Кобальт

Кобальт — пищевой минерал, элемент с атомным номером — 27, девятой (по старой классификации — 4 периода восьмой побочной подгруппы) группы четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева. Обозначают символом Co (лат. Cobaltum). Простое вещество кобальт цвета серебристо-белого, металл слегка желтоватый с розоватым или синеватым отливом. Известно два вида существования кристаллических модификациях: α-Co с гексагональной плотноупакованной решеткой, β-Co с кубической гранецентрированной решеткой, температура перехода α↔β 427 °C.

Химический элемент кобальт берет название от немецкого Kobold — домовой, гном. Во время обжига содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Руду, содержащую эти минералы, горняки прозвали горным духом Кобольда. Отравления плавильщиков при переплавке серебра древние норвежцы относили к проделкам злого духа.

История

“Так же, как существует шесть видов металлов, – существует шесть видов полуметаллов, что доказано экспериментально. Брандт имел счастье открыть новый полуметалл, названный кобальт регулус, который путали ранее с висмутом.”

Гармоничная схема Брандта, в которой шесть металлов и шесть полуметаллов существовала недолго. Через 10 лет после сделанного выше сообщения, Аксель Фредерик Кронстедт, который был коллегой по лаборатории Монетного двора, открыл следующий элемент – никель, нарушив тем самым гармоничную схему. Шесть металлов, упомянутые Брандтом, это золото, медь, серебро, олово, железо, свинец. А шесть известных на тот момент полуметаллов – сурьма, ртуть, висмут, кобальт, цинк, мышьяк. Полуметаллами ученый называл вещества, по внешнему виду и весу схожие с металлами, но в отличие от них не поддающиеся ковке.

“Кобальт регулус” это чистый металлический кобальт. Брандт ввел этот термин, для отличия металлического кобальта от кобальта-минерала. Не думайте, что открытие Брандтом металлического кобальта или Кронстедтом металлического никеля убедило всех, что открыты элементарные вещества действительно. Химики спорили долго об элементарной природе кобальта. По версии одних кобальт состоит из меди, железа и “особой земли”, другие уверяли, что в его составе соединение железа с мышьяком. В 1781 году французский химик Маке опубликовал точный метод получения металлического кобальта из руд. После этого уже никто не сомневался в элементарной природе кобальта.

Из древности

В глубокой древности люди изготовляли цветные стекла и смальты, в том числе и синие. Во многих центрах древних цивилизаций находят археологи остатки посуды, мозаики, украшений из синего стекла. Однако в большинстве случаев эти стекла окрашены соединениями меди, а не кобальта о чем свидетельствуют результаты химического анализа. В гробнице египетского фараона Тутанхамона нашли предметы из синего стекла. Один из которых оказался окрашенным кобальтом, а все остальные — медью. Удивляться особенно нечему, на нашей планете медные минералы встречаются гораздо чаще кобальтовых.

Немецкая провинция Саксония несколько веков назад считалась крупным по тогдашним временам центром добычи серебра, меди и цветных металлов. В рудниках Саксонии находили руду, которая по внешним признакам казалась серебряной, а в процессе плавки получить драгоценный металл не удавалось. Хуже того, при обжиге этой руды выделялся ядовитый газ, отравляющий рабочих. Саксонцы считали эти неприятности происками нечистой силы коварного подземного гнома кобольда. От него же случались и другие опасности, которые ожидали рудокопов в подземельях. Читали в церквах молитвы о спасении горняков от злого духа кобольда в Германии. Саксонцы, научившись отличать “нечистую” руду от серебряной, назвали ее “кобольд”.

Георг Брандт, открывший кобальт, занимался химией с детства, помогая своему отцу, который сначала был аптекарем, а затем стал управляющим металлургическим предприятием и ставил опыты. В голландском городе Лейдене провел свои студенческие годы Брандт. Под руководством знаменитого ботаника, химика, врача Германа Бургаве изучал медицину и химию.

Одним из первых среди ученых Бургаве применил в своих исследованиях термометр и лупу. Его лекции были популярны, известно что их слушал русский царь Петр I. Бургаве опровергал различные домыслы алхимиков, в этом он проявлял редкостное упорство. Желая доказать, алхимикам что их утверждение по вопросу ртути ошибочно, Бургаве нагревал ртуть в замкнутом сосуде в течение 15 лет, после которых не получил твердого тела.

После трех лет учебы в Лейдене Брандт направился в Реймс, где получил диплом доктора медицины, затем в Гарц, где изучал горное дело и металлургию. После завершения учебы вернулся в Швецию. Важнейшие из своих исследований Брандт провел в лаборатории Монетного двора. В России одна из первых химических лабораторий находилась в Монетном дворе. Брандт изучил мышьяк и его соединения, поваренную соль и соду; организовал на базе местного цинка производство шведской латуни. Большую известность Брандту принесло открытие кобальта.

Открытие

В 1735 году шведский химик Георг Брандт выделил нечистой руды серый со слабо розоватым оттенком неизвестный металл. Название “кобольд” или “кобальт”, сохранилось и за ним. В диссертации Брандта, посвященной новому металлу, говорилось что из металла можно изготавливать сафру — краску, которая придает стеклу глубокий синий цвет. В Древнем Египте изготовляли синее стекло, выполненное по тщательно скрываемым рецептам.

В средние века с Венецианской республикой не могло соперничать в производстве стекла ни одно из государств Европы. В XII веке для сохранения секретов варки цветных стекол от чужого глаза , правительство Венеции специальным указом перебазировало все стекольные фабрики на уединенный остров Мурано. О способах охраны там секретов производства, можно составить представление по такой истории. Однажды с острова сбежал подмастерье Джиорджио Белерино, а вскоре сгорела стекольная мастерская в одном из немецких городков. Владельца звали Белерино. Его закололи кинжалом.

Несмотря на столь строгие и жестокие меры, секреты варки цветного стекла просочились в другие государства. В 1520 году Вейденхаммер в Германии открыл способ приготовления краски для синего стекла и по высокой цене начал продавать ее венецианскому правительству! Через 20 лет богемский стекольный мастер Шюрер нашел способ получения синей краски из какой-то руды, известной ему одному. Такую краску с его помощью стали получать и в Голландии. Современники о процессе писали, что стекло окрашивали “цаффером”, а вот что собой представлял этот продукт – никто не догадывался. Только через столетие, а именно в 1679 году, известный химик Иоганн Кункель подробно рассказал о процессе получения краски, но оставалась загадка, из какой именно руды ее делают, где эту руду добывать и какая из ее составных частей обладает красящим свойством.

Исследования Брандта выясняли, что сафр, или цаффер, представляет продукт прокаливания руды богатой кобальтом, содержит окислы кобальта и много окислов других металлов. С песком и поташем сплавленный цаффер образовывал смальту, представляющую собой краску для стекла. Кобальта в смальте содержится немного всего от 2 до 7%. Но красящая способность окиси кобальта оказалась большой: уже 0,0001% ее в шихте придает стеклу голубоватый оттенок.

Использование

В средние века стеклоделы использовали свойства кобальта бессознательно, получив их чисто опытным путем. Это даже в самой малости не умаляет в наших глазах замечательное искусство этих тружеников. Кроме смальты, известны другие кобальтовые красители: тенарова синь – синяя алюминиево-кобальтовая краска ; зеленая – комбинация окислов алюминия, магния, кобальта, хрома и других элементов. Краски красивы, достаточно стойки при воздействии высокой температуры, но не всегда имеют хорошую покрывающую способность. Значат гораздо меньше, чем смальта. Заслуживает внимание изменчивость окраски соединений кобальта.

Чудесное превращение красок известно с XVI столетия. Химик и врач Парацельс, профессор из Базельского университета, демонстрировал написанную им самим картину. На ней нарисован зимний пейзаж — пригорки и деревья в снегу. Дав зрителям налюбоваться, профессор слегка подогрел картину, после чего на глазах у всех зимний пейзаж сменялся летним: деревья оделись листвой, на пригорках зеленела трава. Это чудесное превращение вызвало восторг.

Современному химику история с картиной Парацельса совершенно ясна. Такой эффект проявляют кобальтовые краски. Хлористый кобальт, который смешивали с хлористым никелем, почти бесцветен. Но при нагревании этих солей теряются кристаллизационные воды, и цвет изменяется.

В 1737 году французский химик сделал открытие свойства кобальтовых солей изменять цвет под действием тепла и начал использовать их в качестве симпатических чернил. Написанное чернилами на бумаге становилось видимым только после нагрева бумаги. Эта особенность солей кобальта имеет практическое применение в лабораторной технике: фарфоровые тигли метят раствором кобальтовых солей. После прогревания метка четко обозначается на белой поверхности фарфора.

Стекла окрашивают соединениями кобальта в наше время, хотя существуют менее дорогие красители. Для технических целей пользуются стеклами, поглощающими и пропускающими лучи определенного цвета. Такие стекла применимы в сигнализации, фотографии, колориметрическом анализе и других случаях. В наше время смальту не используют, а употребляют окись кобальта, которая вводится в состав шихты, загружаемой в стекловаренную печь.

Должны давать резкий, отчетливый свет стекла, применяемые для сигнальных огней. Главное исключить возможность ошибки в восприятии сигнала в условиях плохой видимости, даже при огромных скоростях транспорта и несовершенстве человеческого зрения. Необходимо, чтобы стекло светового сигнального устройства пропускало только свет волны определенной длины.

Стекло, окрашенное окисью кобальта, не имеет соперников по прозрачности, а добавка в него ничтожных количеств окиси меди придаст стеклу способность задерживать некоторые лучи фиолетовой, красной части спектра. Фотохимическим исследованиям требуются стекла, которые не пропускают желтые и оранжевые лучи. Этому требованию подходят кобальто-рубиновые стекла: на синее стекло окрашенное кобальтом накладывается нагретое стекло, красного цвета окрашенное соединениями меди, – так называемый медный рубин. Хорошо известно, что для придания очень устойчивого темно-синего цвета фарфору и эмалированным изделиям применяют окиси кобальта.

Металлургия

В 1912 году о кобальте писали, что металлический кобальт не представляет интереса с точки зрения потребления. Пытались ввести кобальт в железо и изготовили специальную сталь, но последняя не нашла никакого применения. Действительно, в начале прошлого века первые попытки использования кобальта в металлургии потерпели неудачу. Знали, что при повышенных температурах хром, вольфрам, ванадий повышают у стали твердость и износоустойчивость. Сначала создавалось впечатление, будто кобальт для этой цели не пригоден – закаливалась сталь плохо, точнее, закалка проникала в изделие на небольшую глубину. Ванадий, вольфрам, хром соединяясь с растворенным в стали углеродом, образуют твердые карбиды, а кобальт способствует выделению углерода в виде графита. Сталь обогащается несвязанным углеродом и при этом становится хрупкой. В дальнейшем этот недостаток устранили: добавив в кобальтовую сталь небольшое количество хрома предотвращающее графитизацию; такая сталь хорошо закаляется.

Сегодня кобальт и вольфрам, незаменимы в металлообработке. Кобальт является важнейшей составной частью инструментальных быстрорежущих сталей. Для примера, результат сравнительных испытаний трех резцов. В стали, из которой они были изготовлены, в одинаковых количествах содержались ванадий, вольфрам, углерод, хром и молибден. Различие состояло в содержании кобальта. Первая ванадиевая сталь не содержала кобальта, вторая, кобальтовая, имела его 6%, а третья, суперкобальтовая, – 18%. Все три резца точили стальной цилиндр. Условия работы были одинаковы: толщина снимаемой стружки— 20 мм, скорость резания — 14 м/мин.

Что же показал результат эксперимента? Ванадиевый резец затупился, осилив 7 м, кобальтовый — 10 м, а суперкобальтовый прошел 1000 м и остался в рабочем состоянии! Для повышения износоустойчивости и режущих свойств стали кобальт должен содержаться в ее составе в значительных количествах. В 1907 году в промышленности получили твердые сплавы, без содержания железа, – стеллиты (от латинского слова stella – звезда). Лучший стеллит содержал больше 50% кобальта. Кобальт играет не последнюю роль в твердых сплавах, которые в наше время стали важнейшим материалом для металлорежущего инструмента. Вольфрам карбида или титан карбида, основной компонент твердого сплава, спекается в смеси с порошком металлического кобальта. Зерна карбидов соединяют кобальт и придают всему сплаву большую вязкость, уменьшают его чувствительность к ударам и толчкам.

Твердые сплавы служат не только для изготовления режущих инструментов. Иногда наваривают твердый сплав на поверхность детали, подвергающейся сильному износу при работе машины. Такой сплав на кобальтовой основе повышает срок службы стальной детали в 4-8 раз.

Свойства

Кобальт способен сохранять магнитные свойства после однократного намагничивания, что свойственно немногим металлам. К сталям и сплавам, из которых изготовляются магниты, предъявляют важное техническое требование: они должны обладать большим сопротивлением к размагничиванию, иначе – коэрцитивной силой. Магниты должны обладать устойчивостью к температурным воздействиям, к вибрации, легко поддаваться механической обработке.

Ферромагнитные свойства теряет намагниченный металл под действием тепла. Температура, при которой это возможно (точка Кюри), разная: для никеля – всего 358oC, для железа – это 769oC, а для кобальта достигает 1121oC. В 1917 году Япония запатентовала состав стали с улучшенными магнитными свойствами. Главный компонент новой стали, названной японской, был кобальт в большом количестве – до 60%. Высокую твердость магнитной стали придают вольфрам, молибден или хром, а кобальт в 3,5 раза повышает ее коэрцитивную силу. Важнейшее свойство: под действием вибраций свои магнитные свойства почти на треть теряет вольфрамовая сталь, а кобальтовая – всего на 2-3,5%.

Магнитные устройства применяются в современной технике, особенно в автоматике, буквально на каждом шагу. Лучшие магнитные материалы из кобальтовых сталей и сплавов. Немаловажное значение и для ракетной и космической техники имеет свойство кобальта не размагничиваться под воздействием вибраций и высоких температур.

Чрезвычайно разнообразны требования к постоянным магнитам. Одно из важных – это минимальный вес при максимальной силе. В последние десятилетия изобрели такие магниты. Эти сплавы, названы “магнико” и “альнико” – по начальным буквам названий металлов, из которых они состоят. Магнико это магний, никель и кобальт. Альнико это алюминий, никель и кобальт. Свойства этих сплавов кажутся необычайными: магнит весом 100-200 г может удержать груз в 20-30 кг! Такие магниты совсем не содержат железа – металла, само название которого считают неотделимым от ферромагнетизма. Из интерметаллических соединений кобальта с некоторыми редкоземельными элементами (например, SmCо5 и др.) получаются очень сильные постоянные магниты.

В почве

Массовая доля кобальта в земной коре 0.004%. Кобальт находится в составе минералов: кобальтин CoAsS, каролит CuCo2S4, сферокобальтит CoCO3, линнеит Co3S4, смальтин CoAs2, скуттерудит(Co, Ni)As3 и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Сопутствующие кобальту металлы: марганец, железо, никель, хром, и медь. Содержание в морской воде приблизительно (1,7)·10 -10 %.

Кобальт интересен инженерам, агрономам, медикам. Во время первой мировой войны, когда военные делали первые попытки применения отравляющих веществ, возникла проблема нахождения вещества, поглощающего угарный газ. Это необходимо было решить потому, что сплошь и рядом возникали случаи отравления орудийного расчета угарным газом, выделяемым при стрельбе.

В результате, составили массу из окислов марганца, меди, серебра, кобальта, названную гопкалитом, защищающую от угарного газа, который окисляется в ее присутствии уже при комнатной температуре и превращается в нетоксичную углекислоту. Гопкалит – это катализатор; он только способствует реакции окисления 2CO + О2 → 2CO2, при этом не входит в состав конечных продуктов.

В организме

В различных районах стран, в том числе и нашей, распространялось заболевание скота, называемое сухоткой. Теряли аппетит и худели животные, шерсть переставала блестеть, слизистые оболочки бледнели. Наблюдалось резкое снижение количества красных кровяных телец (эритроцитов) в крови, резко понижалось содержание гемоглобина. Возбудителя болезни долго найти не могли, однако ее распространение создавало полное впечатление эпизоотии. Австрийцы и шведы неизвестную болезнь называли кустарниковой, болотной, прибрежной. Если в место, пораженное болезнью, завозили здоровых животных, то через год или два они тоже заболевали. В тоже время скот, вывезенный из района эпидемий, не заражал общающихся с ним животных и вскоре сам выздоравливал. Так было в разных странах, например, в Новой Зеландии, в Австралии, в Англии. Эти странности заставили искать причину болезни в корме. После кропотливых исследований болезнь была установлена, получила название, по причине ее вызывающей – акобальтоз.

Русские ученые сталкивались с акобальтозом, с отсутствием или недостатком кобальта в организме. Кобальт — один из микроэлементов, жизненно важный для организма. Элемент Co входит в состав витамина В12 (кобаламин). Кобальт участвует при кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях. Человеку необходимо кобальта — 0,007-0,015 мг ежедневно. Тело человека содержит 0,2 мг кобальта на каждый килограмм массы. Недостаток кобальта вызывает развитие акобальтоза. Однако избыток кобальта для организма человека вреден.

В 1960-х годах для стабилизации пены некоторые пивоваренные компании использовали соли кобальта. Регулярное употребление пива более четырех литров в день приводило к серьезным побочным эффектам на сердце, а, в отдельных случаях, могло привести к смерти. Известны случаи, так называемой кобальтовой кардиомиопатии, вызванной употреблением пива, происходившие с 1964 по 1966 годы в Квебеке (Канада), Омахе (штат Небраска), Миннеаполисе (штат Миннесота), Левене (Бельгия). С тех пор его использование в пивоварении прекращено, и ныне считается незаконным. Для пыли кобальта ПДК в воздухе 0,5 мг/м³, в питьевой воде допустимо содержание солей кобальта порядка 0,01 мг/л. Для крыс токсическая доза (LD50) — 50 мг. Пары октакарбонила кобальта Со2(СО)8 особенно токсичны.

Академия наук Латвийской ССР получила письмо с сообщением, что в районе болот неподалеку от Риги скот поразила сухотка, а у лесника, живущего там же, все коровы упитанные и имеют высокие удойные показатели. Профессор Я.М. Берзинь отправился к леснику. Выяснилось, что ранее коровы у лесника тоже болели, а когда он добавил коровушкам в корм мелассу (кормовую патоку – отход сахарного завода), то животные поправились. Исследование патоки показало, что ее килограмм содержит 1,5 мг кобальта. Это значительно больше, чем в растениях, растущих на болотах. Серия опытов на больных сухоткой баранах подтвердила отсутствие кобальта в пище — что являлось причиной страшной болезни(о ней мы уже писали выше). Сегодня на заводах Ленинграда( старое название Петербурга) и Риги для добавки в корм скоту выпускают специальные таблетки, которые предохраняют от заболевания сухоткой в тех районах, где микроэлемента кобальта в почвах недостаточно для полноценного кормления животных.

Провели эксперимент на двух прудах рыбного хозяйства “Нива”, что в Воронежской области, где карпам-двухлеткам добавили в рацион питания хлористый кобальт по 0,08 мг в сутки на килограмм живого веса рыбы. К концу откорма эти карпы набрали веса в среднем 530 г, а контрольные, не получавшие добавок кобальта, весили только 450 г. Еще эффективнее оказался кобальт для карпов-трехлеток. В Краснодарском крае на Синюхинском рыбопитомнике опытные и контрольные рыбы достигли разницы в весе 170 г; затраты корма на килограмм прироста уменьшились почти вдвое. Полезен кобальт для форели, получая его, с витамином B12, рыба быстрее усваивает корм, а соответственно лучше растет, болеет меньше и хорошо переносит зимовку.

В человеке

Известно, что организму человека требуется железо: оно входит в состав гемоглобина крови, с помощью которого усваивается кислород при дыхании. Зеленым растениям необходим магний, входящий в состав хлорофилла. А какую роль играет кобальт в организме?

Поражает людей такая болезнь как злокачественное малокровие. Резко уменьшающееся число эритроцитов способствует снижению гемоглобина. Развитие болезни ведет к смертельному исходу. Борясь с этим недугом врачи открыли, что сырая печень, попадая в организм, задерживает развитие малокровия. Многолетние исследования печени увенчались успехом, выделили вещество, которое способствовало появлению красных кровяных шариков. Спустя восемь лет выяснили его химическое строение. За эту работу английская исследовательница Дороти Кроуфут-Ходжкин награждена в 1964 году Нобелевской премией по химии. Вещество назвали витамином B12, в котором содержалось 4% кобальта.

Таким образом, выявлена основная роль соли кобальта для живого организма, она принимает участие в синтезе витамина B12. Последнее время витамин стал привычным лечебным средством в медицинской практике, которое вводят в мышцу больному, где организму не хватает кобальта. И еще одно применение кобальта в медицине — это наиважнейшее лечение злокачественной опухоли радиоактивным излучением. Во всем мире для облучения у людей, пораженных раком тканей применяют (в тех случаях, если лечение еще вообще возможно) радиоактивный изотоп кобальта – 60Со, который дает наиболее однородное излучение.

В аппарате для облучения глубоко залегающих злокачественных опухолей, “кобальтовой пушке” ГУТ-400 (гамма-установка терапевтическая), количество кобальта-60 соответствует по своей активности 400 г радия. Это огромная величина, радия в таком количестве не имеет ни одна лаборатория. Именно высокая активность кобальта-60 позволяет пытаться лечить опухоли, расположенные в глубине организма больного. Радиоактивный кобальт используется не только в медицине. Промышленность применяет установки, подобные медицинской “пушке”, для контроля уровня раствора в аппаратах, работающих при очень высоких температурах и давлениях.

Потребление

Интересны цифры, которые дают некоторое представление о том, на что расходуется кобальт в промышленно-развитых странах Запада. Вот сведения статистики за последние годы (в%):

  • Магнитные сплавы – 27
  • Жаропрочные материалы – 21,5
  • Краски и лаки – 13
  • Износоустойчивые и коррозионностойкие сплавы для химической и металлургической промышленности – 8,5
  • Керамика и эмали – 7
  • Сплавы с низким коэффициентом расширения для контрольно-измерительных приборов, сплавы с низким модулем упругости для пружин и т.п. – 7
  • Стали с высоким пределом текучести (в самолето- и ракетостроении) – 6,5
  • Порошок металлического кобальта для изготовления твердых сплавов – 4
  • Катализаторы в химических производствах и микроэлементы в сельском хозяйстве (в животноводстве) – 3
  • Быстрорежущие стали – 2,5

Приведенные цифры статистики относятся к началу 70-х годов, но за последнее время вряд ли что-то существенно изменилось. Новых областей применения элемент Со в эти годы не нашел. Однако в 1975 году у США спрос на кобальт по сравнению с 1974 годом уменьшился почти на четверть. Годы экономического кризиса отразились подобным образом на производстве и потреблении многих металлов.

По американским данным, в 1975 году получили более 20 тыс. тонн кобальта в мире. До начала второй мировой войны производство кобальта едва ли превышало 3 тыс. тонн. Республика Заир крупнейший поставщик кобальта на мировом рынке. Достаточно богатые месторождения кобальта в Канаде, США, Франции, Замбии. Советский Союз месторождения кобальтовых руд имеет на Урале, в Казахстане, в Восточной Сибири. Кобальтосодержащие медно-никелевые руды есть в районе Норильска и на Кольском полуострове.

В пище

Мкг на 100 г

Хлеб – 0,6

Рис – 1

Сыр – 1,8

Масло – 1,8

Мясные субпродукты – 3,3

Рыба – 0,7

Шоколад – 5

Сухофрукты – 4

Сахар 2,1

Креветки – 4,6

Растительные масла – 1,8

Яйца – 0,5

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *