Кобальт — химический элемент, металл. В периодической таблице химических элементов атомный номер 27. Обозначается символом Co (лат. Cobaltum). Атомная масса элемента 58,933194(4) а. е. м. Простое вещество кобальт — серебристо-белый, слегка желтоватый 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.
Название «кобальт» происходит от нем. Kobold (гном, домовой). При обжиге содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Руда, содержащая эти минералы, получила у горняков имя горного духа Кобольда. Скандинавские племена приписывали отравления плавильщиков при переплавке серебра проделкам этого злого духа. В этом происхождение названия кобальта схоже с происхождением названия никеля.
Соединения кобальта известны человеку с глубокой древности. Свойство соединений кобальта окрашивать в синий цвет использовали ещё в древних Ассирии и Вавилоне. Синие кобальтовые стёкла, эмали и краски находят в гробницах Древнего Египта.
Существует мнение, что впервые кобальт был использован в Месопотамии на рубеже III и II тысячелетий до нашей эры. Оттуда технологические приемы 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 г. н.э.). Во время правления монгольской династии Юань (1280-1368 гг.) началось использование кобальта для подглазурной росписи. Расцвет производства фарфора с синей подглазурной росписью пришелся на эпоху Мин (1368-1644 гг.). На распространение кобальта повлияло открытие месторождения залежей руды неподалеку от Цзиндэчжэня. В XVII веке получил распространение прием blue poudre (soufle): кобальтовый порошок выдувался на влажную поверхность фарфора с помощью бамбуковой трубочки, конец который закрывался шелковой тряпкой. Кобальт ложился на изделие тонким неравномерным слоем, что создавало эффект мерцания.
Кобальт активно использовался и в Японии. По заказу Ост-Индской компании выполнялась роспись в стиле китайских мастеров, на изделия которых был особенный спрос.
В 1735 году шведский минералог Георг Брандт выделил неизвестный ранее металл, который назвал кобальтом. Также ученый выяснил, что соединения этого элемента окрашивают стекло в синий цвет. Современное приготовление синих красок на основе соединений кобальта относится к 1800 году.
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). Желтоватый оттенок металлу придаёт тонкий слой оксидов.
Кобальт — ферромагнетик, точка Кюри 1121°C.
Кобальт имеет только один стабильный изотоп — 59Co (изотопная распространённость 100%). Известны ещё 22 радиоактивных изотопа кобальта.
Химические свойства
Кобальт образует множество химических соединений. На воздухе металл 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 при температуре выше 900°C.
При высоких температурах можно получить α-форму или β-форму оксида CoO.
Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом.
Оксид кобальта (III) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II).
При нагревании кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором.
Кобальт образует 2 различных модификации соединений с серой. С углеродом, фосфором, азотом, селеном, кремнием и бором кобальт также образует сложные соединения, являющиеся смесями, где присутствует кобальт со степенями окисления 1, 2, 3.
Кобальт способен растворять водород, не образуя химических соединений.
Нахождение в природе
Кобальт входит в состав минералов: каролит, линнеит, кобальтин, сферокобальтит, смальтин, скуттерудит и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Кобальту сопутствуют мышьяк, железо, никель, хром, марганец и медь.
Массовая доля кобальта в земной коре 4⋅10−3%. Содержание в морской воде приблизительно (1,7)⋅10−10%.
60% разведанных запасов кобальта находятся в Конго (6 млн т.). Кроме того известны месторождения в Австралии (1 млн т.), Канаде (270 тыс. т.), Замбии (270 тыс. т.), России (250 тыс. т.), на Кубе (500 тыс. т.) и Филиппинах (290 тыс. т.), а также в Казахстане, США и Франции.
Получение кобальта
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) 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[6].
Применение кобальта
Кобальт – износостойкий и жаропрочный металл.Поэтому он широко применяется в составе специальных (например, химически стойких) сплавов и легированных сталей, а также как материал для нанесения износостойких покрытий.
Стали легированные кобальтом обладают более высокой твердостью, износо- и жаростойкость. Из них создают обрабатывающий инструмент – свёрла, резцы и т. п.
Сплавы кобальта и хрома получили собственное название стеллит. Они также обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Благодаря коррозионной стойкости и биологической нейтральности некоторые стеллиты применяются в протезировании.
Некоторые сплавы кобальта, например, с самарием или эрбием, проявляют высокую остаточную намагниченность, то есть они пригодны для изготовления мощных жаростойких постоянных магнитов. Также в качестве магнитов используют сплавы на основе железа и алюминия с кобальтом, например альнико.
Кобальт и его соединения применяются в никель-кадмиевых и некоторых конструкциях литий-ионных аккумуляторов.
Соединения кобальта широко применяются для получения ряда красок и при окраске стекла и керамики.
Кобальт применяется как катализатор химических реакций в нефтехимии, производстве полимеров и других процессах.
Силицид кобальта — отличный термоэлектрический материал, который позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД.
Искусственный изотоп кобальт-60 широко применяется как источник жесткого гамма-излучения для стерилизации, в медицине в гамма-ножах, гамма-дефектоскопии, облучении продуктов питания и т. п.
Использование кобальта в декорировании керамики и стекла
Биологическая роль
Кобальт — один из микроэлементов, жизненно важных для организма. Он входит в состав витамина B12 (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 акобальтоз.
При этом кобальт и его соединения токсичны. Известны также соединения, обладающие канцерогенным и мутагенным действием.
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.
Предельно допустимая концентрация 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.
Наиболее токсичны пары октакарбонила кобальта.