Несколько 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.
В 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, 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.
В 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.
Интересны 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.