Кобальт

Кобальт, Со, химия, элемент 8-й группы периодической системы, составляющий вместе с Fe и Ni триаду так называемых железных металлов. Ат. в 58,97; порядковый номер 27; валентность 2 и 3.

Свойства К. В свободном состоянии К.—твердый тугоплавкий металл серовато-белого цвета со стальным блеском, постоянный на воздухе, хорошо принимающий механич. обработку и обладающий очень высокой тягучестью и ковкостью. Удельн. в 8,83—8,90; удельный объём ок. 6,65. Твердость по Мосу 5,5. Предельное сопротивление на разрыв 25 к г/мм², при удлинении < 1%; коэфициент сжимаемости 0,54-10~⁶ сж²/иг; ί°„.“. чистого К. 1478°; t°_Kun_ 2 375°. Коэф-т термин. расширения 0,0000123 (в интервале 64-121°). Теплоемкость: удельная 0,104 cal/г, атомная 6,14 cal (в интервале 04-100°); теплота плавления 58,3 cal/г, атомная 3,44 Cal. Теплопроводность 0,16 cal см/см² ск.°С (при 30°). Скорость звукопередачи 4 725ж/ск. По электропроводности кобальт занимает место рядом с железом: его удельн. сопротивление==9,7 -10~⁶ й-см (при 0°), с Г-ным коэф-том 6,58 -10^-3 (в интервале 04-100°). Магнитные свойства К. также высоки; он принадлежит к группе ферромагнитных веществ. Для К. при 18° предел намагничения I_m= 1 412 (для железа 1 706); магнитная емкость К. может быть еще более повышена в его сплавах, например для CoFe₂J_m=l 880. При t° 1 150“ обыкновенный кобальт (α-модификация) переходит в аллотропическую /8-модификацию, теряя способность к намагничению.

Как по физич., так и по химия, свойствам К. стоит ближе к железу, чем к никелю. При обычных условиях К. вполне стоек по отношению к воде, влажному воздуху, щелочам и органич. к-там; он очень медленно разъедается соляной и серной кислотами; к конц. азотной кислоте относится пассивно; в разбавленной HN0₃ он растворяется с образованием Co(N0₃)₂. При более или менее высоких ί° кобальт соединяется с металлоидами и кислородом; в мелкораздробленном состоянии он пирофоричен. С металлами К. образует ряд сплавов.

Кобальтовые руды. К. в свободном состоянии встречается в природе только в метеорном железе (0,5—2,5 %). Соединения кобальта в земной коре имеют незначительное распространение и встречаются почти всегда вместе с соединениями никеля (а также Fe, Си, Mn, Pb, Ag), образуя смешанные руды. Из кобальтовых минералов, имеющих технич. значение, наиболее известны следующие. Асболан, (СоО, СиО, Μη0₂)·χΗ₂0,—землистый черный порошок переменного хим. состава, обыкновенно приближающегося к (Со,Мп)0-Мп0₂-4Н₂0; богатая руда, содержащая до 8—16% Со; образует залежи в Новой Каледонии и Канаде. Шпейсовый кобальт, шмальтин, (Со, Fe, Ni)As₂, содержит обычно до 23% Со (для чистого CoAsjs—28,2%); кристаллич. минерал, блестяще белый или серый, часто с розовым налетом; уд. вес 6,4—6,6; встречается в Саксонии, Венгрии и Чили. Кобальтовый блеск, кобальтин, CoAsS, с примесями Fe и Ni,—блестяще серебристый или красноватый; мелкие месторождения в Швеции, Норвегии, Силезии и в СССР на е (Дашкессан, Ганджинского уезда). Л и н-неит, (Со, Ni)₃S₄; обычно содержит также Fe и Си в переменных количествах. Более редкие кобальтовые и кобальто-никелевые минералы, как эритрин, Co₃As₂0₈-8H₂0, кароллит, Co₂CuS₄, аллоклаз, (Co,Fe)-(As, Bi), глаукодот, (Со, Fe) AsS, и герсдорфит (Ni,Со,Fe)AsS, — промышленного значения почти не имеют. Главнейшими источниками получения кобальта и его соединений являются окисленные медно-кобальтовые руды бельгийского Конго (4—5% Со) и канадские кобальто-серебряные руды (7—10 % Со), содержащие сульфиды и арсениды К. Разработка кобальтовых руд ведется с 16 века с целью приготовления кобальтовых красок (смотрите), но технич. получение металлич. К. началось лишь в 90-х гг. 19 века. Поставщиками кобальтовых руд являются гл. обр. Канада и бельгийское Конго, в меньшей степени—Новая Каледония, Австралия и Испания. В России разработка Дашкессанского месторождения, дававшая 300—400 кв руды в год, прекращена с 1915 г.

Извлечение К. из руд заключается в приготовлении чистой окиси или чистых солей К., с тем, чтобы далее получить из них любой торговый препарат или свободный металл. Химическим сырьем для получения (мокрым путем) чистых соединений К. могут служить: а) естественные или обожженные кобальтовые руды и рудные концентраты, б) металлургии, отбросы и шлаки (в металлургии меди и свинца), богатые кобальтом, и в) медно-железные сплавы К., получаемые электротермии, путем из смешанных руд вблизи места их добычи. В настоящее время около половины всего К. доставляется з-дом Катанга (в Панда, Бельг. Конго) в виде сплава (Со 30%, Си 30%, Fe 25%), который вывозится в Европу для химич. переработки. Общих методов переработки указанных исходных материалов не существует: они видоизменяются в зависимости от характера сырья. Применяемые операции сводятся к тому, чтобы перевести весь К. в растворенное состояние, а затем отделить сопутствующие ему посторонние металлы; при этом больше всего затруднений представляет отделение Мп и Ni, чего удается достигнуть лишь в результате кропотливых обработок и притом не количественно. В. Янковский.

Переработка кобальтовых руд. Переработка кобальтовых руд на металл представляет собою сложную металлургическую проблему, сводящуюся к: а) концентрации кобальта в виде шнейзы путем плавления руды;

б) обжигу шнейзы и последующему растворению продукта обжига; в) выделению из раствора гидрата окиси К. и других ценных составных частей его и, наконец, г) восстановлению окиси К. до металла.

Плавка руд ведется в шахтных печах; горючим является, с одной стороны, кокс, расходуемый в количестве 10—12% от веса шихты, а с другой—S, As или Sb самой руды. Т. о. атмосфера в печи является окислительной настолько, чтобы по возможности удалить бблыную часть S, As и Sb и не получить штейна, а затем окислить достаточное для образования нужного состава шнейзы количество As и Sb. Т. к. создание соответствующих условий при плавке руд является делом в высшей степени трудным даже в руках опытного плавильщика, то в результате плавки кроме главных продуктов (шнейзы и шлака) получаются почти всегда нек-рые количества штейна и металла. Последний при переплавке серебряно-кобальтовых руд образуется в виде сырого серебра в тех случаях, когда содержание Ag в шихте выше, чем это требуется для насыщения им шнейзы и штейна. Такое серебро загрязнено гл. обр. медью и свинцом, содержание которых достигает 20—25%. В шнейзе собираются весь К. и никель с соответствующими количествами As и Fe (а также Си и Мп, в случае их наличия в руде). Обычный состав шнейз, получаемых при плавке канадских руд, следующий: 20% Со; 12%Ni; 23% As; 18% Fe; 3% Си; 1 % Sb и 2,74% Ag. Образующийся в не-. значительном количестве штейн содержит: 9% Со; 4% Ni; 5% As; 27% Fe; 12% Си; 23% S и 6,85—24% Ag. Получаемый шлак по своему составу обычно отвечает бисиликату; при этом А1₂0₃ считается нейтральным окислом. Шлак содержит не более 1% Ni + +Со и 0,010—0,013% Ag. Побочным продуктом плавки является дымовой газ, содержащий значительные количества твердых As₂0₃и Sb₂0₃; последние улавливаются в пылеочистительных устройствах.

Переработка шнейзы на окись К. начинается с обжига ее, причем содержание As понижается обычно до 10%, редко опускаясь до 3—4%. Обжиг начинается быстрым повышением ί° шнейзы до ~ 400°; с этого момента подвод тепла извне прекращают, и обжиг идет за счет тепла экзотермич.реакций, благодаря которым Г повышается до 850— 900°. В обожженном продукте As находится главным образом в виде овистых соединений и в меньшей мере в виде арсе-натов. Обожженная шнейза далее подвергается либо хлорирующему обжигу, с последующим цианированием для извлечения Ag и сульфатацией остатков от цианирования, либо непосредственной сульфатации. В обоих случаях подвергаемый сульфатации продукт смешивают в чугунных котлах с крепкой H₂S0₄ при тщательном перемешивании, причем происходит образование сульфатов; последние переносят в деревянные чаны и обрабатывают водой. При этом большая часть Си, Fe, Со, Ni и As переходит в раствор, a Sb, гидролизуясь, выпадает в осадок. При нейтрализации полученного раствора известняком большая часть Fe, As и Sb выпадает в виде сурьмянисто- и овистокислых солей железа. После отделения просветленного раствора осадок возвращают в плавильную печь. Полученный раствор обрабатывают новой порцией известняка для осаждения основных карбонатов меди. В случае высокого содержания в растворе Со и Ni последние частично осаждаются вместе с медью. Карбонаты меди растворяют в серной кислоте и из полученного раствора выделяют Си кристаллизацией CuS0₄, или прибавлением металлическ. железа, или пропусканием H₂S. Оставшийся от выделения меди раствор, в случае содержания Ni и Со, присоединяют к главному раствору, содержащему эти металлы.

Кобальтсодержащие растворы обрабатывают далее гипохлоритами (предпочтительно NaOCl), причем в первую очередь выпадает Со(ОН)₃. Прибавление NaOCl прекращают, когда в осадок начинает переходить и Ni; в осадке Со(ОН)₃ содержание Ni не должен быть выше 0,6%, Осажденный Со(ОН)₃ обжигают с добавкой NaOH, чтобы разрушить присутствующие в осадке основные сульфаты кобальта и перевести их в Na₂S0₄. Обожженный продукт выщелачивают водою; полученную окись кобальта, содержащую не более 1% Ni, просушивают, и в таком виде она годна для получения металлического К. Раствор от осаждения Со(ОН)₃,содержащий большее (по сравнению с главным раствором) количество никеля, присоединяется к растворам, идущим на осаждение Со(ОН)₃. Благодаря это-. му последние постепенно обогащаются никелем; когда в них отношение Со : Ni достигает 2:3, они поступают на осаждение обоих окислов при помощи NaOCl. Полученный осадок, содержащий оба металла в отношении Со: Ni=9:1, растворяется, а полученный раствор присоединяется к главным растворам. Раствор же, значительно обогащенный Ni, идет на осаждение никеля. г. Урагов.

Получение металлического К. Металлич. К. может быть получен из его окислов или очищенных солей по общим методам химич. или электролитич. восстановления тяжелых металлов. В частности для этого пригодны следующие способы: 1) восстановление окиси кобальта, Со₂0₃, в токе водорода при 500— 600°; 2) прокаливание закиси кобальта, СоО, в угольном тигле с 10—12% крахмала (иногда с добавкой 2—3% Мп0₂) при 600—800°;

3) восстановление солей кобальта при умеренно высокой ί° водородом или прокаливание их в смеси с NH₄C1; 4) восстановление К. из его окислов алюминием по термитному способу Гольдшмидта; 5) восстановление окиси К. углем в электрич. печи; 6) электролиз горячего аммиачного раствора CoS0₄ или СоС1₂в присутствии (NH₄)₂S0₄. Способы 1—3 имеют только препаративное значение; полученный металл, в зависимости от условий и t° восстановления, представляет собою либо темносерый порошок с пирофорическими свойствами, либо светлосерые чешуйки, либо полуспекшуюся массу; для рафинировки он м. б. переплавлен в известковом или магнезиальном тигле при <° выше 1 600°. Способы 4 и 6 дают кобальт в компактном и наиболее чистом виде, но очень дороги. В настоящее время главная часть К., идущего на изготовление специальных сортов стали получается в электрических печах из смеси окиси К. с коксом или древесным углем, причем к шихте добавляется СаС0₃ для связывания серы; полученный т. о. металл содержит около 1 % углерода в виде карбидов. В продажу выпускается обычно 96—98%-ный К. (по цене $ 2.50 за англ, ф.), содержащий не менее 1,6% Ni, 0,1 % Fe, следы Сии не более 0,02% S. Об анализе К. и его сплавов см. Кобальта соединения. Металлич. К. вырабатывается в Бельгии, Канаде, Швеции, Англии и Германии. Мировое потребление К. (включая его соединения) в 1926/27 годах равнялось ~700 ж.

Применение К. Для технич. целей применение К. началось сравнительно недавно, и пока оно еще довольно ограничено. Благодаря своей твердости и устойчивости по отношению к слабым к-там К. нашел нек-рое применение для изготовления фруктовых ножей и других режущих инструментов. Как нержавеющий металл, К. применяется иногда для защитного покрытия стальных и железных изделий (гальванич. кобальтиро-в а н и е). Наибольший технич. интерес представляют сплавы кобальта с железом, хромом и другими металлами; изготовление этих сплавов возникло лишь в последние годы, но имеет перспективы очень широкого развития. Сортам инструментальной стали добавка К. придает высокую твердость и красностойкость (в большей степени, чем никель). Ряд обычн. сортов быстрорежущей стали содержит Со в количестве 0,5—6,0%. Примерный состав специальной кобальтовой стали (марка «К. S.») в %: 47—· 63 Fe; 30—40 Со; 5—9 W; 1,5—3,0 Сг; 0,4— 0,8 С. Сплав кобальтхром состоит из 60—80% Fe, 15—30% Сг и 3,7—10% Со. Металл Гейнеса содержит 45 — 62% Со, 28—40% W и 10—15% Сг. Под названием стеллита выпускаются инструментальные сплавы очень высокой твердости (от 500 до 600 по Бринелю), содержащие 35— 80% Со, 15—40 % Сг, 0—25%W, иногда Мо и Fe; они красностойки в пределах t° до 800°. Сплавы железа с К. обладают чрезвычайно высокой магнитной проницаемостью; введение К. в сталь усиливает ее коэрцитивную способность (постоянство остаточного магнетизма, сопротивляемость размагничению). Эти свойства К. обещают предоставить ему важную роль в изготовлении постоянных магнитов и материалов для электрическ. машиностроения. Прибавление к литому кобальту магния (в количестве 0,10—0,15%) повышает его блеск, белизну и способность к горячей ковке; примесь никеля наоборот ухудшает качества К. как поделочного материала.

Лит.: «И годовой обзор минеральных ресурсов СССР» за 1926/27, стр. 496, Л., 1928; SchnabelC., Handbuch der Metallhuttenkunde, В. 2, Berlin, 1896; Prost E., Cours de mgtallurgie des mdtaux autres pue le fer, P., 1912; Ullm. Enz., B. 7. 1919; L i d d e 1 D. Handbook of Non-ferrous Metallurgy, v. 2, N. Y., 1926; Drury C. W., Mineral Industry during 1926, p. 150, N. Y., 1927; The Cobalt Industry, «Min. Journ.», London, 1927, 156. p. 200; В a t e m a n G. C., «Engin. and Min. Journ.», N. Y., 1928, 125, p. 98; Wei s s e n-born A., «Metallborse», В— L., 1927, 62, p. 1716 (мокрая переработка К. руд); ibid., 1928, 16, р. 431 (применение К. в магнит, стали); Г. П. 58417 и 66265, 222141,285781. В. Янковский.