Кобальт

Общие сведения и методы получения

Кобальт (Со) — тяжелый металл серебристого цвета с розоватым от-ливом. Оксид кобальта известен человечеству с незапамятных времен. Он применялся в Древнем Египте, Вавилоне, Китае для окрашивания стекол и эмалей в синий цвет. В 1735 г. шведский химик Брандт по­лучил металл, который назвал «корольком кобольда». Вскоре это на­звание было заменено на «кобольт», а затем —иа «кобальт».

Содержание кобальта в литосфере 1,8-10~* % (по массе). В земной коре он мигрирует в магмах, горячих и холодных водах. При магмати­ческом дифференцировании он накапливается, главным образом, в верхней маитии земли: его содержание в ультраосиовиых породах 2>10~ ^s %. С магматическими процессами связано образование так на­зываемых ликвационных кобальтовых руд. Концентрируясь из горячих подземных вод, кобальт образует гидротермальные местонахождения, в которых он связан с Ni , As , S и Fe . В природе известно более 100 ко-бальтсодержащих минералов, в том числе около 30 собственно кобаль­товых, однако широко распространены только 4 из них. Это кобальтин CoAsS , скуттерудит CoAs ₃ , шмальтин-хлоантит (Со, Ni , Fe ) As 3-₂ и саффлорит ( CoFe ) As ₂ . Характерной особенностью кобальта является его способность образовывать промышленные концентрации в местона­хождениях других металлов — никеля, меди и железа, — где он пред­ставлен как кобальтовыми, так и кобальтсодержащими рудными мине» ралами (пирит, петландит, асболаиы).

По минеральному и химическому составу различают три типа ко­бальтовых руд — мышьяковые, сернистые и окисленные. Главные мине­ралы мышьяковых руд — арсениды (соединения Со, Ni и Fe с мышья­ком) или сульфоарсеииды (соединения с As и S ). Среднее содержа­ние кобальта в промышленных мышьяковых рудах обычно 1—2 %. Сернистые кобальтовые руды относятся к типу комплексных руд нике­ля, меди и железа. Среди них выделяются магматические медно-ннке-левые, а также медно-колчеданные и скарново-магнетитовые. Несмотря на невысокое среднее содержание кобальта (от тысячных до сотых н десятых долей %), крупные размеры месторождений при комплексном использовании руд позволяют вести экономически выгодную добычу ко­бальта в значительных масштабах. Окисленные кобальтовые руды так­же принадлежат к комплексным. Широко распространенным типом этих руд являются так называемые силикатно-иикелевые руды, содержащие около 0,1 % Со. Другой тип этих руд — окисленные сернистые руды—• более богаты кобальтом (1—4 %), но встречаются крайне редко.

Главным нсточииком промышленного получения кобальта служат никелевые руды, содержащие кобальт как примесь. Способ переработки различных руд зависит от их конкретных составов. В конечном итоге получают раствор хлоридов кобальта и никеля, содержащий иоиы Cu²⁺, РЬ²⁺ и BF+, которые осаждают действием H₂S. После этого рас­твор очищают от иона Fe²⁺ и по реакции 2CoCb+NaClO+4NaOH+^;' + H₂0->-2Co(OH )3 |+5NaCl отделяют кобальт от никеля. Черный оса­док Со(ОН)з прокаливают для удаления воды, а полученный окисел С03О4 восстанавливают водородом или углеродом. Металлический ко­бальт, содержащий до 2—3 % примесей (Ni, Fe, Си и др.), может быть очищеи электролизом.

Физические свойства

Атомный номер 27, атомная масса 58,933 а. е. м., атомный объем 6,7-Ю^-6 м³/моль, атомный радиус 0,125 нм, ионные радиусы Co^s + 0,078 нм и Со³⁺ 0,064 им, конфигурация внешних электронных оболо­чек 3 d ⁷ 4 s ² . Потенциалы ионизации кобальта J (эВ): 12,69; 27,32; 53,66. Электроотрицательиость 1,7.

Химические свойства

Нормальный электродный потенциал реакции Со—2е*±Со²+ < j >₀= =—0,27 В, а реакции Со—Зе^±Со³+ <р₀=+0,4 В. Окислительио-восста-новительиый потенциал кобальта в кислых растворах для реакции Со²+-*-Со³+ + е равен 1,81 В, а реакции Со-»-Со³++Зе 0,4 В. Степень окисления +2, +3. Электрохимический эквивалент кобальта Со²+ ра­вен 0,306 мг/Кл, а кобальта Со³+ 0,204 мг/Кл. В простых соединениях наиболее устойчив ион Со²⁺, в комплексных — ион Со³+. В электрохи­мическом ряду напряжений металлов кобальт расположен между же­лезом и никелем. Он взаимодействует почти со всеми другими хими­ческими элементами. Так, при нагревании кобальт легко соединяется с галогенами, образуя гаЯэгеииды типа СоХ₂. При действии фтора иа порошок кобальта или CoCU кобальт может восстановиться до 3-х ва­лентного и образовать коричневый фторид CoF ₃ . Также при нагревании кобальт взаимодействует с серой, селеном, фосфором, мышьяком, сурь­мой, углеродом, кремнием и бором, причем проявляет валентность от + 1 до +6. Сульфиды кобальта образуются в результате взаимодей­ствия свежевосстановленного кобальтового порошка с H ₂ S . При 400 "С образуется Co ₃ S ₄ , а при 700 °С — CoS . Сульфид образуется и прн взаимодействии кобальта с сернистым ангидридом при 800 "С.

В разбавленных соляной и серной кислотах кобальт медленно рас­творяется с выделением водорода и образованием хлорида СоС1₂ или сульфата CoS 0₄. Разбавленная азотная кислота растворяет кобальт с выделением окислов азота и образованием нитрата Co ( N 0₃)₂. Концен­трированная азотная кислота пассивирует кобальт. Все солн кобальта хорошо растворимы в воде. Едкие щелочи осаждают из водных рас­творов солей синий гидрооксид Со (ОН) 2.

Технологические свойства

Плавку и разливку кобальта ведут в вакууме, восстановительной или защитной атмосфере. Кобальт трудно деформируется, однако его спо­собность к деформированию можно повысить тщательной очисткой от углерода и легированием 0 ,1 % Mg . Поддается кобальт и холодной деформации с частыми (после 20 %-ной деформации) отжигами при 900° С в вакууме. Соотношение а- н р -фаз в кобальте существенно вли­яет на его деформируемость при холодной прокатке. Установлено, что в процессе холодной деформации происходит р -нж-превращение с уве­личением составляющей с г. п. у. решеткой. Диаграмма рекристаллиза­ции кобальта ие построена, однако известно, что наклеп наиболее пол­но снимается отжигами при 900—1000° С. Из-за высокой хрупкости ко­бальт плохо обрабатывается резанием. Науглероживание улучшает обрабатываемость резанием, но затрудняет обработку давлением.

Области применения

Кобальт служит главным образом или основой, или легирующим эле­ментом в сплавах. Сплавы на основе кобальта применяют для изготов­ления деталей, работающих при высоких температурах, например, ло­паток турбореактивных двигателей. Наиболее жаропрочные кобальто­вые сплавы сохраняют работоспособность до 1100 С, когда их предел длительной прочности прн продолжительности действия нагрузки 100 ч достигает 70 МПа.

Сплавы, содержащие до 50 % Со с добавками Cr, Ni и Мп, имеют высокое сопротивление термической усталости. Сплавы с 30 7о Со, со­держащие также W, Si и С (так называемые стеллиты) применяют для повышения износостойкости деталей машин и механизмов путем наплав­ки. Кобальтохромовые сплавы используют в стоматологической тех­нике. Широкое применение кобальт получил в качестве составляющего компонента магнитных материалов. Порошкообразный кобальт, а так­же оксид Со₃0₄ служат катализаторами: особенно широко кобальт при­меняют в качестве твердого катализатора для реакций между газообразными или жидкими веществами. Кобальтовые катализаторы особен­но пригодны для реакции получения синтетической нефти по методу Фишера—Тропша. В подобных реакциях очень важна степень развития поверхности материала, иа которой проходит реакция. Одним из пу­тей увеличения поверхности кобальта является его получение по ме­тоду Реннея, когда первоначально получают сплав кобальта, например, с алюминием, а затем, измельчив его до порошкообразного состояния, выщелачивают каустической содой.

Фгорид CoF ₃ применяют как сильный фторирующий агент. Теиарова синь и особенно силикат кобальта и калия используют как краски в керамической и стекольной промышленности. Соли кобальта применяют в сельском хозяйств? в качестве микроудобреннй, а также для подкорм­ки животных.