Кобальт — химический элемент ; он имеет символ Co и атомный номер 27. Как и никель , кобальт встречается в земной коре только в химически связанной форме, за исключением небольших месторождений, обнаруженных в сплавах природного метеоритного железа . Свободный элемент , получаемый путем восстановительной плавки , представляет собой твёрдый, блестящий, несколько хрупкий, серый металл .
Синие пигменты на основе кобальта ( кобальтовый синий ) использовались с древних времен для ювелирных изделий и красок, а также для придания отличительного синего оттенка стеклу. Долгое время считалось, что этот цвет обусловлен металлом висмутом . Шахтеры долгое время использовали название «руда кобольда» ( нем. « руда гоблинов ») для некоторых минералов, производящих синий пигмент . Они были так названы, потому что были бедны известными металлами и выделяли ядовитые пары, содержащие мышьяк, при плавке. [8] В 1735 году было обнаружено, что такие руды можно восстановить до нового металла (первого открытого с древних времен), который в конечном итоге был назван в честь кобольда .
Сегодня часть кобальта добывается специально из одной из ряда руд с металлическим блеском, таких как кобальтит (CoAsS). Этот элемент чаще всего добывается как побочный продукт при добыче меди и никеля. Медный пояс в Демократической Республике Конго (ДРК) и Замбии обеспечивает большую часть мирового производства кобальта. Мировое производство в 2016 году составило 116 000 тонн (114 000 длинных тонн; 128 000 коротких тонн) (по данным Natural Resources Canada ), и на долю ДРК приходилось более 50%. [9]
Кобальт в основном используется в литий-ионных аккумуляторах , а также в производстве магнитных , износостойких и высокопрочных сплавов . Соединения силиката кобальта и алюмината кобальта(II) ( CoAl2O4 , кобальтовый синий) придают характерный глубокий синий цвет стеклу , керамике , чернилам , краскам и лакам . Кобальт встречается в природе только в виде одного стабильного изотопа , кобальта-59. Кобальт-60 является коммерчески важным радиоизотопом, используемым в качестве радиоактивного индикатора и для производства гамма-лучей высокой энергии . Кобальт также используется в нефтяной промышленности в качестве катализатора при очистке сырой нефти. Это делается для очистки ее от серы, которая сильно загрязняет при сжигании и вызывает кислотные дожди. [10]
Кобальт является активным центром группы коферментов , называемых кобаламинами . Витамин B 12 , наиболее известный пример этого типа, является необходимым витамином для всех животных. Кобальт в неорганической форме также является микроэлементом для бактерий , водорослей и грибов .
Название «кобальт» происходит от типа руды, которую немецкие серебряные рудокопы XVI века считали неприятностью, а сама руда, в свою очередь, могла быть названа в честь духа или гоблина, суеверно считавшегося ответственным за нее; некоторые считают этого духа равным кобольду ( домашнему духу ), а другие относят его к категории гномов (духов шахт).
Кобальт — ферромагнитный металл с удельным весом 8,9. Температура Кюри составляет 1115 °C (2039 °F) [11] , а магнитный момент составляет 1,6–1,7 магнетона Бора на атом . [12] Кобальт имеет относительную проницаемость, составляющую две трети от проницаемости железа . [13] Металлический кобальт встречается в двух кристаллографических структурах : hcp и fcc . Идеальная температура перехода между структурами hcp и fcc составляет 450 °C (842 °F), но на практике разница энергий между ними настолько мала, что случайное срастание двух структур является обычным явлением. [14] [15] [16]
Кобальт — слабовосстанавливающийся металл, защищенный от окисления пассивирующей оксидной пленкой. Он подвергается воздействию галогенов и серы . Нагревание в кислороде дает Co3O4 , который теряет кислород при 900 °C (1650 °F) , давая монооксид CoO. [17] Металл реагирует с фтором ( F2 ) при 520 K, давая CoF3 ; с хлором (Cl2 ) , бромом ( Br2 ) и йодом (I2 ) , давая эквивалентные бинарные галогениды . Он не реагирует с водородом ( H2 ) или азотом ( N2 ) даже при нагревании, но реагирует с бором , углеродом , фосфором , мышьяком и серой. [18] При обычных температурах он медленно реагирует с минеральными кислотами и очень медленно с влажным, но не сухим воздухом. [ требуется цитата ]
Обычные степени окисления кобальта включают +2 и +3, хотя соединения со степенями окисления в диапазоне от −3 до +5 также известны. Обычная степень окисления для простых соединений - +2 (кобальт(II)). Эти соли образуют розовый металлический аквокомплекс [Co(H
2О)
6]2+
в воде. Добавление хлорида дает интенсивно-синий [CoCl
4]2−
[6] В испытании на пламя с бурой кобальт показывает темно-синий цвет как в окислительном , так и в восстановительном пламени. [19]
Известно несколько оксидов кобальта. Зеленый оксид кобальта(II) (CoO) имеет структуру каменной соли . Он легко окисляется водой и кислородом до коричневого гидроксида кобальта(III) (Co(OH) 3 ). При температурах 600–700 °C CoO окисляется до синего оксида кобальта(II,III) ( Co3O4 ) , который имеет структуру шпинели . [6] Также известен черный оксид кобальта(III) ( Co2O3 ) . [20] Оксиды кобальта являются антиферромагнитными при низкой температуре : CoO ( температура Нееля 291 К) и Co3O4 ( температура Нееля: 40 К ), который аналогичен магнетиту ( Fe3O4 ) , со смесью степеней окисления +2 и +3. [ 21 ]
Основными халькогенидами кобальта являются черные сульфиды кобальта(II), CoS2 (структура пирита), Co2S3 ( структура шпинели ) и CoS ( структура арсенида никеля ) . [ 6 ] : 1118
Известны четыре дигалогенида кобальта(II): фторид кобальта(II) (CoF 2 , розовый), хлорид кобальта(II) (CoCl 2 , синий), бромид кобальта(II) (CoBr 2 , зеленый), иодид кобальта(II) (CoI 2 , сине-черный). Эти галогениды существуют в безводной и гидратированной формах. В то время как безводный дихлорид имеет синий цвет, гидрат имеет красный цвет. [22]
Восстановительный потенциал реакции Co3+
+ е − → Со2+
составляет +1,92 В, что больше, чем для хлора в хлорид, +1,36 В. Следовательно, хлорид кобальта(III) спонтанно восстановится до хлорида кобальта(II) и хлора. Поскольку восстановительный потенциал для фтора во фторид настолько высок, +2,87 В, фторид кобальта(III) является одним из немногих простых стабильных соединений кобальта(III). Фторид кобальта(III), который используется в некоторых реакциях фторирования, бурно реагирует с водой. [17]
Инвентарь комплексов очень большой. Начиная с более высоких степеней окисления, комплексы Co(IV) и Co(V) редки. Примеры найдены в гексафторокобальтате(IV) цезия (Cs 2 CoF 6 ) и перкобальтате калия (K 3 CoO 4 ). [17]
Кобальт(III) образует широкий спектр координационных комплексов с аммиаком и аминами, которые называются аммиачными комплексами . Примерами являются [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ , [Co(NH 3 ) 5 Cl] 2+ ( хлоропентамминкобальт(III) ), а также цис- и транс- [ Co(NH 3 ) 4 Cl 2 ] + . Соответствующие этилендиаминовые комплексы также хорошо известны. Известны аналоги, в которых галогениды заменены нитритом , гидроксидом , карбонатом и т. д. Альфред Вернер много работал над этими комплексами в своей работе, удостоенной Нобелевской премии. [23] Надежность этих комплексов демонстрируется оптическим разрешением трис (этилендиамин)кобальта(III) ( [Co(en)
3]3+
). [24]
Кобальт(II) образует широкий спектр комплексов, но в основном со слабоосновными лигандами. Розовый катион гексааквокобальт(II) [Co(H 2 O) 6 ] 2+ содержится в нескольких обычных солях кобальта, таких как нитрат и сульфат. При добавлении избытка хлорида растворы комплекса гексааквок преобразуются в темно-синий CoCl2−4, который является тетраэдрическим.
Более мягкие лиганды, такие как трифенилфосфин, образуют комплексы с Co(II) и Co(I), примерами которых являются хлориды бис- и трис(трифенилфосфин)кобальта(I), CoCl2 (PPh3 ) 2 и CoCl (PPh3 ) 3 . Эти комплексы Co(I) и Co(II) представляют собой связь с металлоорганическими комплексами, описанными ниже .
Кобальтоцен является структурным аналогом ферроцена , с кобальтом вместо железа. Кобальтоцен гораздо более чувствителен к окислению, чем ферроцен. [25] Карбонил кобальта ( Co 2 (CO) 8 ) является катализатором в реакциях карбонилирования и гидросилилирования . [26] Витамин B 12 ( см. ниже ) является металлоорганическим соединением, встречающимся в природе, и является единственным витамином , содержащим атом металла. [27] Примером алкилкобальтового комплекса в необычной степени окисления +4 кобальта является гомолептический комплекс тетракис(1-норборнил)кобальт(IV) (Co(1-норб) 4 ), комплекс переходного металла с алкилом, который отличается своей устойчивостью к элиминированию β-водорода , [28] в соответствии с правилом Бредта . Комплексы кобальта(III) и кобальта(V) [Li(THF)
4]+
[Co(1-норб)
4]−
и [Co(1-норб)
4]+
[БФ
4]−
также известны. [29]
59 Co — единственный стабильный изотоп кобальта и единственный изотоп , который существует в природе на Земле. Было охарактеризовано двадцать два радиоизотопа : самый стабильный, 60 Co , имеет период полураспада 5,2714 лет; 57 Co имеет период полураспада 271,8 дня; 56 Co имеет период полураспада 77,27 дня; и 58 Co имеет период полураспада 70,86 дня. Все остальные радиоактивные изотопы кобальта имеют период полураспада менее 18 часов и в большинстве случаев менее 1 секунды. Этот элемент также имеет 4 метасостояния , все из которых имеют период полураспада менее 15 минут. [30]
Изотопы кобальта имеют атомный вес от 50 u ( 50 Co) до 73 u ( 73 Co). Основной режим распада для изотопов со значениями атомной единицы массы меньше, чем у единственного стабильного изотопа 59 Co, — это захват электронов , а основной режим распада для изотопов с атомной массой больше 59 атомных единиц массы — бета-распад . Первичными продуктами распада ниже 59 Co являются изотопы элемента 26 ( железо ); выше этого уровня продуктами распада являются изотопы элемента 28 (никель). [30]
Было предложено много разных историй о происхождении слова «кобальт». По одной из версий, элемент кобальт был назван в честь « kobelt », названия, которое немецкие серебряные рудокопы 16 века дали неприятному типу руды, которая была едкой и выделяла ядовитый газ. [31] [32] Хотя такие руды использовались для синей пигментации с древних времен, у немцев в то время не было технологии, чтобы выплавить руду в металл (см. § История ниже). [33]
В то время авторитетом в области руды кобельта (латинизированной как кобальт или кадмий [34] [35] ) был Георгий Агрикола . [31] [33] Он также был часто цитируемым авторитетом в области рудничных духов, называемых « кобель » (латинизированной как кобалус или мн. ч. cobali ) в отдельной работе. [36] [37] [38]
Агрикола не связывал руду с похожим названием и дух. Однако современник установил причинно-следственную связь (руда была списана на «kobel»), [40] а писатель конца XVIII века установил связь с происхождением слова (слово «образовано» от cobalus ). [41] Позднее в словаре Гриммса (1868) отмечалось, что руда кобальта/кобельта была списана на духа гор ( Bergmännchen [b] ), который также считался ответственным за «кражу серебра и выброс руды, что привело к плохой атмосфере в шахте ( Wetter [42] ) и другим опасностям для здоровья». [32]
Словарные статьи Гриммса приравнивали слово «kobel» к «kobold» и указывали его как просто уменьшительный вариант , [44] но последний определяется в словаре как домашний дух . [43] В то время как некоторые из более поздних комментаторов предпочитают характеризовать тезку оре кобельт (recté kobel ) как гнома . [45] [48]
Оксфордский словарь английского языка начала XX века (1-е издание, 1908 г.) поддержал этимологию Гримма. [c] [49] Однако примерно в то же время в Германии была предложена альтернативная этимология, не одобренная Гриммом ( kob/kof «дом, комната» + walt «власть, правитель»), как более убедительная. [50] [51]
Несколько позже Пауль Кречмер (1928) объяснил, что, хотя эта этимология «управителя дома» была правильной, которая поддерживала первоначальное значение слова кобольд как домашнего духа, позже произошло искажение, в результате которого к нему была добавлена идея «демона шахты». [52] В настоящем издании Etymologisches Wörterbuch (25-е изд., 2012) в разделе «кобольд» указана последняя, а не этимология Гримма, но по-прежнему сохраняется в статье для «кобальт», что, хотя кобальтовая руда, возможно, получила свое название от «типа духа шахты/демона» ( daemon metallicus ), при этом утверждается, что это «очевидно» кобольд. [53]
Джозеф Уильям Меллор (1935) также утверждал, что кобальт может происходить от кобалоса ( κόβαλος ), хотя были предложены и другие теории. [54]
Было предложено несколько альтернативных этимологий, которые могут вообще не включать духа (kobel или kobold). Карл Мюллер-Фрауройт предположил, что kobelt произошло от Kübel , ковша, используемого в горнодобывающей промышленности, часто упоминаемого Агриколой [50] , а именно kobel/köbel (латинизированного как modulus ). [55]
Другая теория, предложенная Etymologisches Wörterbuch, выводит термин от kōbathium [53] или, скорее, cobathia ( κωβάθια , «сульфид мышьяка» [56] ), который встречается в виде ядовитых паров. [33]
Этимологию от славянского kowalti предложил Эмануэль Мерк (1902). [57] [54]
В. В. Скит и Дж. Берендес истолковывали κόβαλος как «паразит», т. е. как руду, паразитирующую на никеле , [54] но это объяснение считается анахронизмом, поскольку никель был открыт только в 1751 году. [58] [59]
Соединения кобальта использовались на протяжении столетий для придания насыщенного синего цвета стеклу , глазури и керамике . Кобальт был обнаружен в египетской скульптуре, персидских ювелирных изделиях третьего тысячелетия до нашей эры, в руинах Помпеи , разрушенных в 79 году нашей эры, и в Китае, датируемых династией Тан (618–907 гг. н. э.) и династией Мин (1368–1644 гг. н. э.). [60]
Кобальт использовался для окрашивания стекла со времен бронзового века . При раскопках затонувшего корабля Улубурун был найден слиток синего стекла, отлитый в 14 веке до нашей эры. [61] [62] Синее стекло из Египта окрашивалось медью, железом или кобальтом. Самое старое стекло кобальтового цвета относится к восемнадцатой династии Египта (1550–1292 до нашей эры). Источник кобальта, который использовали египтяне, неизвестен. [63]
Слово кобальт происходит от немецкого слова XVI века « kobelt », типа руды, как уже упоминалось. Первые попытки выплавить эти руды для получения меди или серебра потерпели неудачу, вместо этого получив просто порошок (оксид кобальта (II)). Поскольку первичные руды кобальта всегда содержат мышьяк, плавка руды окисляла мышьяк в высокотоксичный и летучий оксид мышьяка , что добавляло руде дурной славы. [64] Парацельс , Георгий Агрикола и Василий Валентин называли такие силикаты «кобальтом». [65]
Шведскому химику Георгу Брандту (1694–1768) приписывают открытие кобальта около 1735 года , показав, что это ранее неизвестный элемент, отличный от висмута и других традиционных металлов. Брандт назвал его новым «полуметаллом», [66] [67] назвав его в честь минерала, из которого он его извлек. [68] : 153 Он показал, что соединения металлического кобальта были источником синего цвета в стекле, который ранее приписывался висмуту, обнаруженному вместе с кобальтом. Кобальт стал первым металлом, который был открыт с доисторического периода. Все ранее известные металлы (железо, медь, серебро, золото, цинк, ртуть, олово, свинец и висмут) не имели зарегистрированных первооткрывателей. [69]
В 19 веке значительная часть мирового производства кобальтовой синевы (пигмент, изготовленный из соединений кобальта и глинозема) и смальты ( порошкообразное кобальтовое стекло для использования в качестве пигмента в керамике и живописи) производилась на норвежской руднике Blaafarveværket . [70] [71] Первые рудники для производства смальты в 16 веке были расположены в Норвегии, Швеции, Саксонии и Венгрии. С открытием кобальтовой руды в Новой Каледонии в 1864 году добыча кобальта в Европе пошла на спад. С открытием месторождений руды в Онтарио , Канада, в 1904 году и открытием еще более крупных месторождений в провинции Катанга в Конго в 1914 году горнодобывающие работы снова сместились. [64] Когда в 1978 году начался конфликт Шаба , медные рудники провинции Катанга почти остановили производство. [72] [73] Влияние этого конфликта на мировую экономику кобальта оказалось меньше, чем ожидалось: кобальт — редкий металл, пигмент очень токсичен, а промышленность уже разработала эффективные способы переработки кобальтовых материалов. В некоторых случаях промышленность смогла перейти на альтернативы без кобальта. [72] [73]
В 1938 году Джон Ливингуд и Гленн Т. Сиборг открыли радиоизотоп кобальт-60 . [74] Этот изотоп был широко использован в Колумбийском университете в 1950-х годах для установления нарушения четности в радиоактивном бета-распаде . [75] [76]
После Второй мировой войны США хотели гарантировать поставку кобальтовой руды для военных целей (как это делали немцы) и начали разведку кобальта на территории США. Кобальт высокой чистоты пользовался большим спросом для использования в реактивных двигателях и газовых турбинах. [77] Достаточный запас руды был найден в Айдахо около каньона Блэкберд . Компания Calera Mining начала добычу на этом месте. [78]
Спрос на кобальт еще больше возрос в 21 веке как на важный компонент материалов, используемых в перезаряжаемых батареях, суперсплавах и катализаторах. [77] Утверждалось, что кобальт станет одним из главных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии и зависящем от батарей, но эта точка зрения также подвергалась критике за недооценку силы экономических стимулов для расширенного производства. [79]
Стабильная форма кобальта образуется в сверхновых посредством r-процесса . [80] Он составляет 0,0029% земной коры . За исключением недавно доставленного в метеоритном железе, свободный кобальт ( самородный металл ) не встречается на поверхности Земли из-за его тенденции реагировать с кислородом в атмосфере. Небольшие количества соединений кобальта встречаются в большинстве горных пород, почв, растений и животных. [81] В океане кобальт обычно реагирует с хлором.
В природе кобальт часто ассоциируется с никелем . Оба являются характерными компонентами метеоритного железа , хотя кобальт гораздо менее распространен в железных метеоритах, чем никель. Как и в случае с никелем, кобальт в сплавах метеоритного железа мог быть достаточно хорошо защищен от кислорода и влаги, чтобы оставаться свободным (но легированным) металлом. [82]
Кобальт в виде соединения встречается в минералах меди и никеля. Это основной металлический компонент, который соединяется с серой и мышьяком в сульфидном кобальтите (CoAsS), саффлорите (CoAs 2 ), глаукодоте ( (Co,Fe)AsS ) и скуттерудите (CoAs 3 ) минералах. [17] Минерал каттьерит похож на пирит и встречается вместе с ваэситом в медных месторождениях провинции Катанга . [83] Когда он достигает атмосферы, происходит выветривание ; сульфидные минералы окисляются и образуют розовый эритрит («кобальтовый блеск»: Co 3 (AsO 4 ) 2 ·8H 2 O ) и сферокобальтит (CoCO 3 ). [84] [85]
Кобальт также является компонентом табачного дыма . [86] Табачное растение легко поглощает и накапливает тяжелые металлы , такие как кобальт, из окружающей почвы в своих листьях. Они впоследствии вдыхаются во время курения табака . [87]
Основными рудами кобальта являются кобальтит , эритрит , глаукодот и скуттерудит (см. выше), но большую часть кобальта получают путем восстановления побочных продуктов кобальта при добыче и выплавке никеля и меди . [89] [90]
Поскольку кобальт обычно производится как побочный продукт, предложение кобальта в значительной степени зависит от экономической целесообразности добычи меди и никеля на данном рынке. Прогнозировалось, что спрос на кобальт вырастет на 6% в 2017 году. [91]
Первичные месторождения кобальта редки, например, те, что встречаются в гидротермальных месторождениях , связанных с ультрамафическими породами , типичными для района Бу-Аззер в Марокко . В таких местах добываются исключительно кобальтовые руды, хотя и в более низкой концентрации, и поэтому для извлечения кобальта требуется более глубокая переработка. [92] [93]
Существует несколько методов отделения кобальта от меди и никеля, в зависимости от концентрации кобальта и точного состава используемой руды. Одним из методов является пенная флотация , при которой поверхностно-активные вещества связываются с компонентами руды, что приводит к обогащению кобальтовых руд. Последующий обжиг преобразует руду в сульфат кобальта , а медь и железо окисляются до оксида. Выщелачивание водой извлекает сульфат вместе с арсенатами . Остатки далее выщелачиваются серной кислотой , давая раствор сульфата меди. Кобальт также можно выщелачивать из шлака плавки меди. [94]
Продукты вышеупомянутых процессов преобразуются в оксид кобальта (Co 3 O 4 ). Этот оксид восстанавливается до металла алюминотермической реакцией или восстановлением углеродом в доменной печи . [17]
Геологическая служба США оценивает мировые запасы кобальта в 7 100 000 метрических тонн. [95] Демократическая Республика Конго (ДРК) в настоящее время производит 63% мирового кобальта. Эта доля рынка может достичь 73% к 2025 году, если запланированное расширение горнодобывающих производителей, таких как Glencore Plc, произойдет, как ожидается. Bloomberg New Energy Finance подсчитал, что к 2030 году мировой спрос на кобальт может быть в 47 раз больше, чем в 2017 году. [96]
Изменения, внесенные Конго в горнодобывающее законодательство в 2002 году, привлекли новые инвестиции в конголезские медные и кобальтовые проекты. Шахта Mutanda компании Glencore отгрузила 24 500 тонн кобальта в 2016 году, что составляет 40% от объема добычи в ДРК и почти четверть мирового производства. После переизбытка поставок Glencore закрыла Mutanda на два года в конце 2019 года. [97] [98] Проект Katanga Mining компании Glencore также возобновляется и должен произвести 300 000 тонн меди и 20 000 тонн кобальта к 2019 году, по данным Glencore. [91]
В 2005 году крупнейшим производителем кобальта были месторождения меди в провинции Катанга Демократической Республики Конго . Ранее провинция Шаба, эта область имела почти 40% мировых запасов, сообщила Британская геологическая служба в 2009 году. [99]
Кустарная добыча поставляла от 17% до 40% продукции ДРК. [100] Около 100 000 шахтеров кобальта в Конго, ДРК, используют ручные инструменты для выкапывания сотен футов, с небольшим планированием и меньшим количеством мер безопасности, говорят рабочие, представители правительства и НПО, а также наблюдения репортеров The Washington Post во время визитов на изолированные шахты. Отсутствие мер безопасности часто приводит к травмам или смерти. [101] Добыча загрязняет окрестности и подвергает местную дикую природу и коренные общины воздействию токсичных металлов, которые, как полагают, вызывают врожденные дефекты и затрудненное дыхание, по словам должностных лиц здравоохранения. [102]
Детский труд используется при добыче кобальта на кустарных рудниках в Африке . [100] [103] Активисты по правам человека подчеркнули это, а журналистские расследования подтвердили это. [104] [105] Это открытие побудило производителя мобильных телефонов Apple Inc. 3 марта 2017 года прекратить закупку руды у таких поставщиков, как Zhejiang Huayou Cobalt , которые добывают руду на кустарных рудниках в ДРК, и начать использовать только тех поставщиков, которые проверены на соответствие стандартам рабочих мест. [106] [107]
ЕС и основные автопроизводители (OEM) во всем мире стремятся к тому, чтобы глобальное производство кобальта закупалось и производилось устойчиво, ответственно и с прослеживаемостью цепочки поставок. Горнодобывающие компании принимают и практикуют инициативы ESG в соответствии с Руководством ОЭСР и внедряют доказательства деятельности с нулевым или низким углеродным следом в цепочке поставок производства литий-ионных аккумуляторов . Эти инициативы уже реализуются с крупными горнодобывающими компаниями, кустарными и мелкими горнодобывающими компаниями (ASM). Производители автомобилей и цепочки поставок производителей аккумуляторов: Tesla, VW, BMW, BASF и Glencore участвуют в нескольких инициативах, таких как Инициатива по ответственному кобальту и исследование «Кобальт для развития». В 2018 году BMW Group в партнерстве с BASF, Samsung SDI и Samsung Electronics запустили пилотный проект в ДРК на одной пилотной шахте, чтобы улучшить условия и решить проблемы для кустарных старателей и близлежащих сообществ.
Политическая и этническая динамика региона в прошлом вызывала вспышки насилия и годы вооруженных конфликтов и перемещения населения. Эта нестабильность повлияла на цену кобальта, а также создала извращенные стимулы для участников боевых действий в Первой и Второй войнах в Конго, чтобы продлить боевые действия, поскольку доступ к алмазным рудникам и другим ценным ресурсам помог финансировать их военные цели, которые часто были равносильны геноциду, а также обогатил самих бойцов. Хотя в 2010-х годах ДР Конго не подвергалась вторжениям со стороны соседних военных сил, некоторые из самых богатых месторождений полезных ископаемых примыкают к районам, где тутси и хуту по-прежнему часто сталкиваются, беспорядки продолжаются, хотя и в меньших масштабах, а беженцы по-прежнему спасаются от вспышек насилия. [108]
Кобальт, добытый в небольших конголезских кустарных горнодобывающих предприятиях в 2007 году, поставлялся единственной китайской компании Congo DongFang International Mining. Дочерняя компания Zhejiang Huayou Cobalt, одного из крупнейших в мире производителей кобальта, Congo DongFang поставляла кобальт некоторым крупнейшим в мире производителям аккумуляторов, которые производили аккумуляторы для таких вездесущих продуктов, как Apple iPhone . Из-за обвинений в нарушениях трудового законодательства и экологических проблем LG Chem впоследствии провела аудит Congo DongFang в соответствии с руководящими принципами ОЭСР. LG Chem, которая также производит материалы для аккумуляторов для автомобильных компаний, ввела кодекс поведения для всех поставщиков, которых она проверяет. [109]
Проект Mukondo Mountain , которым управляет Central African Mining and Exploration Company (CAMEC) в провинции Катанга, может быть самым богатым запасом кобальта в мире. По оценкам, в 2008 году он дал треть от общего мирового производства кобальта. [110] В июле 2009 года CAMEC объявила о долгосрочном соглашении о поставке всего своего годового производства кобальтового концентрата с горы Мукондо на Zhejiang Galico Cobalt & Nickel Materials of China. [111]
В 2016 году доля Китая в производстве кобальта в Конго оценивалась более чем в 10% от мировых поставок кобальта, что является ключевым фактором для китайской отрасли переработки кобальта и предоставляет Китаю существенное влияние на мировую цепочку поставок кобальта. [112] Китайский контроль над конголезским кобальтом вызвал обеспокоенность в западных странах, которые стремились сократить зависимость цепочки поставок от Китая и выразили обеспокоенность по поводу нарушений трудовых прав и прав человека на кобальтовых рудниках в ДРК. [113] [114]
В феврале 2018 года глобальная компания по управлению активами AllianceBernstein определила Демократическую Республику Конго как экономически « Саудовскую Аравию эпохи электромобилей» из-за ее запасов кобальта, необходимого для литий-ионных аккумуляторов , используемых в электромобилях . [115]
9 марта 2018 года президент Жозеф Кабила обновил горнодобывающий кодекс 2002 года, увеличив роялти и объявив кобальт и колтан «стратегическими металлами». [116] [117] Горнодобывающий кодекс 2002 года был фактически обновлен 4 декабря 2018 года. [118]
В декабре 2019 года правозащитная неправительственная организация International Rights Advocates подала знаковый иск против Apple, Tesla , Dell , Microsoft и компании Google Alphabet за «сознательное получение выгоды от жестокого и жестокого использования маленьких детей и содействие ему» при добыче кобальта. [119] Упомянутые компании отрицали свою причастность к детскому труду . [120] В 2024 году суд постановил, что поставщики способствуют принудительному труду, но американские технологические компании не несут ответственности, поскольку они не работают как общее предприятие с поставщиками и что «предполагаемые травмы не могут быть справедливо отслежены» ни от одного из действий ответчиков. [121]
В 2017 году некоторые геологоразведочные компании планировали провести разведку старых серебряных и кобальтовых рудников в районе Кобальта, Онтарио , где, как полагают, залегают значительные месторождения. [122]
Канадская Sherritt International перерабатывает кобальтовые руды на месторождениях никеля из шахт Моа на Кубе , а на острове есть еще несколько шахт в Маяри , Камагуэй и Пинар-дель-Рио . Продолжение инвестиций Sherritt International в кубинское производство никеля и кобальта, а также приобретение прав на добычу на 17–20 лет сделали коммунистическую страну третьей по запасам кобальта в 2019 году, опередив саму Канаду. [123]
Начиная с меньших объемов в 2021 году, Индонезия начала производить кобальт как побочный продукт производства никеля . К 2022 году страна стала вторым по величине производителем кобальта в мире, а Benchmark Mineral Intelligence прогнозирует, что к 2030 году индонезийское производство составит 20 процентов мирового производства. [124]
В 2016 году было использовано 116 000 тонн (128 000 коротких тонн) кобальта. [9] Кобальт использовался в производстве высокопроизводительных сплавов. [89] [90] Он также используется в некоторых перезаряжаемых батареях.
Суперсплавы на основе кобальта исторически потребляли большую часть произведенного кобальта. [89] [90] Температурная стабильность этих сплавов делает их пригодными для турбинных лопаток газовых турбин и авиационных реактивных двигателей , хотя монокристаллические сплавы на основе никеля превосходят их по производительности. [125] Сплавы на основе кобальта также устойчивы к коррозии и износу, что делает их, как и титан , полезными для изготовления ортопедических имплантатов , которые не изнашиваются со временем. Разработка износостойких кобальтовых сплавов началась в первом десятилетии 20-го века со сплавов стеллита , содержащих хром с различным количеством вольфрама и углерода. Сплавы с карбидами хрома и вольфрама очень твердые и износостойкие. [126] Специальные сплавы кобальта, хрома и молибдена , такие как Vitallium, используются для протезных деталей (замена тазобедренного и коленного суставов). [127] Кобальтовые сплавы также используются для зубного протезирования в качестве полезной замены никеля, который может быть аллергенным. [128] Некоторые быстрорежущие стали также содержат кобальт для повышения жаропрочности и износостойкости. Специальные сплавы алюминия, никеля, кобальта и железа, известные как альнико , а также самария и кобальта ( самарий-кобальтовый магнит ) используются в постоянных магнитах . [129] Он также легируется 95% платиной для ювелирных изделий, давая сплав, подходящий для точного литья, который также слегка магнитен. [130]
Оксид лития-кобальта (LiCoO2 ) широко используется в катодах литий-ионных аккумуляторов . Материал состоит из слоев оксида кобальта с интеркалированным литием . Во время разряда ( т. е. когда он не заряжается активно) литий высвобождается в виде ионов лития. [131] Никель-кадмиевые [132] (NiCd) и никель-металлгидридные [133] (NiMH) аккумуляторы также включают кобальт для улучшения окисления никеля в аккумуляторе. [132] Transparency Market Research оценила мировой рынок литий-ионных аккумуляторов в 30 миллиардов долларов в 2015 году и предсказала его увеличение до более чем 75 миллиардов долларов США к 2024 году. [134]
Хотя в 2018 году большая часть кобальта в батареях использовалась в мобильных устройствах, [135] более недавнее применение кобальта — это перезаряжаемые батареи для электромобилей. Эта отрасль увеличила свой спрос на кобальт в пять раз, что делает насущной необходимость поиска нового сырья в более стабильных регионах мира. [136] Ожидается, что спрос сохранится или увеличится по мере увеличения распространенности электромобилей. [137] Разведка в 2016–2017 годах включала территорию вокруг Кобальта, Онтарио, где многие серебряные рудники прекратили работу десятилетия назад. [136] Кобальт для электромобилей увеличился на 81% с первой половины 2018 года до 7200 тонн в первой половине 2019 года, что соответствует емкости батареи 46,3 ГВт-ч. [138] [139]
Поскольку при добыче кобальта неоднократно сообщалось о детском и рабском труде, в первую очередь на кустарных рудниках ДР Конго, технологические компании, стремящиеся к этичной цепочке поставок, столкнулись с нехваткой этого сырья, и [140] цена на металлический кобальт достигла девятилетнего максимума в октябре 2017 года, превысив 30 долларов США за фунт по сравнению с 10 долларами США в конце 2015 года. [141] После переизбытка предложения цена упала до более обычных 15 долларов США в 2019 году. [142] [143] В ответ на проблемы с кустарной добычей кобальта в ДР Конго ряд поставщиков кобальта и их клиенты сформировали Альянс за справедливый кобальт (FCA), цель которого — положить конец использованию детского труда и улучшить условия труда при добыче и переработке кобальта в ДР Конго. Членами FCA являются Zhejiang Huayou Cobalt , Sono Motors , Responsible Cobalt Initiative, Fairphone , Glencore и Tesla, Inc. [144] [145]
Европейский союз проводит исследования по возможности устранения требований к кобальту при производстве литий-ионных аккумуляторов. [146] [147] По состоянию на август 2020 года производители аккумуляторов постепенно снизили содержание кобальта в катоде с 1/3 ( NMC 111) до 1/5 (NMC 442) и в настоящее время до 1/10 (NMC 811), а также внедрили катод из фосфата лития-железа, не содержащий кобальта , в аккумуляторные батареи электромобилей, таких как Tesla Model 3. [ 148] [149] В сентябре 2020 года Tesla изложила свои планы по производству собственных аккумуляторных ячеек, не содержащих кобальт. [150]
Литий-железо-фосфатные батареи официально превзошли тройные кобальтовые батареи в 2021 году с 52% установленной мощности. Аналитики оценивают, что их доля на рынке превысит 60% в 2024 году. [151]
Несколько соединений кобальта являются катализаторами окисления . Ацетат кобальта используется для преобразования ксилена в терефталевую кислоту , предшественника объемного полимера полиэтилентерефталата . Типичными катализаторами являются карбоксилаты кобальта (известные как кобальтовые мыла). Они также используются в красках, лаках и чернилах в качестве «осушающих агентов» посредством окисления высыхающих масел . [152] [131] Однако их использование постепенно прекращается из-за проблем с токсичностью. [153] Те же карбоксилаты используются для улучшения адгезии между сталью и резиной в радиальных шинах со стальным поясом. Кроме того, они используются в качестве ускорителей в системах полиэфирных смол . [154] [155] [156]
Катализаторы на основе кобальта используются в реакциях с участием оксида углерода . Кобальт также является катализатором в процессе Фишера-Тропша для гидрирования оксида углерода в жидкое топливо. [157] Гидроформилирование алкенов часто использует октакарбонил кобальта в качестве катализатора. [158] Гидродесульфуризация нефти использует катализатор , полученный из кобальта и молибдена. Этот процесс помогает очистить нефть от примесей серы, которые мешают очистке жидкого топлива. [ 131]
До 19 века кобальт в основном использовался в качестве пигмента. Со времен Средневековья он использовался для изготовления смальты , синего стекла. Смальта производится путем плавления смеси обожженного минерала смальтита , кварца и карбоната калия , что дает темно-синее силикатное стекло, которое тонко измельчается после производства. [159] Смальта широко использовалась для окраски стекла и в качестве пигмента для картин. [160] В 1780 году Свен Ринман открыл кобальтовый зеленый , а в 1802 году Луи Жак Тенар открыл кобальтовый синий . [161] Кобальтовые пигменты, такие как кобальтовый синий (алюминат кобальта), церулеум- синий (станнат кобальта(II)), различные оттенки кобальтового зеленого (смесь оксида кобальта(II) и оксида цинка ) и кобальтовый фиолетовый ( фосфат кобальта ) используются в качестве художественных пигментов из-за их превосходной хроматической стабильности. [162] [163]
Кобальт-60 (Co-60 или 60 Co) полезен как источник гамма-лучей, поскольку его можно производить в предсказуемых количествах с высокой активностью путем бомбардировки кобальта нейтронами . Он производит гамма-лучи с энергией 1,17 и 1,33 МэВ . [30] [164]
Кобальт используется в лучевой терапии с внешним пучком , стерилизации медицинских принадлежностей и медицинских отходов, радиационной обработке пищевых продуктов для стерилизации (холодная пастеризация ), [165] промышленной радиографии (например, рентгенограммы целостности сварных швов), измерениях плотности (например, измерениях плотности бетона) и переключателях высоты заполнения резервуаров. Металл имеет неприятное свойство производить мелкую пыль, вызывая проблемы с радиационной защитой . Кобальт из радиотерапевтических аппаратов представляет серьезную опасность, если его не утилизировать должным образом, и одна из самых серьезных аварий с радиационным загрязнением в Северной Америке произошла в 1984 году, когда выброшенный радиотерапевтический аппарат, содержащий кобальт-60, был по ошибке разобран на свалке в Хуаресе, Мексика. [166] [167]
Кобальт-60 имеет радиоактивный период полураспада 5,27 года. Потеря активности требует периодической замены источника в радиотерапии и является одной из причин, по которой кобальтовые машины были в значительной степени заменены линейными ускорителями в современной лучевой терапии. [168] Кобальт-57 (Co-57 или 57 Co) — это радиоизотоп кобальта, наиболее часто используемый в медицинских тестах, в качестве радиометки для поглощения витамина B12 и для теста Шиллинга . Кобальт-57 используется в качестве источника в мёссбауэровской спектроскопии и является одним из нескольких возможных источников в рентгеновских флуоресцентных устройствах. [169] [170]
Конструкции ядерного оружия могли бы намеренно включать 59Co , часть которого активировалась бы при ядерном взрыве для получения 60Co . 60Co , рассеиваемый в виде радиоактивных осадков , иногда называют кобальтовой бомбой . [171] [172]
Благодаря ферромагнитным свойствам кобальта, он используется в производстве различных магнитных материалов. [173] Он используется в создании постоянных магнитов, таких как магниты Alnico , известные своими сильными магнитными свойствами, используемые в электродвигателях , датчиках и аппаратах МРТ . [174] [175] Он также используется в производстве магнитных сплавов, таких как кобальтовая сталь , широко используемая в магнитных носителях записи , таких как жесткие диски и ленты . [176]
Способность кобальта сохранять магнитные свойства при высоких температурах делает его ценным в приложениях магнитной записи, гарантируя надежные устройства хранения данных . [177] Кобальт также вносит вклад в специализированные магниты, такие как самарий-кобальтовые и неодим-железо-боровые магниты, которые жизненно важны в электронике для таких компонентов, как датчики и приводы . [178]
Кобальт необходим для метаболизма всех животных. Он является ключевым компонентом кобаламина , также известного как витамин B 12 , основного биологического резервуара кобальта как ультрамикроэлемента . [181] [182] Бактерии в желудках жвачных животных преобразуют соли кобальта в витамин B 12 , соединение, которое может вырабатываться только бактериями или археями . Таким образом, минимальное присутствие кобальта в почвах заметно улучшает здоровье пастбищных животных, и рекомендуется потребление 0,20 мг/кг в день, поскольку у них нет другого источника витамина B 12 . [183]
Белки на основе кобаламина используют коррин для удержания кобальта. Кофермент B 12 имеет реактивную связь C-Co, которая участвует в реакциях. [184] У людей B 12 имеет два типа алкильных лигандов : метил и аденозил. MeB 12 способствует переносу метильной (−CH 3 ) группы. Аденозильная версия B 12 катализирует перегруппировки, в которых атом водорода напрямую переносится между двумя соседними атомами с сопутствующим обменом второго заместителя, X, который может быть атомом углерода с заместителями, атомом кислорода спирта или амином. Метилмалонил кофермент A мутаза (MUT) преобразует MMl-CoA в Su-CoA , что является важным шагом в извлечении энергии из белков и жиров. [185]
Хотя они встречаются гораздо реже, чем другие металлопротеины (например, цинка и железа), известны и другие кобальтпротеины, помимо B 12 . К этим белкам относится метионинаминопептидаза 2 , фермент, который встречается у людей и других млекопитающих и не использует корриновое кольцо B 12 , а напрямую связывает кобальт. Другим некорриновым кобальтовым ферментом является нитрилгидратаза , фермент бактерий, который метаболизирует нитрилы . [186]
У людей потребление витамина B12, содержащего кобальт, удовлетворяет все потребности в кобальте. Для крупного рогатого скота и овец, которые удовлетворяют потребности в витамине B12 посредством синтеза резидентными бактериями в рубце, существует функция неорганического кобальта. В начале 20-го века, во время развития сельского хозяйства на вулканическом плато Северного острова Новой Зеландии, крупный рогатый скот страдал от того, что называлось «кустарниковой болезнью». Было обнаружено, что вулканические почвы не содержат солей кобальта, необходимых для пищевой цепи крупного рогатого скота. [187] [188] Было обнаружено, что «береговая болезнь» овец в пустыне Девяносто-Майл на юго-востоке Южной Австралии в 1930-х годах возникла из-за дефицита микроэлементов кобальта и меди. Дефицит кобальта был преодолен путем разработки «кобальтовых пуль», плотных гранул оксида кобальта, смешанного с глиной, которые давались перорально для застревания в рубце животного . [ необходимо разъяснение ] [189] [188] [190]
Значение LD 50 для растворимых солей кобальта оценивается в диапазоне от 150 до 500 мг/кг. [192] В США Управление по охране труда и промышленной гигиене (OSHA) установило допустимый предел воздействия (PEL) на рабочем месте как средневзвешенное по времени значение (TWA) 0,1 мг/м 3 . Национальный институт охраны труда и промышленной гигиене (NIOSH) установил рекомендуемый предел воздействия (REL) 0,05 мг/м 3 , средневзвешенное по времени значение. Значение IDLH (непосредственно опасно для жизни и здоровья) составляет 20 мг/м 3 . [193]
Однако хроническое употребление кобальта вызвало серьезные проблемы со здоровьем при дозах, намного меньших летальной дозы. В 1966 году добавление соединений кобальта для стабилизации пивной пены в Канаде привело к своеобразной форме токсин-индуцированной кардиомиопатии , которая стала известна как кардиомиопатия пьющего пиво . [194] [195]
Кроме того, в монографиях Международного агентства по изучению рака (МАИР) предполагается, что металлический кобальт вызывает рак (т. е., возможно, канцерогенен , группа 2B по классификации МАИР ) . [196]
При вдыхании он вызывает проблемы с дыханием. [197] Он также вызывает проблемы с кожей при прикосновении; после никеля и хрома кобальт является основной причиной контактного дерматита . [198]
кобальт ностри уокант, Греци кадмиам; См. индекс по « кобальту ».
Dæmonum
:
Dæmon subterraneus trunculentus
: bergterufel;
Митис
Бергменляйн/Кобель/Гуттель
рудник будет переведен в режим ухода и обслуживания на срок не менее двух лет