Кобальт

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 возникновением названия никеля (нем. Nickel — озорник, гном Никель)[2]. В 1735 году шведский минералог Георг Брандт сумел выделить неизвестный ранее металл из саксонских полиметаллических руд, который назвал кобальтом, что описал в своей диссертации «О полуметаллах» (Dissertatio de semimetallis)[3][4]. В ней он показал, что имел честь открыть новый «полуметалл», ранее часто принимавшийся за висмут[5]. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет — этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне. Однако первоначально открытие Брандта не получило должной известности[4]. Некоторые учёные полагали, что открытый шведом металл представляет собой смесь веществ с «особой землёй». Окончательно доказал, что это самостоятельный элемент французский химик Пьер Жозеф Макер в 1781 году[4]; он также дал описание металлургических методов его извлечения[3]. В середине 1830-х годов французский ветеринар Шарль Аскин разработал способ разделения кобальто-никелевых руд с применением хлорной извести. Позже этот метод был усовершенствован и внедрён в промышленное производство[6].

Кобальтовый синий имеет шестнадцатеричный код цвета #0047ab.

Соединения кобальта известны человеку с глубокой древности. Первоначально кобальт нашёл применение в качестве синего красителя при производстве предметов декоративно-прикладного искусства, стекла, эмалей, фарфора и керамики и др.[7] Кобальтовые фарфор и керамика отличаются особенным глубоким тёмно-синим цветом. Кобальтовые краски являются одними из древнейших и использовались во многих центрах декоративно-прикладного искусства Европы и Азии. Считается, что в Китае применение кобальта для окраски изделий из керамики началось одновременно с распространением фарфора. Синие кобальтовые стёкла, эмали, краски находят в гробницах Вавилонии и Древнего Египта не позднее 2600 года до н. э.[8] Так, в гробнице Тутанхамона нашли предметы из стекла, окрашенные в синий цвет, причём не только с использованием меди, но и кобальта[9]. Синие стёкла и эмали, получаемые с применением кобальта, известны среди наследия Древней Греции и Древнего Рима. Неизвестно, было ли приготовление стёкол и красок сознательным или случайным. Установлено, что в Азербайджане кобальт для изготовления стёкол, эмалей и глазурей употреблялся со времён Х—ХII веков. Видимо он был побочным продуктом при выплавке меди из рудных месторождений Дашкесана. В средневековой Европе об использовании металла для создания предметов обихода (венецианское стекло) известно со второй половины ХV века[8]. Позже, в ХV—ХVI веках, в Европе он стал применяться более широко. В 1550 году алхимик Беренгуччио отмечал, что синий окрас стекла обязан содержанием вещества заффар (заффер). С этого времени варианты этого названия встречаются в трудах других авторов. Предполагается, что именно заффару обязан своим названием один из минералов кобальта — саффлорит (safflorit)[10].

Китайская фарфоровая ваза династии Цин

На базе южносаксонского месторождения полиметаллических руд в Шнееберге (Рудные горы) развернулась добыча кобальта. Установлено, что начиная с 1520-х годов там из него стали изготавливать краску, которая отправлялась в Венецию — крупнейший центр стекольного производства. В 1679 году немецкий алхимик Иоганн Кункель привёл описание получения заффера. К 1790 году в Европе насчитывалось 25 кобальтовых производств, специализирующихся на изготовлении смальты, известной также как синее кобальтовое стекло, синяя смальта — одного из элементов мозаики[10]. До второй половины ХIХ века главным центром добычи металла была Германия, хотя в меньшем количестве он производился и в других европейских регионах (Швеция, Норвегия, Испания). Такое положение сохранялось до 1860-х годов, когда французский инженер Жюль Гарнье установил наличие на Новой Каледонии богатых залежей никелевых и кобальтовых руд. С 1870-х годов началась их интенсивная разработка и французский остров на протяжении нескольких десятилетий стал основным экспортёром кобальта. В начале ХХ века были найдены богатые залежи серебряно-кобальтовых руд в канадской провинции Онтарио, которая становится основным поставщиком кобальта на мировой рынок. В 1909 году там было добыто более 1500 тонн металла, после чего производство в этом регионе стало постепенно падать[3]. С 1920-х годов центр добычи переместился в провинцию Катанга в Бельгийском Конго, где компания Union Minière du Haut-Katanga приступила к промышленной добыче кобальта[11]. В ХХI веке основным производителем кобальта в мире является швейцарская компания Glencore. Именно она является основным поставщиком кобальта при производстве аккумуляторных батарей для электронных устройств и электроавтомобилей. Главным активом швейцарского трейдера в этой сфере является кобальтовое производство в Заире[12][13]. Стимулированию добычи кобальта способствовали открытие его свойств и расширение сферы его применения. В 1897 году французский химик Поль Сабатье предложил его в качестве катализатора. С 1901 года металл был внедрён в производство быстросохнущих масляных красок. В 1907 году американский изобретатель и промышленник Элвуд Хейнс запатентовал способ изготовления металлорежущих резцов из стеллитов — сверхтвёрдых сплавов кобальта с хромом, а позже стали внедряться технологии с использованием в них различных добавок (вольфрама и/или молибдена). Стеллиты широко используются для напыления, наплавки и напайки деталей машин, станков и инструмента с целью повышения износостойкости[14]. Со времён Первой мировой войны кобальт применяется при производстве гопкалита, используемого в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, в частности, противогазов. В 1917 году японский учёный и изобретатель Котаро Хонда открыл кобальтосодержащие магнитные сплавы (кобальтовая, японская сталь)[14][15].

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%.

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.

• Специальные сплавы и стали — главное применение кобальта.
  • Легирование стали кобальтом повышает её твердость, износо- и жаростойкость[22]. Из кобальтовых сталей создают обрабатывающий инструмент: свёрла, резцы, и т. п.
  • Сплавы кобальта и хрома получили собственное название стеллит[22]. Они обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Также благодаря коррозионной стойкости и биологической нейтральности некоторые стеллиты применяются в протезировании (см. Виталлиум).
  • 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[22].
  • Кобальт применяется при изготовлении химически стойких сплавов[22].
• 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[22]. 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.

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[24][25].

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.

• Венецкий С. И. Рассказы о металлах. — М.: МИСИС; Руда и Металлы, 2005. — 432 с. — ISBN 5-87623-147-9.
• Энциклопедический словарь юного химика / Крицман В. А., Станцо В. В.. — М.: Педагогика, 1990. — 320 с. — ISBN 5-7155-0292-6.
• Резник И. Д., Соболь С. И., Худяков В. М. Кобальт. — М.: Машиностроение, 1995. — Т. 1: Исторический очерк. Сырьевые источники кобальта. Пирометаллургия кобальта. — 440 с. — ISBN 5-217-02685-5.
• Витязь, П., Свидунович, Н.; Куис, Д.; Войтов И., Мюрек, М. Выбор и применение материалов / Под. ред. Н. А. Свидуновича. — Минск: Беларуская навука, 2020. — Т. 4. Выбор и применение цветных металлов и сплавов. — 616 с. — ISBN 978-985-08-2531-5.

• Кобальт на Webelements
• Кобальт в Популярной библиотеке химических элементов