Кобальт — чем интересен и где используется металл. Электронная конфигурация, свойства кобальта и его применение

В Саксонии с давних времен добывали цветные металлы. Частенько горняки добывали казалось бы серебряную руду, но выплавить серебро не получалось. А при плавке руда выделяла газ, от которого травились рабочие. Такую «нечистую» руду шахтеры называли «кобольд». Считалось, что злые духи подземелий (кобольды) вредят шахтерам, прячут хорошую руду и подсовывают ядовитую.

Отсюда и происхождение названия — кобальт. В этом случае никель и наш герой — родные братья. Оба получили названия от языческих горных духов.

Общие сведения:

Свойства металла

Кобальт — элемент периодической таблицы Менделеева под номером 27. Его относят к металлам, он имеет белый или желтоватый серебристый цвет. Имеет синеватый или розоватый отлив.

Физические свойства металла:

• плотность 8,9 г/см³;
• температура плавления 1495°С;
• кипит при 2870 градусах Цельсия;

Кобальт ферромагнетик, как и два его соседа по таблице Менделеева — железо и никель.

Рекомендуем: ЛИТИЙ — в космосе, на земле, под водой

Химические свойства металла обусловлены его степенями окисления — +2, +3, 0.

Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует Co.

Щелочи реагируют с водными растворами солей, при этом образуется гидроксид Со(ОН)2.

Водорастворимые соли кобальта дарят воде розовый цвет. Растворенные в ацетоне, эти соли окрашивают раствор в синий цвет.

Кто нашел «вредного духа»

История открытия проста. Георг Брандт, шведский химик и минералог (по совместительству начальник Шведского королевского монетного двора) любил мышьяк. Не в смысле гастрономическом, а как ученый. Но в ходе исследований любимого элемента ученый нашел методы получения некоторых металлов, разработал способы получения основных кислот (серной, азотной, соляной). А еще определил, что за вредный дух мешает добывать серебро горнякам.

В руде имелся неизвестный раньше элемент, его Брандт назвал кобальтом. Еще химик выяснил, что соли найденного металла окрашивают стекло в восхитительный синий цвет.

Познавательно: в незапамятные времена в центрах цивилизаций (Египте, Вавилоне) делали стекло и смальту синего цвета.

Мартин Руланд, немецкий врач и алхимик, работавший при дворе императора Рудольфа II, в своем «Алхимическом лексиконе» писал:

«Кобальт (Koboltum, Kobaltum) или коллет (Colletum) … черная, немного похожая по цвету на золу материя, которую можно ковать и лить, она не обладает металлическим блеском, и представляет собой вредную взвесь, уводящую (при плавке) вместе с дымом хорошую руду». Очевидно, здесь говорится о металлическом кобальте.

Месторождения кобальтсодержащих руд

В природе нахождение таких руд вроде не проблема. Кобальтсодержащих минералов геологи насчитывают более 130. Вопрос в том, сколько именно металла содержит руда.

Собственно кобальтовых минералов всего около 40.

1. Скуттерит. Содержание Cо до 30%.
2. Саффлорит-лёллингит. Кобальта в руде до 29%.
3. Арсенопирит-аллоклазит. В ней искомого металла до 35%
4. Кобальтин-герсдорфит с содержанием Cо до 35%.

Но в большинстве кобальтсодержащие руды металла содержат до 3%.

Кобальт добывают из сернистых медно-никелевых, окисленных кобальто-медных, силикатно-оксидных никелевых месторождений.

Нахождение в природе

Самородный металл кобальт на планете не встречается. Форма нахождения в природе – руда либо минералы.

Их три десятка: каролит, кобальтин, смальтит, сферокобальтит, другие.

Массовое содержание металла кобальт в земной коре – 4х10-3%. Морская вода беднее на семь порядков (в 10 миллионов раз).

Химические свойства кобальта:

Валентные электроны кобальта

Количество валентных электронов в атоме кобальта — 9.

Ниже приведены их квантовые числа (N — главное, L — орбитальное, M — магнитное, S — спин)

ОрбитальNLMS

Степени окисления, которые может проявлять кобальт: +1, +2, +3, +4, +5

Ионы кобальта

5+Co 4+Co

Co 3+2+Co 1+Co 0Co 1-Co

3+Валентность Co

Атомы кобальта в соединениях проявляют валентность V, IV, III, II, I.

Валентность кобальта характеризует способность атома Co к образованию хмических связей. Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:

Число химических связей, которыми данный атом соединён с другими атомами

Валентность не имеет знака.

Квантовые числа Co 3+

Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации, для иона Co эти числа имеют значение N = 3, L = 2, Ml = 0, Ms = ½

Оксиды

• На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C.
• Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта состоит из смеси оксидов CoO и Co2O3, поэтому в справочниках можно встретить брутто формулу Co3O4.
• При высоких температурах можно получить α-форму или β-форму оксида CoO
• Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом. Со3О4 + 4Н2 → 3Со + 4Н2О.
• Оксид кобальта (II) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II), например: 2Со(ОН)2 + O2 → Co2O3 + Н2O.

Другие соединения

• При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором. Co + 3F → CoF3, но, Co + 2Cl → CoCl2
• С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую α-форму (при сплавлении порошков) и черную β-форму (выпадает в осадок из растворов).
• При нагревании CoS в атмосфере сероводорода получается сложный сульфид Со9S8
• С другими окисляющими элементами, такими как углерод, фосфор, азот, селен, кремний, бор. кобальт тоже образует сложные соединения, являющиеся смесями где присутствует кобальт со степенями окисления 1, 2, 3.
• Кобальт способен растворять водород, не образуя химических соединений. Косвенным путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН2 и СоН.
• Растворы солей кобальта CoSO4, CoCl2, Со(NO3)2 придают воде бледно-розовую окраску. Растворы солей кобальта в спиртах темно-синие. Многие соли кобальта нерастворимы.
• Кобальт создаёт комплексные соединения. Чаще всего на основе аммиака.

Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли [Co(NH3)6]3+ желтого цвета и розеосоли [Co(NH3)5H2O]3+ красного или розового цвета.

• Также кобальт создаёт комплексы на основе CN−, NO2− и многих других.
• Хлорид кобальта
• Ионные комплексы кобальта

Физические свойства кобальта:

Кристаллическая решётка кобальта подробно

Получение и марки кобальта

Получение нашего героя зависит от выплавки… меди и никеля. Наш герой — побочный продукт этих производств. Делается это методами пирометаллургии, выщелачиванием с последующей алюминотермией.

Выпускается в виде проволоки, слитков, полос, пластин.

Кобальт металлический

Идет на марки стали К0, К1, К1А, К1Ау. Из сырья выплавляют слитки, прокатывают листы для нужд химической, электротехнической промышленности.

Слитки и чушки кобальтовые К1АУ

Содержание Co колеблется от 99,98% (для К0) до 98,3% для К2.

Кобальт порошковый

Исходник для стали марки ПК-1у. Металлический продукт содержит как минимум 99,35% Co. Это порошковая масса, сформированная методом электролиза. Из нее делают аккумуляторы, гальванопокрытия, катализаторы, присадки.

Кобальт порошковый

Основные производители продукции из кобальта в России – «Норильский никель» и «Кольская ГМК».

Стоимость металлического кобальта

Из-за политической ситуации в бассейне реки Конго в конце 1970-х годов цена на кобальт за год поднялась на 2000 %.

На 15 января 2022 года стоимость кобальта на мировом рынке, по данным London Metal Exchange, составляет 75 000 долл./т.

Детский труд на богатейших шахтах

Конго — одна из беднейших и коррумпированных стран. Зато в ее недрах находятся бесценные сокровища. Страна занимает первое место в мире по добыче кобальта (около 60%). Добычу ведут в самодельных шахтах, практически руками и молотком. Треть из работающих в шахтах дети школьного возраста. За 12-ти часовой рабочий день малолетний работник получает 3-4 доллара США.

Остальные страны обделены этим ценным ресурсом:

• Канада — 6% мировой добычи кобальта.
• Австралия 4 %.
• Филиппины 4%.
• Куба 3%.
• Замбия 3%.
• Россия 3%.

Как используется

Применение кобальта незаменимо в суровых условиях: запредельные механические нагрузки, аномально высокие температуры, угроза размагничивания.

Почти весь продукт забирает промышленный комплекс. Слитки, пластины, проволока, порошок выпускаются из чистого металла, сплавов и соединений.

Сплавы

Металл добавляют к сплавам, чтобы сделать тверже. Для этого металлический порошок кобальта спекают с карбидами титана либо вольфрама.

Ассортимент из сплавов широк:

• Режущий инструментарий (резцы, сверла). Деталь сохраняет кондиции, служит в 5-8 раз дольше.
• Сердечники электротехнических механизмов (моторов, трансформаторов, других).
• Сочетания «кобальт + самарий (либо эрбий)», «кобальт + железо + алюминий» – основа жаростойких постоянных магнитов высокой мощности.
• Кобальтом как элементом жаропрочных сплавов вытесняется традиционный никель. Это новый материал турбин, авиационных, ракетных двигателей.
• На особом счету сплав металла кобальт с хромом (стеллит). Его отличает биологическая нейтральность плюс коррозионная стойкость. Используется для протезирования.

Новейшие направления использования кобальта – электроника и радиотехника. Из металла и сплавов получают компоненты печатных плат для квантовых генераторов и усилителей.

Металл

Металлический порошок кобальта добавляют к сталям для повышения жаропрочности, твердости, других кондиций.

Соединения

Соединения металла обеспечивают премиальные характеристики продукции из них:

• Кобальтат лития – положительный электрод аккумуляторов.
• Силицид кобальта – основа электрических термогенераторов с высоким КПД.

Самое красивое применение Co-соединений – бытовой стеклянный ассортимент. Мелкая пластика, вазы, конфетницы, фужеры, фруктовницы великолепны.

Синий цвет, создаваемый добавкой порошка металла к расплавленной стекломассе, так и назвали – кобальтовым.

Другие формы

Изотоп металла искусственного происхождения кобальт-60 востребован как источник γ-излучения (гамма-нож, гамма-дефектоскопия, стерилизация).

Применение

• Легирование кобальтом стали повышает её жаропрочность, улучшает механические свойства. Из сплавов с применением кобальта создают обрабатывающий инструмент: свёрла, резцы, и.т.п.
• Магнитные свойства сплавов кобальта находят применение в аппаратуре магнитной записи, а также сердечниках электромоторов и трансформаторов.
• Для изготовления постоянных магнитов иногда применяется сплав, содержащий около 50 % кобальта, а также ванадий или хром.
• Кобальт применяется как катализатор химических реакций.
• Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов.
• Силицид кобальта отличный термоэлектрический материал и позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД.
• Радиоактивный кобальт-60 (период полураспада 5,271 года) применяется в гамма-дефектоскопии и медицине.
• 60Со используется в качестве топлива в радиоизотопных источниках энергии.

Биологическая роль

Кобальт — один из микроэлементов, жизненно важных организму. Он входит в состав витамина B12 (кобаламин). Кобальт задействован при кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях. Потребность человека в кобальте — 0,007—0,015 мг ежедневно. В теле человека содержится 0,2 мг кобальта на каждый килограмм массы тела. При отсутствии кобальта развивается акобальтоз.

Суточная потребность в кобальте

Суточная потребность в кобальте очень невелика, обычно составляет 0,1 – 0,8 мг для здорового взрослого человека. Обычно дневную норму кобальта человек получает из пищи.

Признаки нехватки кобальта

Признаками нехватки в организме человека кобальта являются участившиеся заболевания системы кровообращения и эндокринной. Причиной недостатка кобальта обычной служат хронические заболевания органов пищеварения (гастрит, язва двенадцатиперстной кишки).

Токсикология

Кобальт и его соединения токсичны. Известны также соединения, обладающие канцерогенным и мутагенным действием (например, сульфат).

В 1960-х годах соли кобальта использовались некоторыми пивоваренными компаниями для стабилизации пены. Регулярно выпивавшие более четырёх литров пива в день получали серьёзные побочные эффекты на сердце, и, в отдельных случаях, это приводило к смерти. Известные случаи т. н. кобальтовой кардиомиопатии в связи с употреблением пива происходили с 1964 по 1966 годы в Омахе (штат Небраска), Квебеке (Канада), Левене (Бельгия), и Миннеаполисе (штат Миннесота). С тех пор его использование в пивоварении прекращено и в настоящее время является незаконным.

ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 мг/м³, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 мг/л.

Токсическая доза (LD50 для крыс) — 50 мг.

Особенно токсичны пары октакарбонила кобальта Co2(СО)8.

Значение для человека

Металл кобальт – один из критически важных для человека микроэлементов.

Жизненные процессы

Он задействован в ряде процессов организма:

• Синтез аминокислот, ДНК.
• Расщепление белков, жиров, углеводов.
• Стимуляция, рост количества и развитие компонентов крови эритроцитов.
• Поддержание работы поджелудочной железы.

Им регулируется уровень адреналина.

Кобальт поддерживает метаболизм, процесс кроветворения.

Питание

Источник поступления микроэлемента в организм – продукты питания.

Кобальтом богаты:

• Печень: говяжья, баранья, тресковая.
• Манная крупа.
• Молоко.
• Сыры твердых сортов.
• Жирная рыба, морепродукты.
• Бобовые (фасоль, горошек), свекла, капуста, земляника.

Входит в состав цианокобаламина (витамина B12).

Симптомы дефицита

Человеку средней комплекции необходимо 0,39 – 0,76 мг вещества ежесуточно.

О дефиците сигнализируют следующие факторы:

• Сбои в работе эндокринной системы.
• Болезни органов кровообращения.

Усваивать кобальт мешают хронические заболевания ЖКТ (гастрит, язва двенадцатиперстной кишки).