КО́БАЛЬТ

КО́БАЛЬТ (лат. Cobaltum), Co, хи­мич. эле­мент VIII груп­пы ко­рот­кой фор­мы (9-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 27, ат. м. 58,933195. В при­ро­де один ста­биль­ный изо­топ ⁵⁹Co. Ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 48–75.

Историческая справка

Ок­сид СоО при­ме­ня­ли в Древ­нем Егип­те, Ва­ви­ло­не, Ки­тае для ок­ра­ши­ва­ния смаль­ты, стё­кол, эма­лей в си­ний цвет. В Зап. Ев­ро­пе на­чи­ная с 16 в. для это­го ис­поль­зо­ва­ли цаф­ру (или саф­лор), по­лу­чае­мую об­жи­гом ру­ды «ко­больд» (от нем. Ko­bold – до­мо­вой, гном; назв. бы­ло свя­зано с труд­но­стью пе­ре­ра­бот­ки ру­ды). В 1735 Г. Брандт, на­гре­вая смесь цаф­ры с уг­лём и флю­сом, вы­де­лил ме­талл, ко­то­рый на­звал «ко­роль­ком ко­боль­да». В кон. 18 в. это назв. бы­ло из­ме­не­но на «ко­бальт».

Распространённость в природе

Со­дер­жа­ние К. в зем­ной ко­ре со­став­ля­ет 4·10^–3% по мас­се, в мор­ской во­де – 0,005 мг/дм³. Наи­бо­лее важ­ные ми­не­ра­лы К.: ко­баль­тин CoAsS, шмаль­тин (смаль­тин) CoAs₂, хло­ан­тит (Co, Ni)As₂, эрит­рин Co₃(AsO₄)₂·8H₂O (см. так­же Ко­баль­то­вые ру­ды). К. со­пут­ст­ву­ет Ni, Fe, Cu, Mn в по­ли­ме­тал­лич. ру­дах. К. вхо­дит в со­став ме­тео­ри­тов, в мик­ро­ко­ли­че­ст­вах со­дер­жит­ся в тка­нях рас­те­ний и жи­вот­ных.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма К. 3d⁷4s², в со­еди­не­ни­ях обыч­но про­яв­ля­ет сте­пе­ни окис­ле­ния +2, +3, ред­ко +1, +4, +5; энер­гии ио­ни­за­ции Co⁰→Co⁺→Co²⁺→Co³⁺ со­от­вет­ст­вен­но рав­ны 7,866, 17,057, 33,500 эВ; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 1,88; атом­ный ра­ди­ус 135 пм; ион­ные ра­диу­сы Co²⁺ 79 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6), Co³⁺ 69 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6).

К. — твёр­дый се­реб­ри­стый с ро­зо­ва­тым от­ли­вом ме­талл. При нор­маль­ном дав­ле­нии су­ще­ст­ву­ет в ви­де двух кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ций: до темп-ры 427 °С ус­той­чи­ва α-мо­ди­фи­ка­ция с гек­са­го­наль­ной ре­шёт­кой; вы­ше 427 °С – β-мо­ди­фи­ка­ция с ку­би­че­ской гра­не­цен­три­ров. ре­шёт­кой; t_пл 1495 °С, t_кип 2927 °С, плот­ность 8900 кг/м³. К. — фер­ро­маг­не­тик, точ­ка Кю­ри 1121 °C.

Ком­пакт­ный К. ус­той­чив на воз­ду­хе, вы­ше 300 °С по­кры­ва­ет­ся ок­сид­ной плён­кой, тон­ко­дис­перс­ный К. пи­ро­фо­рен. К. реа­ги­ру­ет с ки­сло­ро­дом (об­ра­зу­ют­ся ко­баль­та ок­си­ды), га­ло­ге­на­ми (ди­га­ло­ге­ни­ды CoX₂, где Х – F, Cl, Br, I, и три­га­ло­ге­ни­ды CoХ₃, где Х – F, Cl), халь­ко­ге­на­ми (мо­но­халь­ко­ге­ни­ды CoХ и ди­халь­ко­ге­ни­ды CoХ₂, где Х – S, Se, Te), фос­фо­ром, мышь­я­ком и сурь­мой (со­от­вет­ст­вен­но фос­фи­ды, ар­се­ни­ды и ан­ти­мо­ни­ды слож­но­го со­ста­ва). В рас­плав­лен­ном со­стоя­нии К. взаи­мо­дей­ст­ву­ет с уг­ле­ро­дом (об­ра­зу­ет­ся кар­бид Со₂С), крем­ни­ем (си­ли­ци­ды Co₂Si, СоSi, CoSi₂), бо­ром (бо­ри­ды Сo₃B, Со₂В, СоВ). К. мед­лен­но рас­тво­ря­ет азот (об­ра­зу­ет­ся твёр­дый рас­твор с со­дер­жа­ни­ем азо­та до 0,6% по мас­се при 600 °С); со­еди­не­ния К. с азо­том – нит­ри­ды Co₃N и Co₂N – по­лу­ча­ют кос­вен­ным пу­тём. К. рас­тво­ря­ет боль­шие ко­ли­че­ст­ва во­до­ро­да (без об­ра­зо­ва­ния хи­мич. со­еди­не­ний); со­еди­не­ния К. с во­до­ро­дом – гид­ри­ды CoH и CoH₂ – по­лу­ча­ют кос­вен­ным пу­тём. При сплав­ле­нии К. с др. ме­тал­ла­ми об­ра­зу­ют­ся ин­тер­ме­тал­лич. со­еди­не­ния и твёр­дые рас­тво­ры.

К. не рас­тво­ря­ет­ся в ще­ло­чах, мед­лен­но взаи­мо­дей­ст­ву­ет с раз­бав­лен­ны­ми ми­нер. ки­сло­та­ми с об­ра­зо­ва­ни­ем со­еди­не­ний Co (II). Кон­цен­три­ров. азот­ная кис­ло­та HNO₃ на хо­ло­ду пас­си­ви­ру­ет К. за счёт фор­ми­ро­ва­ния на по­верх­но­сти ме­тал­ла не­рас­тво­ри­мой в ки­сло­тах ок­сид­ной плён­ки, при на­гре­ва­нии – окис­ля­ет с об­ра­зо­ва­ни­ем со­еди­не­ний Со (II). К. об­ра­зу­ет два ря­да со­лей – со­ли Со (II), напр. суль­фат CoSO₄, нит­рат Co (NO₃)₂, и со­ли Со (III), напр. суль­фат Co₂(SO₄)₃, нит­рат Co (NO₃)₃. Со­ли Co (II) ус­той­чивы на воз­ду­хе; вод­ные рас­тво­ры со­лей Со (II) из-за при­сут­ст­вия ак­ва­ком­плек­са [Co (H₂O)₆]²⁺ ок­ра­ше­ны в ро­зо­вый цвет. Со­ли Со (III) тер­ми­че­ски не­стой­ки, мно­гие гид­ро­ли­зу­ют­ся во­дой, яв­ля­ют­ся силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми. Из вод­ных рас­тво­ров со­ли К. вы­де­ля­ют­ся в ви­де кри­стал­ло­гид­ра­тов, напр. CoSO4·7Н₂О, Co₂(SO₄)₃·18Н₂О.

Су­ще­ст­ву­ет неск. ты­сяч ком­плекс­ных со­еди­не­ний К., в т. ч. ком­плек­сы, в ко­то­рых К. фор­маль­но про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния 0, — кар­бо­ни­лы, напр. ок­та­кар­бо­нил­ди­ко­бальт Со₂(CO)₈. Ком­плек­сы Co (III) бо­лее ус­той­чи­вы, чем ком­плек­сы Co (II). Мн. ком­плекс­ные со­еди­не­ния К. име­ют боль­шое прак­тич. зна­че­ние (гл. обр. в ана­ли­тич. прак­ти­ке и в гид­ро­ме­тал­лур­гии). К. об­ра­зу­ет разл. ко­баль­тор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния.

Биологическая роль

К. — жиз­нен­но важ­ный мик­ро­эле­мент – вхо­дит в со­став ви­та­ми­на B₁₂ и его ко­фер­мент­ных форм. Су­точ­ная по­треб­ность че­ло­ве­ка в К. 7–15 мкг. При не­дос­тат­ке К. в ор­га­низ­ме раз­ви­ва­ет­ся зло­ка­че­ст­вен­ная ане­мия. К. уча­ст­ву­ет в про­цес­сах об­ме­на ве­ществ: ак­ти­ви­ру­ет кро­ве­тво­ре­ние, влия­ет на син­тез нук­леи­но­вых ки­слот, об­мен бел­ков, уг­ле­во­дов и жи­ров, уча­ст­ву­ет в окис­ли­тель­но-вос­ста­но­вит. ре­ак­ци­ях в жи­вом ор­га­низ­ме. К. вхо­дит в со­став фер­мент­ных сис­тем клу­бень­ковых бак­те­рий, осу­ще­ст­в­ляю­щих фик­са­цию ат­мо­сфер­но­го азо­та; сти­му­ли­ру­ет рост, раз­ви­тие и про­дук­тив­ность рас­те­ний. Пыль ме­тал­лич. К. ток­сич­на.

Получение

Ко­бальт­со­дер­жа­щее сы­рьё под­вер­га­ют пи­ро- и гид­ро­ме­тал­лур­ги­ческой (с ис­поль­зо­ва­ни­ем H₂SO₄ или рас­тво­ров NH₃) пе­ре­ра­бот­ке. От со­пут­ст­вую­щих эле­мен­тов К. от­де­ля­ют пу­тём фрак­ци­он­но­го окис­ле­ния и гид­ро­ли­тич. оса­ж­де­ния (уда­ле­ние Fe, Mn, As), це­мен­та­ции (уда­ле­ние Cu и Ag), а так­же экс­трак­ции. Для раз­де­ле­ния К. и ни­ке­ля К. оса­ж­да­ют дей­ст­ви­ем NaClO или Cl₂. Ме­тал­лич. К. по­лу­ча­ют вос­ста­но­вит. плав­кой Co₃O₄, об­ра­зую­ще­го­ся при про­ка­ли­ва­нии Со (ОН)₃; элек­тро­ли­зом рас­тво­ров со­лей (CoSO₄, CoCl₂), вос­ста­нов­ле­ни­ем во­до­ро­дом из ам­ми­ач­ных рас­тво­ров. Объ­ём ми­ро­во­го про­из-ва ок. 50 тыс. т/год (2005).

Применение

До 65% по­лу­чае­мо­го К. ис­поль­зу­ют как ком­по­нент разл. спла­вов – маг­ни­то­мяг­ких, маг­ни­тот­вёр­дых, вы­со­ко­проч­ных, жа­ро­стой­ких, твёр­дых, с за­дан­ным тер­мич. ко­эф. рас­ши­ре­ния и др. (см. Ко­баль­та спла­вы). Со­еди­не­ния К. — ка­та­ли­за­то­ры, пиг­мен­ты, ком­по­нен­ты стё­кол и ке­ра­ми­ки, мик­ро­удоб­ре­ния. Ра­дио­ак­тив­ный ⁶⁰Co (T_½ 5,27 го­да) – ис­точ­ник γ -из­лу­че­ния – при­ме­ня­ют в де­фек­то­ско­пах, в ра­дио­те­ра­пии зло­ка­че­ст­вен­ных опу­хо­лей.