Кобальт

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

  Историческая справка. Окись кобальта применялась в Древнем Египте, Вавилоне, Китае для окрашивания стекол и эмалей в синий цвет. Для той же цели в 16 в. 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 шведский химик Г. Брандт, нагревая в горне с дутьём смесь цафры с углем и флюсом, получил металл, который назвал «корольком кобольда». Вскоре это название было изменено на «кобольт», а затем на «кобальт».

  Распространение в природе. Содержание кобальта 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 кобальта (см. Кобальтовые руды).

  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 гидроокисями марганца, глинами и др. высокодисперсными минералами.

  Физические и химические свойства. При обычной температуре и до 417°С кристаллическая решётка кобальта гексагональная плотноупакованная (с периодами а = 2,5017 , с = 4,614 ), выше этой температуры решётка кобальта кубическая гранецентрированная (а = 3,5370 ). Атомный радиус 1,25 , ионные радиусы Co²⁺0,78  и Co³⁺0,64 . Плотность 8,9 г/см³ (при 20°С): t_nл 1493° С^о, t_кип 3100°С. Теплоёмкость 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^-8 ом·м, или 5,68·10^-6 ом·см (при 0°С). Кобальт ферромагнитен, причём сохраняет ферромагнетизм от низких температур до точки Кюри, Q= 1121 °С (см. Ферромагнетизм). Механические свойства кобальта зависят от способа механической и термической обработки. Предел прочности при растяжении 500 Мн/м² (или 50 кгс/мм²) для кованого и отожжённого кобальта; 242— 260 Мн/м² для литого; 700 Мн/м² для проволоки. Твёрдость по Бринеллю 2,8 Гн/м² (или 280 кгс/мм²) для наклёпанного металла, 3,0 Гн/м² для осажденного электролизом; 1,2—1,3 Гн/м² для отожжённого.

  Конфигурация внешних электронных оболочек атома кобальта 3d⁷4s². В соединениях кобальт проявляет переменную валентность. В простых соединениях наиболее устойчив Со (II), в комплексных — Со (III). 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 окиси 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 +  H₂O = CoO + H₂. С галогенами кобальт легко соединяется при нагревании, образуя галогениды СоХ₂. При нагревании кобальт взаимодействует с S, Se, Р, As, Sb, С, Si, В, причём 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 CoCl₂ и сульфата CoSO₄. Разбавленная азотная кислота растворяет кобальт с выделением окислов азота и образованием нитрата Co (NO₃)₂. Концентрированная HNO₃ пассивирует кобальт (см. Пассивирование металлов). Названные соли Со (II) хорошо растворимы в воде [при 25 °С 100 г воды растворяют 52,4 г CoCl₂, 39,3 г CoSO₄, 136,4 г. Со (NO₃)₂]. Едкие щёлочи осаждают из растворов солей Со²⁺ синюю гидроокись Со (ОН)₂, которая постепенно буреет вследствие окисления кислородом воздуха до Со (ОН)₃. Нагревание в кислороде при 400—500 °С переводит CoO в чёрную закись-окись Co₃O₄, или CoO·Co₂O₃ — соединение типа шпинели. Соединение того же типа CoAl₂O₄ или CoAl₂O₃ синего цвета (тенарова синь, открытая в 1804 Л. Ж. Тенаром) получается при прокаливании смеси CoO и Al₂O₃ при температуре около 1000 °С.

  Из простых соединений Со (III) известны лишь немногие. При действии фтора на порошок Со или CoCl₂ при 300—400 °С образуется коричневый фторид CoF₃. Комплексные соединения Со (III) весьма устойчивы и получаются легко. Например, KNO₂ осаждает из растворов солей Со (II), содержащих CH₃COOH, жёлтый труднорастворимый гексанитрокобальтат (III) калия K₃[Co (NO₂)₆]. Весьма многочисленны кобальтаммины (прежнее название кобальтиаки) — комплексные соединения Со (III), содержащие аммиак или некоторые органические амины.

  Получение и применение. 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 её 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 (lll) и добавлением СаСО₃ осаждают Fe (OH)₃ и CaHAsO₄. От никеля кобальт отделяют по реакции: 2CoCl₂+NaCIO+4NaOH+H₂O = 2Co (OH)₃¯+5NaCI. Почти весь никель остаётся в растворе. Чёрный осадок Со (ОН)₃ прокаливают для удаления воды; полученный окисел Co₃O₄ восстанавливают водородом или углеродом. Металлический кобальт, содержащий до 2—3% примесей (Ni, Fе, Cu и др.), может быть очищен электролизом.

  Кобальт применяется главным образом в виде сплавов; таковы кобальтовые сплавы, а также сплавы на основе др. металлов, где кобальт служит легирующим элементом. Сплавы кобальта используют в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, при изготовлении постоянных магнитов, режущего инструмента и др. Порошкообразный кобальт, а также Co₃O₄ служат катализаторами. Фторид CoF₃ применяется как сильный фторирующий агент, тенарова синь и особенно силикат кобальта и калия (см. Смальта) — как краски в керамической и стекольной промышленности. Соли кобальта применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения, а также для подкормки животных.

  С. А. Погодин.

  Из искусственно радиоактивных изотопов кобальта наибольшее значение имеет ⁶⁰Со с периодом полураспада T¹/₂ = 5,27 года, широко используемый как гамма-излучатель. В технике его применяют для гамма-дефектоскопии. В медицине — главным образом при лучевой терапии опухолей (см. Гамма-установка) и для стерилизации медикаментов. Он служит также для уничтожения насекомых в зерне и овощах и для консервирования пищевых продуктов. Др. радиоактивные изотопы — ⁵⁶Co (T¹/₂ = 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^-5—4,5·10^-5% на сухое вещество. Способность к накоплению кобальта 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 счёт 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 кобальте 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 др. семейств.

  Ю. И. Раецкая.

  Лит.: Перельман Ф. М., Кобальт, в кн.: Краткая химическая энциклопедия, т. 2, М., 1963; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 3, М., 1970; Гудима Н. В., Металлургия кобальта, в кн.: Справочник металлурга по цветным металлам, т. 2, М., 1947; Ястребов А. П., Действие кобальта на образование эритроцитов, в кн.: Патофизиология эритропоэза (Тр. 7 конференции Уральского Межобластного общества патофизиологов), Свердловск, 1965; Ягодин Б. А., Кобальт в жизни растений, М., 1970; Trace element metabolism in animals. Proceedings of International symposium Aberdeen, Scotland, July 1969, Edin. — L., 1970; Northrop D. B., Transcarboxylase, «Journal of Biological Chemistry», 1969, v. 244, № 21, p. 5808—27.