Кобальт

Фокус Парацельса. – Голубой фарфор. — Тайны острова Мурано. — Странные руды Саксонских гор. — Брандт защищает диссертацию. — Хобби ветеринарного врача. — Нет худа без добра. — Подобные звездам. — Японская сталь. — Коварные "игрушки". — Урон английскому флоту. – Сюрприз старых отвалов. — В звездные дали. — В союзе с платиной. — Как извлечь гвоздь? — Прочнее и дешевле. — В борьбе с малокровием. — По старой памяти. — Открытие великих супругов. — Подобно сказочному джинну. — "Бидоны" проходят испытания. — Есть ли трещины? — Маска Тутанхамона. — Голубые алмазы. — Как поймать молнию? — Помощник врачей.

Известный врач и естествоиспытатель эпохи Возрождения Парацельс любил показывать фокус, который неизменно пользовался успехом у аудитории. Ученый демонстрировал картину, где был изображен зимний пейзаж - деревья и пригорки, покрытые снегом. Дав зрителям вдоволь налюбоваться полотном, Парацельс на глазах у публики превращал зиму в лето: деревья одевались листвой, а на пригорках появлялась нежно-зеленая трава.

Чудо? Но ведь чудес на свете не бывает. Действительно, в роли волшебника в этом опыте выступала химия. При обычной температуре раствор хлорида кобальта, к которому примешано некоторое количество хлорида никеля или железа, бесцветен, но если им что-либо написать, дать просохнуть, а затем хотя бы слабо подогреть, то он приобретает красивую зеленую окраску. Такими растворами и пользовался Парацельс, создавая свой чудо-пейзаж. В нужный момент ученый незаметно для присутствующих зажигал находившуюся за картиной свечу и на полотне, точно в сказке, происходила изумлявшая публику смена времен года.

Правда, сам Парацельс еще не мог в то время знать точный химический состав своих красок: ведь тогда ни кобальт, ни никель еще не были известны науке. Но использование соединений кобальта в качестве красителей насчитывало к этому моменту уже не одно столетие. Еще пять тысяч лет назад синюю кобальтовую краску применяли в керамическом и стекольном производстве. В Китае, например, в те далекие времена кобальт использовали в производстве всемирно известного голубого фарфора. Древние египтяне синей глазурью, содержащей кобальт, покрывали глиняные горшки. В гробнице фараона Тутанхамона археологи нашли стекла, окрашенные в синий цвет солями этого элемента. Такие же стекла удалось обнаружить и при раскопках на месте древней Ассирии и Вавилона.

Однако в начале нашей эры секрет кобальтовых красок, видимо, был утерян, так как в синих стеклах, изготовленных в этот период александрийскими, византийскими, римскими и другими мастерами, кобальт уже не содержался, а синяя окраска, которая достигалась введением меди, явно уступала прежней.

Разлука стекла с кобальтом затянулась: лишь в средние века венецианские мастера стекольных дел начали выпускать чудесные синие стекла, которые быстро завоевали популярность во многих странах. Своим успехом стекла были обязаны все тому же кобальту.

Рецепт изготовления неповторимой по красоте продукции венецианцы держали в строжайшем секрете. Чтобы свести к минимуму возможность утечки информации, правительство Венеции перевело в XIII веке все стекольные фабрики на небольшой остров Мурано, куда посторонним "вход" был воспрещен строго-настрого. Да и покинуть остров без разрешения властей не дозволялось ни одному из специалистов по варке цветного стекла. И все же подмастерье Джиорджио Белерино сумел каким-то путем сбежать оттуда. Он добрался до Германии и открыл в одном из городов свою стекольную мастерскую. Но просуществовала она недолго: однажды в ней "возник" пожар и она сгорела дотла, а беглеца-владельца нашли заколотым кинжалом.

Сохранившиеся документы XVII века свидетельствуют, что на Руси большим спросом пользовалась дорогая, но очень стойкая и сочная кобальтовая краска "голубец". Ею были расписаны стены Грановитой и Оружейной палат. Архангельского и Успенского соборов и других замечательных сооружений Московского Кремля.

Дороговизна кобальтовых красок объяснялась очень малой добычей руд этого элемента. Точнее, кобальтовых руд промышленность попросту не знала, так как крупных скоплений этого металла в природе не существует, а он лишь сопутствует в сравнительно небольших концентрациях никелю, мышьяку, меди, висмуту и некоторым другим элементам. Именно поэтому горняки средневековой Саксонии долго и не подозревали о том, что недра их гор содержат никому не ведомый тогда еще металл.

Но время от времени им попадалась довольно странная руда, которая по внешним признакам была серебряной, однако все попытки получить из нее серебро оказались неудачными. К тому же в процессе обжига из руды выделялись ядовитые газы, доставлявшие горнякам немало неприятностей. В конце концов саксонцы научились отличать настоящую серебряную руду от ее коварной копии, которую решено было назвать "кобольдом" по имени поселившегося в ней горного духа.

Поближе познакомиться с этим подземным недругом металлургов решил шведский химик Георг Брандт. Несколько лет он изучал саксонские руды, в том числе и печально известный "кобольд". Плодом его работ стала диссертация "О полуметаллах" (В очерке "Вечный спутник железа" читатели уже встречались с термином "полуметалл", который впоследствии утратил смысл, а бывшие полуметаллы обрели статус металлов), опубликованная в 1735 году. Брандт писал: "Я имел счастье быть первооткрывателем нового полуметалла,... который ранее путали с висмутом". Этим "полуметаллом" был металл, получивший название "кобальт". Если бы столь важное открытие совершилось в наши дни, телетайпы тотчас же разнесли весть о нем по свету, но XVIII век не располагал такими могучими и оперативными средствами информации. Поэтому долгие годы о диссертации шведского химика знали лишь немногие. Мало кто признавал за кобальтом права гражданства: считалось, что он представляет собой смесь разных элементов с некоей "особой землей". Только в 1781 году французский химик Пьер Жозеф Макер окончательно убедил научный мир в том, что кобальт - это кобальт и ничего более.

К этому времени уже был открыт и ближайший химический родственник кобальта - никель. Эти металлы и в природе частенько оказывались рядом, и не случайно перед учеными встал вопрос: как разделять их, чтобы получать и тот, и другой в чистом виде?

Ответ на этот вопрос был найден довольно неожиданно. Сложнейшую химическую задачу удалось разрешить... ветеринарному врачу Шарлю Аскину. Дело обстояло так. Все свободное время ветеринар посвящал своему хобби - металлургии. В 1834 году он заинтересовался никелем и его сплавами. Аскин предпринял попытку извлечь никель из руды. Но к несчастью (впрочем, справедливее сказать, к счастью), эта руда содержала к тому же и кобальт. Что же предпринять? Аскин обратился за помощью к владельцу местного химического завода Бенсону. Как выяснилось, тот как раз нуждался в кобальте, который он применял в производстве керамики. Однако и Бенсону не были известны способы разделения этих металлов. После некоторых раздумий они решили воспользоваться для достижения своей цели хлорной известью, точно рассчитали, сколько . потребуется: для работы, и каждый из них приступил к делу.

Бенсон, у которого было достаточно хлорной извести, отмерил нужное ее количество и попытался обработать ею руду, но ничего не добился: из раствора в осадок выпали оксиды и никеля, и кобальта.

Аскин же, готовясь начать опыты, обнаружил, что располагает лишь половиной расчетного количества хлорной извести. "Вот уже не везет, так не везет", - должно быть подумал он, однако все же не стал откладывать эксперимент. Но недаром говорится, что нет худа без добра. К удивлению и радости Аскина, опыт, не суливший ему, казалось бы, никаких успехов, дал желанный результат: кобальт в виде оксида выпал в осадок, а никель, которому не хватило хлорной извести, почти весь остался в растворе. Позднее этот способ был несколько усовершенствован и по сей день широко используется в промышленности для разделения родственных металлов.

До начала XX века сфера деятельности кобальта была весьма ограничена. Металлурги, например, которые сегодня с почтением относятся к кобальту, тогда имели смутное представление о его свойствах. В книге "Металлургия цветных металлов", вышедшей в 1912 году, ее автор утверждал: "...до настоящего времени металлический кобальт с точки зрения потребления не представляет интереса... Были попытки ввести кобальт в железо и приготовить специальные стали, но последние не нашли еще никакого применения".

Однако еще за пять лет до появления этой книги американский металлург Хейнс создал группу замечательных сплавов кобальта (до 50%) с хромом и вольфрамом, обладавших колоссальной твердостью, стойкостью против коррозии и истирания. За яркий блеск полированной поверхности сплавы были названы стеллитами (от латинского слова "стелла" - звезда). Наплавленный на кромку режущего инструмента или на рабочую поверхность детали слой стеллита в несколько раз увеличивает срок их службы.

Производство твердых сплавов в дальнейшем неуклонно росло, и кобальт играл в них далеко не последнюю роль. Так, еще более чем полвека назад советские ученые и инженеры разработали твердый сплав "победит", в состав которого, наряду с карбидом вольфрама, входит кобальт.

В 1917 году японские ученые Хонда и Такаги получили патент на созданную ими сталь, содержавшую от 20 до 60% кобальта и характеризовавшуюся высокими магнитными свойствами. Нужда в такой стали, за которой закрепилось название японской, была огромная: конец XIX и начало XX веков ознаменовались буквально вторжением магнитов в промышленность, чем и был обусловлен голод на магнитные материалы.

Из трех основных ферромагнитных металлов - железа, никеля и кобальта - последний обладает наиболее высокой точкой Кюри, т.е. той температурой, при которой металл утрачивает свойство быть магнитом. Если для никеля точка Кюри составляет всего 358°С, для железа 769°С, то для кобальта она достигает 1121°С. И так как магнитам приходится трудиться в самых разнообразных условиях, в том числе и при весьма высоких температурах, кобальту суждено было стать важнейшим компонентом магнитных сталей.

Кобальтовая сталь сразу же привлекла к себе внимание военных чинов и промышленников, смекнувших, что ее особые свойства можно с успехом использовать в целях, отнюдь не безобидных. Уже в годы гражданской войны нашим морякам и красноармейцам, сражавшимся на Севере с интервентами, довелось познакомиться с необычными минами, на которых, даже не прикоснувшись к ним, подрывались тральщики Северодвинской флотилии. Когда водолазы выудили и обезвредили одну из таких коварных "игрушек", оказалось, что она магнитная, а принцип ее действия заключался в следующем: как только стальной корпус приближавшегося к мине корабля оказывался в зоне силовых линий ее магнитного поля, срабатывал механизм взрывателя и корабль шел ко дну.

Накануне второй мировой войны в фашистской Германии производство кобальтовых сталей, служивших материалом для изготовления магнитных мин, заметно возросло. Как утверждала геббельсовская пропаганда, немецкие мины по точности, чувствительности и быстроте реакции "превосходят нервную систему многих высших существ, созданных творцом". И действительно, когда немцам удалось заминировать с воздуха побережье Англии, устья Темзы и других важнейших рек, магнитные мины нанесли большой урон английскому флоту. Но на всякий яд находится противоядие: уже примерно через две недели после вероломного нападения гитлеровской Германии на Советский Союз наши военные специалисты разминировали в районе Очакова первую немецкую магнитную мину.

К периоду войны относится и случай, который произошел на одном из уральских рудников. В старых отвалах обогатительной фабрики, перерабатывающей в течение многих лет медную руду, был обнаружен кобальт, о чем до этого никто и не подозревал. В короткий срок была разработана технология извлечения кобальта, и вскоре военная промышленность уже получила ценнейший металл, добытый из "пустой" породы.

В годы войны кобальт начали применять для создания жаропрочных сталей и сплавов, которые идут на изготовление деталей авиационных двигателей, ракет, паровых котлов высокого давления, лопаток турбокомпрессоров и газовых турбин. К таким сплавам относится, например, виталлиум, содержащий до 65% кобальта. Обратили внимание на этот металл и специалисты по космической технике, которые не без основания считают, что здесь он придется ко двору: ведь кобальтовые сплавы увереннее сопротивляются ударным нагрузкам, чем широко используемые в ракетостроении никелевые сплавы.

Хоть кобальт и дорог, но есть такие сферы, где он с успехом заменяет еще более дорогой металл - платину, годовая добыча которой легко поместится в кузове грузовика. В гальванотехнике распространены нерастворимые аноды, которые не должны реагировать с содержимым гальванической ванны. Очень подходящий для этих целей материал - платина, но платиновые аноды обходятся в копеечку. Замена платины более дешевыми металлами давно волновала умы ученых. В результате кропотливых поисков удалось разработать композицию сплава, не только не уступающего платине, но и превосходящего ее по способности противостоять крепким кислотам. В состав такого сплава входит до 75% кобальта.

В ряде случаев кобальт выступает в союзе с платиной. Так, одна из английских фирм создала магнитный сплав этих металлов платинакс, который к тому же обладает высокими антикоррозионными свойствами, легко поддается механической обработке. Из него изготовляют миниатюрные магнитные детали для электрических часов, слуховых аппаратов, датчиков различного назначения.

Известны и другие магнитные сплавы кобальта - комол и викаллой, алнико и магнико, пермендюр и перминвар. О магнитных способностях сплава алнико можно судить по такому факту, описанному в литературе: в 50-х годах при помощи постоянного магнита в виде прутка, материалом для которого послужил этот сплав, был извлечен гвоздь из бронхов ребенка и тем самым спасена его жизнь. Но, пожалуй, самые сильные постоянные магниты удается изготовить из соединений кобальта с некоторыми редкоземельными элементами, например самарием. Разделить эти небольшие, размером меньше спичечной коробки, пластинки из такого материала, под силу разве что хорошо тренированному штангисту.

Прекрасным материалом для каркасов зубных протезов оказался кобальтохромовый сплав, который намного прочнее золота (обычно используемого для этой цели) и, как легко догадаться, значительно дешевле.

В медицине кобальт выступает и в другом амплуа: он является важным компонентом витамина В12, способствующего образованию в организме человека красных кровяных шариков. За создание этого эффективного средства в борьбе с малокровием английский химик и биохимик Дороти Кроуфут-Ходжкин в 1964 году удостоена Нобелевской премии.

Еще в древности славились на весь мир великолепные фарфоровые изделия различной окраски, изготовлявшиеся в Китае. Голубой цвет им придавали соединения кобальта. Этот элемент и в наши дни не расстается с фарфором - он входит в состав синих красителей. А грузинские специалисты по керамике сумели получить красивый черный фарфор, который обязан своим цветом вулканическому камню андезиту, взаимодействующему в процессе обжига с оксидом кобальта.

До сих пор мы рассказывали об обычном кобальте, но с тех пор, как в 1934 году известные французские ученые Фредерик и Ирен Жолио-Кюри открыли явление искусственной радиоактивности, наука и техника стали проявлять большой интерес к радиоактивным изотопам различных элементов, в том числе и кобальта. Из двенадцати радиоактивных изотопов этого металла наиболее широкое практическое применение получил кобальт-60.

Его лучи обладают высокой проникающей способностью. По мощности излучения 17 граммов радиоактивного кобальта эквивалентны 1 килограмму радия - самого мощного природного источника радиации. Вот почему при получении, хранении и транспортировке этого изотопа, как, впрочем, и других, тщательно соблюдают строжайшие правила техники безопасности, принимают все необходимые меры, чтобы надежно оградить людей от смертоносных лучей.

После того как в ядерном реакторе обычный металлический кобальт превращается в радиоактивный, его, подобно сказочному джинну, заточают в специальные массивные контейнеры, по виду напоминающие молочные бидоны. В этих контейнерах окруженный слоем свинца кобальт-60 переезжает на специальных машинах к месту будущей работы. Ну, а вдруг автомобиль попадет в аварию - контейнер-"бидон" может разбиться, и тогда упрятанная в нем ампула с кобальтом будет угрожать жизни людей? Нет, этого не произойдет. Разумеется, от дорожной аварии не застрахован ни один автомобиль, но даже, если она случится, "бидон" останется целым и невредимым. Ведь прежде, чем стать хранилищем для радиоактивного изотопа, контейнеры проходят серьезные испытания. Их бросают с пятиметровой высоты на бетонные плиты, помещают в термокамеры, подвергают различным испытаниям, и лишь после этого они обретают право принять в свое чрево маленькую ампулу с радиоактивным веществом. Все эти меры предосторожности делают работу людей, связанных с источниками ядерного излучения, практически безопасной.

У радиоактивного кобальта много профессий. Все более широкое применение в промышленности находит, например, гамма-дефектоскопия, т.е. контроль качества продукции путем просвечивания ее гамма-лучами, источником которых служит изотоп кобальт-60. Такой метод контроля позволяет с помощью сравнительно недорогой и компактной аппаратуры легко выявлять трещины, поры, свищи и другие внутренние дефекты массивных отливок, сварных швов, узлов и деталей, находящихся в труднодоступных местах. В связи с тем, что гамма-лучи распространяются источником равномерно во все стороны, метод дает возможность контролировать одновременно большое число объектов, а цилиндрические изделия проверять сразу по всему периметру.

С помощью гамма-лучей удалось разрешить давно интересовавший ученых-египтологов вопрос о маске фараона Тутанхамона. Одни утверждали, что она сделана из целого куска золота, другие считали, что ее собрали из отдельных частей. Решено было прибегнуть к помощи кобальтовой пушки - специального устройства, "заряженного" изотопом кобальта. Оказалось, маска действительно состоит из нескольких деталей, но настолько тщательно подогнанных одна к другой, что заметить линии стыка было совершенно невозможно.

Радиоактивный кобальт используют для контроля и регулирования уровня расплавленного металла в плавильных печах, уровня шихтовых материалов в домнах и бункерах, для поддержания уровня жидкой стали в кристаллизаторе установок непрерывной разливки.

Прибор, называемый гамма-толщиномером, быстро и с большой точностью определяет толщину обшивки судовых корпусов, стенок труб, паровых котлов и других изделий, когда к их внутренней поверхности невозможно подобраться и поэтому обычные приборы оказываются бессильны.

Для изучения технологических процессов и исследования условий службы различного оборудования широкое применение находят так называемые "меченые атомы", т.е. радиоактивные изотопы ряда элементов, в том числе и кобальта.

В Советском Союзе впервые в мировой практике создан промышленный радиационно-химический реактор, в котором источником гамма-лучей служит все тот же изотоп кобальта.

Наряду с другими современными методами воздействия на различные вещества - такими, как сверхвысокие давления и ультразвук, лазерное излучение и плазменная обработка, - радиационное облучение широко внедряется в промышленность, позволяя значительно улучшить свойства многих материалов. Так, автомобильные покрышки, подвергнутые радиационной вулканизации, служат на 10-15% дольше обычных, а ткань для школьных костюмов, к нитям которой с помощью радиации "привили" молекулы полистирола, оказывается вдвое прочнее. Даже драгоценные камни после радиационных "процедур" становятся еще красивее: алмаз, например, под действием быстрых нейтронов обретает голубую окраску, медленные нейтроны делают его зеленым, а лучи кобальта-60 придают ему нежный голубовато-зеленый цвет.

Радиоактивный кобальт трудится и на сельскохозяйственной ниве, где его применяют для изучения влажности почв, определения запасов воды в снежном покрове, предпосевного облучения семян и других целей.

Интересное открытие сделали французские ученые. Они установили, что радиоактивный кобальт может с успехом служить... приманкой для молний. При небольшой добавке изотопа в стержень громоотвода воздух вокруг него в результате гамма-излучения ионизируется в значительных объемах. Грозовые разряды, возникающие в атмосфере, притягиваются, словно магнитом, к радиоактивному громоотводу. Эта новинка помогает "собирать" молнии в радиусе нескольких сот метров.

В заключение скажем еще об одной, пожалуй, самой важной профессии радиоактивного кобальта. Он оказался надежным союзником врачей в их борьбе за жизнь людей. Крупицы изотопа кобальт-60, помещенные в медицинские пушки, не причиняя вреда организму человека, бомбардируют гамма-лучами внутренние злокачественные опухоли, губительно влияя на быстро размножающиеся больные клетки, приостанавливая их деятельность и тем самым ликвидируя очаги страшной болезни.

В подземных хранилищах Всесоюзного объединения "Изотоп" находятся десятки контейнеров - больших и маленьких. В них - радиоактивный кобальт, стронций, цезий и другие источники ядерных излучений. Приходит время, и они отправляются в больницы и клиники, на предприятия и в научно-исследовательские институты - гуда, где нужен сегодня мирный атом.