Кобальт

Автор веб-страницы - ученик 11 класса Жалюк Егор

Эссе

Кобальт — неотъемлемая часть индустрии аккумуляторов. Этот дорогой металл добывают по большей части в Демократической республике Конго. Из-за этого на рост цены влияет не только постоянно растущий спрос, но также коррупция и нестабильная политическая обстановка в этой стране. С 2016 года цены выросли вдвое. Это может поставить крест на идее «доступного электромобиля» — при отсутствии новых технологий аккумуляторов.

Кобальт является износостойким жаропрочным металлом, что определяет его применение в качестве легирующей добавки к сталям и сплавам с целью улучшения их свойств, а также материала для нанесения износостойких покрытий. Помимо этого данный металл используется в постоянных магнитах благодаря высокому сопротивлению размагничиванию. На странице представлено описание данного металла: физические свойства, области применения, марки, виды продукции.

Название металла "Кобальт" тесно связано с саксонскими рудниками, а точнее с подземным гномом Кобольдом, который там обитал по мнению саксонцев. Дело в том, что не всегда руда, принимаемая тогда за серебряную, давала при выплавке непосредственно драгоценный металл. Данное явление как раз и приписывали к злым деяниям маленького гнома Кобольда. Руда, которая не давала серебра, но была по внешним признакам очень похожа на серебряную, получила название "кобольд". Скорее всего, это были содержащие мышьяк кобальтовые минералы — кобальтин CoAsS, или сульфиды кобальта скуттерудит, сафлорит или смальтин. В 1735 году шведский химик Георг Брандт выделил из данной руды серый со слабым розоватым оттенком неизвестный металл, который получил название "кобольд" или "Кобальт". Брандт выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет.

Факты

Свойства и применение кобальта

Получение кобальта

Минералы Кобальта редки и не образуют значительных рудных скоплений. Главным источником промышленного получения Кобальта служат руды никеля, содержащие Кобальт как примесь. Переработка этих руд весьма сложна, и ее способ зависит от состава руды. В конечном итоге получают раствор хлоридов Кобальта и никеля, содержащий примеси Cu²⁺, Pb²⁺, Bi³⁺. Действием H₂S осаждают сульфиды Cu, Pb, Bi, после чего пропусканием хлора переводят Fe(II) в Fe(III) и добавлением СаСО₃ осаждают Fe(OH)₃ и CaHAsO₄. От никеля Кобальт отделяют по реакции: 2СоCl₂ + NaClO + 4NaOH + H₂O = 2Co(OH)₃↓ +5NaCl. Почти весь никель остается в растворе. Черный осадок Со(ОН)₃ прокаливают для удаления воды; полученный оксид Со₃О₄восстанавливают водородом или углеродом. Металлический Кобальт, содержащий до 2-3% примесей (Ni, Fe, Cu и другие), может быть очищен электролизом.

Физические свойства Кобальта

При обычной температуре и до 417 °С кристаллическая решетка Кобальта гексагональная плотноупакованная (с периодами а = 2,5017Å, с = 4,614Å), выше этой температуры решетка Кобальта кубическая гранецентрированная (а = 3,5370Å). Атомный радиус 1,25Å, ионные радиусы Со²⁺0,78Å и Со³⁺0,64Å. Плотность 8,9 г/см³ (при 20 °С); t_пл 1493°С, t_кип 3100°С. Теплоемкость 0,44 кдж/(кг·К), или 0,1056 кал/(г·°С); теплопроводность 69,08 вт/(м·К), или 165 кал/(см·сек·°С) при 0-100 °С. Удельное электросопротивление 5,68·10^-8ом·м, или 5,68·10^-6ом·см (при О °С). Кобальт ферромагнитен, причем сохраняет ферромагнетизм от низких температур до точки Кюри, Θ = 1121 °С. Механические свойства Кобальта зависят от способа механической и термической обработки. Предел прочности при растяжении 500 Мн/м² (или 50 кгс/мм²) для кованого и отожженного Кобальта; 242-260 Мн/м² для литого; 700 Мн/м² для проволоки. Твердость по Бринеллю 2,8 Гн/м² (или 280 кгс/мм²) для наклепанного металла, 3,0 Гн/м²для осажденного электролизом; 1,2-1,3 Гн/м²для отожженного.

Химические свойства кобальта

Конфигурация внешних электронных оболочек атома Кобальта 3d⁷4s². В соединениях Кобальт проявляет переменную валентность. В простых соединениях наиболее устойчив Со(П), в комплексных - Со(Ш). Для Со(I) и Co(IV) получены только немногочисленные комплексные соединения. При обыкновенной температуре компактный Кобальт стоек против действия воды и воздуха. Мелко раздробленный Кобальт, полученный восстановлением его оксида водородом при 250 °С (пирофорный Кобальт), на воздухе самовоспламеняется, превращаясь в СоО. Компактный Кобальт начинает окисляться на воздухе выше 300 °С; при красном калении он разлагает водяной пар: Со + Н₂О = СоО + Н₂. С галогенами Кобальт легко соединяется при нагревании, образуя галогениды СоХ₂. При нагревании Кобальт взаимодействует с S, Se, P, As, Sb, С, Si, В, причем состав получающихся соединений иногда не удовлетворяет указанным выше валентным состояниям (например, Со₂Р, Co₂As, CoSb₂, Со₃С, CoSi₃). В разбавленных соляной и серной кислотах Кобальт медленно растворяется с выделением водорода и образованием соответственно хлорида СоCl₂ и сульфата CoSO₄. Разбавленная азотная кислота растворяет Кобальт с выделением оксидов азота и образованием нитрата Co(NO₃)₂. Концентрированная HNO₃ пассивирует Кобальт. Названные соли Со (П) хорошо растворимы в воде [при 25°С 100 г воды растворяют 52,4 г СоCl₂, 39,3 г CoSO₄, 136,4 г Co(NO₃)₂]. Едкие щелочи осаждают из растворов солей Со²⁺ синий гидрооксид Со(ОН)₂, которая постепенно буреет вследствие окисления кислородом воздуха до Со(ОН)₃. Нагревание в кислороде при 400-500 °С переводит СоО в черную закись-окись Со₃О₄, или СоО·Со₂О₃ - соединение типа шпинели. Соединение того же типа CoAl₂О₄ или СоО·Al₂О₃синего цвета (тенарова синь, открытая в 1804 году Л. Ж. Тенаром) получается при прокаливании смеси СоО и Al₂О₃ при температуре около 1000 °С.

Из простых соединений Со (IП) известны лишь немногие. При действии фтора на порошок Со или СоCl₂ при 300-400 °С образуется коричневый фторид CoF₃. Комплексные соединения Со (Ш) весьма устойчивы и получаются легко. Например, KNO₂ осаждает из растворов солей Со (П), содержащих СН₃СООН, желтый труднорастворимый гексанитрокобальтат (III) калия K₃[Co(NO₂)₆]. Весьма многочисленны кобальтаммины (прежнее название кобальтиаки) - комплексные соединения Со (Ш), содержащие аммиак или некоторые органических амины.

Магнитные свойства кобальта

Данный металл способен сохранять эти свойства после однократного намагничивания. Магниты должны иметь высокое сопротивление к размагничиванию, быть устойчивыми по отношению к температуре и вибрациям, легко поддаваться механической обработке. Добавление кобальта в стали позволяет им сохранять магнитные свойства при высоких температурах и вибрациях, а также увеличивает сопротивление размагничиванию. Так, например, японская сталь, содержащая до 60% Co, имеет большую коэрцитивную силу (сопротивление размагничиванию) и всего лишь на 2-3,5% теряет магнитные свойства при вибрациях. Магнитные сплавы на основе кобальта применяют при производстве сердечников электромоторов, трансформаторов и в других электротехнических устройствах.

Распространение кобальта в природе

Содержание Кобальт в литосфере 1,8·10^-3% по массе. В земной коре он мигрирует в магмах, горячих и холодных водах. При магматической дифференциации Кобальт накапливается главным образом в верхней мантии: его среднее содержание в ультраосновных породах 2·10^-2% . С магматическими процессами связано образование так называемых ликвационных месторождений кобальтовых руд. Концентрируясь из горячих подземных вод, Кобальт образует гидротермальные месторождения; в них Со связан с Ni, As, S, Cu. Известно около 30 минералов Кобальт.

В биосфере Кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения - концентраторы Кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация Кобальта - в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10^-3% Кобальта, в песчаниках 3·10^-5, в известняках 1·10^-5. Наиболее бедны Кобальтом песчаные почвы лесных районов. В поверхностных водах Кобальта мало, в Мировом океане его лишь 5·10^-8% . Будучи слабым водным мигрантом, Кобальт легко переходит в осадки, адсорбируясь гидрооксидами марганца, глинами и других высокодисперсными минералами.

Кобальт в организме

Постоянно присутствуя в тканях животных и растений, Кобальт участвует в обменных процессах. В животном организме содержание Кобальта зависит от его уровня в кормовых растениях и почвах. Концентрация Кобальта в растениях пастбищ и лугов в среднем составляет 2,2·10^-3 - 4,5·10^-3% на сухое вещество. Способность к накоплению Кобальт у бобовых выше, чем у злаковых и овощных растений. В связи с высокой способностью к концентрации Кобальта морские водоросли по его содержанию мало отличаются от наземных растений, хотя в морской воде Кобальта значительно меньше, чем в почвах. Суточная потребность человека в Кобальте равна примерно 7-15 мкг и удовлетворяется за счет его поступления с пищей. Потребность животных в Кобальте зависит от их вида, возраста и продуктивности. Наиболее нуждаются в Кобальте жвачные, которым он необходим для развития симбиотической микрофлоры в желудке (главным образом в рубце). Суточная потребность в Кобальте у дойных коров составляет 7-20 мг, у овец - около 1 мг. При недостатке Кобальта в рационе снижается продуктивность животных, нарушаются обмен веществ и кроветворение, у жвачных возникают эндемичные заболевания - акобальтозы. Биологическая активность Кобальта определяется его участием в построении молекулы витамина B₁₂ и его коферментных форм, фермента транскарбоксилазы. Кобальт необходим для проявления активности ряда ферментов. Он влияет на обмен белка и синтез нуклеиновых кислот, на обмен углеводов и жиров, окислительно-восстановительные реакции в животном организме. Кобальт- мощный активатор кроветворения и синтеза эритропоэтинов. Кобальт участвует в ферментных системах клубеньковых бактерий, осуществляющих фиксацию атмосферного азота; стимулирует рост, развитие и продуктивность бобовых и растений ряда других семейств.

Применение кобальта

Кобальт в виде порошка используют в основном в качестве добавки к сталям. При этом повышает жаропрочности стали, улучшаются ее механические свойства (твердость и износоустойчивость при повышенных температурах). Данный металл входит в состав сплавов, из которых изготовляется быстрорежущий инструмент. Один из основных компонентов твердого сплава – карбид вольфрама или - спекается в смеси с порошком металлического кобальта. Именно Co улучшает вязкость сплава и уменьшает его чувствительность к толчкам и ударам. Так, например, резец из суперкобальтовой стали (18% Co) оказался самым износоустойчивым и с лучшими режущими свойствами по сравнению с резцами из ванадиевой стали (0% Co) и кобальтовой стали (6% Co). Также кобальтовый сплав может использоваться для защиты от износа поверхностей деталей, подверженных большим нагрузкам. Твердый сплав способен увеличить срок службы стальной детали в 4-8 раз.

Применение кобальта в авиационной и космической промышленности

Кобальтовые сплавы постепенно начинают конкурировать с никелевыми, которые хорошо зарекомендовали себя и давно используются в данной отрасли промышленности. Сплавы, содержащие Co, используются в двигателях, где достигается достаточно высокая температура, в конструкциях авиационных турбин. Никелевые сплавы при высоких температурах теряют свою прочность (при температурах от 1038°С) и тем самым проигрывают кобальтовым.

Преимущества:

1. Обладает хорошей жаропрочностью.
2. Имеет высокую износостойкость и твердость в том числе и при высоких температурах.
3. Обладает высокой стойкостью к размагничиванию даже при повышенных температурах и механических нагрузках.

Недостатки:

1. Имеет высокую стоимость.

Ссылки

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Кобальт
2. https://dic.academic.ru/dic.nsf/es/24575/кобальт
3. http://www.metotech.ru/kobalt-opisanie.htm