Кобальт

Кобальт

Кобальт - это химический элемент с символом Co и атомным номером 27. Как и никель, кобальт встречается в земной коре только в химически комбинированной форме, за исключением небольших месторождений, обнаруженных в сплавах природного метеоритного железа. Свободный элемент, получаемый восстановительной плавкой, представляет собой твердый, блестящий, серебристо-серый металл.

Синие пигменты на основе кобальта(кобальтовая синь) с древних времен использовались для изготовления ювелирных изделий и красок, а также для придания характерного синего оттенка стеклу, но долгое время считалось, что этот цвет обусловлен известным металлом висмутом. Шахтеры издавна называли некоторые минералы, выделяющие синий пигмент, кобольдовой рудой(в переводе с немецкого - руда гоблина); они были названы так потому, что были бедны известными металлами и при плавке давали ядовитые пары, содержащие мышьяк. В 1735 году было обнаружено, что такие руды могут быть восстановлены до нового металла(первого, открытого с древних времен), который в итоге был назван в честь кобольда.

Сегодня некоторые виды кобальта производятся специально из одной из нескольких руд с металлическим блеском, таких как кобальтит(CoAsS). Однако чаще всего этот элемент производится как побочный продукт при добыче меди и никеля.

Положение кобальта в ПСЭ

Положение кобальта в ПСЭ

Кобальт - слабовосстанавливающийся металл, защищенный от окисления пассивирующей оксидной пленкой. На него действуют галогены и сера. При нагревании в кислороде образуется Co3O4, который теряет кислород при 900 °C, давая монооксид CoO. Металл реагирует с фтором при 520 K, давая CoF3; с хлором, бромом и йодом, образуя эквивалентные бинарные галогениды.
Он не реагирует с газообразным водородом(H2) или азотом(N2) даже при нагревании, но реагирует с бором, углеродом, фосфором, мышьяком и серой. При обычных температурах он медленно реагирует с минеральными кислотами и очень медленно с влажным, но не сухим воздухом.

Обычные степени окисления кобальта включают +2 и +3, хотя известны также соединения со степенями окисления от -3 до +5. Обычное состояние окисления для простых соединений +2(кобальт(II)).
В пламени буры кобальт показывает темно-синий цвет как в окислительном, так и в восстановительном пламени.

История
Историю открытия кобальта лучше всего начать с истории происхождения названия этого элемента. Своим названием он обязан минералу, который находили с древних пор в Саксонии и называли кобольдом. Так рудокопы именовали злого духа, который якобы обитал в этом минерале. Поверье произошло от того, что все попытки выделить серебро из этого камня(а он очень походил на серебряную руду) оканчивались неудачей.

Синие кобальтовые стекла, эмали и краски были известны еще за 5000 лет до н.э. в Древнем Египте. Так, в гробнице Тутанхамона нашли много осколков синего стекла. Неизвестно, было ли приготовление синих стекол и красок на основе кобальтовых соединений сознательным или случайным. Во всяком случае, рецепт их получения долго не был известен. Первое упоминание о приготовлении синих красок относится к 1679 году.

Первооткрывателем кобальта стал шведский ученый Г. Брандт. Датой открытия считается 1735 год. В своей «Диссертации по полуметаллам» он говорил об открытом им новом полуметалле – кобольде.

Под полуметаллами Брандт имел ввиду вещества, которые многими качествами похожи на известные металлы, но не поддаются ковке. Он описал шесть полуметаллов: ртуть, висмут, цинк, кобальт, мышьяк. Так как большинство висмутовых руд содержат кобальт, Брандт в своей диссертации предложил несколько способов для того, чтобы различать кобальт и висмут.

В 1744 году Брандт нашел новый минерал, содержащий кобальт, железо и серу. Этим минералом оказался сульфид кобальта Co3S4.

Впоследствии Брандт провел детальное изучение кобальта. В конце 18 – начале 19 вв. изучением свойств кобальта занимались Т. Бергман, Л. Тенар, Л. Пруст и И. Берцелиус. Это помогло более подробно изучить элемент. В открытие кобальта долго не верили многие химики. В 1776 году венгерский химик П. Падакс заявил, что кобальт есть соединение железа и мышьяка, но добавил, что открытый к тому времени никель является элементом. И только к концу18 века благодаря работам многих ученых было подтверждено открытие Брандта.

Кобальт, как и никель, часто присутствует, а иногда и в больших количествах, в метеоритах. В 1819 году немецкий химик Ф. Штромейер сообщил об открытии им кобальта в метеорите, а чуть позже С. Теннант в этом же метеорите обнаружил никель.

Соединения кобальта веками использовались для придания насыщенного синего цвета стеклу, глазури и керамике. Кобальт был обнаружен в египетской скульптуре, персидских украшениях третьего тысячелетия до нашей эры, в руинах Помпеи, разрушенной в 79 году нашей эры, и в Китае, относящихся к периоду правления династии Тан (618-907 годы нашей эры) и династии Мин(1368-1644 годы нашей эры).

Кобальт использовался для окраски стекла с бронзового века. При раскопках затонувшего корабля в Улубуруне был найден слиток синего стекла, отлитый в 14 веке до н.э. Синее стекло из Египта окрашивалось либо медью, либо железом, либо кобальтом. Самое древнее стекло с кобальтовым оттенком относится к восемнадцатой династии Египта (1550-1292 гг. до н.э.). Источник кобальта, который использовали египтяне, неизвестен.

Кислородные и халькогеновые соединения
Известно несколько оксидов кобальта. Зеленый оксид кобальта(II) (CoO) имеет структуру роксальта. Он легко окисляется водой и кислородом до коричневого гидроксида кобальта(III)( Co(OH)3). При температуре 600-700°C CoO окисляется до синего оксида кобальта(II,III) (Co3O4).
Известен также черный оксид кобальта(III)(Co2O3). При низкой температуре оксиды кобальта являются антиферромагнитными: CoO(температура Нееля 291 K) и Co 3O4(температура Нееля: 40 K), который является аналогом магнетита(Fe3O4), со смесью +2 и +3 состояний окисления.

Так называемая температура Нееля была названа в честь своего первооткрывателя Луи Нееля, французского физика, получившего Нобелевскую премию в 1970 году. Она описывает температурный предел, при котором антиферромагнитное вещество становится парамагнетиком.

Что такое антиферромагнетизм?
Антиферромагниты состоят из множества отдельных элементарных магнитов. Они имеют одинаковый магнитный момент по величине, но их ориентация антипараллельна, т.е. противоположна друг другу. По этой причине постоянное внешнее магнитное поле не может быть измерено.
Ферро- и антиферромагниты имеют стабильный порядок только до определенной температуры. Выше специальной температуры фазового перехода проницаемость антиферромагнитов уменьшается, и материал ведет себя парамагнитно. Эта температура является температурой Нееля.

Основные халькогениды кобальта включают черный сульфид кобальта(II), CoS2, который имеет пиритоподобную структуру, и сульфид кобальта(III) (Co2S3).

Известны четыре дигалогенида кобальта(II): фторид кобальта(II)( CoF2, розовый), хлорид кобальта(II)( CoCl2, синий), бромид кобальта(II) (CoBr2, зеленый), иодид кобальта(II)(CoI2, сине-черный). Эти галогениды существуют в безводной и гидратированной формах. Если безводный дихлорид имеет синий цвет, то гидрат - красный.

Важно! Фторид кобальта(III) является одним из немногих простых стабильных соединений кобальта(III). Фторид кобальта(III), который используется в некоторых реакциях фторирования, бурно реагирует с водой.

Органокобальтовая химия
Кобальтоцен - структурный аналог ферроцена, в котором вместо железа используется кобальт. Кобальтоцен гораздо более чувствителен к окислению, чем ферроцен. Карбонил кобальта(Co2(CO)8) является катализатором в реакциях карбонилирования и гидросилилирования. Витамин B12 является металлоорганическим соединением, встречающимся в природе, и единственным витамином, содержащим атом металла. Примером алкилкобальтового комплекса в редко встречающемся состоянии окисления кобальта +4 является гомолептический комплекс тетракис(1-норборнил) кобальта(IV)(Co(1-norb)4), комплекс переходного металла с алкилом, отличающийся устойчивостью к элиминированию β-водорода, в соответствии с правилом Бредта.

Правило Бредта - это эмпирическое наблюдение в органической химии, которое утверждает, что двойная связь не может быть помещена в мостике системы мостиковых колец, если только кольца не достаточно велики. Правило названо в честь Юлиуса Бредта, который впервые обсудил его в 1902 г и кодифицировал в 1924 г.
Оно относится в первую очередь к мостикам с двойными связями углерод-углерод и углерод-азот.

Правило Бредта является следствием того факта, что наличие двойной связи на мостике, углерод, от которого исходят три связи, и кольца которого имеют одну ковалентную связь, было бы эквивалентно наличию транс-двойной связи на кольце, что не является стабильным для маленьких колец(менее восьми атомов) из-за комбинации деформации кольца и угловой деформации(непланарный алкен).

Изотопы
59Co - единственный стабильный изотоп кобальта и единственный изотоп, существующий в природе на Земле. Двадцать два радиоизотопа были охарактеризованы: самый стабильный, 60Co, имеет период полураспада 5,2714 лет; 57Co имеет период полураспада 271,8 дней; 56Co имеет период полураспада 77,27 дней; и 58Co имеет период полураспада 70,86 дней. Все остальные радиоактивные изотопы кобальта имеют периоды полураспада короче 18 часов, а в большинстве случаев - короче 1 секунды.

Изотопы кобальта имеют атомный вес от 50( 50Co) до 73(73Co). Основным способом распада изотопов с атомной массой меньше, чем у единственного стабильного изотопа 59Co, является захват электронов, а основным способом распада изотопов с атомной массой больше 59 единиц атомной массы является бета-распад. Основными продуктами распада ниже 59Co являются изотопы элемента 26( железо), выше - изотопы элемента 28(никель).

Возникновение
Он составляет 0,0029% земной коры. Свободный кобальт(самородный металл) не встречается на Земле из-за кислорода в атмосфере и хлора в океане. И того, и другого достаточно много в верхних слоях земной коры, чтобы предотвратить образование самородного металлического кобальта. За исключением недавно поступившего в метеоритное железо, чистый кобальт в форме самородного металла на Земле неизвестен. Элемент имеет среднюю распространенность, но природные соединения кобальта многочисленны, и небольшие их количества содержатся в большинстве горных пород, почв, растений и животных.

В природе кобальт часто ассоциируется с никелем. Оба они являются характерными компонентами метеоритного железа, хотя кобальта в железных метеоритах гораздо меньше, чем никеля. Как и в случае с никелем, кобальт в сплавах метеоритного железа мог быть достаточно хорошо защищен от воздействия кислорода и влаги, чтобы оставаться в виде свободного металла, хотя ни один из элементов не встречается в такой форме в древней земной коре.

Кобальт в виде соединения встречается в минералах меди и никеля. Он является основным металлическим компонентом, который соединяется с серой и мышьяком в сульфидных минералах кобальтита(CoAsS), сафлорита(CoAs2), глаукодота((Co,Fe)AsS) и скуттерудита(CoAs3).

Важно! Кобальт также входит в состав табачного дыма. Табачное растение легко поглощает и накапливает в своих листьях тяжелые металлы, такие как кобальт, из окружающей почвы. Впоследствии они вдыхаются во время курения табака.

В океане
Кобальт - это микроэлемент, участвующий в фотосинтезе и фиксации азота, обнаруженный в большинстве океанических бассейнов и являющийся лимитирующим микроэлементом для фитопланктона и цианобактерий. Co-содержащий комплекс кобаламина синтезируется только цианобактериями и некоторыми археями, поэтому концентрация растворенного кобальта в верхних слоях океана низка.
Как Mn и Fe, Co имеет гибридный профиль биологического поглощения фитопланктоном через фотосинтез в верхних слоях океана и вымывания в глубоких слоях океана, хотя вымывание в основном ограничено сложными органическими лигандами. Co утилизируется в океане разлагающимся органическим веществом, которое опускается ниже верхних слоев океана, хотя большая часть вымывается окисляющими бактериями.

Кобальт считается токсичным для морской среды при высоких концентрациях. Безопасные концентрации составляют около 18 мкг/л в морских водах для планктона, такого как диатомовые водоросли. В основном на уровень токсичности в прибрежных водах влияет антропогенное воздействие, например, сток сточных вод и сжигание ископаемого топлива.

Сплавы
Сверхпрочные сплавы на основе кобальта исторически потребляли большую часть производимого кобальта. Температурная стабильность этих сплавов делает их пригодными для изготовления турбинных лопаток газовых турбин и авиационных реактивных двигателей, хотя монокристаллические сплавы на основе никеля превосходят их по своим характеристикам.
Сплавы на основе кобальта также устойчивы к коррозии и износу, что делает их, как и титан, полезными для изготовления ортопедических имплантатов, которые не изнашиваются со временем. Разработка износостойких кобальтовых сплавов началась в первом десятилетии 20 века со стеллитовых сплавов, содержащих хром с различными количествами вольфрама и углерода.
Сплавы с карбидами хрома и вольфрама очень твердые и износостойкие. Специальные сплавы кобальт-хром-молибден, такие как Vitallium, используются для протезирования(замена тазобедренного и коленного суставов).
Сплавы кобальта также используются для зубных протезов как полезный заменитель никеля, который может быть аллергенным. Некоторые быстрорежущие стали также содержат кобальт для повышения жаропрочности и износостойкости.
Специальные сплавы алюминия, никеля, кобальта и железа, известные под названием Alnico, а также самария и кобальта(самарий-кобальтовый магнит) используются в постоянных магнитах. Для ювелирных изделий его также сплавляют с 95% платины, получая сплав, пригодный для тонкого литья, который также является слабомагнитным.

Аккумуляторы
Оксид кобальта лития(LiCoO2) широко используется в катодах литий-ионных аккумуляторов. Материал состоит из слоев оксида кобальта с интеркалированным литием. Во время разряда(т.е. при отсутствии активного заряда) литий высвобождается в виде ионов лития.
Никель-кадмиевые(NiCd) и никель-металл-гидридные(NiMH) батареи также включают кобальт для улучшения окисления никеля в батарее.

Хотя в 2018 году большая часть кобальта в батареях использовалась в мобильных устройствах, более современное применение кобальта - это аккумуляторные батареи для электромобилей. В этой отрасли спрос на кобальт вырос в пять раз, что делает актуальным поиск нового сырья в более стабильных районах мира.
Важно! Будущее электромобилей может зависеть от глубоководной добычи, поскольку кобальт в изобилии содержится в породах на морском дне.

Катализаторы
Некоторые соединения кобальта являются катализаторами окисления. Ацетат кобальта используется для превращения ксилола в терефталевую кислоту - предшественника объемного полимера полиэтилентерефталата. Типичными катализаторами являются карбоксилаты кобальта(известные как кобальтовые мыла ). Они также используются в красках, лаках и чернилах в качестве "сушильных агентов" для окисления высыхающих масел. Те же карбоксилаты используются для улучшения адгезии между сталью и резиной в радиальных шинах со стальным каркасом. Кроме того, они используются в качестве ускорителей в системах полиэфирных смол.

Катализаторы на основе кобальта используются в реакциях с участием монооксида углерода(CO). Кобальт также является катализатором в процессе Фишера-Тропша для гидрирования монооксида углерода( CO) в жидкое топливо. В гидроформилировании алкенов часто используется октакарбонил кобальта в качестве катализатора, хотя он часто заменяется более эффективными катализаторами на основе иридия и родия.

В процессе гидрообессеривания нефти используется катализатор, полученный из кобальта и молибдена. Этот процесс помогает очистить нефть от примесей серы, которые мешают переработке жидкого топлива.

Пигменты
До XIX века кобальт использовался преимущественно в качестве пигмента. Со времен Средневековья его использовали для изготовления смальты - стекла синего цвета. Смальта производится путем плавления смеси обожженного минерала смальтита, кварца и карбоната калия, в результате чего получается темно-синее силикатное стекло, которое после производства тонко измельчается. Смальта широко использовалась для окраски стекла и в качестве пигмента для живописи. В 1780 году Свен Ринман открыл кобальтовый зеленый, а в 1802 году Луи Жак Тенар открыл кобальтовый синий.

Кобальтовые пигменты, такие как кобальтовый синий( алюминат кобальта), лазурный(станнат кобальта(II) ), различные оттенки кобальтового зеленого(смесь оксида кобальта(II) и оксида цинка ) и кобальтовый фиолетовый(фосфат кобальта), используются в качестве пигментов для художников из-за их превосходной хроматической стабильности. Ауреолин(кобальтовый желтый) в настоящее время в значительной степени заменен более светостойкими желтыми пигментами.

Радиоизотопы
Кобальт-60 полезен в качестве источника гамма-излучения, поскольку его можно получать в предсказуемых количествах с высокой активностью путем бомбардировки кобальта нейтронами. Он производит гамма-лучи с энергией 1,17 и 1,33 МэВ.

Кобальт используется в радиотерапии внешним пучком, стерилизации медицинских материалов и медицинских отходов, радиационной обработке продуктов питания для стерилизации( холодная пастеризация), промышленной радиографии( рентгенографии целостности сварных швов), измерениях плотности( измерениях плотности бетона) и переключателях высоты заполнения резервуаров.
Этот металл имеет неприятное свойство образовывать мелкую пыль, что создает проблемы с радиационной защитой.
Кобальт из радиотерапевтических аппаратов представляет серьезную опасность при неправильной утилизации, а одна из самых страшных аварий с радиационным загрязнением в Северной Америке произошла в 1984 году, когда выброшенный радиотерапевтический аппарат, содержащий кобальт-60, был по ошибке разобран на свалке в Хуаресе(Мексика).

Биологическая роль
Кобальт необходим для метаболизма всех животных. Он является ключевым компонентом кобаламина, также известного как витамин B12, основного биологического резервуара кобальта как ультрадисперсного элемента. Бактерии в желудках жвачных животных превращают соли кобальта в витамин B12, соединение, которое может быть произведено только бактериями или археями. Поэтому минимальное присутствие кобальта в почве заметно улучшает здоровье пасущихся животных, и рекомендуется потребление 0,20 мг/кг в день, поскольку у них нет другого источника витамина B12.

Белки на основе кобаламина используют коррин для удержания кобальта. Коэнзим B12 имеет реактивную связь C-Co, которая участвует в реакциях. У человека B12 имеет два типа алкильного лиганда: метил и аденозил.
Аденозильная версия B12 катализирует перегруппировки, при которых атом водорода непосредственно переносится между двумя соседними атомами с одновременным обменом второго заместителя, X, который может быть атомом углерода с заместителями, атомом кислорода спирта или амина.

Хотя кобальтопротеины встречаются гораздо реже, чем другие металлопротеины(например, цинка и железа), помимо В12 известны и другие кобальтопротеины. К таким белкам относится метионин-аминопептидаза 2 - фермент, встречающийся у человека и других млекопитающих, который не использует корриновое кольцо В12, а связывает кобальт напрямую. Еще один некорриновый фермент кобальта - это нитрилгидратаза, фермент бактерий, который метаболизирует нитрилы.

Дефицит кобальта
У людей потребление кобальтсодержащего витамина B12 удовлетворяет все потребности в кобальте. Для крупного рогатого скота и овец, которые удовлетворяют потребности в витамине B12 за счет синтеза бактериями, обитающими в рубце, существует функция неорганического кобальта. В начале 20 века, во время развития сельского хозяйства на вулканическом плато Северного острова Новой Зеландии, крупный рогатый скот страдал от так называемой " кустарниковой болезни". Было обнаружено, что в вулканических почвах не хватает солей кобальта, необходимых для пищевой цепи крупного рогатого скота.

Было установлено, что "береговая болезнь" овец в пустыне Девяносто миль на юго-востоке Южной Австралии в 1930-х годах возникла из-за недостатка в питании микроэлементов кобальта и меди. Дефицит кобальта был преодолен путем разработки " кобальтовых пуль" - плотных гранул оксида кобальта, смешанного с глиной, которые давали перорально для задержки в рубце животного.


Последние записи блога:


Станьте первым!



pangenes.ru © 2022
Яндекс.Метрика