Кобальт

Историческая справка

Распространение в природе

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Кобальт в организме

Кобальт (лат. Cobaltum), Co, химический элемент первой триады VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 27, атомная масса 58,9332; тяжелый металл серебристого цвета с розоватым отливом. В природе элемент представлен одним устойчивым изотопом ⁵⁹Co; из полученных искусственно радиоактивных изотопов важнейший ⁶⁰Со.

Историческая справка. Оксид Кобальта применялась в Древнем Египте, Вавилоне, Китае для окрашивания стекол и эмалей в синий цвет. Для той же цели в 16 веке в Западной Европе стали пользоваться цафрой, или сафлором, - серой землистой массой, которая получалась при обжиге некоторых руд, носивших название "кобольд". Эти руды выделяли при обжиге обильный ядовитый дым, а из продукта их обжига выплавить металл не удавалось. Средневековые рудокопы и металлурги считали это проделками мифических существ - кобольдов (от нем. Kobold - домовой, гном). В 1735 году шведский химик Г. Брандт, нагревая в горне с дутьем смесь цафры с углем и флюсом, получил металл, который назвал "корольком кобольда". Вскоре это название было изменено на "кобольт", а затем на "кобальт".

Распространение Кобальта в природе. Содержание Кобальт в литосфере 1,8·10^-3% по массе. В земной коре он мигрирует в магмах, горячих и холодных водах. При магматической дифференциации Кобальт накапливается главным образом в верхней мантии: его среднее содержание в ультраосновных породах 2·10^-2% . С магматическими процессами связано образование так называемых ликвационных месторождений кобальтовых руд. Концентрируясь из горячих подземных вод, Кобальт образует гидротермальные месторождения; в них Со связан с Ni, As, S, Cu. Известно около 30 минералов Кобальт.

В биосфере Кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения - концентраторы Кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация Кобальта - в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10^-3% Кобальта, в песчаниках 3·10^-5, в известняках 1·10^-5. Наиболее бедны Кобальтом песчаные почвы лесных районов. В поверхностных водах Кобальта мало, в Мировом океане его лишь 5·10^-8% . Будучи слабым водным мигрантом, Кобальт легко переходит в осадки, адсорбируясь гидрооксидами марганца, глинами и других высокодисперсными минералами.

Физические свойства Кобальта. При обычной температуре и до 417 °С кристаллическая решетка Кобальта гексагональная плотноупакованная (с периодами а = 2,5017Å, с = 4,614Å), выше этой температуры решетка Кобальта кубическая гранецентрированная (а = 3,5370Å). Атомный радиус 1,25Å, ионные радиусы Со²⁺0,78Å и Со³⁺0,64Å. Плотность 8,9 г/см³ (при 20 °С); t_пл 1493°С, t_кип 3100°С. Теплоемкость 0,44 кдж/(кг·К), или 0,1056 кал/(г·°С); теплопроводность 69,08 вт/(м·К), или 165 кал/(см·сек·°С) при 0-100 °С. Удельное электросопротивление 5,68·10^-8ом·м, или 5,68·10^-6 ом·см (при О °С). Кобальт ферромагнитен, причем сохраняет ферромагнетизм от низких температур до точки Кюри, Θ = 1121 °С. Механические свойства Кобальта зависят от способа механической и термической обработки. Предел прочности при растяжении 500 Мн/м² (или 50 кгс/мм²) для кованого и отожженного Кобальта; 242-260 Мн/м² для литого; 700 Мн/м² для проволоки. Твердость по Бринеллю 2,8 Гн/м² (или 280 кгс/мм²) для наклепанного металла, 3,0 Гн/м²для осажденного электролизом; 1,2-1,3 Гн/м²для отожженного.

Химические свойства Кобальта. Конфигурация внешних электронных оболочек атома Кобальта 3d⁷4s². В соединениях Кобальт проявляет переменную валентность. В простых соединениях наиболее устойчив Со(П), в комплексных - Со(Ш). Для Со(I) и Co(IV) получены только немногочисленные комплексные соединения. При обыкновенной температуре компактный Кобальт стоек против действия воды и воздуха. Мелко раздробленный Кобальт, полученный восстановлением его оксида водородом при 250 °С (пирофорный Кобальт), на воздухе самовоспламеняется, превращаясь в СоО. Компактный Кобальт начинает окисляться на воздухе выше 300 °С; при красном калении он разлагает водяной пар: Со + Н₂О = СоО + Н₂. С галогенами Кобальт легко соединяется при нагревании, образуя галогениды СоХ₂. При нагревании Кобальт взаимодействует с S, Se, P, As, Sb, С, Si, В, причем состав получающихся соединений иногда не удовлетворяет указанным выше валентным состояниям (например, Со₂Р, Co₂As, CoSb₂, Со₃С, CoSi₃). В разбавленных соляной и серной кислотах Кобальт медленно растворяется с выделением водорода и образованием соответственно хлорида СоCl₂ и сульфата CoSO₄. Разбавленная азотная кислота растворяет Кобальт с выделением оксидов азота и образованием нитрата Co(NO₃)₂. Концентрированная HNO₃ пассивирует Кобальт. Названные соли Со (П) хорошо растворимы в воде [при 25°С 100 г воды растворяют 52,4 г СоCl₂, 39,3 г CoSO₄, 136,4 г Co(NO₃)₂]. Едкие щелочи осаждают из растворов солей Со²⁺ синий гидрооксид Со(ОН)₂, которая постепенно буреет вследствие окисления кислородом воздуха до Со(ОН)₃. Нагревание в кислороде при 400-500 °С переводит СоО в черную закись-окись Со₃О₄, или СоО·Со₂О₃ - соединение типа шпинели. Соединение того же типа CoAl₂О₄ или СоО·Al₂О₃ синего цвета (тенарова синь, открытая в 1804 году Л. Ж. Тенаром) получается при прокаливании смеси СоО и Al₂О₃ при температуре около 1000 °С.

Из простых соединений Со (IП) известны лишь немногие. При действии фтора на порошок Со или СоCl₂ при 300-400 °С образуется коричневый фторид CoF₃. Комплексные соединения Со (Ш) весьма устойчивы и получаются легко. Например, KNO₂ осаждает из растворов солей Со (П), содержащих СН₃СООН, желтый труднорастворимый гексанитрокобальтат (III) калия K₃[Co(NO₂)₆]. Весьма многочисленны кобальтаммины (прежнее название кобальтиаки) - комплексные соединения Со (Ш), содержащие аммиак или некоторые органических амины.

Получение Кобальта. Минералы Кобальта редки и не образуют значительных рудных скоплений. Главным источником промышленного получения Кобальта служат руды никеля, содержащие Кобальт как примесь. Переработка этих руд весьма сложна, и ее способ зависит от состава руды. В конечном итоге получают раствор хлоридов Кобальта и никеля, содержащий примеси Cu²⁺, Pb²⁺, Bi³⁺. Действием H₂S осаждают сульфиды Cu, Pb, Bi, после чего пропусканием хлора переводят Fe(II) в Fe(III) и добавлением СаСО₃ осаждают Fe(OH)₃ и CaHAsO₄. От никеля Кобальт отделяют по реакции: 2СоCl₂ + NaClO + 4NaOH + H₂O = 2Co(OH)₃↓ +5NaCl. Почти весь никель остается в растворе. Черный осадок Со(ОН)₃ прокаливают для удаления воды; полученный оксид Со₃О₄ восстанавливают водородом или углеродом. Металлический Кобальт, содержащий до 2-3% примесей (Ni, Fe, Cu и другие), может быть очищен электролизом.

Применение Кобальта. Кобальт применяется главным образом в виде сплавов; таковы кобальтовые сплавы, а также сплавы на основе других металлов, где Кобальт служит легирующим элементом. Сплавы Кобальта используют в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, при изготовлении постоянных магнитов, режущего инструмента и других. Порошкообразный Кобальт, а также Со₃О₄ служат катализаторами. Фторид CoF₃ применяется как сильный фторирующий агент, тенарова синь и особенно силикат Кобальта и калия - как краски в керамической и стекольной промышленности. Соли Кобальта применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения, а также для подкормки животных.

Из искусственно радиоактивных изотопов Кобальт наибольшее значение имеет ⁶⁰Со с периодом полураспада Т_½ = 5,27 года, широко используемый как гаммаизлучатель. В технике его применяют для гамма-дефектоскопии. В медицине - главным образом при лучевой терапии опухолей и для стерилизации медикаментов. Он служит также для уничтожения насекомых в зерне и овощах и для консервирования пищевых продуктов. Другие радиоактивные изотопы - ⁵⁶Со (Т_½ = 77 сут), ⁵⁷Со (270 сут) и ⁵⁸Со (72 сут) как менее опасные (небольшой период полураспада) используют в качестве изотопных индикаторов при исследовании обмена веществ, в частности для изучения распределения Кобальта в организме животных (с помощью радиоактивного Кобальта исследовали проницаемость плаценты и т. п.).

Кобальт в организме. Постоянно присутствуя в тканях животных и растений, Кобальт участвует в обменных процессах. В животном организме содержание Кобальта зависит от его уровня в кормовых растениях и почвах. Концентрация Кобальта в растениях пастбищ и лугов в среднем составляет 2,2·10^-3 - 4,5·10^-3% на сухое вещество. Способность к накоплению Кобальт у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с высокой способностью к концентрации Кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде Кобальта значительно меньше, чем в почвах. Суточная потребность человека в Кобальте равна примерно 7-15 мкг и удовлетворяется за счет его поступления с пищей. Потребность животных в Кобальте зависит от их вида, возраста и продуктивности. Наиболее нуждаются в Кобальте жвачные, которым он необходим для развития симбиотической микрофлоры в желудке (главным образом в рубце). Суточная потребность в Кобальте у дойных коров составляет 7-20 мг, у овец - около 1 мг. При недостатке Кобальта в рационе снижается продуктивность животных, нарушаются обмен веществ и кроветворение, у жвачных возникают эндемичные заболевания - акобальтозы. Биологическая активность Кобальта определяется его участием в построении молекулы витамина B₁₂ и его коферментных форм, фермента транскарбоксилазы. Кобальт необходим для проявления активности ряда ферментов. Он влияет на обмен белка и синтез нуклеиновых кислот, на обмен углеводов и жиров, окислительно-восстановительные реакции в животном организме. Кобальт- мощный активатор кроветворения и синтеза эритропоэтинов. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств.