Кобальт

Кобальт — химический элемент с атомным номером 27. Принадлежит к 9-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к побочной подгруппе VIII группы, или к группе VIIIB), находится в четвёртом периоде таблицы. Атомная масса элемента 58,933194(4) а. е. м.. Обозначается символом Co (от лат. Cobaltum). 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.

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.

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 мышьяк, железо, никель, хром, марганец и медь.

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

Месторождения

Также есть богатые месторождения в Демократической Республике Конго (6 млн т.), 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.

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(ClO₃)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.

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 — ⁵⁹Co (изотопная распространённость 100%). Известны ещё 22 радиоактивных изотопа кобальта. Искусственный изотоп кобальт-60 широко применяется как источник жесткого 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 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:

 Co₃O₄ + 4H₂ → 3Co + 4H₂O

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

 4Co(OH)₂ + O₂ → 2Co₂O₃ + 4H₂O

 

                                Минерал с кобальтом

Другие соединения

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

 2Co + 3F₂ → 2CoF₃ 

 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 Co₉S₈.
• 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 CoH₂ и CoH.
• Растворы солей кобальта CoSO₄, CoCl₂, Со(NO₃)₂ придают воде бледно-розовую окраску, поскольку в водных растворах ион Co²⁺ существует в виде аквакомплексов [Co(H₂O)₆]²⁺ розового цвета. Растворы солей кобальта в спиртах тёмно-синие. 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(NH₃)₆]³⁺) жёлтого цвета и розеосоли (например, [Co(NH₃)₅H₂O]³⁺) красного или розового цвета.

• Также кобальт образует комплексы с CN⁻, NO₂⁻ и многими другими лигандами. Комплексный анион гексанитрокобальтат [Co(NO₂)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 твердость, 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
  • Некоторые сплавы кобальта, например, с самарием или эрбием, проявляют высокую остаточную намагниченность, то есть они пригодны для изготовления мощных жаростойких постоянных магнитов (см. Самариево-кобальтовый магнит. 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 широко применяются для получения ряда красок и при окраске стекла и керамики. Например, Тенарова синь.
• 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.

Биологическая роль

Кобальт — один из микроэлементов, жизненно важных организму. 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.

Токсикология

Кобальт и его соединения токсичны. Известны также 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. 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.

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 Co₂(СО)₈.