a

385 K — Температура Дебая

Электронная схема кобальта

Co: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7
Короткая запись:
Co: [Ar]4s2 3d7

Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом кобальта и -2Mn, -1Fe, +1Ni

Порядок заполнения оболочек атома кобальта (Co) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Кобальт имеет 27 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

6 электронов на 3p-подуровне

2 электрона на 4s-подуровне

7 электронов на 3d-подуровне

Степень окисления кобальта

Атомы кобальта в соединениях имеют степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается, то степень окисления положительная.

Ионы кобальта

5+Co 4+Co 3+Co 2+Co 1+Co Co 01-Co

Технология получения

Металл извлекают из руды, преимущественно никелевой. На нее воздействуют растворенным аммиаком либо серной кислотой.

Применяется электролиз и дополнительное рафинирование (для получения более чистого продукта).

Нахождение в природе

Кобальт не сильно распространённый металл, скорее его можно отнести к редким, в земной коре присутствует в минимальных количествах. Насчитывается не более 30-ти минералов, в составе которых находится кобальт. Самое большое месторождение кобальта находится в Демократической Республике Конго, имеются залежи в США, Франции, Канаде и России.

Получение и марки кобальта

Получение нашего героя зависит от выплавки… меди и никеля. Наш герой — побочный продукт этих производств. Делается это методами пирометаллургии, выщелачиванием с последующей алюминотермией.

Выпускается в виде проволоки, слитков, полос, пластин.

Достоинства и недостатки

Некоторые свойства кобальта обеспечивают металл рядом положительных характеристик. К преимуществам можно отнести хорошие показатели жаропрочности и стойкости к тепловым воздействиям, прочность даже при нагревании. Помимо этого элемент стоек к размагничиванию, так как это воздействие не влияет на него ни при повышении температуры, ни при механических нагрузках.

Из минусов отмечается в основном одно – высокая цена, так как этот металл относится к категории дорогостоящих.

Области применения

Данный элемент широко применяется в промышленной сфере, сельском хозяйстве, медицине. В чистой форме используется редко: радиоактивный металл нужен для γ-дефектоскопии и γ-терапии и для производства измерительных инструментов.

В основном он включается в сплавы для получения очень твердых и прочных материалов, постоянных магнитов. Такие варианты нужны для создания элементов авиационной техники, при строительстве ракет, в электротехнической и атомной отрасли.

Также элемент играет роль легирующей добавки в металлопрокате. Он улучшает режущие способности сталей и повышает температуру потери твердости. Благодаря такому влиянию его включают в состав тугоплавких и стойких к нагреву сплавов.

В атомной промышленности с его участием создают конструкционные элементы реакторов. Также применение кобальта достаточно интенсивно в области создания сплавов, стойких к кислотам и коррозии. В сочетании с никелем он применяется для нанесения защитного покрытия на готовые изделия, механизмы и детали.

В химической и нефтехимической промышленности металлический порошок нужен как катализатор, а в лакокрасочной, стекольной и керамической – для окрашивания.

Для медицины он также ценен, так как участвует в ходе лучевого лечения раковых заболеваний и стерилизации приборов. В сельском хозяйстве радиоактивный изотоп применяется для удаления насекомых в урожае, а соли элемента играют роль удобрения и подкормки для животных.

Кобальт в космосе

Казалось бы, «сверхскоростные» конструкции нужно делать из наиболее тугоплавких материалов, таких, как вольфрам, молибден, тантал. Эти металлы, конечно, играют видную роль, но не следует забывать, что и у них есть недостатки, ограничивающие возможности применения. При высоких температурах они сравнительно легко окисляются. Обработка их затруднительна. Наконец, они дороги. Поэтому их применяют, когда другими материалами нельзя обойтись, а во многих узлах вместо них работают сплавы на никелевой или кобальтовой основе.

Самое широкое применение в авиационной и космической технике получили сплавы на основе никеля. Когда одного известного металловеда спросили, как он создает высокотемпературные сплавы, он ответил: «Я просто заменяю в сталях железо на никель».

В тех же целях применяют сплавы на основе кобальта. Большая распространенность никелевых сплавов объясняется в основном их большей изученностью и меньшей стоимостью. Эксплуатационные же свойства сплавов на основе никеля и кобальта практически идентичны. Но «механизмы прочности» разные. Высокая прочность никелевых сплавов с титаном и алюминием объясняется образованием фазы-упрочнителя состава Ni3Al(Ti); чем больше в сплаве титана и алюминия, тем выше его механические свойства. Но при высоких температурах эксплуатации частицы фазы-упрочнителя переходят в раствор, и тогда сплав довольно быстро разупрочняется.

Кобальтовые же сплавы своей жаропрочностью обязаны образованию тугоплавких карбидов. Эти карбиды не растворяются в твердом растворе. Они обладают и малой диффузионной подвижностью. Правда, преимущества таких сплавов перед никелевыми проявляются лишь при температурах от 1038°С и выше. Последнее не должно смущать: известно, что чем выше температура, развивающаяся в двигателе, тем больше его эффективность. Кобальтовые сплавы хороши именно для наиболее эффективных высокотемпературных двигателей.

В конструкциях авиационных турбин применяют кобальтовые сплавы, которые содержат от 20 до 27% хрома. Этим достигается высокая «окалиностойкость» материала, позволяющая обходиться без защитных покрытий. Хром, кстати, единственный элемент, увеличивающий стойкость кобальта против окисления и одновременно его прочность при высокой температуре.

В лабораторных условиях сопоставляли свойства никелевых и кобальтовых сплавов под действием переменных температурных нагрузок (теплового удара). Испытания показали, что кобальтовые сплавы более «ударостойки». Не удивительно поэтому, что специалисты по космической технике все больше внимания уделяют сплавам элемента № 27. Это, если можно так выразиться, интерес с перспективой. Попробуем объяснить, что это значит, хотя бы на одном примере.

Все привычнее становятся полеты человека в космос. Но пока на экранах своих телевизоров мы видим лишь ракеты, получающие энергию в результате реакции окисления тех или иных топлив. Вряд ли этот вид «энергоснабжения» можно считать единственным и на будущее. Поднимутся ракеты, тягу которых создадут иные силы. В процессе разработки находятся электротермические, плазменные, ионные ракеты…

Важной составной частью двигательной установки любой из таких систем станет, по-видимому, электрогенератор. Электрогенератор большой мощности. Но, как мы знаем, мощные генераторы и весят много, и размеры имеют солидные. Как такую махину поместить на «транспортабельной установке»? Или — что практически более приемлемо — как сделать достаточно мощный и в то же время достаточно легкий генератор? Нужны оптимальные конструкции и оптимальные материалы для них.

В разрабатываемых проектах предусмотрен, в частности, атомный реактор с утилизацией тепла в паровой турбине. Крутить эту турбину будет не водяной пар, а ртутный (или пары щелочных металлов). В трубчатом бойлере тепло ядерной реакции испарит ртуть; ртутный пар, пройдя турбину и сделав свое дело, пойдет в конденсатор, где снова станет жидкостью, а затем опять, совершая круговорот, отправится в бойлер.

Такие аппараты должны работать без остановок, без осмотра и какого-либо ремонта не менее 10 тыс. часов, т. е. больше года. Судя по публикациям, бойлеры экспериментальных американских генераторов SNAP-2 и SNAP-8 сделаны из кобальтовых сплавов. Эти сплавы применили потому, что они жаропрочны, не подвержены амальгамации (не реагируют с ртутью), коррозионноустойчивы.

Кобальт в промышленности

Мы рассказали далеко не о всех областях применения кобальта. Совершенно не упомянули, например, о том, что электролитические кобальтовые покрытия во многих отношениях превосходят никелевые. Получить кобальтовое покрытие нужной толщины (причем равномерной толщины!) можно не за час, как никелевое, а всего за 4 минуты. Кобальтовые покрытия более тверды, поэтому защитный слой кобальта можно сделать тоньше, чем соответствующий слой никеля.

Русским ученым Федотьевым был в свое время исследовал кобальтовый сплав (до 75% кобальта), предназначенный для замены платиновых электродов гальванических ванн. Оказалось, что этот сплав не только не уступает драгоценному металлу, но и превосходит его по нерастворимости в крепких кислотах, а обходится несравненно дешевле.

Мы не замечаем, что кобальт окружает нас в нашей повседневной жизни, в быту, конкретнее — в эмалированных кастрюлях, причем не только синего цвета. Широко известный ныне процесс эмалирования жести рождался в муках. Эмаль накладывалась, но держалась плохо и отскакивала от основного металла при нагреве, толчке, а то и без всяких видимых причин. Лишь тогда, когда стали наносить эмаль в два слоя (грунт и эмаль), с содержанием в первом слое всего лишь 0,6% кобальта, покрытие стало удерживаться прочно. Объясняется же это тем, что в процессе нагрева окислы кобальта восстанавливаются железом до металла; этот кобальт при дальнейшем нагреве диффундирует в железо, образуя с ним твердый сплав. Мы сказали лишь о кастрюле, а сколько эмалированной посуды используется в медицине, фармацевтической, химической промышленности. И везде кобальт, всего лишь 0,6%.

Использование кобальта, его сплавов и соединений ширится с каждым днем. В последнее время, например, они стали нужны для изготовления ферритов, в производстве «печатных схем» в радиотехнической промышленности, при изготовлении квантовых генераторов и усилителей. Это металл с большим настоящим и большим будущим.

Как можно отравиться кобальтом?

Все острые и хронические отравления соединениями этого металла, как и им самим,  в наше время почти исключительно встречаются на производстве. Попасть в организм кобальт может всеми путями. Наиболее часто он проникает через органы дыхания, в некоторых случаях – через кожу (перкутанно – перкутанный путь заражения), или алиментарно, то есть, попадая в рот.

Воздушный путь заражения чаще всего реализуется при работе с различными сыпучими материалами, которые содержат этот металл. Наиболее часто это возникает на заводах, связанных с технологией порошковой металлургии. Все процессы просева, разгрузки, выгрузки, калибровки порошков для производства кобальтово – вольфрамовых сплавов могут приводить к этим случаям. Кстати, если в организм попадает смесь титана и кобальта через легкие, то она вызывает более выраженный токсический эффект, чем каждый из этих элементов в отдельности.

Отравиться можно при работе с асбестоцементными изделиями, с жидким цементом, это риск для бетонщиков штукатуров. Поскольку кобальт применяется для создания красок, то высокий риск интоксикации у маляров, колеровщиков красок и стеклодувов.

Токсический эффект в острой форме сводится к поражению бронхолегочной системы, особенно страдает система кроветворения, пищеварительная и нервная система. Рассмотрим характерные признаки острой и хронической интоксикации кобальтом и его соединениями.

Аллергия на кобальт в стоматологии

Как известно, в ортопедической стоматологии применяется более 20 металлов. Развитию аллергии очень сопутствуют электрохимические процессы, которые протекают в полости рта в зависимости от состава металла, температуры, и химического состава слюны. В том случае, если в составе стоматологического сплава используется кобальт, или хром, то это может вызывать симптомы аллергического стоматита. Часто зубные коронки из сплавов хрома и кобальта вызывают аллергию – у таких пациентов после соединения с белками тканей организма атомы кобальта начинает проявлять антигенные свойства, хотя и невыраженные.

Однако нужно различать токсическую реакцию на металл протеза, и постепенно развившийся аллергический стоматит. В случае токсической реакции она развивается очень быстро, буквально через сутки после ортопедического лечения. Для правильной диагностики необходимо обязательно определить, есть ли токсическая доза кобальта и других тяжелых металлов в слюне, для чего проводится ее спектрограмма, а также необходимо снять зубной протез и провести элиминационную пробу.

Также в стоматологии проводятся иммунологические тесты, при которых определяют антитела не только к металлам, но и пластмассам. В том случае, если в слюне увеличено содержание кобальта, марганца, хрома или никеля, такие протезы необходимо убирать.

Но, прежде чем устанавливать протезы, содержащие тяжелые металлы, необходимо выявить наличие аллергии с помощью использования кожаных проб.

В заключение следует сказать, что вред кобальта для организма, конечно, существует, но в наше время отравиться можно только через профессиональные заболевания, поскольку острое отравление кобальтом и его солями в настоящее время стала клинической казуистикой. В качестве такого примера можно привести довольно редкие случаи заглатывания детьми магнитов, которые содержат кобальт. Под действием желудочного сока его сплавы переходят в растворимые соли, и всасываются в виде хлорида, что у малышей может привести к симптомам серьезного отравления. Поэтому соблюдение правил техники безопасности на производстве может полностью исключить возможность интоксикации.

Детский труд на богатейших шахтах

Конго — одна из беднейших и коррумпированных стран. Зато в ее недрах находятся бесценные сокровища. Страна занимает первое место в мире по добыче кобальта (около 60%). Добычу ведут в самодельных шахтах, практически руками и молотком. Треть из работающих в шахтах дети школьного возраста. За 12-ти часовой рабочий день малолетний работник получает 3-4 доллара США.

Остальные страны обделены этим ценным ресурсом:

• Канада — 6% мировой добычи кобальта.
• Австралия 4 %.
• Филиппины 4%.
• Куба 3%.
• Замбия 3%.
• Россия 3%.

Ваша оценка?

Петр Иваныч

Возможно этот человек ответит на ваши вопросы

Задать вопрос