Кобальт

КобальтНесколько сот лет назад немецкая провинция Саксония была крупным по тогдашним временам центром добычи серебра, меди и других цветных ме­таллов. В здешних рудниках случалось находить ру­ду, которая по всем внешним признакам казалась серебряной, но при плавке получить из нее драго­ценный металл не удавалось. Хуже того — при обжи­ге такой руды выделялся ядовитый газ, отравляв­ший рабочих (Дело в том, что кобальтовые руды часто содер­жат наиболее распространенный минерал — кобаль­тин — CuSAs; поэтому при обжиге они выделяют крайне ядовитый мышьяковистый ангидрид.). Саксонцы объясняли эти неприятности вмешательством нечистой силы, коварного подземно­го гнома кобольда. От него же исходили и другие опасности, подкарауливавшие рудокопов в подзе­мельях. В те времена в Германии даже читали в церквах молитвы о спасении горняков от злого духа кобольда… И со временем, когда саксонцы научились отличать «нечистую» руду от серебряной, онb и ее назвали «кобольдом».

В XVIII веке, в 1735 г. шведский химик Георг Брандт выделил из этой руды серый со слабым розо­ватым оттенком неизвестный металл. Имя «кобольд», или «кобальт», сохранилось и за ним.

ОТ ВЕНЕЦИАНСКОГО СТЕКЛА ДО СВЕТОФОРОВ

В диссертации Брандта, посвященной новому ме­таллу, говорилось, в частности, о том. что он может служить для изготовления сафра — краски, придаю­щей стеклу глубокий и очень красивый синий цвет. Но еще в древнем Египте было известно синее стек­ло, изготовленное по тщательно скрываемым рецеп­там.

В средние века ни одно из государств Европы не могло соперничать в производстве стекла с Вене­цианской республикой. Чтобы оградить секреты вар­ки цветных стекол от чужого любопытства, прави­тельство Венеции еще в XIII веке специальным ука­зом перевело все стекольные фабрики на уединенный остров Мурано. О том, какими способами охранялись в те времена секреты производства, можно составить себе некоторое представление по такой истории.

Однажды с острова бежал подмастерье по имени Джиорджио Белерино. А вскоре в одном из немецких городков сгорела стекольная мастерская. Ее владе­лец — его звали Белерино — был заколот кинжалом…

И все-таки, несмотря на столь жестокие меры, секреты варки цветного стекла стали известны в дру­гих государствах. В 1520 году Вейденхаммер в Гер­мании нашел способ приготовления краски для си­него стекла, и по дорогой цене стал продавать ее… венецианскому правительству! Еще через двадцать лет богемский стекольный мастер Шюрер тоже стал делать синюю краску из какой-то руды, известной ему одному. С его помощью такую краску стали из­готовлять и в Голландии. Современники писали, что стекло окрашивается «цаффером», но что собой представлял этот продукт — никто не знал. Только через столетие (в 1679 г.) химик Иоганн Кункель подробно описал процесс получения краски, но оста­валось неизвестным, из какой именно руды ее делают, где эту руду искать и какая ее составная часть об­ладает красящим свойством.

Уже после исследования Брандта было выяснено, что «сафр» или «цаффер» — продукт прокаливания руды, богатой кобальтом, содержит окислы кобальта и множество окислов других металлов. Сплавленный затем с песком и поташом «цаффер» образовывал смальту, которая и представляла собой краску для стекла. Кобальта в смальте содержалось немного — всего 2—7%- Но красящая способность окиси кобаль­та оказалась весьма сильной: одна десятитысячная часть этого вещества, введенная в стекло, придает ему совершенно определенный цвет.

Стеклоделы средних веков пользовались свойст­вами кобальта бессознательно, отыскав их чисто опытным путем. Разумеется, это не может даже в самой малой степени умалить в наших глазах заме­чательное искусство этих тружеников.

Помимо смальты существуют и другие кобальто­вые красители: синяя алюминиево-кобальтовая крас­ка — генарова синь; зеленая — комбинация окислов кобальта, хрома, алюминия, магния и других элемен­тов. Краски эти красивы и достаточно стойки при высоких температурах, но не всегда имеют хорошую кроющую способность. Значение их гораздо меньше, чем смальты. Заслуживает внимания другое: измен­чивость окраски соединений кобальта.

«Чудеса» превращения красок известны еще с XVI столетия. Профессор Базельского университета химик и врач Парацельс показывал написанную им самим картину. Она изображала зимний пейзаж — деревья и пригорки, покрытые снегом. Дав зрителям насмотреться, профессор слегка подогревал картину, и прямо на глазах у всех зимний ландшафт сменялся летним: деревья одевались листвой, на пригорках зеленела трава. Это производило впечатление чуда.

Для современного химика история с картиной Парацельса выглядит довольно просто. Такой эффект могли дать, в частности, кобальтовые краски. Рас­твор хлористого кобальта, к которому добавлено со­ответствующее количество хлористого никеля, почти бесцветен, но стоит только слабо подогреть написан­ную таким раствором картину, как она окрашивается в красивый зеленый или синий цвет.

КобальтВ 1737 году один французский химик открыл свойство кобальтовых солей окрашиваться под действием тепла и использовал их в качестве сим­патических чернил (Вообще же «симпатические» бесцветные черни­ла, на основе солей свинца были изготовлены в 1653 г. Борелем. Они чернеют под действием сероводорода). Написанное ими на бумаге становится видимым только после того, как бумагу нагреют.

И сейчас эта особенность солей кобальта имеет практическое значение в лабораторной технике: рас­твором кобальтовых солей метят фарфоровые тигли. После прогрева такая метка четко выступает на бе­лой поверхности фарфора.

Окраска стекол соединениями кобальта имеет немаловажное значение и в наше время, хотя суще­ствуют и более дешевые красители.

Для технических целей часто нужны стекла, по­глощающие и пропускающие лучи определенного цве­та. Такие стекла необходимы в фотографии, сигнали­зации, колориметрическом анализе и в других случа­ях. Смальтой в наше время не пользуются, а упот­ребляют непосредственно окись кобальта, которую вводят в состав шихты, загружаемой в стекловарен­ную печь.

Стекла, применяемые для сигнальных огней, должны давать резкий, отчетливый свет. Нужно исключить возможность ошибочного восприятия сиг­нала даже в условиях плохой видимости, даже при больших скоростях транспорта и несовершенстве че­ловеческого зрения. А для этого необходимо, чтобы стекла световых сигнальных устройств пропускали свет только вполне определенной длины волны.

У стекол, окрашенных окисью кобальта, нет со­перников по прозрачности, а добавка в такое стекло ничтожных количеств окиси меди придает ему свой­ство задерживать еще часть лучей красной и фиоле­товой частей спектра. Для фотохимических иссле­дований бывают нужны стекла, совершенно не про­пускающие желтых и оранжевых лучей. Этому ус­ловию отвечают кобальто-рубиновые стекла: на ок­рашенное кобальтом синее стекло накладывается в горячем состоянии стекло, окрашенное в красный цвет соединениями меди — так называемый медный рубин. Хорошо известно применение окиси кобальта для придания красивого, очень устойчивого темно-синего цвета фарфоровым и эмалированным изделиям.

КОБАЛЬТ — ЛЕГИРУЮЩИЙ МЕТАЛЛ

В 1912 г. о кобальте писали: «…До настоящего времени металлический кобальт с точки зрения по­требления не представляет интереса. Были попытки ввести кобальт в железо и приготовить специальные стали, но последние не нашли еще никакого примене­ния». Действительно, сделанные в начале нашего века первые попытки использовать кобальт в метал­лургии были неудачными. Было известно, что хром, вольфрам, ванадий придают стали высокую твердость и износоустойчивость при повышенных темпе­ратурах. Но попытки применить для этой цели ко­бальт не удавались — сталь очень плохо закалива­лась, точнее закалка проникала в изделие на очень небольшую глубину. Вольфрам, хром и ванадий, со­единяясь с растворенным в стали углеродом, обра­зуют твердые карбиды, кобальт же, как оказалось, способствует выделению углерода в виде графита. Сталь при этом обогащается несвязанным углеродом и становится хрупкой. В дальнейшем это осложнение было устранено: добавка в кобальтовую сталь небольшого количества хрома предотвращает графитизацию; и такая сталь хорошо закаливается.

КОБАЛЬТ — ЛЕГИРУЮЩИЙ МЕТАЛЛКобальт, как и вольфрам, незаменим в металло­обработке — он служит важнейшей составной частью инструментальных быстрорежущих сталей. Вот. на­пример, результат сравнительных испытаний трех резцов. В стали, из которой они были изготовлены, углерод, хром, ванадий, вольфрам и молибден содер­жались в одинаковых количествах; различие было лишь в содержании кобальта. В первой — ванадиевой стали кобальта совсем не было, во второй — кобаль­товой его было 6%, а в третьей — суперкобальтовой — 18%. Во всех трех опытах резцом точили стальной цилиндр. Толщина снимаемой стружки была одинако­вой — 20 миллиметров, скорость резания — тоже, 14 метров в минуту. Что же показал эксперимент? Ва­надиевый резец затупился, проточив 7 метров, ко­бальтовый — 10 метров, а резец из суперкобальтовой стали прошел 1000 метров и остался в хорошем сос­тоянии! Но для сильного повышения износоустойчи­вости и режущих свойств стали кобальт должен вхо­дить в ее состав в комбинации с хромом, предотвра­щающим графитизацию.

В 1907 году в промышленности появились твер­дые сплавы, не содержащие железа — стеллиты (от латинского слова stella — звезда). Один из лучших стеллитов содержал больше 50% кобальта. И в твердых сплавах, которые в наше время стали важ­нейшим материалом для металлорежущих инстру­ментов, кобальт играет не последнюю роль. Карбид вольфрама или титана — основной компонент твер­дого сплава — спекается в смеси с порошком метал­лического кобальта. Кобальт соединяет зерна карби­дов и придает всему сплаву большую вязкость, уменьшает его чувствительность к толчкам и ударам.

Твердые сплавы могут служить не только для из­готовления режущих инструментов. Иногда прихо­дится наваривать твердый сплав на поверхность де­талей, подвергающихся сильному износу при работе машины. Такой сплав на кобальтовой основе может повысить срок службы стальной детали в 4—8 раз.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА

Способность сохранять магнитные свойства после однократного намагничивания свойственна только немногим металлам, в том числе и кобальту. К ста­лям и сплавам, из которых изготовляют магниты, предъявляется очень важное техническое требова­ние — они должны обладать большой коэрцитивной силой, иначе — сопротивлением размагничиванию. Магниты должны быть устойчивы и по отношению к температурным воздействиям, к вибрации (что особенно важно в моторах) и поддаваться механической обработке.

Под действием тепла намагниченный металл те­ряет магнитные свойства. Температура, при которой это происходит (точка Кюри), разная: для железа это 769° С, для никеля — всего 350—360° С, а для кобальта достигает 1150° С. Еще в 1917 г. в Японии был запатентован состав стали с повышенными маг­нитными свойствами. Главным компонентом новой стали, получившей название японской, был кобальт в очень большом количестве — до 60%. Вольфрам, мо­либден или хром придают магнитной стали высокую твердость, а кобальт повышает ее коэрцитивную силу в три с половиной раза. Магниты из такой стали по­лучаются в 3—4 раза короче и компактнее. И еще одно важное свойство: если вольфрамовая сталь те­ряет под действием вибраций свои магнитные свой­ства почти на треть, то кобальтовые снижают их всего на 2—3,5%.

В современной технике, особенно в автоматике, магнитные устройства применяются буквально на каждом шагу. Лучшие магнитные материалы — это кобальтовые стали и сплавы. Кстати, свойство ко­бальта не размагничиваться под действием вибраций и высоких температур имеет немаловажное значение и для ракетной и космической техники.

Современные требования к постоянным магнитам чрезвычайно разнообразны. И одно из главных — это минимальный вес при максимальной «силе». В пос­ледние десятилетия были изобретены такие магниты. Это сплавы, названные «магнико» и «альнико» — по начальным буквам названий металлов, из которых они состоят: первый из магния, никеля и кобальта, второй — из алюминия, никеля и кобальта. В таких магнитах совсем нет железа — металла, само назва­ние которого мы привыкли со школьной скамьи счи­тать неотделимым от явления магнетизма. Свойства этих сплавов кажутся необычайными: магнит весом 100—200 г удерживает груз в 20—30 кг! Именно такие магниты позволяют создать миниатюрные при­боры и аппараты, необходимые электротехнике, ра­диотехнике и автоматике наших дней.

…II ЖИВАЯ ПРИРОДА

Прежде чем рассказывать о том, почему кобаль­том интересуются не только инженеры, но и агроно­мы, и медики, — несколько слов об одной не совсем обычной службе элемента № 27. Еще во время пер­вой мировой войны, когда милитаристы делали пер­вые попытки применения отравляющих веществ, воз­никла необходимость найти вещества, поглощающие угарный газ. Это было нужно еще и потому, что сплошь и рядом происходили случаи отравления ору­дийной прислуги угарным газом, выделяемым при стрельбе.

ГопкалитВ конце концов была составлена масса, названная гопкалитом (она состоит из окислов марганца, меди, серебра, кобальта), защищающая от угарного газа, который в ее присутствии окисляется уже при ком­натной температуре и превращается в нетоксичную углекислоту. Гопкалит — это катализатор; он только способствует реакции окисления 2СО + О2 = 2СО2, не входя в состав конечных продуктов.

А теперь — о кобальте в живой природе.

В некоторых районах разных стран, в том числе и нашей, печальной известностью пользовалось за­болевание скота, иногда называемое сухоткой. Жи­вотные теряли аппетит и худели, их шерсть переста­вала блестеть, слизистые оболочки становились блед­ными. Резко падало количество красных кровяных телец (эритроцитов) в крови, резко снижалось со­держание в ней гемоглобина. Возбудителя болезни найти не могли, н в то же время ее распространен­ность создавала полное впечатление эпизоотии. В Австрии и Швеции неизвестную болезнь называли болотной, кустарниковой, прибрежной. Если в район, пораженный болезнью, завозили здоровых животных, то через года-два они также заболевали. Но в то же время скот, вывезенный из района «эпидемий», не заражал общающихся с ним животных и сам вскоре выздоравливал. Так было в Новой Зеландии, и в Австралии, и в Англии, и в других странах. Это обстоятельство и заставило искать причину болезни в корме.

И когда после кропотливых исследований она была, наконец, установлена, болезнь получила наз­вание, точно определяющее эту причину: акобальтоз…

Сталкивались с акобальтозом, с отсутствием (или недостатком) кобальта в организме и наши ученые.

Однажды в Академию наук Латвийской ССР пришло письмо, в котором сообщалось, что в районе одного из болот неподалеку от Риги скот поражен сухоткой, но у лесника, живущего там же, все коро­вы упитаны и дают много молока. К леснику отпра­вился профессор Я. М. Берзинь. Оказалось, что раньше коровы лесника тоже болели, но потом он стал добавлять им в корм мелассу (кормовую пато­ку — отход сахарного завода), и животные выздо­ровели. Исследование показало, что в килограмме патоки содержится 1,5 миллиграмма кобальта. Это гораздо больше, чем в растениях, растущих на бо­лотистых почвах. Серия опытов на больных сухот­кой баранах рассеяла все сомнения: отсутствие микроколичеств кобальта в пище — вот причина страш­ной болезни. В настоящее время на заводах Ленин­града и Риги для добавок в корм скоту изготовляют специальные кобальтовые таблетки, предохраняющие от заболевания сухоткой в тех районах, где количе­ство микроэлемента кобальта в почвах недостаточно для полноценного питания животных.

Другой пример. Известно, что человеческому ор­ганизму необходимо железо: оно входит в состав ге­моглобина крови, благодаря которому организм усваивает кислород при дыхании. Известно также, что зеленым растениям нужен магний, так как он вхо­дит в состав хлорофилла. А кобальт — какую роль играет он в организме?

Есть такая болезнь — злокачественное малокровие. Резко уменьшается число эритроцитов, снижается ге­моглобин… Развитие болезни ведет к смерти. В по­исках средства от этого недуга врачи обнаружили, что сырая печень, употребляемая в пищу, задержи­вает развитие малокровия. После многолетних ис­следований из печени удалось выделить вещество, способствующее появлению красных кровяных шари­ков. Еще восемь лет потребовалось для того, чтобы выяснить его химическое строение (За эту работу английской исследовательнице До­роти Кроуфут-Хотчкин присуждена в 1964 г. Нобе­левская премия по химии). Вещество это получило название витамина В12. Оно содержит 4% кобальта.

Таким образом, выяснена основная роль солей кобальта для живого организма — они участвуют в синтезе витамина В12. В последние годы этот витамин становится привычным в медицинской практике ле­чебным средством, которое вводят в мышцы боль­ного, в чьем организме по той или иной причине не хватает кобальта.

И еще одна служба кобальта в медицине — это лечение злокачественных опухолей радиоактивным излучением. Сейчас во всем мире для облучения по­раженных раком тканей применяют (в тех случаях, когда такое лечение вообще возможно) радиоактив­ный изотоп кобальта — Со60, дающий наиболее од­нородное излучение.

В советском аппарате для облучения злокачест­венных опухолей — «кобальтовой пушке» ГУТ-400 («гамма-установка терапевтическая») количество ко­бальта соответствует по своей радиоактивности 400 граммам радия. Это очень большая величина, тако­го количества радия нет ни в одной лаборатории. Но именно высокая радиоактивность позволяет пред­принимать попытки лечения опухолей, расположенных в «глубине» организма больного.

Радиоактивный кобальт используется не только в лечебных целях. Установки, подобные медицинской «пушке», применяются в промышленности для конт­роля уровня растворов в аппаратах, работающих при высоких температурах и давлениях, и во многих других случаях.

НЕМНОГО СТАТИСТИКИ

Мы рассказали о нескольких областях применения кобальта в технике, медицине, в быту. Но число их увеличивается и увеличивается с каждым годом. В последнее время кобальт и его соединения исполь­зуют для изготовления ферритов и в производстве «печатных схем» в радиотехнической промышлен­ности, при изготовлении квантовых генераторов и усилителей.

КобальтИнтересны цифры, которые дают некоторое пред­ставление о том, на что расходуется кобальт в про­мышленно развитых странах Запада. Вот сведения статистики за 1965 год:

Магнитные сплавы — 27%

Жаропрочные материалы — 21,5%

Краски и лаки — 3%

Износоустойчивые и коррозионностойкие сплавы для химической и металлургической промышленности — 8,5%

Керамика и эмали — 7%

Сплавы с низким коэффициентом расширения для контрольно-измерительных приборов, сплавы с низким модулем упругости для пружин и т. п. — 7%

Стали с высоким пределом текучести в самолето- и ракетостроении — 6,5%

Порошок металлического кобальта для изготов­ления твердых сплавов — 4%

Катализаторы в химических производствах и мик­роэлементы в сельском хозяйстве (в жи­вотноводстве) — 3%

Быстрорежущие стали — 2,5%.

Естественно выяснить и другой вопрос: а много ли добывается кобальта в мире? Если в 1913 г. все страны получили всего 633 тонны кобальта, то в 1937 г. производство (без Советского Союза) возрос­ло до 3000 тонн, еще через 20 лет — в 1957 г. до 14 600 тонн. Крупнейший поставщик кобальта на мировой рынок —Конго (Леопольдвиль). Здесь в провинции Катанга добываются богатейшие медно-кобальтовые руды, переработка которых дает 8000—9000 тонн кобальта в год — более половины производства капи­талистических стран. Примерно одинаковые количе­ства кобальта — по 1300—1900 тонн в год производят Марокко, Малави, Канада.

Итак, сравнительно «молодой» металл за короткое время приобрел большое значение в современной технике. В разное время он ценился по-разному и за различные свои свойства и за свойства своих соедине­ний. Все уже давно позабыли о происхождении наз­вания «кобальт». Сейчас этот металл — важный со­юзник в борьбе за человеческую жизнь, за прогресс в развитии самых разнообразных, казалось бы ничего не имеющих общего между собой отраслей техники.

Будущее, надо думать, откроет нам еще не одно ценное свойство элемента № 27.

Инженер Б. И. КАЗАКОВ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>