Кобальт. Зачарованный металл
Сегодня мы поговорим о химическом элементе, в ядре которого 27 протонов, и который существует в двух кристаллических модификациях. Это кобальт. Он имеет только один стабильный изотоп – кобальт-59. Как и железо, этот элемент является переходным металлом. Он находится в таблице Менделеева между элементами, крайне жаждущими электронов, и теми, которые хотят от них избавиться, чтобы стать […]
Сообщение Кобальт. Зачарованный металл появились сначала на Живой Космос.
Сегодня мы поговорим о химическом элементе, в ядре которого 27 протонов, и который существует в двух кристаллических модификациях. Это кобальт. Он имеет только один стабильный изотоп – кобальт-59. Как и железо, этот элемент является переходным металлом. Он находится в таблице Менделеева между элементами, крайне жаждущими электронов, и теми, которые хотят от них избавиться, чтобы стать стабильными. Поэтому кобальт обладает многими характеристиками остальных переходных металлов: например, он имеет несколько степеней окисления, то есть он очень универсален с точки зрения соединений, которые может образовывать. В чистом виде кобальт имеет внешний вид и поведение «стандартного» металла. И почти неотличим от любого из них. Кобальт никогда не встречается в природе в чистом виде.
Это один из тех элементов, с которыми люди сталкивались на протяжении тысячелетий. Хотя и не понимали при этом с чем именно они имеют дело. Хотя другие переходные металлы так же активны, как кобальт, этот элемент было труднее обнаружить, чем другие, потому что он не очень распространён в природе. И всё же его достаточно, чтобы люди часто с ним контактировали.
Красивый синий цвет
Многие переходные металлы в окисленном состоянии имеют очень красивые цвета, как в случае, например, с ванадием. В случае с кобальтом некоторые из его соединений имеют красивый синий цвет, который Вы наверняка видели много раз. Этот металл до сих пор используется, помимо прочего, для окрашивания стекла.
Но как давно люди используют кобальт для этих целей? Очень давно. Археологи нашли глиняную посуду и стекло, окрашенные соединениями кобальта, изготовленные около 2000 г. до н.э.!
Тонированные таким образом керамика и стекла изготавливались древними египтянами, персами, греками, китайцами. Синий цвет, типичный для некоторых соединений кобальта, является «фирменным знаком» некоторых видов китайской керамики, например. Однако никто из изготовителей всей этой посуды не имел ни малейшего понятия, что на самом деле придаёт предметам их синий цвет.
И многие даже не задумывались об этом. Просто при плавлении некоторых пород со стеклом или керамикой они становились синими. Что, в конце концов, еще было нужно? Хотя некоторое особо любопытные люди всё же пытались выяснить причину появления синего цвета. Однако, как мы вскоре увидим, пришли к неверному выводу.
Содержание кобальта в земной коре составляет менее 0,003%. Его довольно трудно получить в чистом виде. И, в довершение всего, он обычно ассоциируется в горных породах с другими металлами, которые были известны до него. Поэтому о кобальте долгое время практически ничего не было известно.
В случае с синей керамикой и стеклом произошла ещё и некоторая путаница. Поскольку кобальт ассоциировался с металлом, известным с античных времён, висмутом. Почти всегда находя висмут, известный металл, в горных породах, имеющих синий цвет, общий вывод был таков: за синий цвет отвечает висмут. И не волнует. Вопрос закрыт. Точка.
Висмут за всё отвечает!
В XVI веке немецкий учёный Георгий Агрикола пришел к такому же ошибочному выводу: именно висмут в значительных количествах присутствовал в горных породах, придававших цвет керамике и стеклу. И поэтому исследователь решил, что именно этот элемент отвечал за их цвет. По иронии судьбы, именно Агрикола впоследствии описал другой камень, который, по мнению этого выдающегося минералога не имел ничего общего с синевой цвета керамики, который содержал… кобальт!
Немецкие горняки были хорошо знакомы с этой породой (на самом деле их было больше, чем одна, конечно). И они проклинали её. Это был минерал, найденный в шахтах вместе с полезными железными и никелевыми рудами, часто смешанный с ними и похожий на многие другие. Но это была не такая руда, как остальные! Эта проклятая порода не только не давала при обработке полезных металлов (вместо металла получался никчёмный порошок), но была даже опасна: в измельчённом виде она была токсична. А при соприкосновении с кожей вызывала её разъедание.
Проклятая руда была очень похожа на другие, полезные минералы. Но при этом оказалась бесполезной и ядовитой. Вывод горняков был таков: изначально это была нормальная порода. Но в этот ядовитый ужас его превратили кобольды шахт, волшебные причудливые существа.
Духи немецких шахт
Кобольдов было много видов. И они жили, по мнению суеверных немцев, не только в шахтах. Они присутствовали на кораблях, в домах, в лесах и т. д. На этих мифологических существ списывали всё, что только можно себе представить. Прокисло молоко? Виноваты злые кобольды. Нашли в шахте отличную руду? Дружелюбные кобольды помогли. Кошка бросила котят? Это кобольд виноват! В шахтах эти существа были ответственны практически за всё необъяснимое: странные звуки, необычные минералы, взрывы газа и так далее.
Выходило так, что проклятый минерал был камнем кобольдов. То есть кобальтом. Чего горняки, конечно, не знали, так это того, что это была обычная руда, находившаяся там миллионы лет, а не продукт какого-либо заклинания волшебных существ.
Нужен был другой взгляд на проблему. Более глубокий, чем у Агриколы. И менее суеверный, чем у горняков.
Пришлось ждать до 18 века, чтобы получить ответ на вопрос о природе кобальта и исправить предыдущий ошибочный ответ о цвете синей керамики и стёкол. Итак, давайте отправимся в Швецию 1730 года.
И пойдём мы, конечно, в шахту.
Кто открыл кобальт?
Эта шахта принадлежала некоему Георгу Брандту. И она сделала его богатым. Брандт нашёл в ней большое количество меди и железа. В шахте, конечно же, были кобольды, куда без них. Ну и соответственно там была и проклятая порода, которая могла быть ядовитой. И она не производила никакого полезного металла, только какую-то дурацкую пыль. Вряд ли это сильно беспокоило Брандта. Ему не приходилось иметь дело с этим кобальтом, поскольку он был владельцем шахты, а не шахтёром. Однако существование неприятной и ядовитой породы наверняка было темой для разговоров. Поэтому история о кобольдах довольно быстро широко распространилась.
Спустя годы сын владельца шахты, Георг Брандт-младший, станет первоклассным минералогом и настоящим авторитетом на Стокгольмском монетном дворе. Его познания в металлах и сплавах, а также горных породах, из которых они были получены, были весьма обширны. И, помимо всего прочего, Брандт начал изучать кобальт Агриколы, чтобы определить истинную причину его любопытных свойств. Для этого он провёл с ним множество экспериментов при высоких температурах, пытаясь разделить его разные компоненты.
Сегодня мы знаем, во многом благодаря работе Брандта (хотя немецкие горняки и Агрикола этого не знали), что горные породы, которые они называли кобальтом, а мы теперь называем кобальтитами, обладали своими ядовитыми свойствами потому, что они состояли из комбинации кобальта, мышьяка и серы. Ядовитость этих пород была обусловлена именно находившимся в них мышьяком, а не заклинаниями. Причина, по которой полезные металлы не были получены, заключалась в том, что в результате того же процесса, что и для других горных пород, получался оксид кобальта (II), CoO, который представляет собой невзрачный серый порошок.
По сути, изначально занимаясь кобальтом, Брандт получил то же самое, что и все остальные: оксид кобальта. Однако швед не остановился на достигнутом и попытался изолировать существующие элементы в этой пыли. Нагревая его до чрезвычайно высоких температур в присутствии древесного угля, Брандт получил металл, свойства которого не соответствовали свойствам любого известного металла.
Так вот кто красит стёкла!
Внешность у кобальта весьма приземлённая. Но название, конечно, у него интересное. Но неточное. Поскольку за «завораживающие» свойства кобальта отвечал не кобальт, а мышьяк.
В ходе многочисленных экспериментов и опытов, проведённых Брандтом с новым элементом, он установил нечто очень любопытное: достаточно было добавить в стекло крошечное количество определённых соединений кобальта, и оно приобретало красивый голубой цвет! Тот, что мы теперь называем кобальтово-синий. Исследуя соединения, придающие такой цвет стеклу и керамике, швед заметил, что кобальт всегда присутствует (его предки просто не знали, как его обнаружить), а висмут вовсе не нужен для получения такого цвета. Брандт не только разгадал тайну кобальта, но и исправил давнюю ошибку возложения ответственности за синий цвет на висмут.
С тех пор, и особенно в 19 веке новый металл стал добываться и использоваться в промышленности именно для этой цели. Но теперь уже сознательно. Наиболее широко используемым соединением для этого был и остаётся алюминат кобальта (II), CoAl. Кобальтовая промышленность изначально была невелика, так как для обеспечения получения красивого цвета не требовалось большого количества металла. И всё же это уже был промышленно добываемый металл.
В составе стали
Однако основное промышленное использование кобальта впоследствии оказалось совсем другим. В 19 веке люди экспериментировали со многими различными видами сплавов. И в итоге стало очевидно, что добавление небольшого количества определённых металлов придаёт стали различные свойства. Некоторые из которых были очень полезными. Оказалось, что кобальт придаёт стали коррозионную стойкость и большую устойчивость к высоким температурам. Так мало-помалу потребление кобальта увеличивалось. И не из-за красивого голубого цвета его окисленных соединений, а из-за его более прагматичной, но гораздо более полезной способности улучшать легированную сталь.
Сегодня большая часть добытого кобальта используется именно в сплавах. Металл входит в состав деталей авиационных двигателей, некоторых аккумуляторов, медицинских протезов и т. д. Кобальт по-прежнему используется в небольших количествах для цветных пигментов, как и раньше, а также в качестве катализатора в некоторых химических реакциях. Изотоп кобальт-60, получаемый искуственно, имеет широкое применение в разных отраслях как источник гамма-излучения с высокой энергией. Но это не идёт ни в какое сравнение с использованием кобальта в сплавах. И его мировое производство по мере роста потребления в течение 20-го века сильно выросло.
Почти половина мировой добычи кобальта приходится на шахты, расположенные в Демократической Республике Конго. Что довольно далеко от немецких шахт, в честь злых духов которых металл получил своё название. Количество кобальта, добытого во всём мире в 2022 году оценивается более чем в 200 тысяч тонн. При этом это очень недешёвый металл. В настоящее время его цена достигает 35 000 долларов за тонну.
Современная наука установила, что кобальт – это не продукт заклинаний подземных существ. Но откуда взялся этот волшебный металл?
Дитя сверхновой
Как и всё, что мы видим вокруг, из звёзд, конечно. Но в данном случае, в отличие от железа, звезды не могут производить кобальт во время нахождения на главной последовательности. Кроме того, лишь очень немногие звезды вообще могут производить кобальт. В основном причина подобного состояния дел заключается в том, что превращение других элементов в кобальт посредством синтеза – это энергетическая катастрофа. При этом потребляется гораздо больше энергии, чем производится.
Следовательно, есть только одно время и место во Вселенной, где может образоваться кобальт: сверхновая. Этот процесс очень упрощённо выглядит так: сразу после коллапса сверхновой выделяется огромное количество свободных нейтронов. Многие из них поглощаются ядрами атомов. И, хотя при этом образуются нестабильные ядра, скорость поглощения нейтронов настолько велика, что превышает скорость распада образовавшихся новых атомов. Поэтому в конце концов во многих случаях образуются стабильные ядра. В том числе ядра атомов кобальта.
В конце концов часть этих ядер выбрасывается в космос. И через множество эпох они попадают в составе газового облака в какую-то новую звезду или планету возле неё.
Когда звезда коллапсирует сама в себя со скоростью 23% скорости света, она достигает температуры в сто тысяч раз выше, чем в ядре Солнца. И запускает самый жестокий и ужасный процесс, о котором мы знаем. И его результат мы позже используем, чтобы сделать бутылки синими.
Разве это не прекрасно?
Нужно немножко кобальта
«Заколдованный» элемент кобальт, произведённый во время звёздного катаклизма, играет фундаментальную роль в нашей жизни. Независимо от бутылок или синей керамики и стальных сплавов. Так же, как крошечное количество кобальта может изменить цвет стекла, нам всем необходимо небольшое количество этого металла для наших организмов. Кобальт входит в структуру кобаламина или витамина B-12. Каждая клетка нашего тела нуждается в кобаламине для правильного выполнения множества функций. Включая синтез ДНК. Вот так вот.
Однако нашему организму, на самом деле, кобальта нужно совсем немного. И при нормальном питании мы получаем достаточное количество этого микроэлемента. Поэтому беспокоиться не о чем. Более того (сейчас немецкие горняки, читающие это, приподнимут бровь), в больших количествах кобальт может быть опасен. Но на самом деле почти всё опасно в больших количествах. В случае с этим металлом, к счастью, требуется несколько граммов, чтобы он нанёс какой-то ущерб здоровью. В нормальных условиях никто и никогда не работает (в быту, по крайней мере) с таким количеством кобальта.
Помимо аллергических реакций, которые встречаются реже, чем на другие металлы, такие как никель, чрезмерное потребление кобальта может вызвать повреждение сердечной мышцы.
Несколько десятилетий назад произошло несколько отравлений из-за использования металла для стабилизации пивной пены. Но сегодня это запрещено. Чрезмерное вдыхание кобальтовой пыли иногда случается у рабочих, производящих карбид вольфрама (в процессе используется кобальт).
Подведём итог: ведя здоровый образ жизни, проблем с кобальтом не будет никаких.
Кобольды разочарованно вздохнули.
Сообщение Кобальт. Зачарованный металл появились сначала на Живой Космос.