user10725572

Кобальт: «Злой дух» горняков, ставший душой батарей

Кобальт (Co) — это не просто переходный металл; это элемент, чья история началась с проклятий и мифов.

От руд, которые "крали" серебро, до незаменимой роли в зелёной энергетике, Кобальт прошёл путь от "злого духа", варки синего стекла до одного из самых стратегически важных элементов.

Миф и история: «Гном» и «злой дух» горнодобычи

Коболд (Kobold): В немецкой мифологии кобольд — это злобный гном или дух, который обитает в горах и приносит несчастья.

Саксонцы объясняли эти неприятности вмешательством нечистой силы, коварного подземного гнома кобольда.

Средневековые горняки в Саксонии, добывавшие серебро, постоянно натыкались на руды, которые выглядели как ценный металл, но не давали серебра при плавке.

Более того, при обжиге эти руды выделяли токсичный мышьяковистый дым.

Для этого в Германии даже читали в церквах молитвы о спасении горняков от злого духа «кобольда».

Со временем саксонцы научились отличать руду серебра от руды кобальта и стали ее называть «кобольд».

Лишь только в 1735 г. шведский химик Георг Брандт смог выделить из этой из этой «нечистой» руды серый со слабым розоватым оттенком неизвестный металл который назвали «кобальт».

Но на этом история кобальта необычные похождения очень ценного элемента не закончились, а вылились в череду таинственных и крайне опасных ситуаций с его соединением для получения синей краски.

Синяя краска для стекол

Синее стекло было известно еще в древнем Египте, но способы его получения держались в большом секрете и знали об этом только ограниченное количество людей.

Лишь только в средние века  его производство наладили в Венецианской республикой.

Чтобы оградить секреты варки цветных стекол от чужого любопытства, правительство Венеции в XIII в. специальным указом перевело все стекольные фабрики на Уединенный остров Мурано.

Но как и в современном криминальном детективе из такого производства был выкраден рецепт, при этом подмастерье убил своего мастера и спалил его стекольную мастерскую.

Так была открыта тайна синего стекла для других государств.

В 1520 г. Вейденхаммер в Германии нашел способ приготовления краски для синего стекла и по дорогой цене стал продавать ее венецианскому правительству!

Через 20 лет богемский стекольный мастер Шюрер тоже стал делать синюю краску из какой-то руды, известной ему одному.

Лишь через целое столетие этот секрет  подробно описал в своих трудах химик Иоганн Кункель, но не раскрыл из какой именно руды ее делают, где эту руду искать и какая ее составная часть обладает красящим свойством.

То есть загадка так и осталась не отрытой и только после исследования Брандта было выяснено, что сафр, или цаффер,— продукт прокаливания руды, богатой кобальтом, содержит окислы кобальта и множество окислов других металлов.

Сплавленный затем с песком и поташом цаффер образовывал смальту, которая и представляла собой краску для стекла.

Помимо смальты, существуют и другие кобальтовые красители: синяя алюминиево-кобальтовая краска — тенарова синь; зеленая — комбинация окислов кобальта.

Но на этом его таинственная история не закончилась, а лишь продолжилась в фокусах с использованием его солей.

Магия солей кобальта

Таинственная история Кобальта продолжилась благодаря уникальному свойству его солей, способных менять цвет в зависимости от влажности и температуры, что веками использовалось для эффектных фокусов и даже шпионажа.

Чудеса превращения красок известны еще с XVI столетия.

Профессор Базельского университета химик и врач Парацельс показывал написанную им самим картину.

Он демонстрировал красиво написанный зимний пейзаж с с деревьями, пригорками покрытые снегом.

Слегка подогрев ее пейзаж оживал сменялся летним: деревья одевались листвой, на пригорках зеленела трава.

Это свойство в 1737 г. открыл один французский химик, кобальтовые соли окрашивались под действием тепла и использовал их в качестве симпатических чернил.

Что с большим успехом использовалось для тайных посланий.

Сейчас эта особенность солей кобальта имеет практическое значение в лабораторной технике: раствором кобальтовых солей метят фарфоровые тигли.

После прогрева такая метка четко выступает на белой поверхности фарфора.

В настоящее время ранее опасный и коварный с магическими свойствами элемент стал не заменимым и самым востребованным.

Путешествие кобальта в настоящем

Несмотря на токсичность своих руд (за счет мышьяка) и вековое использование в качестве простого красителя, кобальт превратился в один из самых стратегически важных элементов современной цивилизации.

Из него изготовляют известные всем нам литий кобальтовые батареи, которые используются не только в мобильных телефонах но и электромобилей, сделал его стратегическим сырьем, спрос на которое ежегодно растет.

Жаростойкие сплавы: В XX веке было обнаружено, что Кобальт, добавленный в сталь, создает сверхтвердые, износостойкие и, самое главное, жаропрочные сплавы (такие как стеллиты и хастеллои).

Благодаря невероятной стойкости к высоким температурам, эти сплавы стали незаменимы для изготовления лопаток турбин реактивных двигателей, а также для высокоскоростных режущих инструментов и хирургических имплантатов.

Кобальт позволяет металлу сохранять прочность там, где другие сплавы уже плавятся.

Единственный в B12: Кобальт является единственным элементом из переходных металлов, который необходим человеческому организму.

Он входит в состав витамина B12 (кобаламина), который необходим для кроветворения, здоровья нервной системы и ДНК-синтеза.

В мире элементов периодической таблицы немало «неудобных» гостей — тех, что поначалу приносят больше хлопот, чем пользы.

Ванадий (V) — яркий пример такой «непростой личности». История ванадия — это путь от досадной примеси в железных рудах до ключевого компонента суперсплавов и промышленных катализаторов.

Нежеланный гость в металлургии

В XIX веке ванадий был настоящей головной болью для металлургов. Он незаметно «прятался» в железных рудах, особенно в тех, что добывали в Испании и Мексике.

Проблема в том, что даже небольшие примеси ванадия делали сталь хрупкой при нагреве — а это катастрофа для кузнецов и сталеваров.

Химики долго не могли понять причину: металл выделялся сложно, его свойства изучены слабо, а влияние на сплавы казалось хаотичным.

Лишь к концу XIX века стало ясно: ванадий — не враг, а потенциальный союзник, но только если научиться им управлять.

Революция в производстве серной кислоты

В начале XX века серная кислота стала «хлебом химической промышленности»: без неё не обходились производство удобрений, красителей, взрывчатых веществ.

Но классический метод получения (контактный процесс) требовал платины в качестве катализатора. Платина дорога, дефицитна, а её активность падает из‑за примесей.

Тут‑то и пригодился ванадий. В 1910–1920‑х годах химики создали ванадиевый катализатор (обычно на основе V₂O₅) для окисления SO₂ до SO₃. Его преимущества:

• в десятки раз дешевле платины;

• устойчив к «отравлению» примесями;

• работает при температурах 400–600 °C;

• легко регенерируется.

Результат? Стоимость серной кислоты рухнула, а её производство выросло в масштабах.

Сегодня почти вся промышленная серная кислота делается с ванадиевыми катализаторами.

Крылья для авиации и космоса

1950–1960‑е годы — эпоха реактивной авиации и первых космических программ. Двигатели новых самолётов и ракет требовали сплавов, которые:

• выдерживают температуры выше 1000 °C;

• не теряют прочность при циклических нагрузках;

• устойчивы к окислению.

После долгих поисков инженеры обратили внимание на жаропрочные никелевые сплавы с ванадием. Добавка V (1–3 %):

• укрепляет границы зёрен металла;

• тормозит ползучесть при высоких температурах;

• повышает усталостную прочность.

Сегодня лопатки турбин реактивных двигателей — это сложнейшие композиты, где ванадий играет роль «невидимого каркаса». Без него невозможны ни сверхзвуковые самолёты, ни современные ракетные двигатели.

Чистота как искусство

Получить ванадий высокой чистоты — задача не из лёгких. В природе он почти всегда связан с другими элементами (железом, титаном, фосфором).

Традиционные методы (восстановление оксидов углём или алюминием) давали металл с примесями, снижающими его ценность.

Прорыв случился с развитием зонной плавки и вакуумной дистилляции. Эти технологии позволили:

• очищать ванадий до 99,9 % и выше;

• удалять критические примеси (кислород, азот, углерод);

• получать монокристаллы для исследований.

Чистый ванадий нашёл применение в:

• ядерных реакторах (как компонент отражателей);

• сверхпроводящих сплавах (при низких температурах);

• высокотехнологичных аккумуляторах.

Современные горизонты

Сегодня ванадий переживает новую волну интереса:

• Ванадиевые редокс‑батареи (VRFB) — перспективный способ хранения энергии от солнечных и ветровых станций. Их плюс — долгий срок службы и возможность масштабирования.

• Сплавы для 3D‑печати — ванадий усиливает прочность деталей, напечатанных из никелевых и титановых порошков.

• Медицина — исследования биосовместимых сплавов с ванадием для имплантатов.

Почему ванадий — особенный?

Его уникальность в гибкости:

• В малых количествах — легирующая добавка, превращающая обычную сталь в броневую или рессорную.

• В оксидах — катализатор, меняющий экономику химической промышленности.

• В чистых кристаллах — материал для высоких технологий.

История ванадия — это урок: даже «проблемный» элемент может стать ключевым, если найти к нему правильный подход.

От досадной примеси до крылатого металла — таков путь ванадия в мире технологий.

В 1940-х годах он выдвинул идею использования тория в качестве «плодородного» материала, из которого можно получать ядерное топливо — уран-233.

Эта теория была подтверждена в ходе экспериментов в Окриджской национальной лаборатории в США.

Особенно важную роль сыграл эксперимент с реактором на расплавах солей (MSRE), который успешно работал с 1965 по 1969 год.

В ходе этого эксперимента было доказано, что торий-232 может быть эффективно превращён в делящийся уран-233, что подтвердило практическую жизнеспособность ториевого цикла.

Как работает ториевый топливный цикл

Торий-232, самый распространённый природный изотоп, не является делящимся материалом, но он плодородный, то есть это своего рода «сырьё», из которого можно получить ядерное топливо.

Это означает, что он может быть превращён в делящийся материал.

Поэтому под воздействием нейтронов в ядерном реакторе торий-232 поглощает один нейтрон, превращаясь в торий-233, который затем распадается, образуя уран-233 (233U) — мощное ядерное топливо.

Этот цикл имеет несколько значительных преимуществ перед традиционным урановым:

1. Изобилие.

2. Снижение ядерных отходов.

3. Устойчивость к распространению ядерного оружия.

Например:

Торий-232 — плодородный материал, который при захвате нейтрона превращается в делящийся уран-233.

Уран-238 — плодородный материал, который при захвате нейтрона превращается в делящийся плутоний-239.

Это ключевое отличие от делящихся материалов, таких как уран-235 или плутоний-239, которые уже готовы к делению и могут поддерживать цепную реакцию.

Почему торий был забыт

Несмотря на все преимущества, торий не получил широкого распространения в ядерной энергетике по нескольким причинам:

На заре ядерной эры основной целью было создание не только энергии, но и ядерного оружия.

Уран-238 идеально подходил для получения плутония, в то время как ториевый цикл не давал такого продукта.

Проектирование и эксплуатация ториевых реакторов сложнее и требуют иных технологий, чем реакторы на уране.

Сегодня, когда мир ищет более безопасные и устойчивые источники энергии, интерес к торию возрождается, и исследователи работают над созданием новых типов реакторов, которые смогут использовать весь потенциал этого удивительного элемента.

Возрождение ториевых реакторов

На данный момент, мировым лидером в разработке и практическом применении ториевых реакторов является Китай.

После десятилетий исследований, в июне 2023 года Китай успешно запустил экспериментальный ториевый реактор на расплавленных солях в пустыне Гоби, а в 2025 году он вышел на проектную мощность.

Этот реактор, мощностью 2 МВт, стал первым в мире работающим реактором такого типа. Китай планирует построить более крупный коммерческий реактор мощностью 100 МВт к 2030 году.

Торий, этот скромный элемент, названный в честь могучего бога грома, сегодня снова в центре внимания.

Он несёт в себе обещание не просто новой энергии, но и новой эры — эры, где наши энергетические потребности будут удовлетворяться с меньшим вредом для планеты, с меньшим количеством долгоживущих отходов и с большей безопасностью для всего человечества.

✅ Белки — основа всего. Вы когда-нибудь задумывались, из чего состоят наши мышцы, кожа, волосы, ферменты, гормоны?

Ответ один — белки. А белки, в свою очередь, не могут существовать без азота. Каждая аминокислота, "кирпичик" белка, содержит в своем составе этот элемент.

✅ Генетический код. Азот входит в состав нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. Эти молекулы хранят и передают нашу генетическую информацию. Без азота не было бы ни нас, ни наших потомков.

✅ Нервная система. Азот участвует в передаче нервных импульсов. Некоторые нейромедиаторы (вещества, передающие сигналы между нейронами) содержат азот.

Проще говоря, азот — это как арматура в железобетонной конструкции нашего тела. Он обеспечивает прочность и функциональность на самом базовом уровне.

Интересный факт: Самый распространенный газ в атмосфере Земли. Азот составляет около 78% объема воздуха, которым мы дышим. Кислорода для сравнения всего около 21%.

Круговорот жизни и смерти

Азот постоянно циркулирует между атмосферой, почвой и живыми организмами. Этот процесс называется круговоротом азота.

Фиксация азота. Атмосферный азот (N2) инертен и недоступен для большинства живых организмов.

Чтобы его "активировать", нужны специальные бактерии, живущие в почве и на корнях некоторых растений (например, бобовых).

Эти бактерии способны "фиксировать" азот, превращая его в соединения, которые могут усваивать растения.

✅ Нитрификация и денитрификация. Дальше в дело вступают другие бактерии, которые превращают аммиак и аммонийные соли в нитриты и нитраты (нитрификация), которые еще лучше усваиваются растениями.

А когда организмы отмирают, другие бактерии возвращают азот обратно в атмосферу в виде газообразного азота (денитрификация).

Этот сложный процесс поддерживает баланс азота в биосфере и обеспечивает жизнь на планете.

Интересный факт: Жидкий азот очень холодный. Его температура кипения составляет -196 °C (-321 °F). Благодаря этому свойству он используется в качестве криогенного хладагента для быстрого замораживания, хранения биологических образцов и в криохирургии.

Азот на службе у человека

Помимо своей биологической роли, азот активно используется в различных отраслях:

➡️ Промышленность. Азот в жидком виде используется как хладагент. Из него получают аммиак, который является основой для производства удобрений.

Азотная кислота используется в производстве взрывчатых веществ и красителей.

➡️ Медицина. Жидкий азот применяется в криохирургии для удаления бородавок и других новообразований.

➡️ Пищевая промышленность. Азот используется как инертный газ для упаковки пищевых продуктов, предотвращая их окисление и порчу.

Как видите, этот "простой" газ играет далеко не простую роль в нашей жизни. Он — основа нашего существования, участник важнейших природных циклов и незаменимый помощник в различных технологических процессах.

Так что в следующий раз, делая глубокий вдох, вспомните, что большая часть этого воздуха — тот самый азот, невидимый гигант, который постоянно работает на благо жизни на нашей планете.

Интересный факт: Азот необходим для ДНК и РНК. Наряду с углеродом, водородом, кислородом и фосфором, азот является одним из пяти основных химических элементов, образующих нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК), которые несут генетическую информацию всех живых организмов.

Больше интересных фактов об азоте вы можете найти здесь азот химический элемент.

Речь идёт о лантаноидах и актиноидах — тяжёлых ребятах из самого низа таблицы Менделеева.

Давайте разберёмся, как эти «сумасшедшие» элементы могут сделать нас покорителями космоса.

Лантаноиды: Магниты и лазеры для космических технологий

Многие думают, что лантаноиды нужны только для дисплеев смартфонов. Это так, но их уникальные магнитные и оптические свойства — настоящий подарок для инженеров, мечтающих о полётах.

Самый известный пример — неодим (Nd). Магниты на его основе являются самыми сильными постоянными магнитами в мире.

Они могут стать основой для невероятно компактных и мощных электрических двигателей, которые будут обеспечивать тягу для маневров.

Например, в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) уже давно ведутся разработки таких систем.

Другие лантаноиды, такие как эрбий (Er), используются в высокоэффективных лазерах. В космосе эти технологии могут обеспечить сверхбыструю связь с Землёй.

Такие институты как Европейское космическое агентство (ESA) активно исследуют использование лазеров в системах связи нового поколения.

Актиноиды: Энергия, которая не заканчивается

Если лантаноиды — это нервная система и мускулы корабля, то актиноиды — это его неиссякаемое сердце.

Все они радиоактивны и выделяют колоссальное количество энергии, которая может стать основой для межзвёздных путешествий.

Самая важная сфера применения — это компактные ядерные реакторы. Актиноиды, такие как уран (U) и плутоний (Pu), являются идеальным топливом для них. Над этими технологиями сегодня работают ведущие мировые институты.

Например, в Los Alamos National Laboratory в США и в российском ФГУП «НИИЭТ» активно разрабатывают проекты реакторов, способных обеспечить энергией марсианскую базу на десятилетия.

В России одним из главных конструкторов ядерных реакторов для космоса был Станислав Акимов, а в США идеи ядерных плазменных двигателей развивал Франклин Чанг-Диас.

Ядерные реакторы также могут стать основой для ракетных двигателей.

Такие двигатели, как в легендарном проекте NERVA середины XX века, теоретически могут обеспечить тягу в два раза эффективнее, чем химические.

Современная NASA возвращается к этим идеям в проекте DRACO, разрабатывая двигатели, которые смогут сократить время полёта до Марса.

Об этом проекте можно почитать на официальном сайте NASA, а об истории NERVA — в архивах аэрокосмических агентств.

Актиноиды также используются для создания «вечных батареек». Элементы вроде плутония-238 применяются в радиоизотопных термоэлектрических генераторах (РИТЭГ), которые питали такие аппараты как «Вояджер» и марсоход «Кьюриосити». Кстати, если хотите узнать больше о том, что это за элемент и почему он так важен для космических миссий, можете прочитать о плутонии здесь.

О принципах работы РИТЭГ можно узнать в учебниках по ядерной физике и на сайтах производителей.

Итог

Лантаноиды и актиноиды — это не просто строчки в таблице Менделеева. Это настоящие супергерои, которые, с одной стороны, дают нам невероятные материалы, а с другой — дарят топливо для покорения космоса.

И хотя до сверхсветовых полётов ещё далеко, первые шаги уже сделаны.

Этот камень, позже названный гадолинитом, оказался настоящим кладезем неизведанных элементов.

Потребовались десятилетия кропотливого труда многих учёных, чтобы постепенно "вытащить" из этого минерала его секреты.

В 1878 году швейцарский химик Жан Шарль Галиссар де Мариньяк стал тем, кто смог отделить от уже известного оксида эрбия новую "землю" (химики того времени называли оксиды металлов "землями").

Эту новую смесь он назвал оксидом иттербия, а содержащийся в ней элемент — иттербием, увековечив название скромной шведской деревни, подарившей миру столько открытий.

Свойства: Металл с двумя характерами

Довольно активный металл, если оставить его на воздухе, он постепенно тускнеет, подобно серебру, но из-за своей реакционной способности этот процесс происходит заметнее.

Он медленно взаимодействует с холодной водой и гораздо живее с горячей, выделяя при этом невидимый газообразный водород, словно "шипит", освобождая свою энергию.

Самая интересная химическая особенность иттербия — это его "двойной характер".

В большинстве своих соединений он ведёт себя как типичный лантаноид, проявляя валентность +3.

Но иногда, подобно хамелеону, иттербий может "сбрасывать" лишь два электрона, проявляя валентность +2.

Это довольно редкое явление для лантаноидов, что делает иттербий (наряду с европием и самарием) уникальным объектом для изучения.

Где найти и как получить?

В природе иттербий не встречается в чистом виде, а всегда в составе редкоземельных минералов, таких как монацит, бастнезит и ксенотим.

Эти руды добываются в различных уголках мира.

Процесс получения чистого иттербия — это настоящее искусство:

Разделение: Сначала из руды выделяют смесь всех редкоземельных элементов. А затем начинается самое сложное: их разделение.

Поскольку эти элементы химически очень похожи, применяются трудоёмкие методы, такие как жидкостная экстракция.

Представьте себе тысячи раз повторяющийся процесс, где специальные жидкости избирательно "вытягивают" каждый элемент из смеси, пока не будет получен чистый оксид иттербия.

Восстановление: После получения чистого оксида иттербия его превращают в металлический иттербий.

Это делается путём восстановления оксида или его солей более активными металлами (например, лантаном или кальцием) при очень высоких температурах и в условиях полного вакуума, чтобы избежать загрязнения.

Применение: Невидимый двигатель прогресса

Несмотря на свою редкость и высокую стоимость, иттербий химический элемент играет ключевую роль в технологиях, которые определяют наше будущее:

Лазерные системы: Это его визитная карточка. Иттербий — главный "актер" в высокомощных волоконных лазерах.

Эти лазеры, способные с филигранной точностью резать металл толщиной в несколько сантиметров, используются в промышленности, медицине (например, в хирургии) и научных исследованиях.

Иттербиевые лазеры — это мощные и эффективные "световые скальпели".

Атомные часы: Иттербий — один из столпов сверхточных атомных часов. Именно его атомы позволяют создавать приборы, которые могут ошибиться менее чем на одну секунду за миллиарды лет.

Такая точность критически важна для работы спутниковых систем навигации (GPS), современных телекоммуникаций и фундаментальных исследований, где малейшее отклонение имеет значение.

Рентгенография и дефектоскопия: Радиоактивный изотоп Иттербий-169 используется в портативных рентгеновских аппаратах.

Представьте себе, как инженеры в полевых условиях, без электричества, могут "просветить" трубу или металлическую конструкцию, чтобы найти скрытые дефекты или трещины. Иттербий-169 169Yb делает это возможным.

Материаловедение: В небольших количествах иттербий добавляют в некоторые сплавы, например, в нержавеющую сталь, чтобы сделать её прочнее и пластичнее, как невидимый "усилитель" свойств.

Датчики и электроника: Благодаря своему уникальному поведению под давлением, иттербий используется в производстве высокочувствительных датчиков давления (тензодатчиков).