Кобальт является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 27 и условным обозначением Co. Кобальт представляет собой при нормальных условиях серебристо-серый твердый хрупкий переходный металл.
Открытие
История кобальта в летописи человечества начинается очень давно, так как его на протяжении тячелетий использовали в качестве синего пигмента в разных регионах планеты. Кобальтовый пигмент отличается глубоким темно-синим цветом, который очень часто наносился в древние времена на декоративные изделия из стекла и фарфора.
Сегодня некоторые историки утверждают, что кобальтовый пигмент является ровесником фарфора, который был изобретен в Китае в начале VII столетия Нашей Эры, но археологические находки подтверждают что его применение началось значительно раньше. Как минимум стало известно, что кобальтовый пигмент применялся для окрашивания стекла в Бронзовом Веке(3300 — 1200 годы до Нашей Эры). Это стало известно после поднятия артефактов с затонувшего судна в 10 километрах от турецкого туристического города Каш, где был обнаружен слиток синего стекла, который был изготовлен около 14 века до Нашей Эры.
Современное научное открытие химического элемента сегодня указывает на шведского химика Георга Брандта, который около 1735 года выяснил, что кобальт отличается от всех ранее известных традиционных металлов. Брандт назвал его новым полуметаллом и доказал, что данный металлический элемент является источником темно-синего цвета в стекле, который до этого момента приписывали висмуту. Кобальт является первым металлом, который был открыт с доисторического периода так как такие элементы как железо, медь, серебро, золото, цинк, ртуть, олово, свинец и висмут не имеют первооткрывателя в научной среде.
Название элемент предположительно получил от Брандта сразу после открытия. В истоках по всей видимости лежит слово Kobold, которым обычно называли подземных горных духов из скандинавской мифологии, которые по преданьям приносят несчастья. Считалось, что кобольды способны портить добываемую руду и из-за проделок этого злого духа плавильщики страдали от острых отравлений. Впоследствие с развитием науки выяснилось, что отравления происходили из-за выделения летучего оксида мышьяка при плавке кобальтовой руды, но название химического элемента осталось неизменным и по сей день.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 1495 ° С |
| Точка кипения | 2927 °С |
| Плотность при Н.У. | 8,834 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 5,0 |
| Критическая точка | – |
| Мол. теплота плавления | 16,06 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 377 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 24,81 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 6,67 · 10 -6 м 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 27 |
| Атомная масса | 58.933194 |
| Электронная конфигурация | 3d⁷4s² |
| Радиус атома | 135 пм |
| Ковалентный радиус | 126 пм |
| Степени окисления | +2,+3 |
| Радиус иона | 63 пм |
| Электроотрицательность | 1.88 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 758,1 кДж/моль |
| Изотопы | ⁵⁵Co; ⁵⁶Co; ⁵⁷Co; ⁵⁸Co; ⁵⁹Co; ⁶⁰Co; ⁶¹Co; |
Интересное:
Добыча и производство кобальта
Кобальт является относительно редким химическим элементом, содержание которого в земной коре оценивается экспертами в 0,004% от общей массы планеты. Такая оценка делает его тридцатым по распространенности химическим элементом на нашей планете. В свободном виде кобальт встречается очень редко, его находили только в метеоритах и в выбросах лавы из земного ядра в вулканически активных зонах.
Не смотря на все вышеперечисленное, его достаточно часто находят в минералах, но как правило, процент его содержания очень низкий. Среди известных закономерностей выявлено, что он почти всегда встречается в связке с никелем, но среди распространенных связующих числится медь, железо, серебро и уран. В то же самое время известно, что распространенность никеля выше приблизительно в четыре раза.
Самыми известными и важными кобальтосодержащими минералами являются кобальтит(CoAsS), эритрит( Co3(AsO4)2*8H2O ), глаукодот( (Co,Fe)AsS ) и скуттерудит(CoAs3). Вышеперечисленные минералы имеют наибольший процент содержания данного химического элемента, но из-за их редкости они не перекрывают даже третью часть добычи этого элемента. Большая часть кобальта получается при переработке побочных продуктов при добыче никеля и меди. Этот факт делает извлечение кобальта очень зависимым от производства никеля и меди, что соответственно сказывается и на цене.
geologyscience.com
По данным Геологической службы США мировая ежегодная добыча кобальта оценивается в 190 000 тонн, из которых около 130 000 добывает Демократическая Республика Конго, что составляет около 68% от общего объема. Вторую строчку в списке производителей занимает Индонезия с 10 000 тонн и тройку лидеров замыкает Россия с общим объемом производства около 9 000 тонн. В числе других известных производителей кобальта значатся Австралия(6000 т.), Канада(4000 т), Куба(3800т), Филлипины(3800т), Мадагаскар(3000 т), Папуа-Новая Гвинея(3000 т), Турция(2700 т), Марокко(2300 т), Китай (2200) и США (800). По данным той же службы общеразведанные мировые запасы кобальта оцениваются 8 300 000 тонн, что означает при таком же темпе ежегодной добычи они истощатся приблизительно через 44 года, а спрос ежегодно будет продолжать расти.
Интересное:
Применение
Не смотря на редкость и зависимость добычи кобальта, его применение очень обширно и разнообразно. Как уже было отмечено в параграфе «Открытие», его применение началось задолго до начала современной исторической летописи(Нашей Эры). Правда с того момента было совершено множество исторических открытий, которые позволили значительно расширить область применения данного материала. Сегодня невозможно представить себе область жизнедеятельности человека, где не применялся бы кобальт в той или иной степени. Особенно это касается современных передовых технологий, которые были основаны относительно недавно(плюс минус последние 100 лет).
Если попытаться обобщить и структуризировать области применения кобальта в современном мире, то можно условно выделить следующие основные группы:
- Металлургия;
- Электроника;
- Химическая промышленность;
- Радиоизотопы;
Большая часть современного и исторического применения кобальта(за последние 100 лет) по массе относится к металлургии. Благодаря своим физическим и химическим свойствам кобальт является важной присадкой при легировании сталей и производстве сплавов, в числе которых и суперсплавы. Добавление кобальта повышает жаропрочность легированных и быстрорежущих сталей, которые должны выдерживать высокие температуры при больших конструкционных нагрузках, что делает его стратегически важным металлом в промышленности. В качестве примеров можно привести лопатки турбин реактивных двигателей, клапаны двигателей внутреннего сгорания и инструментальная оснастка и сталь. Реактивные двигатели применяются в авиации, при производстве вооружений (реактивные ракеты) и космических летательных аппаратов. Под инструментальной оснасткой понимается изготовление особо прочных фрез, сверел, коронок, ножей, резцов и пил, которые способны выдерживать высокие температуру и нагрузки продолжительное время.
Применение кобальта позволяет изготавливать металлические сплавы, которые являются очень твердыми, износостойкими и биологически нейтральными. Этот факт дает возможность использовать подобные сплавы для протезирования (в том числе и зубных протезов). Кроме того, некоторые кобальтсодержащие сплавы характеризуются высокой остаточной намагниченностью, что позволяет их использовать для изготовления супермагнитов, которые впоследствие могут быть использованы для изготовления аппаратов МРТ(медицина) или магнитных накопителей информации в виде жестких дисков (электроника).
Второй категорией на которую распространяется массовое применение кобальта является мобильная электроника. Данный химический элемент является важной частью литий-ионных аккумуляторов для мобильных устройств, которые сегодня распространены повсеместно и с развитием новых технологий спрос на продукцию растет с каждым днем. Все дело в том, что в качестве катода в данных аккумуляторах используется оксид лития-кобальта(III) с химической формулой LiCoO2. Кроме того, известно что никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы используют кобальт для улучшения окисления никеля в химическом процессе. Плюс ко всему вышеперечисленному добавляется еще и развитие так называемой «электрической мобильности», которая включает в себя электросамокаты, электроскутеры и теперь уже и электромобили. Все это в значительной степени увеличивает области применения кобальта, которые и так кажутся уже бескрайними, так как аккумуляторные батареи применяются уже даже в обуви. Развитие данной отрасли ускоряется в геометрической прогрессии и уровень добычи с увеличением потребности будет только продолжать расти.
Третьей крупной группой применения кобальта является химическая промышленность, которая начинается от производства пигментов (как в доисторические времена так и сейчас) и заканчивается производством пластиковых ПЭТ емкостей(бутылки, контейнеры и т.д.). Тут можно так же бесконечно перечислять, но следует отметить, что вероятно наиболее важным применением кобальта в химической промышленности явлется нефтеперерабатывающая промышленность. В данной области кобальт используется для очистки так называемой «сырой нефти» от серы. Важными применениями так же является процесс производства специализированных лаков и грунтов, в которых кобальт играет важную роль.
Заключительной группой масштабного применения кобальта является радиационная, которая включает в себя использование радиоизотопов кобальта в различных сферах применения. Вероятно самым важным и массовым из которых является так называемая лучевая терапия в которой применяется ⁶⁰Co. В медицинской практике для наиболее эффективной борьбы с разными видами раковых клеток используют мегавольтное рентгеновское излучение (от 1 до 15 МэВ), а изотоп ⁶⁰Co способен производить гамма-лучи мощностью 1,17 – 1,33 МэВ. Помимо лучевой терапии в медицине излучение кобальта применяется для стерилизации медицинских отходов и принадлежностей.
Кроме того радиоизотопы кобальта применяются для стерелизации пищевых продуктов питания, которое принято называть «холодной пастеризацией». Преимуществом этого метода является то, что стерилизацию можно проводить прямо в запечатанной упаковке не теряя при этом ни в качестве продукта ни во вкусе и значительно увеличивая сроки годности. Эта техеология была введена еще в СССР в середине 60-х годов и сегодня используется многими странами. Помимо всего вышеперечисленного радиоактивный кобальт широко используется в промышленной радиографии, которая подразумевает собой ислледования материала с помощью пучка радиоактивного излучения. В пример можно привести целостность ЖБК конструкций и сварных соединений на предмет скрытых трещин.
Интересное:
Безопасность
Безопасность такого химического элемента как кобальт является относительной, так как с одной стороны это жизненно важный микроэлемент в организме человека, а с другой стороны некоторые его формы является сильными аллергенами и канцерогенными(мутагенными) веществами.
Кобальт является составной частью кобаламина, который соответствует термину «Витамин B12». Учеными уже доказано и воспринимается как факт, что в организме человека данный химический элемент участвует во многих ферментативных реакциях, принимает участие в образовании крови и необходим для здорового функционирования печени и нервной системы. Суточная потребность в кобальте для человеческого организма составляет около 0,01 мг. При нарушении баланса в соответствующих системах человеческого организма наблюдаются отклонения.
В тоже самое время некоторые соединения кобальта являются токсичными. Например средняя летальная доза для растворимых солей оценивается от 150 до 500 мг на 1 кг веса, что является достаточно большим показателем. Кроме того, в США установлена норма содержания кобальта на рабочем месте, которая представляет непосредственную опасность для жизни и здоровья человека и составляет 20 мг/м³. Учеными так же установлено, что кобальт в металлическом виде является возможным канцерогенным веществом способный вызывать рак и он включен в группу 2B. Помимо этого данный элемент в чистом виде является сильным аллергеном, который после никеля и хрома является основной причиной контактного дерматита.