Кобальт має дивовижну історію: від «підступних гоблінів» середньовічних шахтарів і знаменитого кобальтового синього до реактивних двигунів, літій-іонних акумуляторів та вітаміну B₁₂. Розберемо властивості Co, його відкриття, видобування, застосування, радіоактивний Кобальт-60 і навіть моторошну концепцію кобальтової бомби.
Кобальт — хімічний елемент із порядковим номером 27. Отже, в ядрі його атома міститься 27 протонів, а навколо ядра нейтрального атома — 27 електронів. Електронна конфігурація Кобальту — [Ar] 3d⁷4s². Це d-елемент, перехідний метал четвертого періоду, для якого особливо характерні ступені окиснення +2 та +3, хоча відомі сполуки й з іншими ступенями окиснення.
А з ізотопами все напрочуд просто. Природний кобальт — фактично моноізотопний елемент: його єдиний стабільний природний ізотоп — ⁵⁹Co. Пізніше ми ще повернемося до ізотопів Кобальту, тому що один із його радіоактивних «братів» відіграв дуже незвичайну роль і в медицині, і в історії ядерної епохи.
Кобальт – який він на вигляд?
Чистий кобальт — твердий блискучий метал сріблясто-сірого, іноді злегка синюватого відтінку. Його густина становить приблизно 8,9 г/см³, а температура плавлення — близько 1495 °C. Він досить твердий і здатний зберігати хороші механічні властивості за високих температур. Але одна з найцікавіших його фізичних властивостей — феромагнетизм.
Подібно до заліза та нікелю, кобальт здатний сильно намагнічуватися, тому його використовують у деяких магнітних матеріалах і сплавах. На повітрі за звичайних умов масивний кобальт досить стійкий, але під час нагрівання окиснюється. З розбавленими неокиснювальними кислотами він може реагувати з виділенням водню та утворенням солей Кобальту. Наприклад: Co + 2HCl → CoCl₂ + H₂↑.
Особливо різноманітною стає хімія Кобальту в комплексних сполуках. Йони Кобальту можуть утворювати численні комплекси, а їхнє забарвлення залежить від ступеня окиснення металу, геометрії комплексу та того, які ліганди його оточують. Тому сполуки одного й того самого елемента можуть мати дуже різні кольори. І саме колір відіграв величезну роль в історії Кобальту.
До чого тут гобліни?
Ще задовго до того, як люди дізналися про існування самого Кобальту, його сполуки вже використовували. Кобальтові пігменти надавали склу та кераміці насиченого синього кольору. Археологічні знахідки свідчать, що кобальтовмісні матеріали застосовували для забарвлення ще в давнину. Отже, знаменитий кобальтовий синій з’явився набагато раніше, ніж сам Кобальт потрапив до списку хімічних елементів.
Але європейські шахтарі мали з кобальтовими рудами зовсім інші стосунки. У Саксонії гірники знаходили руди, які зовні могли нагадувати перспективні срібні руди, але отримати з них очікуване срібло не вдавалося. Гірше того, деякі такі руди містили арсен, тому під час випалювання могли утворюватися небезпечні арсеновмісні випари. Не знаючи справжньої причини, шахтарі пояснювали свої невдачі витівками підземних злих духів — Kobolde, тобто кобольдів або гоблінів. Звідси зрештою й походить слово cobalt.
Хто відкрив Кобальт?
Близько 1730 року загадковими рудами зацікавився шведський хімік Георг Брандт. Він досліджував матеріали, з яких отримували сині пігменти, і дійшов важливого висновку: синє забарвлення створює не вісмут, як припускали раніше, а інший метал. Брандт виділив і дослідив його та показав, що перед ним самостійний хімічний елемент. У 1739 році він опублікував результати своїх досліджень.
Де знаходять кобальт?
У природі самородний кобальт трапляється надзвичайно рідко. Значно частіше він входить до складу різноманітних мінералів разом із нікелем, міддю, залізом та арсеном. Причому в сучасній промисловості кобальт дуже часто взагалі не є головною метою розробки родовища. Значну його частину отримують як супутній продукт видобутку та переробки мідних і нікелевих руд.
Особливо велике значення мають мідно-кобальтові родовища Центральної Африки. Демократична Республіка Конго сьогодні є головним центром світового видобутку кобальту. Через це виробництво Кобальту залежить не лише від попиту на нього самого, а й від видобутку інших металів. Така особливість робить його сировинний ланцюг досить незвичайним.
Як із руди отримують кобальт?
Єдиного простого рівняння «руда → кобальт» тут не існує. Технологія залежить від типу родовища та складу конкретної руди. Після подрібнення й збагачення застосовують різні пірометалургійні та гідрометалургійні процеси, поступово відокремлюючи Кобальт від міді, нікелю, заліза та інших компонентів. Для цього можуть використовувати вилуговування, осадження, екстракцію та інші методи очищення.
Кобальт у наших акумуляторах
Одне з найважливіших сучасних застосувань Кобальту — матеріали для катодів літій-іонних акумуляторів. Класичний приклад — літій-кобальт(III) оксид LiCoO₂, який широко використовували й використовують в акумуляторах портативної електроніки. Кобальт входить також до складу деяких багатокомпонентних катодних матеріалів, наприклад систем NMC, що містять нікель, манган і кобальт. Саме тому розвиток мобільної електроніки та електротранспорту різко підвищив інтерес до цього металу.
Метал, який не боїться реактивного двигуна
Кобальт входить до складу спеціальних жароміцних суперсплавів, здатних працювати там, де звичайні матеріали швидко втратили б свої властивості. Такі матеріали використовують, зокрема, в гарячих частинах газових турбін та авіаційних двигунів. Кобальтові сплави цінують за здатність зберігати міцність, протистояти зношуванню, окисненню та корозії за високих температур.
А ще він досі виконує роботу, з якої фактично почалася його історія, — створює колір. Сполуки Кобальту використовують для отримання синіх пігментів у склі, кераміці, емалях та інших матеріалах. Знамените «кобальтове синє» пережило тисячоліття технологічного розвитку.
Радіоактивний брат — Кобальт-60
Природний ⁵⁹Co стабільний. Але якщо його опромінити нейтронами в ядерному реакторі, ядро може захопити нейтрон і перетворитися на радіоактивний ⁶⁰Co: ⁵⁹Co + n → ⁶⁰Co. Кобальт-60 має період напіврозпаду приблизно 5,27 року і зазнає β⁻-розпаду з утворенням збудженого ядра Нікелю-60. Переходячи до нижчого енергетичного стану, воно випромінює інтенсивне гамма-випромінювання.
Саме завдяки цьому Кобальт-60 став потужним промисловим і медичним джерелом гамма-випромінювання. Його використовували й продовжують використовувати в деяких установках променевої терапії, а також для радіаційної стерилізації медичних виробів. Гамма-випромінювання здатне проникати крізь упаковку та знищувати мікроорганізми, не вимагаючи розкривати вже запакований виріб. Але ті самі властивості Кобальту-60 породили одну з найпохмуріших ідей ядерної епохи.
Кобальтова бомба
На початку 1950-х років фізик Лео Сілард публічно обговорив теоретичну можливість створення так званої кобальтової бомби. Ідея полягала не просто у величезній потужності вибуху, а в створенні надзвичайно масштабного й тривалого радіоактивного забруднення. Для цього пропонувалося використати стабільний Кобальт-59, частина якого під дією потужного потоку нейтронів могла б перетворитися на радіоактивний Кобальт-60. Після вибуху утворений радіоактивний матеріал мав би розсіюватися разом із випадіннями.
Поєднання періоду напіврозпаду близько 5,27 року та сильного гамма-випромінювання зробило ⁶⁰Co особливо моторошним кандидатом для такої концепції. Саме тому кобальтова бомба стала одним із символів так званої «зброї Судного дня».
І тут виникає разючий контраст. Той самий ізотоп ⁶⁰Co, гамма-випромінювання якого допомагає стерилізувати медичні вироби й може використовуватися для лікування пухлин, став основою однієї з найстрашніших теоретичних ідей ядерної епохи. Але є в Кобальту ще одна роль, яка здається майже неймовірною після розповіді про ядерну зброю. Для неї потрібен не реактор, не турбіна й не акумулятор — а живий організм.
Навіщо нашому організму атом Кобальту?
Кобальт входить до складу вітаміну B₁₂ — кобаламіну. У центрі його складної молекулярної структури знаходиться атом Кобальту. Вітамін B₁₂ необхідний для нормального кровотворення, роботи нервової системи та низки важливих біохімічних процесів. Організму потрібні лише дуже невеликі кількості Кобальту — і саме у відповідній біологічній формі. Це зовсім не означає, що металевий кобальт або його солі корисно отримувати самостійно: у значних кількостях деякі сполуки Кобальту можуть бути токсичними.