Кобальт – химический элемент, который относится к группе металлов. Представляет собой вещество серебристо-белого цвета, обладает слегка розовым или сиреневым отливом (см. фото).

Открыл этот элемент Г.Брандт, который использовал в качестве сырья руды «кобольд» из Саксонии. С древних времен соединения кобальта использовались для изготовления синей краски, и вплоть до 17 века рецептура сохранялась в секрете. История этого вещества связана с мистикой и нечистой силой. Работники рудников при обработке неизвестной руды часто получали отравления, поэтому решили, что их защищает зловредный гном Кобольд. Это имя потом трансформировалось в кобальт – название элемента.

В современное время его применяют в производстве материалов, обладающих жаростойкостью и повышенной твердостью, например для инструментов – сверл и резаков. Также известно о его использовании в медицине для проведения стерилизации инструментов и в лучевой терапии. В сельском хозяйстве практикуется добавление соединений элемента в качестве удобрений и добавки к корму животных, что обусловлено их благотоворными свойствами.

Действие кобальта

Действие макроэлемента очень значительно, т.к. выяснилось, что физиологической формой кобальта в организме является витамин В12 – кобаламин. Всего в организме содержится до 2 мг элемента, но это малое количество распределено в жизненно важных органах – печень, костная ткань, кровь, почки, щитовидная железа и лимфатические узлы.

Функции, которые выполняет элемент в организме, довольно обширны:

Кроме того, что кобальт защищает организм от заболеваний, он также помогает ему восстановиться во время выздоровления. Особенно полезно его употребление при сахарном диабете, анемии или онкологии крови.

Самые важные его свойства и функции, конечно, выполняются в составе витамина В12, т.к. является центром молекулы кобаламина. Таким образом оказывается влияние на формирование белка и жиров в структуре миелинового слоя нервной клетки, а это, в свою очередь, предотвращает возникновение переутомления, раздражительности, заболеваний нервной системы.

Находится в тесном контакте с аскорбиновой кислотой, В5, В9, регулируя действия друг друга.

Суточная норма

Суточная норма макроэлемента не определена окончательно и, соответственно, называются противоречивые данные. Но достаточно точно можно определить пределы, в которых элемент оказывает полезное действие, они колеблются приблизительно от 8 до 200 мкг в зависимости от возраста массы тела и других факторов вроде вегетарианского питания, болезни булимия и анорексия, период восстановления после травм, отравлений, больших кровопотерь и ожогов. Также в категорию риска можно отнести альпинистов, людей, работающих в горах. В этом случае полезно будет назначение препаратов с содержанием кобальта, но только согласно рекомендациям врача.

Недостаток кобальта

Недостаток макроэлемента наблюдается в основном у заядлых курильщиков, вегетарианцев и людей пожилого возраста. Также страдают от нехватки жители местностей, где почва обеднена содержанием элемента, а значит и продукты, выращенные на этих землях.

Дефицит может быть вызван хроническими болезнями желудочно-кишечного тракта, которые не позволяют элементу усваиваться в полной мере. Интересно, что нехватка, в свою очередь, вызывает эти самые болезни.

Основными симптомами и последствиями нехватки элемента являются такие явления, как:

• хроническая слабость и утомляемость, ухудшение памяти, депрессия;
• нарушение работы центральной нервной системы, вызывающее невралгию, астму;
• анемия, заболевания системы кровообращения;
• аритмия;
• болезни печени;
• поражение слизистой желудка, что вызывает гастриты, язвы, нарушения стула;
• замедление выздоровления и восстановления после болезней;
• торможение развития организма детей;
• дистрофия костной ткани.

Избыток кобальта в организме

Переизбыток макроэлемента возникает при отравлении организма токсичным количеством кобальта – 200-500 мг в сутки. Причинами такого довольно редкого явления могут стать злоупотребления препаратами витамина В12 и пивом. Также неприятные последствия могут возникнуть при нехватке железа, из-за чего уровень усвоения кобальта очень ускоряется, и так он способен накапливаться в печени. Работники предприятий химической промышленности, производства керамических изделий, жидкого топлива рискуют получить отравление при вдыхании насыщенной пыли или через кожные покровы.

Последствиями служат заболевания сердца, нервной системы, щитовидной железы, легких, органов слуха, а кроме того последсвиями могут стать аллергические реакции, астма, гипертония, дерматиты, пневмония, а еще нарушение защитных функций кровообращения.

Продукты, в которых содержится кобальт, очень разнообразны, поэтому правильный рацион сможет полностью пополнить организм необходимым количеством элемента.

Самое большое количество макроэлемента обнаружено в бобовых, зерновых культурах, яблоках, абрикосах, винограде, клубнике, орехах, грибах. Также богаты кобальтом продукты животного происхождения – молоко и его производные, мясо говядины, птицы, морские продукты, яйца.

Очень много элемента в чае и какао, но в них также образуются канцерогенные нитрозамины. Если обойтись без них вы не можете, то лучше перейти на зеленый, красный чай или добавлять лимон, который способен предотвращать возникновение токсинов.

Показания к назначению

Показания к назначению макроэлемента носят в основном предупредительный и восстановительный характер. Медики практикуют назначение препаратов при заболеваниях суставов, болезненных менструациях, климаксе, ухудшении памяти, язве желудка, варикозном расширении вен, судорогах.

Кобальт (Со) - химический элемент, имеющий атомный номер 27. Атомная масса кобальта равняется 58,9332. Кобальт, распространенный в природе, состоит из 2-х стабильных нуклидов: 57Со (0,17% по массе) и 59Со (99,83% по массе). В периодической системе химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева кобальт находится в группе VIIIВ, а также вместе с никелем и железом образует в четвертом периоде в данной группе триаду близких по своим свойствам переходных металлов. Атом кобальта имеет конфигурацию двух внешних электронных слоев 3s2p6d74s2. Кобальт образует соединения по большей части в степени окисления +2 (вторая валентность), а реже образует соединения в степени окисления +3 (третья валентность), ну и крайне редко образует соединения в степенях окисления +5, +4, и +1 (соответственно, пятая, четвертая и первая валентности).

Среди трех основных ферромагнитных металлов, т.е. железа, кобальта и никеля -кобальт обладает наивысшей точкой Кюри, то есть температурой, при которой металлическое вещество утрачивает свои магнитные свойства. Для никеля точка Кюри равна температуре всего в 358°С, для железа это 770°С, и лишь у кобальта данная точка достигает отметки в 1130°С. Т.к. магниты используются самых разных условиях, в т.ч. при очень высоких температурах, кобальту было суждено стать важнейшим компонентом состава магнитных сталей.

Металлический кобальт индустриальным образом получают восстановлением окиси кобальта углем, в редких случаях окисью углерода либо углеводородами.

Большую часть получаемого промышленным путем кобальта расходуют на приготовление разных сплавов. Как и вольфрам, кобальт незаменим в металлообработке. Металл является важнейшей частью быстрорежущих инструментальных сталей. Карбид титана или вольфрама, т.е. основной компонент сверхтвердого сплава, спекают вместе с порошком кобальта. Кобальт присоединяет зерна карбидов, при этом он придает сплаву большую вязкость и уменьшает чувствительность сплава к ударам и толчкам.

Биологические свойства

Кобальт представляет собой минеральное вещество, являющееся составной частью витамина B12. Как правило, содержание кобальта измеряется в мкг (микрограммах). Кобальт незаменим для крови, а именно для красных кровяных телец. Поступление металла в организм должно происходить исключительно из пищевых источников. В организме здорового среднего человека (с массой тела 70 килограмм) содержится примерно 14 мг кобальта. Ежедневная потребность человека в кобальте составляет 40-70 мкг. Металл обычно накапливается в крови, костной ткани, селезенке, печени, яичниках, гипофизе. Кобальт содержится в хлебе и хлебобулочной выпечке, молоке, бобовых, печени, овощах.

Для живого организма выяснена главная роль солей кобальта. Они принимают участие в образовании витамина B12. Последнее время данный витамин стал привычным лечебным средством в медицинской практике, вводят его в мышцы больного, у которого в организме по каким-то причинам не достаточное количество кобальта.

Данная потребность гораздо выше у жвачных животных, к примеру, у обыкновенных дойных коров она составляет около 20 мг. Микроэлемент кобальт участвует также и в ферментативных процессах фиксации клубеньковыми бактериями атмосферного азота. Соединения кобальта в обязательном порядке входят в микроудобрения. Отсутствие кобальта способствует развитию акобальтоза.

Избыток кобальта вреден для человека. ПДК кобальтовой пыли в воздухе равен 0,5 мг/м³, допустимое содержание кобальтовых солей в питьевой воде составляет 0,01 мг/л. Крайне токсичны испарения октакарбонила кобальта - Со2(СО)8. Избыток кобальта иногда может создать нарушение метаболизма йода внутри щитовидной железы. Избыток кобальта устраняется при помощи хелатирующих препаратов, которые содержат цистеин-N, ацетил-L, симптоматические средства.

Кобальт в медицине используется, в лечении радиоактивным излучением злокачественных опухолей. На данный момент для облучения тканей, пораженных раком, применяется радиоактивный изотоп кобальта 60Со, который дает самое однородное излучение (в случаях, когда подобное лечение возможно).

Оценка уровня содержания кобальта в человеческом организме проводится по результатам анализов мочи и крови. В среднем содержание кобальта в кровяной плазме у здорового человека равняется 0,05-0,1 мкг/л, а в моче - около 0,1-1,0 мкг/л.

Причины дефицита кобальта:

• -Глистная инвазия.
• -Понижение функции поджелудочной железы.
• -Понижение кислотности желудочного сока.
• -Нарушение обмена кобальта.
• -Дефицит витамина В 12 .
• -Недостаточное поступление кобальта.
• Повышенное содержание железа и белка в пище замедляет усвоение кобальта, а медь и цинк напротив, усиливают данный процесс.

При лечении больных с дефицитной анемией B12 применяются цианокобаламин и коамид. В последнее время были разработаны средства коррекции дефицита кобальта, основаны на его аспарагинате. В случае легкого протекания анемии, иногда эффективным может быть рацион, обогащенный витамином B 12 (сердце, печень, почки, кровяная колбаса, листовая зелень).

Учеными был найден египетский стеклянный кувшин, окрашенный солями кобальта, который относится к ХV веку до нашей эры, а еще голубые кирпичи стекловидной формы, которые также содержат кобальт.

Внутри гробницы египетского фараона Тутанхамона нашли огромное количество предметов, изготовленных из синего стекла. Как ни странно, лишь один из предметов оказался окрашен кобальтом, а все остальные были окрашены медью.

Все месторождения, богатые кобальтом, на сегодняшний день практически полностью исчерпаны.

Кобальт упоминался у Парацельса, Бирингуччо, Василия Валентина и других авторов середины XV - конца XVII веков. В "Лексиконе Алхимиков" Руланда (датированного 1612 годом) о кобальте говорятся примерно такие слова: "Кобол кобальт (от Koboltum, Kobaltum) либо коллет (от Colletum) – это металлическая материя, которая чернее железа и свинца, при нагревании растягивающаяся. Кобальт -это черная материя, чем-то похожая своим цветом на золу. Ее можно лить и ковать, в то же время она не имеет металлического блеска, она представляет собой вредную примесь, которая при плавке уводит вместе с дымом и хорошую руду". Как можно догадаться, речь здесь идет о металлическом кобальте.

В 60-х гг. соли кобальта использовали некоторые пивоваренные компании для стабилизации пены. Выпивавшие более 4-х литров пива в сутки регулярно получали сильные побочные эффекты сердца, а, в некоторых случаях, подобное приводило к летальному исходу. Существовали случаи так называемой кобальтовой кардиомиопатии, связанной с употреблением пива. Такие случаи с 64 по 66 гг. происходили в Миннеаполисе (штат Миннесота), Омахе (штат Небраска), Квебеке (Канада) и Левене (Бельгия). С того времени использование кобальта в пивоварении было прекращено, а в настоящее время добавление кобальта в пиво является незаконным.

Кобальт необходим человеческому организму для усвоения витамина В12. Металл участвует в регенерации мускулатуры и кроветворении.

История

Несколько столетий назад немецкая Саксония была крупным по тем временам центром по добыче меди, серебра и др. цветных металлов. В здешних рудниках находили руду, которая по своим внешним признакам была серебряной, но во время плавки не удавалось получить драгоценный металл. При обжиге руды выделялся ядовитый газ, который отравлял рабочих. Эти неприятности саксонцы объясняли вмешательством темной силы, коварного гнома кобольда. Он же был причиной и других опасностей, подкарауливающих в подземельях рудокопов. В то времена в Германии даже читали молитвы в церквях о спасении от духа кобольда горняков. А со временем, когда рудокопы научились отличать опасную руду от серебряной, ее стали называть «кобольд».

Шведский ученый-химик Георг Брандт в 1735 году выделил из «нечистой» руды неизвестный металл серого цвета со слабым розовым оттенком. Название «кобольд», либо «кобальт», осталось и за металлом.

В диссертации Брандта, говорилось, о том, что из кобальта можно изготавливать сафру, т.е. краску, которая придает стеклу очень красивый и глубокий синий цвет. Еще в Древнем Египте по тщательно скрываемым рецептам изготавливали синее стекло.

В средних веках Венецианская республика была европейским лидером по производству стекла. Дабы оградить секреты изготовления цветных стекол от чужих ушей, в XII в. правительство Венеции законодательно перевело все существующие стекольные фабрики на остров Мурано. О конфиденциальности технологий производства муранского стекла ходят настоящие легенды. Однажды с острова Мурано сбежал подмастерье Джиорджио Белерино, вскоре в одном немецком городке сгорела стекольная мастерская. Владельца звали Белерино, он был заколот кинжалом.

Все-таки, секреты изготовления цветного стекла распространялись и в другие государства. В 1520 году в Германии Вейденхаммер нашел метод приготовления краски для синего стекла и стал продавать ее «по дорогой цене» венецианскому правительству. Спустя 20 лет Шюрер, богемский стекольный мастер, также стал производить синюю краску из известной лишь ему одному руды. После такую краску стали изготовлять в Голландии. Писали, что стекло окрашивали «цаффером», но из чео состоял данный продукт - было секретом. Лишь спустя столетие известный ученый химик Иоганн Кункель в 1679 г. подробно описал получение краски, но по-прежнему оставалось загадкой, из какой руды ее делают, где искать эту руду и какая часть руды имеет красящее свойство.

Только исследования Брандта выяснили, что цаффер или сафр, – продукт, получаемый в результате прокаливания богатой кобальтом руды, который содержит окислы кобальта, а также окислы других металлов. Затем цаффер сплавленный с поташем и песком образовывал смальту, представляющую собой стекольную краску. В смальте содержалось немного кобальта – не более 2-7%. Зато красящее свойство окиси кобальта оказалось большим: даже 0,0001% ее в составе шихты придает голубоватый оттенок стеклу.

Один французский химик в 1737 году открыл свойство солей кобальта окрашиваться в результате нагревания. Он использовал соли как симпатические чернила. Сейчас даная особенность имеет практическое значение в технике. При помощи раствора солей кобальта метят фарфоровые тигли. В результате прогрева метка начинает четко выступать на поверхности фарфора.

Стекла, окрашенные окисью кобальта, не имеют соперников по прозрачности. Для фотохимических исследований иногда нужны стекла, не пропускающие желтые и оранжевые лучи. Данному условию на 100% отвечают кобальто-рубиновые стекла. Для этого на синее стекло, окрашенное кобальтом, накладывают нагретое, стекло, окрашенное соединениями меди в красный цвет. Известно применение кобальтовой окиси для придания красивого цвета эмалированным и фарфоровым изделиям.

Нахождение в природе

Содержание кобальта в составе земной коры составляет ничтожную долю, примерно 0,003% по массе. Но огромная часть кобальта располагается в самом центре ядра Земли, где в основном преобладают химические элементы группы железа. Кобальта в литосфере находится в среднем примерно 0,003 % по массе, соединения кобальта находятся в железных метеоритах (около 0,6%) и каменных метеоритах (около 0,08%). Ничтожно малые количества кобальта содержатся в воде мировых океанов ((1-7)·10-10 % кобальта.), а также в минеральных источниках.

Кобальт находится в составе более чем тридцати минералов, к которым относится линнеит Co3S4, карролит CuCo2SO4, кобальтин CoAsS, смальтит СоAs2, сферокобальтит CoCO3, скуттерудит CoAs3, шмальтинхлоантин (Co, Ni, Fe) As3, саффлорит (Co, Fe) As2 и многие другие. Как правило, в природе кобальту сопутствуют его соседи, элементы четвертого периода - медь, никель, марганец и железо. В морской воде содержится около (1-7)·10-10 % кобальта.

При помощи спектрального анализа ученые установили нгаличие кобальта в атмосфере Солнца, а также в атмосферах различных звезд. В природе существует два стабильных изотопа кобальта: 57Со и 59Со. Точное содержание кобальта в земной коре составляет 4*10-3%. Изредка кобальт

В ничтожно малых количествах кобальт находится в тканях растений и животных, в частности, кобальт входит в состав такого витамина, как В12 (C63H88O14N14PCo).

Металлический кобальт получают путем восстановления оксидов, комплексных соединений (Cl2, CO3), солей, окисью углерода,водородом, углеродом либо метаном (в процессе нагревания), кремне- или алюмотермическим восстановлением кобальт-оксидов, термическим разложением электролизом водных растворов солей CoSO4*7H2O, Co4(CO)12,и карбонилов Co2(CO)8, либо (NH4)2SO4*CoSO4*6H2O.

В земной коре кобальт мигрирует в магмах, холодных и горячих водах. Кобальт при магматической дифференциации накапливается в основной своей массе в верхней мантии, т.е. среднее содержание кобальта в ультраосновных породах составляет 2·10-2% . Связано с магматическими процессами также и образование ликвационных месторождений руд кобальта, как их принято называть. Кобальт, в процессе концентрации из горячих подземных вод, способен образовывать гидротермальные месторождения. В таких месторождениях кобальт связан связан с Cu, Ni, S и As.

Кобальт преимущественно рассеивается в биосфере, тем не менее, на таких участках, на которых присутствуют растения - концентраторы Кобальта, могут образовываться месторождения кобальта. В самой верхней части земной коры нашей планеты наблюдается дифференциация Кобальта: в сланцах и глинах кобальта содержится в среднем 2·10-3%, в известняках 1·10-5, в песчаниках 3·10-5. Песчаные почвы в лесных районах наиболее бедны кобальтом. В поверхностных водах мало кобальта, в мировом океане его содержание составляет всего лишь 5·10-8% . Т.к. кобальт слабый водный мигрант, металл имеет свойство легко переходить в осадки, при этом адсорбируясь гидрооксидами марганца, а также глинами и другими высокодисперсными минералами.

Применение

Большую часть получаемого промышленным путем кобальта расходуют на приготовление разных сплавов. Как и вольфрам, кобальт незаменим в металлообработке. Металл является важнейшей частью быстрорежущих инструментальных сталей. Карбид титана или вольфрама, т.е. основной компонент сверхтвердого сплава, спекают вместе с порошком кобальта. Кобальт присоединяет зерна карбидов, при этом он придает сплаву большую вязкость и уменьшает чувствительность сплава к ударам и толчкам.

Подобные твердые сплавы служат не только лишь для изготовления специальных режущих инструментов. В некоторых случаях твердый сплав приходится наваривать на детали, которые подвержены сильному износу во время работы машины. Подобный сплав на основе кобальта способен повысить срок эксплуатации детали из стали от 4 до 8 раз. Добавки кобальта позволяют повысить жаропрочность сплава, обеспечивают улучшение механических и других свойств стали.

Такую способность, как сохранение магнитных свойств после неоднократного намагничивания, имеют лишь немногим металлы, в их числе и кобальт. К сплавам и сталям, из которых изготовляются магниты, предъявляются особо важные технические требования: они обязаны обладать крупной коэрцитивной силой, или говоря другими словами сопротивлением размагничиванию. Изготавливаемые магниты обязаны быть устойчивыми и в отношении температурных воздействий, устойчивыми к вибрации (это особо важно в различных моторах), должны поддаваться механической обработке.

При воздействии тепла намагниченный металл обычно теряет свои ферромагнитные свойства. Это происходит при разной температуре (точка Кюри): для железа порогом является Т = 769°C, для никеля Т = 358°C, ну а для кобальта температура достигает величины в 1121°C. В далеком 1917 году в Японии запатентовали сплав стали с высокими магнитными свойствами. Основным компонентом обновленной стали, которая получила название «японская», является кобальт в огромном количестве, вплоть до 60%. Хром вольфрам или молибден придают высокую твердость магнитной стали, ну а кобальт повышает коэрцитивную силу сплава в 3 с половиной раза. Изготовленные из такой стали магниты получаются от 3 до 4 раз компактнее и короче. Есть еще одно очень важное свойство: вольфрамовая сталь под действием вибраций теряет магнитные свойства примерно на 1/3, а кобальтовые стали всего лишь на 2-3,5%.

В автоматике, магнитные устройства кобальта применяются на каждом шагу. Лучшими магнитными материалами являются кобальтовые сплавы и стали. Свойство не размагничивания кобальта под действием высоких температур и вибраций играет немаловажную роль и космической, и для ракетной техники.

Сплавы кобальта используются в производстве сердечников электромоторов, применяются они в трансформаторах, а также в др. электротехнических устройствах. При изготовлении головок магнитной записи применяются магнитомягкие кобальтовые сплавы. Магнитотвердые кобальтовые сплавы, как PrCo5, SmCo5, и другие, имеющие большую магнитную энергию, используются в приборостроении. При изготовлении постоянных магнитов применяются сплавы, м содержанием 52 % кобальта, а также и 5-14 % ванадия либо хрома (викаллои).

Кобальт, как и некоторые соединения металла, служит катализатором. Соединения кобальта, при введении их в стекла при варке, придают красивый кобальтовый (синий) цвет стеклянным изделиям. Соединения кобальта используются в качестве пигментов многих красителей. В производстве литиевых аккумуляторов применяется кобальтат лития, который служит высокоэффективным положительным электродом. Силицид кобальта является отличным термоэлектрическим материалом, он позволяет произвести термоэлектрогенераторы с очень высоким КПД.

Используется кобальт и в медицине, в лечении радиоактивным излучением злокачественных опухолей. На данный момент для облучения тканей, пораженных раком, применяется радиоактивный изотоп кобальта 60Со, который дает самое однородное излучение (в случаях, когда подобное лечение возможно).

Производство

Кобальт является относительно редким металлом, а все богатые месторождения кобальта на сегодняшний день практически полностью исчерпаны. Именно поэтому сырье, содержащее кобальт (в основном это никелевые руды, которые содержат кобальт в качестве примеси, а вот минералы кобальта встречаются крайне редко, они, как правило, не образуют значительных для промышленного производства рудных скоплений) изначально обогащают, затем получают из данного сырья концентрат. После с целью извлечения кобальта полученный концентрат либо обрабатывают раствором серной кислоты либо раствором аммиака, или методом пирометаллургии концентрат перерабатывается в металлический или сульфидный сплав. Данный сплав после получения выщелачивается при помощи серной кислоты.

В некоторых случаях для извлечения кобальта могут проводить сернокислотное, или как его называют «кучное», выщелачивание исходной руды (при этом измельченная руда размещается в высоких кучах, которые устанавливают на специальные бетонные площадки, а сверху все это поливают выщелачивающим раствором). В процессе очистки кобальта от нежелательных сопутствующих ему примесей начинают все более широко применять экстракцию.

Наиболее сложной задачей при отделении кобальта от сопутствующих примесей является отделение кобальта от максимально близкого к металлу по своим химическим свойствам другого металла - никеля. В процессе очистки кобальта от нежелательных сопутствующих ему примесей начинают все более широко применять экстракцию. Раствор, который содержит катионы двух данных металлов, зачастую обрабатывается мощными окислителями, например, хлором дибо гипохлоритом натрия NaOCl. Реакция:

2СоСl2 + NaOCl + 4NaOH + H2O 2Co(OH)3v + 5NaCl

Завершающий этап очистки кобальта (так называемое рафинирование) осуществляется при помощи электролиза сульфатного водного раствора кобальта, в который обычно добавляется борная кислота Н3ВО3.

Co(OH)3, представляющий собой чёрный осадок, прокаливается с целью удаления воды, ну а полученный в процессе очистки оксид Со3О4 восстанавливается углеродом либо водородом. Металлический кобальт, который содержит до 2% до 3% примесей (среди них обычно никель, медь, железо), может быть легко очищен электролизом.

Металлический кобальт индустриальным образом получают восстановлением окиси кобальта углем, в редких случаях окисью углерода либо углеводородами. Для всего этого необходимо приготовить массу из 2 частей патоки, 4 частей древесного угля, 95 частей CoO, а также достаточно большого количества воды. Данную массу перемешивают с помощью месильной машины, спрессовывают в металлических формах, а затем, после предварительной просушки разрезают на кубики и вторично просушивают. После кубики обсыпают порошком угля и накаливают до температуры 1220°С в восстановительном пламени, при этом металлы обуглероживаются и восстанавливаются. В конце концов, металл сплавляют в тиглях с присутствием окиси кобальта и буры при температуре от 1800 до 2000° с целью обезуглероживания металла. В белокалильном жару получаемый кобальт сваривается с сталью, при этом железо, которое с обеих сторон покрыто кобальтом, выкатывают в предельно тонкие листы.

Употребление металлического кобальта довольно ограничено. Его расходуют для приготовления феррокобальта, а также для получения стали с примесью кобальта, ну и для получения различных сплавов с медью. Кобальт употребляется еще и для кобальтирования металлов. Основной сферой использования кобальта является изготовление красок.

Физические свойства

Кобальт представляет собой твердый металл, который существует всего в двух модификациях. На температуре от комнатной вплоть до 427 °C более устойчива α-модификация. А на температуре от 427 °C вплоть до достижения температуры плавления (а именно 1494 °C) устойчива β-модификация (кубическая решетка, гранецентрированная). Кобальт является ферромагнетиком, точка Кюри у него составляет 1121 °C. У металла желтоватый оттенок, который придает ему тончайший слой оксидов.

Кобальт. Распространенный в природе, состоит из 2-х стабильных нуклидов: 57Со (0,17% по массе) и 59Со (99,83% по массе). В периодической системе химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева кобальт находится в группе VIIIВ, а также вместе с никелем и железом образует в четвертом периоде в данной группе триаду близких по своим свойствам переходных металлов. Атом кобальта имеет конфигурацию двух внешних электронных слоев 3s2p6d74s2. Кобальт образует соединения по большей части в степени окисления +2 (вторая валентность), а реже образует соединения в степени окисления +3 (третья валентность), ну и крайне редко образует соединения в степенях окисления +5, +4, и +1 (соответственно, пятая, четвертая и первая валентности).

У нейтрального атома кобальта радиус равен 0,125 нм, а радиус ионов (у которых координационное число равно 6) составляет Со4+ — 0,064 нм, Со3+ - 0,069 нм и Со2+ - 0,082 нм. Показатели энергии последовательной ионизации атома элемента кобальт составляют 7,865, 17,06, 33,50, 53,2 и 82,2 эВ. Электроотрицательность кобальта по шкале Полинга составляет 1,88. Кобальт - это тяжелый, серебристо-белый, блестящий металл с розоватым оттенком.

Хлорид кобальта - это кобальтовая соль хлороводородной (соляной) кислоты.

Хлорид кобальта относится к классу галогенидов кобальта. Соль имеет вид парамагнитных гигроскопичных блестящих голубых гексагональных кристаллов, цвет которых при обезвоживании становится синим.

У хлорида кобальта температура кипения составляет 1049°C, а температура плавления равна 735°C (в некоторых других источниках указывается 724 °C). Молярная электропроводность хлорида кобальта при бесконечном разведении и при температуре 25 °C составляет 260,7 Cм·см²/моль. Относительная плотность вещества (для сравнения вода = 1) равна 3.356.

При температуре 770°C давление паров хлорида кобальта составляет 5.33 кПа. Хлорид хорошо растворяется в воде, этиловом и метиловом спиртах, а также в ацетоне. Не растворяется хлорид кобальта в метилацетате и пиридине. Показатели растворимости в воде: при комнатной температуре 20 °C растворимость 52,9 г/100 мл, а при пониженной температуре 7 °C растворимость составляет уже 45,0 г/100 мл

Химические свойства

Компактный кобальт устойчив на воздухе, при нагревании свыше 300°C металл покрывается оксидной пленкой, которая представляет собой высокодисперсный кобальт пирофорен. Кобальт не взаимодействует с водой, парами воды в воздухе, растворами карбоновых и щелочей кислот. Поверхность кобальта пассивирует концентрированная азотная кислота, как и поверхность железа.

Кобальт располагается между никелем и железом в электрохимическом ряду напряжений различных металлов. Он взаимодействует практически со всеми остальными элементами. При нагревании кобальт соединяется с галогенами, образует галогениды. При воздействии фтора на порошковый кобальт либо СоСl2 кобальт восстанавливается до трехвалентного и образует фторид СоF3 . При нагревании кобальт действует с фосфором, серой, селеном, углеродом, мышьяком, сурьмой, бором и кремнием, причем проявляются валентности от +1 до +6. В последствие реакции свежевосстановленного порошка кобальта с Н2S образуются сульфиды. При Т = 400 °С образуется Со3S4, при Т = 700 °С образуется СоS. Образуется сульфид и во взаимодействии кобальта и сернистого ангидрида при Т = 800 °С.

В разбавленной соляной или серной кислоте кобальт растворяется медленно, выделяя водород и образовывая хлорид СоСl2 либо сульфат СоSO4. Разбавленная азотная кислота способна растворять кобальт и выделять оксиды азота и образовывать нитрат Со(NO3)2. Концентрированная же азотная кислота просто пассивирует кобальт. Соли кобальта растворимы в воде. Щелочи осаждают из водного раствора солей гидроксид Со(ОН)2 .

Существует несколько оксидов кобальта. СоО - оксид кобальта (II) обладает важнейшими свойствами. Существует он в 2-х полиморфных модификациях: форма а- (кубическая решетка), устойчива в температуре от комнатной вплоть до 985 °C, а форма b- (кубическая решетка) существует на высоких температурах. Оксид кобальта можно получать либо в результате нагревания в инертной атмосфере гидроксоркарбоната кобальта Со(ОН)2СоСО3, либо аккуратным восстановлением Со3О4.

Если гидроксид кобальта Со(ОН)2, его нитрат Со(NO3)2, либо гидроксокарбонат прокаливать на воздухе при Т = ~700°C, образуется Со3О4(CoO·Co2O3) оксид кобальта. Данный оксид по своему химическому поведению схож с Fe3О4. Эти оксиды относительно легко восстанавливаются до свободных металлов при помощи водорода:

Со3О4 + 4Н2 = 3Со + 4Н2О.

При прокаливании Со(ОН)2, Со(NO3)2 и т. д. на Т = 300°C получается еще 1 оксид кобальта — это Со2О3. При добавлении раствора щелочи в раствор соли кобальта(II) образуется легко окисляемый осадок Со(ОН)2. При нагреве на воздухе на температурах чуть выше 100°C Со(ОН)2 переходит в СоООН.

Если воздействовать щелочью на водные растворы солей 2-валентного кобальта с сильными окислителями, образуется Со(ОН)3.

При нагреве кобальт реагирует с фтором, образуя трифторид СоF3. Если же на СоО либо СоСО3 воздействовать газообразным HF, образуется еще 1 фторид кобальта, т.е. СоF2. При нагреве кобальта, он взаимодействует с бромом и хлором, образуя, дибромид СоBr2и дихлорид СоСl2. В реакции металлического кобальта и газообразного НI на температуре 400-500°C можно произвести дииодид кобальта СоI2.

Сплавление порошка серы и кобальта дает сульфид кобальта СоS серебристо-серой окраски (b-модификация). А если сквозь раствор соли кобальта(II) пропустить электрический ток сероводорода H2S, в осадок выпадет СоS - черный сульфид кобальта (a-модификация):

CoSO4 + H2S = CoS + H2SO4

Существуют соли кобальта, растворимые в воде- хлорид СоСl2, нитрат Со(NO3)2, сульфат СоSO4 и др. Разбавленные водные растворы данных солей имеют бледно-розовый цвет. Если эти соли растворить в ацетоне или спирте, возникает темно-синий раствор. Если добавить воду к данному раствору его цвет переходит в бледно-розовый.

Министерство общего и профессионального образования РФ

Уссурийский Государственный Педагогический Институт

ТЕМА : «Кобальт – химический элемент»

Выполнила:

Студентка биолого-химического

факультета Савенко О.В.

Проверила:

Профессор Максина Н.В.

Уссурийск, 2001г.

ПЛАН :

Элемент периодической системы…………………………….……3

История открытия…………………………………………………...3

Нахождение в природе……………………………………………...3

Получение……………………………………………………………4

Физические и химические свойства………………………………..4

Применение…………………………………………………………..7

Биологическая роль………………………………………………….7

Радионуклеид Кобальт-60…………………………………………..8

Список используемой литературы…………………………………9

Элемент периодической системы

Название элемента «кобальт» происходит от латинского Сobaltum.

Со, химический элемент с атомным номером 27. Его атомная масса 58,9332. Химический символ элемента Cо произносится так же, как и название самого элемента.

Природный кобальт состоит из двух стабильных нуклидов: 59Со (99,83% по массе) и 57Со (0,17%). В периодической системе элементов Д. И. Менделеева кобальт входит в группу VIIIВ и вместе с железом и никелем образует в 4-м периоде в этой группе триаду близких по свойствам переходных металлов. Конфигурация двух внешних электронных слоев атома кобальта 3s2p6d74s2. Образует соединения чаще всего в степени окисления +2, реже - в степени окисления +3 и очень редко в степенях окисления +1, +4 и +5.

Радиус нейтрального атома кобальта 0,125 Нм, радиус ионов (координационное число 6) Со2+ - 0,082 Нм, Со3+ - 0,069 Нм и Со4+ - 0,064 Нм. Энергии последовательной ионизации атома кобальта 7,865, 17,06, 33,50, 53,2 и 82,2 ЭВ. По шкале Полинга электроотрицательность кобальта 1,88.

Кобальт - блестящий, серебристо-белый, тяжелый металл с розоватым оттенком.

История открытия

С древности оксиды кобальта использовались для окрашивания стекол и эмалей в глубокий синий цвет. До 17 века секрет получения краски из руд держался в тайне. Эти руды в Саксонии называли «кобольд» (нем. Kobold - домовой, злой гном, мешавший рудокопам добывать руду и выплавлять из нее металл). Честь открытия кобальта принадлежит шведскому химику Г. Брандту. В 1735 году он выделил из коварных «нечистых» руд новый серебристо-белый со слабым розоватым оттенком металл, который предложил называть «кобольдом». Позднее это название трансформировалось в «кобальт».

Нахождение в природе

В земной коре содержание кобальта равно 410-3% по массе. Кобальт входит в состав более 30 минералов. К ним относятся каролит CuCo2SO4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтит СоAs2 и другие. Как правило, кобальту в природе сопутствуют его соседи по 4-му периоду - никель, железо, медь и марганец. В морской воде приблизительно (1-7)·10-10 % кобальта.

Получение

Кобальт - относительно редкий металл, и богатые им месторождения в настоящее время практически исчерпаны. Поэтому кобальтсодержащее сырье (часто это никелевые руды, содержащие кобальт как примесь) сначала обогащают, получают из него концентрат. Далее для извлечения кобальта концентрат или обрабатывают растворами серной кислоты или аммиака, или методами пирометаллургии перерабатывают в сульфидный или металлический сплав. Этот сплав затем выщелачивают серной кислотой. Иногда для извлечения кобальта проводят сернокислотное «кучное» выщелачивание исходной руды (измельченную руду размещают в высоких кучах на специальных бетонных площадках и сверху поливают эти кучи выщелачивающим раствором).

Для очистки кобальта от сопутствующих примесей все более широко применяют экстракцию. Наиболее сложная задача при очистке кобальта от примесей - это отделение кобальта от наиболее близкого к нему по химическим свойствам никеля. Раствор, содержащий катионы двух этих металлов, часто обрабатывают сильными окислителями - хлором или гипохлоритом натрия NaOCl; кобальт при этом переходит в осадок. Окончательную очистку (рафинирование) кобальта осуществляют электролизом его сульфатного водного раствора, в который обычно добавлена борная кислота Н3ВО3.

Физические и химические свойства

Кобальт - твердый металл, существующий в двух модификациях. При температурах от комнатной до 427°C устойчива a-модификация (кристаллическая решетка гексагональная с параметрами а=0,2505 Нм и с=0,4089 Нм). Плотность 8,90 кг/дм3. При температурах от 427°C до температуры плавления (1494°C) устойчива b-модификация кобальта (решетка кубическая гранецентрированная). Температура кипения кобальта около 2960°C. Кобальт - ферромагнетик, точка Кюри 1121°C. Стандартный электродный потенциал Со0/Со2+ –0,29 B.

На воздухе компактный кобальт устойчив, при нагревании выше 300°C покрывается оксидной пленкой (высокодисперсный кобальт пирофорен). С парами воды, содержащимися в воздухе, водой, растворами щелочей и карбоновых кислот кобальт не взаимодействует. Концентрированная азотная кислота пассивирует поверхность кобальта, как пассивирует она и поверхность железа.

Известно несколько оксидов кобальта. Оксид кобальта(II) СоО обладает основными свойствами. Он существует в двух полиморфных модификациях: a-форма (кубическая решетка), устойчивая при температурах от комнатной до 985°C, и существующая при высоких температурах b-форма (также кубическая решетка). СоО можно получить или нагреванием в инертной атмосфере гидроксоркарбоната кобальта Со(ОН)2СоСО3, или осторожным восстановлением Со3О4.

Если нитрат кобальта Со(NO3)2, его гидроксид Со(ОН)2 или гидроксокарбонат прокалить на воздухе при температуре около 700°C, то образуется оксид кобальта Со3О4 (CoO·Co2O3). Этот оксид по химическому поведению похож на Fe3О4. Оба эти оксида сравнительно легко восстанавливаются водородом до свободных металлов:

Со3О4 + 4H2 = 3Со + 4H2O.

При прокаливании Со(NO3)2, Со(ОН)2 и т. д. при 300°C возникает еще один оксид кобальта - Со2О3.

При приливании раствора щелочи к раствору соли кобальта(II) выпадает осадок Со(ОН)2, который легко окисляется. Так, при нагревании на воздухе при температуре немногим выше 100°C Со(ОН)2 превращается в СоООН.

Если на водные растворы солей двухвалентного кобальта действовать щелочью в присутствии сильных окислителей, то образуется Со(ОН)3.

При нагревании кобальт реагирует со фтором с образованием трифторида СоF3. Если на СоО или СоCO3 действовать газообразным HF, то образуется еще один фторид кобальта СоF2. При нагревании кобальт взаимодействует с хлором и бромом с образованием, соответственно, дихлорида СоСl2 и дибромида СоBr2. За счет реакции металлического кобальта с газообразным НI при температурах 400-500°C можно получить дииодид кобальта СоI2.

Сплавлением порошков кобальта и серы можно приготовить серебристо-серый сульфид кобальта СоS (b-модификация). Если же через раствор соли кобальта(II) пропускать ток сероводорода H2S, то выпадает черный осадок сульфида кобальта СоS (a-модификация):

CoSO4 + H2S = CoS + H2SO4

При нагревании CoS в атмосфере H2S образуется Со9S8 с кубической кристаллической решеткой. Известны и другие сульфиды кобальта, в том числе Co2S3, Co3S4 и CoS2.

С графитом кобальт образует карбиды Со3C и Со2С, c фосфором - фосфиды составов СоP, Со2P, СоP3. Кобальт реагирует и с другими неметаллами, в том числе с азотом (возникают нитриды Со3N и Co2N), селеном (получены селениды кобальта CoSe и CoSe2), кремнием (известны силициды Co2Si, CoSi CoSi2) и бором (в числе известных боридов кобальта - Со3В, Со2В, СоВ).

Металлический кобальт способен поглощать значительные объемы водорода, не образуя при этом соединений постоянного состава. Косвенным путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН2 и СоН.

Известны растворимые в воде соли кобальта - сульфат СоSO4, хлорид СоСl2, нитрат Со(NO3)2 и другие. Интересно, что разбавленные водные растворы этих солей имеют бледно-розовую окраску. Если же перечисленные соли (в виде соответствующих кристаллогидратов) растворить в спирте или ацетоне, то возникают темно-синие растворы. При добавлении воды к этим растворам их окраска мгновенно переходит в бледно-розовую.

К нерастворимым соединениям кобальта относятся фосфат Со3(PO4)2, силикат Со2SiO4 и многие другие.

Для кобальта, как и для никеля, характерно образование комплексных соединений. Так, в качестве лигандов при образовании комплексов с кобальтом часто выступают молекулы аммиака NH3. При действии аммиака на растворы солей кобальта(II) возникают амминные комплексы кобальта красного или розового цвета, содержащие катионы состава 2+. Эти комплексы довольно неустойчивы и легко разлагаются даже водой.

Значительно стабильнее амминные комплексы трехвалентного кобальта, которые можно получить действием аммиака на растворы солей кобальта в присутствии окислителей. Так, известны гексамминные комплексы с катионом 3+ (эти комплексы желтого или коричневого цвета получили название лутеосолей), аквапентамминные комплексы красного или розового цвета с катионом 3+ (так называемые розеосоли) и др. В ряде случаев лиганды вокруг атома кобальта могут иметь различное пространственное расположение, и тогда существуют цис- и транс-изомеры соответствующих комплексов.

В качестве лигандов в комплексах кобальта могут выступать также анионы CN-, NO2- и другие.

При взаимодействии смеси водорода и СО с гидроксокарбонатом кобальта при повышенном давлении, а также взаимодействием под давлением СО и порошка металлического кобальта получают биядерный октакарбонил дикобальта состава Со2(СО)8. При его осторожном нагревании образуется карбонил Со4(СО)12. Карбонил Со2(СО)8 используют для получения высокодисперсного кобальта, применяемого для нанесения кобальтовых покрытий на различные материалы.

Применение

Основная доля получаемого кобальта расходуется на приготовление различных сплавов. Так, добавление кобальта позволяет повысить жаропрочность стали, обеспечивает улучшение ее механических и иных свойств. Кобальт - компонент некоторых твердых сплавов, из которых изготовляют быстрорежущий инструмент (сверла, разцы и другие). Особенно важны магнитные кобальтовые сплавы (в том числе так называемые магнитомягкие и магнитотвердые). Магнитные сплавы на основе кобальта используют при изготовлении сердечников электромоторов, их применяют в трансформаторах и в других электротехнических устройствах. Для изготовления головок магнитной записи применяют кобальтовые магнитомягкие сплавы. Кобальтовые магнитотвердые сплавы типа SmCo5, PrCo5 и др., характеризующиеся большой магнитной энергией, используют в современном приборостроении.

Для изготовления постоянных магнитов находят применение сплавы, содержащие 52% кобальта и 5-14% ванадия или хрома (так называемые викаллои).

Кобальт и некоторые его соединения служат катализаторами.

Соединения кобальта, введенные в стекла при их варке, обеспечивают красивый синий (кобальтовый) цвет стеклянных изделий. Соединения кобальта используют как пигменты многих красителей.

Биологическая роль

Кобальт относится к числу микроэлементов, то есть постоянно присутствует в тканях растений и животных. Некоторые наземные растения и морские водоросли способны накапливать кобальт. Входя в молекулу витамина В12 (кобаламина), кобальт участвует в важнейших процессах животного организма - кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях.

Кобальт участвует в ферментативных процессах фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями.

В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 14 мг кобальта. Суточная потребность составляет 0,007-0,015 мг, ежедневное поступление с пищей 0,005-1,8 мг. У жвачных животных эта потребность гораздо выше, например, у дойных коров - до 20 мг.

Соединения кобальта обязательно входят в состав микроудобрений. Однако избыток кобальта для человека вреден. ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 мг/м3, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 мг/л. Токсическая доза - 500 мг. Особенно токсичны пары октакарбонила кобальта Со2(СО)8.

Радионуклид кобальт-60

Большое практическое значение имеет искусственно получаемый радионуклид кобальта 60Со (период полураспада Т1/2 5,27 года). Испускаемое этим радионуклидом гамма-излучение обладает достаточно мощной проникающей способностью, и «кобальтовые пушки» - устройства, снабженные 60Со, широко используют при дефектоскопии, например, сварных швов газопроводов, в медицине для лечения онкологических заболеваний и для других целей. Используется 60Со и в качестве радионуклидной метки.

Список используемой литературы:

· «Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2001»

· «Кирилл и Мефодий» (с изменениями и дополнениями),

1997, 1998, 2000, 2001гг.

· «Большая Российская энциклопедия», 1996г.

Кобальт в виде порошка используют в основном в качестве добавки к сталям. При этом повышается жаропрочность стали , улучшаются ее механические свойства (твердость и износоустойчивость при повышенных температурах). Данный металл входит в состав твердых сплавов , из которых изготовляется быстрорежущий инструмент. Один из основных компонентов твердого сплава - карбид вольфрама или титана - спекается в смеси с порошком металлического кобальта. Именно Co улучшает вязкость сплава и уменьшает его чувствительность к толчкам и ударам. Так, например, резец из суперкобальтовой стали (18% Co) оказался самым износоустойчивым и с лучшими режущими свойствами по сравнению с резцами из ванадиевой стали (0% Co) и кобальтовой стали (6% Co). Также кобальтовый сплав может использоваться для защиты от износа поверхностей деталей, подверженных большим нагрузкам. Твердый сплав способен увеличить срок службы стальной детали в 4-8 раз.

Также стоит отметить магнитные свойства кобальта. Данный металл способен сохранять эти свойства после однократного намагничивания. Магниты должны иметь высокое сопротивление к размагничиванию, быть устойчивыми по отношению к температуре и вибрациям, легко поддаваться механической обработке. Добавление кобальта в стали позволяет им сохранять магнитные свойства при высоких температурах и вибрациях, а также увеличивает сопротивление размагничиванию. Так, например, японская сталь, содержащая до 60% Co, имеет большую коэрцитивную силу (сопротивление размагничиванию) и всего лишь на 2-3,5% теряет магнитные свойства при вибрациях. Магнитные сплавы на основе кобальта применяют при производстве сердечников электромоторов, трансформаторов и в других электротехнических устройствах.

Стоит отметить, что кобальт также нашел применение в авиационной и космической промышленности. Кобальтовые сплавы постепенно начинают конкурировать с никелевыми, которые хорошо зарекомендовали себя и давно используются в данной отрасли промышленности. Сплавы, содержащие Co, используются в двигателях, где достигается достаточно высокая температура, в конструкциях авиационных турбин. Никелевые сплавы при высоких температурах теряют свою прочность (при температурах от 1038°С) и тем самым проигрывают кобальтовым.

В последнее время кобальт и его сплавы стали применяться при изготовлении ферритов, в производстве «печатных схем» в радиотехнической промышленности, при изготовлении квантовых генераторов и усилителей. Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов. Силицид кобальта отличный термоэлектрический материал и позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД. Соединения Co, введенные в стекла при их варке, обеспечивают красивый синий (кобальтовый) цвет стеклянных изделий.