Текст книги "Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий"

Автор книги: авторов Коллектив

Магнитные свойства

Способность сохранять магнитные свойства после однократного намагничивания свойственна лишь немногим металлам, в том числе и кобальту. К сталям и сплавам, из которых изготовляют магниты, предъявляют 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), легко поддаваться механической обработке.

Под действием тепла намагниченный металл теряет ферромагнитные свойства. Температура, при которой это происходит (точка Кюри), разная: для железа – это 769°С, для никеля – всего 358°С, а для кобальта достигает 1121°С. Еще в 1917 г. в Японии был запатентован состав стали с улучшенными 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 3,5 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 – 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 ферромагнетизма. Свойства этих сплавов кажутся необычайными: магнит весом 100–200 г удерживает груз в 20–30 кг! Очень сильные постоянные магниты получаются также из интерметаллических соединений кобальта с некоторыми редкоземельными элементами (например, SmCo₅ и др.)[14]14
  Предел текучести – напряжение, при котором материал продолжает деформироваться без увеличения нагрузки.


[Закрыть]

Кобальт и 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 из окислов марганца, меди, серебра, кобальта, названная гопкалитом, 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 + O₂ → 2СO₂, 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 гемоглобина. Возбудителя болезни найти не могли, однако 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 год-два они тоже заболевали. Но в то же время скот, вывезенный из района «эпидемии», не заражал общающихся с ним животных и сам вскоре выздоравливал. Так было и в Новой Зеландии, и в Австралии, и в Англии, и в других странах. Это обстоятельство 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 CCP пришло письмо, где сообщалось, что в районе одного из болот неподалеку от Риги скот поражен сухоткой, но у лесника, живущего там же, все коровы упитанны 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 мг 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 таблетки, предохраняющие от заболевания сухоткой в тех районах, где количество микроэлемента кобальта в почвах недостаточно для полноценного питания животных.

Известно, что человеческому организму необходимо железо: оно входит в состав гемоглобина крови, с помощью которого 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?

^{Работает кобальтовая пушка} 

Есть и 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-Ходжкин присуждена в 1964 г. Нобелевская премия по химии. Вещество это получило название витамина B₁₂. Оно содержит 4% кобальта.

Компенсировать недостаток кобальта в организме можно с помощью некоторых пищевых продуктов, например, ягод винограда. Уже немало лет во многих наших южных республиках виноградники опрыскивают раствором сернокислого кобальта. С таких участков собирают больше ягод, и они слаще, чем с «бескобальтовых» участков.

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 – ⁶⁰Co, дающий наиболее однородное излучение.

В аппарате для облучения глубокозалегающих злокачественных опухолей, «кобальтовой пушке» ГУТ-400 (гамма-установка терапевтическая), количество кобальта-60 соответствует по своей активности 400 г радия. Это очень большая величина, такого количества радия нет ни в одной лаборатории. Но именно высокая активность позволяет предпринимать попытки лечения опухолей, расположенных в глубине организма больного.

Радиоактивный кобальт используется не только в лечебных целях. Установки, подобные медицинской «пушке», применяют в промышленности для контроля уровня растворов в аппаратах, работающих при высоких температурах и давлениях, и во многих других случаях.

Кобальт в космосе

Рассказывая о том или ином металле, нельзя не упомянуть о том, какое он имеет отношение к сверхскоростным, высотным и космическим полетам. В этих отраслях техники к применяемым материалам предъявляют высочайшие требования. Приходится считаться не только с прочностью, весом и другими «обыденными» величинами. Нужно учитывать условия: разреженность атмосферы и космический вакуум, а с другой стороны, сильный аэродинамический разогрев, возможность резких температурных перепадов, тепловых ударов.

^{Сталь, легированную кобальтом, применяют и в ракетной технике} 

Казалось бы, «сверхскоростные» конструкции нужно делать из наиболее тугоплавких материалов, таких, как вольфрам, молибден, тантал. Эти металлы, конечно, играют видную роль, но не следует забывать, что и у них есть недостатки, ограничивающие возможности применения. При высоких температурах они сравнительно легко окисляются. Обработка их затруднительна. Наконец, они дороги. Поэтому их применяют, когда другими материалами нельзя обойтись, а во многих узлах вместо них работают сплавы на никелевой или кобальтовой основе.

Самое широкое применение в авиационной и космической технике получили сплавы на основе никеля. Когда одного известного металловеда спросили, как он создает высокотемпературные сплавы, он ответил: «Я просто заменяю в сталях железо на никель».

В тех же целях применяют сплавы на основе кобальта. Большая распространенность никелевых сплавов объясняется в основном их большей изученностью и меньшей стоимостью. Эксплуатационные же свойства сплавов на основе никеля и кобальта практически идентичны. Но «механизмы прочности» разные. Высокая прочность никелевых сплавов с титаном и алюминием объясняется образованием фазы-упрочнителя состава Ni₃Al(Ti); чем больше в сплаве титана и алюминия, тем выше его механические свойства. Но при высоких температурах эксплуатации частицы фазы-упрочнителя переходят в раствор, и тогда сплав довольно быстро разупрочняется.

Кобальтовые же сплавы своей жаропрочностью обязаны образованию тугоплавких карбидов. Эти карбиды не растворяются в твердом растворе. Они обладают и малой диффузионной подвижностью. Правда, преимущества таких сплавов перед никелевыми проявляются лишь при температурах от 1038°С и выше. Последнее не должно смущать: известно, что чем выше температура, развивающаяся в двигателе, тем больше его эффективность. Кобальтовые сплавы хороши именно для наиболее эффективных высокотемпературных двигателей.

В конструкциях авиационных турбин применяют кобальтовые сплавы, которые содержат от 20 до 27% хрома. Этим достигается высокая «окалиностойкость» материала, позволяющая обходиться без защитных покрытий. Хром, кстати, единственный элемент, увеличивающий стойкость кобальта против окисления и одновременно его прочность при высокой температуре.

В лабораторных условиях сопоставляли свойства никелевых и кобальтовых сплавов под действием переменных температурных нагрузок (теплового удара). Испытания показали, что кобальтовые сплавы более «ударостойки». Не удивительно поэтому, что специалисты по космической технике все больше внимания уделяют сплавам элемента № 27. Это, если можно так выразиться, интерес с перспективой. Попробуем объяснить, что это значит, хотя бы на одном примере.

Все привычнее становятся полеты человека в космос. Но пока на экранах своих телевизоров мы видим лишь ракеты, получающие энергию в результате реакции окисления тех или иных топлив. Вряд ли этот вид «энергоснабжения» можно считать единственным и на будущее. Поднимутся ракеты, тягу которых создадут иные силы. В процессе разработки находятся электротермические, плазменные, ионные ракеты…

Важной составной частью двигательной установки любой из таких систем станет, по-видимому, электрогенератор. Электрогенератор большой мощности. Но, как мы знаем, мощные генераторы и весят много, и размеры имеют солидные. Как такую махину поместить на «транспортабельной установке»? Или – что практически более приемлемо – как сделать достаточно мощный и в то же время достаточно легкий генератор? Нужны оптимальные конструкции и оптимальные материалы для них.

В разрабатываемых проектах предусмотрен, в частности, атомный реактор с утилизацией тепла в паровой турбине. Крутить эту турбину будет не водяной пар, а ртутный (или пары щелочных металлов). В трубчатом бойлере тепло ядерной реакции испарит ртуть; ртутный пар, пройдя турбину и сделав свое дело, пойдет в конденсатор, где снова станет жидкостью, а затем опять, совершая круговорот, отправится в бойлер.

Такие аппараты должны работать без остановок, без осмотра и какого-либо ремонта не менее 10 тыс. часов, т. е. больше года. Судя по публикациям, бойлеры экспериментальных американских генераторов SNAP-2 и SNAP-8 сделаны из кобальтовых сплавов. Эти сплавы применили потому, что они жаропрочны, не подвержены амальгамации (не реагируют с ртутью), коррозионноустойчивы.

Дело есть и на Земле…

Мы рассказали далеко не о всех областях применения кобальта. Совершенно не упомянули, например, о том, что электролитические кобальтовые покрытия во многих отношениях превосходят никелевые. Получить кобальтовое покрытие нужной толщины (причем равномерной толщины!) можно не за час, как никелевое, а всего за 4 минуты. Кобальтовые покрытия более тверды, поэтому защитный слой кобальта можно сделать тоньше, чем соответствующий слой никеля.

Русским ученым Федотьевым был в свое время исследовал кобальтовый сплав (до 75% кобальта), предназначенный для замены платиновых электродов гальванических ванн. Оказалось, что этот сплав не только не уступает драгоценному металлу, но и превосходит его по нерастворимости в крепких кислотах, а обходится несравненно дешевле.

Мы не замечаем, что кобальт окружает нас в нашей повседневной жизни, в быту, конкретнее – в эмалированных кастрюлях, причем не только синего цвета. Широко известный ныне процесс эмалирования жести рождался в муках. Эмаль накладывалась, но держалась плохо и отскакивала от основного металла при нагреве, толчке, а то и без всяких видимых причин. Лишь тогда, когда стали наносить эмаль в два слоя (грунт и эмаль), с содержанием в первом слое всего лишь 0,6% кобальта, покрытие стало удерживаться прочно. Объясняется же это тем, что в процессе нагрева окислы кобальта восстанавливаются железом до металла; этот кобальт при дальнейшем нагреве диффундирует в железо, образуя с ним твердый сплав. Мы сказали лишь о кастрюле, а сколько эмалированной посуды используется в медицине, фармацевтической, химической промышленности. И везде кобальт, всего лишь 0,6%.

Использование кобальта, его сплавов и соединений ширится с каждым днем. В последнее время, например, они стали нужны для изготовления ферритов, в производстве «печатных схем» в радиотехнической промышленности, при изготовлении квантовых генераторов и усилителей. Это металл с большим настоящим и большим будущим.

Немного статистики

Интересны цифры, которые дают некоторое представление о том, на что расходуется кобальт в промышленно развитых странах Запада.

Вот усредненные статистические данные (в %):

Магнитные сплавы … 27

Жаропрочные материалы … 21,5

Краски и лаки … 13

Износоустойчивые и коррозионно-стойкие 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

Приведенные цифры относятся к началу 70-х годов, но вряд ли за последние годы здесь что-то существенно изменилось. Ультрановых областей применения элемент № 27 в эти годы не нашел. Известно, что в 1975 г. в США спрос на кобальт по сравнению с 1974 г. упал почти на четверть. Впрочем, экономический кризис отразился подобным образом на производстве и потреблении многих металлов.

В мире, по американским данным, в 1980 г. было получено около 30 тыс. т кобальта. Перед началом второй мировой войны производство кобальта едва превышало 3 тыс. т. Крупнейший поставщик кобальта на мировой рынок – республика Заир. Достаточно богаты кобальтом недра Канады, США, Франции, Замбии. В Советском Союзе кобальтовые руды есть на Урале, в Казахстане, в Восточной Сибири. Кобальтсодержащие медно-никелевые руды есть на Кольском полуострове и в районе Норильска.

Будущее, надо думать, откроет нам еще не одно ценное свойство элемента № 27.

К ВОПРОСУ ОБ ИМЕНИ. Относительно вредоносности существ, по имени которых получил свое название кобальт, имеется мнение, диаметрально противоположное приведенному в статье об элементе № 27. Ознакомьтесь со следующим документом:

 
….Кобольдам добрым мы родня;
Хирурги гор, свой труд ценя,
Сверлим мы их по мере сил, —
Пускаем кровь из рудных жил;
Металлы грудой копим мы,
И кличем ласково из тьмы,
Чтоб бодрость путнику вдохнуть:
«Счастливый путь! Счастливый путь!»
 

Эта вполне положительная служебная характеристика дана подземным гномам достаточно авторитетным знатоком немецкого средневековья – Иоганном Вольфгангом Гёте. Вы можете найти ее во второй части «Фауста».

В ГРОБНИЦЕ ТУТАНХАМОНА. Уже в глубокой древности люди умели изготовлять цветные стекла и смальты, в том числе и синие. Остатки посуды, мозаики, украшений из синего стекла археологи находят во многих центрах древних цивилизаций.

Однако в большинстве случаев – об этом непреложно свидетельствуют результаты химического анализа – эти стекла окрашены соединениями меди, а не кобальта. Например, в гробнице египетского фараона Тутанхамона было найдено множество предметов из синего стекла. Но только один из них оказался окрашенным кобальтом, все остальные – медью.

Удивляться тут, разумеется, нечему – медные минералы встречаются на нашей планете гораздо чаще кобальтовых.

УЧИТЕЛЬ И УЧЕНИК. Георг Брандт, открывший кобальт, начал заниматься химией чуть ли не с детства, помогая своему отцу – сначала аптекарю, а затем управляющему металлургическими предприятиями – ставить опыты.

Свои студенческие годы Брандт провел в голландском городе Лейдене. Здесь он изучал медицину и химию под руководством знаменитого химика, ботаника и врача Германа Бургаве.

Бургаве первым среди ученых применил в своих исследованиях лупу и термометр. Его лекции пользовались широчайшей популярностью – на них бывал даже русский царь Петр I. Немало сделал Бургаве для того, чтобы опровергнуть различные домыслы алхимиков. В этом он проявлял редкостное упорство. Например, желая доказать, что вопреки утверждениям алхимиков ртуть при длительном нагревании не превращается в твердое тело, Бургаве нагревал ртуть в замкнутом сосуде в течение… 15 лет.

Проучившись в Лейдене 3 года, Брандт направился в Реймс, где получил диплом доктора медицины, затем в Гарц для изучения горного дела и металлургии. Только после этого он вернулся в Швецию.

Важнейшие свои исследования Брандт провел в лаборатории Монетного двора. (Между прочим, и в России одна из первых химических лабораторий находилась при Монетном дворе.) Брандт изучал мышьяк и его соединения, соду и поваренную соль; организовал производство шведской латуни на базе местного цинка. Но наибольшую славу Брандту принесло, конечно, открытие кобальта.

ИЗ ДНЕВНИКА ПЕРВООТКРЫВАТЕЛЯ. «Так же, как есть шесть видов металлов, есть – я доказал это достоверными экспериментами… – шесть видов полуметаллов… Я имел счастье быть первооткрывателем нового полуметалла, названного кобальт регулус, который ранее путали с висмутом…»

КОММЕНТАРИЙ К ДНЕВНИКУ. Весьма гармоничная схема Брандта – шесть металлов и шесть полуметаллов – просуществовала недолго. Через 10 лет после того, как он сделал процитированную выше запись в дневнике, его коллега по лаборатории Монетного двора Аксель Фредерик Кронстедт открыл следующий новый элемент – никель, нарушив тем самым приятную, но искусственную гармонию.

Упомянутые Брандтом шесть металлов – это золото, серебро, медь, железо, олово, свинец. А шесть «полуметаллов» – ртуть, висмут, цинк, сурьма, кобальт, мышьяк. Под полуметаллами ученый понимал вещества, по внешнему виду и весу подобные металлам, но в отличие от них не поддающиеся ковке.

«Кобальт регулус» – это королек кобальта, т. е. чистый металлический кобальт. Брандт употребил этот термин, чтобы отличить металлический кобальт от кобальта-минерала.

ЧТО ТАКОЕ УЧЕНЫЙ. Когда Георг Брандт умер, выдающийся шведский естествоиспытатель Карл Линней сказал: «Король может потерять свою армию, – но не пройдет и года, как он получит новую, нисколько не хуже. Король может потерять свой флот, – но не пройдет и двух лет, как будет снаряжен другой. Но другого Брандта королю не получить за все время пребывания на престоле».

Чтобы полностью оценить значение этих слов, надо вспомнить, что как раз на годы жизни Брандта приходится крушение военного могущества Швеции. Ему было 15 лет, когда произошла Полтавская битва.

ЭЛЕМЕНТ ИЛИ HE ЭЛЕМЕНТ? Не надо думать, что получение Брандтом металлического кобальта или, скажем, Кронстедтом металлического никеля сразу убедило всех в том, что открыты действительно элементные вещества. Об элементной природе кобальта химики спорили еще очень долго. Одни доказывали, что кобальт состоит из меди, железа и «особой земли», другие уверяли, будто он не что иное, как соединение железа с мышьяком. Точный метод получения металлического кобальта из руд опубликовал в 1781 г. французский химик Маке. После этого уже никто не покушался на элементную природу кобальта.

ФОРЕЛИ ТОЖЕ НУЖЕН КОБАЛЬТ. Вероятно, не все знают, что рыбу, выращиваемую в прудах, например карпов, нужно кормить, иначе разведение ее будет просто невыгодным. Рационы «рыбьего питания» могут быть самыми различными, одни из них дают больший эффект, другие меньший. Но в любом случае добавление в корм микроэлементов, в частности кобальта, приводит к поразительным результатам.

В двух прудах рыбного хозяйства «Пива» Воронежской области карпам-двухлеткам стали давать хлористый кобальт – по 0,08 мг в сутки на килограмм живого веса рыбы. К концу откорма эти карпы весили в среднем 530 г, а контрольные, не получавшие кобальта, в тех же условиях – только 450 г. Еще полезнее оказался кобальт для карпов-трехлеток. В Синюхинском рыбопитомнике Краснодарского края разница в весе опытных и контрольных рыб составила 170 г; затраты корма на килограмм прироста были почти вдвое меньше. Очень полезен кобальт и форели, этой поистине царской рыбе. Получая его с витамином B₁₂, она лучше усваивает корм, быстрее растет, меньше болеет и хорошо переносит зимовку.