Кобальт

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, не известно, было ли приготовление стёкол и красок сознательным или случайным. Первое приготовление синих красок относится к 1679 г.

Происхождение названия

Название химического элемента 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 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.

Нахождение в природе

Массовая доля кобальта в земной коре 4×10⁻³%. Кобальт входит в состав минералов: каролит CuCo₂S₄, линнеит Co₃S₄, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO₃, смальтин CoAs₂, скуттерудит (Co, Ni)As₃ и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Кобальту сопутствуют железо, никель, марганец и медь. Содержание в морской воде приблизительно (1,7)×10⁻¹⁰%.

Месторождения

Самый крупный поставщик кобальта — Демократическая Республика Конго^[2]. Также есть богатые месторождения в Канаде, США, Франции, Замбии, Казахстане, России.

Получение

Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для отделения от близкого по свойствам никеля используется хлор, хлорат кобальта (Co(ClO₃)₂) выпадает в осадок, а соединения никеля остаются в растворе.

Изотопы

Основная статья: Изотопы кобальта

Кобальт имеет только один стабильный изотоп — изотопная распространённость 100^[3] %). Известны ещё 22 радиоактивных изотопа кобальта.

Физические свойства

Кобальт — твердый 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 придает тонкий слой оксидов.

Химические свойства

Оксиды

На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C.
Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта представляет собой сложный оксид Co₃O₄, имеющий структуру шпинели, в кристаллической структуре которого одна часть узлов занята ионами Co²⁺, а другая — ионами Co³⁺; разлагается с образованием CoO выше 900 °C.
При высоких температурах можно получить α-форму или β-форму оксида CoO.
Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом. Со₃О₄ + 4Н₂ → 3Со + 4Н₂О.
Оксид кобальта (III) 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. 2Co + 3F₂ → 2CoF₃, но, 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 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⁺ жёлтого 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

Применение

Легирование кобальтом стали повышает её жаропрочность, улучшает механические свойства. Из сплавов с применением кобальта создают обрабатывающий инструмент: свёрла, резцы, и.т.п.
Магнитные свойства сплавов кобальта находят применение в аппаратуре магнитной записи, а также сердечниках электромоторов и трансформаторов.
Для изготовления постоянных магнитов иногда применяется сплав, содержащий около 50 % кобальта, а также ванадий или хром.
Кобальт применяется как катализатор химических реакций.
Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов.
Силицид кобальта отличный термоэлектрический материал и позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД.
Радиоактивный кобальт-60 (период полураспада 5,271 года) применяется в гамма-дефектоскопии и медицине.
⁶⁰Со используется в качестве топлива в радиоизотопных источниках энергии.

Биологическая роль

Кобальт, один из микроэлементов, жизненно важных организму. Он входит в состав витамина В₁₂ (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 человека. При отсутствии кобальта развивается акобальтоз.

Токсикология

Избыток кобальта для человека вреден.

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. кобальтовой кардиомиопатии в связи с употреблением пива происходили с 1964 по 1966 годы 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^[4]^[5].

ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 мг/м³, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 мг/л.

Токсическая доза (LD50 для крыс) — 50 мг.

Особенно токсичны пары октакарбонила кобальта Со₂(СО)₈.

Примечания

↑ ¹ ² Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т — Москва: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 414. — 671 с. — 100 000 экз.
↑ Мировая добыча кобальта по странам
↑ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
↑ Разные вопросы
↑ Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 14 ноября 2001 г. N 36 "О введении в действие санитарных правил" (с изменениями и дополнениями)