Кобальт
Давным-давно о всевозможных сверхъестественных существах люди знали куда больше, чем о химических элементах. Поэтому, если вдруг происходило что-то на то время необъяснимое, то, конечно же, это явление приписывали проискам каких-нибудь злобных духов. Вот, например, задумали рудокопы обжечь мышьяковые руды, ничего путного вроде серебра или меди не получили и к тому же отравились выделившимися соединениями мышьяка, а то и вовсе проводили на тот свет особо неудачливых товарищей. И кто в этом, думаете, виноват? Естественно, злые духи подземного царства: именно они чинят рабочим козни в ответ на непрошенное вторжение. На территории Северной Европы, а в особенности в Германии, популяция таких духов, обитавших в шахтах, да и вообще под землёй, получила название «кобольды». Когда же из руд с подобным «сюрпризом» был выделен новый элемент, то название он получил в честь этих неуловимых мифических существ. Однако, как духи могут быть своенравными и в мгновение ока сменять гнев на милость и наоборот, так и кобальт, занявший в таблице место между железом и никелем, легко из элемента-волшебника превращается в коварного убийцу.
Жёлтые лимоны на тарелке из синего кобальтового стекла. Фото: Jil Clardy/Flickr.com CC BY-SA 2.0
Если найти рядом с собой такие металлы как хром или никель, а уж тем более железо не составит большого труда, то вот отыскать кобальт в чистом виде не так-то просто. Поэтому искать его нам по большей части придётся в составе химических соединений – в них кобальт как раз и заиграет самыми разными красками. Для начала присмотримся к таким важным и необходимым для нашего здоровья веществам, как витамины, а конкретно к витамину В12. Именно в его составе мы найдём атом кобальта. В природе витамин В12 синтезируют некоторые виды бактерий, а вот чтобы получить эту молекулу в лаборатории, нужно очень постараться. Впервые это удалось сделать группе химиков под руководством Роберта Бёрнса Вудворда в 1960-х годах, проведя для этого серию из почти сотни отдельных химических реакций, что даже в наше время по силам далеко не каждой лаборатории.
Цианокоболамин – одна из форм, в которой выпускается витамин В12. Фото: Bradley Noe/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Кроме того, что витамин В12 необходим для синтеза эритроцитов и нормальной работы нервной системы, у него есть ещё пара необычных способностей. Исследователи выяснили, что этот витамин может превращать некоторые природные антиоксиданты в прооксиданты - вещества с абсолютно противоположными свойствами. Конечно, не всегда это плохо, потому что токсическое действие прооксидантов может быть направлено не на здоровые, а на раковые клетки. Однако не стоит воспринимать такую информацию как прямую инструкцию к действию. Скорее наоборот, это лишний повод задуматься над тем, каким непредсказуемым может быть результат действия коктейля из биоактивных препаратов. Ещё один эффект от приёма избытка витамина В12, хоть и не столь драматичен, как в предыдущем случае, но тоже может доставить хлопот. Речь идёт о взаимосвязи витамина В12 с появлением прыщей. Если человеку давать повышенную дозу витамина, то уже через неделю у бактерий, живущих на коже, меняется активность: они начинают синтезировать меньше того же витамина В12, а вместо этого начинают синтезировать другие вещества, провоцирующие воспаление.
Натуральную пищу, богатую антиоксидантами, традиционно считают полезной, хотя при определённых условиях молекулы-антиоксиданты с лёгкостью могут превратиться в своих антагонистов. Фото: Ryan Adams/Flickr.com CC BY 2.0
Но если кобальт в витаминах нам жизненно необходим, то полезен ли кобальт сам по себе и надо ли добавлять его в пищу? Ведь мы часто читаем о пользе продуктов, богатых кальцием, калием или, например, железом. К сожалению, эффект от кобальтовой диеты будет ровно противоположным. В этой связи примечательна одна история, произошедшая как раз в те же года, когда Вудворд с коллегами разрабатывал сложнейший синтез витамина В12. Правда, вместо химической лаборатории нам предстоит отправиться в бар в штате Миннесота и заказать там кружку пива. Любители этого пенного напитка вдруг неожиданно начали попадать в больницы с диагнозом кардиомиопатия – одной из форм сердечной недостаточности. Конечно, большая часть пациентов не сказать уж чтобы вела здоровый образ жизни, но и выраженных сердечных патологий у них до этого не находили. А тут вдруг неделя-другая, и вместо вечернего похода в бар с друзьями человек попадает сначала в больницу, а потом и вовсе на кладбище. Оказалось, что причиной загадочных смертей были соли кобальта, которые некоторые производители пива добавляли в свой продукт. Зачем же они это делали, если преждевременная смерть любителя пива не входит в планы ни одного, даже самого алчного капиталиста?
Конкуренция за потребителя иногда толкает производителей еды и напитков на использование сомнительных с точки зрения здоровья химических веществ. Фото: sunbeer/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Всё дело в том, что приблизительно в то время появились синтетические моющие средства, которые стали широко использоваться для мытья кружек и стаканов, в том числе и в пивных барах. Но даже после ополаскивания на стенках стеклянной тары оставалось небольшое количество моющего средства, и этого хватало, чтобы на пиве, налитом уже в чистый стакан, не образовывалась пена. Чтобы не травмировать эстетические чувства посетителей баров, производители решили добавлять в пиво вещества, стабилизирующие пену. И одним из таких веществ стал хлорид кобальта. В небольших количествах такое кобальтовое пиво не приносило заметного вреда, по крайне мере, ничуть не больше, чем обычное пиво. Но при регулярном потреблении и, самое главное, в больших количествах, попадающего в организм кобальта становится уже достаточно для развития сердечных патологий.
Любовь к красивой пене в бокале для некоторых людей обошлась слишком дорого. Фото: Paul IJsendoorn/Flickr.com CC BY 2.0
У кобальта есть ещё одно медицинское применение, правда для этого нужен не совсем обычный кобальт, а один из его изотопов: кобальт-60. Напомним, что изотопы химического элемента отличаются друг от друга массой атомного ядра. С точки зрения химии, между изотопами нет практически никакой разницы, они вступают в такие же реакции и у них одинаковые химические свойства. Но с точки зрения физики – это разные атомы, у которых отличается не только масса, но и, что более важно, стабильность или такая характеристика, как период полураспада. Одни изотопы могут существовать миллионы и даже миллиарды лет, в то время как другие распадаются за годы, дни или даже доли секунды. Период полураспада изотопа кобальт-60 составляет чуть больше пяти лет. Это значит, что взяв из ядерной лаборатории образец чистого кобальта-60, через пять лет мы обнаружим, что в нём осталось чуть больше половины исходного изотопа. Но получают изотопы совсем не для того, чтобы потом с прискорбием констатировать их распад, а чтобы использовать радиоактивное излучение, которое они создают за время своей недолгой жизни.
Изотоп кобальта-60 часто используется в качестве источника гамма-излучения в лабораторих и медицинских учреждениях. Фото: TRIUMF Lab/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Например, на основе кобальта-60 можно сделать такую медицинскую установку, которая называется «гамма-нож». Несмотря на то, что этот прибор называется нож, на хирургический скальпель он совсем не похож. Принцип действия этого устройства основан на том, что оно фокусирует в одной точке направленное гамма-излучение от более чем сотни отдельных источников с кобальтом-60. В результате одна единственная точка внутри организма, например, в головном мозге, может получить высокую дозу радиации, которая убьёт раковые клетки, оставив невредимыми окружающие ткани.
Излучение от 201 источника с кобальтом-60, фокусируемое в одной точке, помогает справиться с опухолью или патологиями сосудов. Фото: Eric Gilliland/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Кроме радиотерапии изотоп кобальта-60 используется во множестве других устройств, в которых требуется получить гамма-излучение для самых разных целей: от стерилизации инструментов до просвечивания контейнеров на таможенных постах. И здесь кроется потенциальна угроза, связанная с наличием источника излучения в каких-нибудь промышленных установках. Нередко бывает, что подобные установки после многих лет использования списываются и хранятся где-то на складах предприятий или учреждений годами и даже десятилетиями. Сменяются трудовые коллективы, владельцы компаний и даже политические системы стран, а кобальта-60 хоть и становится с каждым годом всё меньше, но его радиоактивность ещё сохраняется на высоком и опасном для человека уровне. Именно так приборы с радиоизотопами попадают на пункты приёма металлолома, где рабочие по незнанию могут выпустить джина-кобольда из «бутылки», рискуя собственной и чужими жизнями и здоровьем. Именно по такому сценарию произошло два известных происшествия с кобальтом-60 в Таиланде в 1983 и в 2000 годах.
Списанное медицинское оборудование может содержать источники радиоактивного излучения. Фото: Broken Window Theory/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
В первом случае прибор с радиоактивным кобальтом сначала был сдан в металлолом, откуда затем попал на переплавку, а дальше стал частью произведённой металлической арматуры, которую использовали для строительства жилых зданий. О том, что построенные здания «фонят», узнали лишь спустя 10 лет, а всё это время ничего не подозревавшие жильцы методично получали дозу облучения. Стартовавшая кампания по поиску радиоактивных квартир в последующие годы выявила около 180 зданий, в которых использовалась арматура с кобальтом-60. Правда, за это время большая часть кобальта уже распалась и перестала быть радиоактивной. Тем не менее, общее число людей, подвергшихся незапланированному облучению, составило порядка десяти тысяч человек. Однако самым интересным стало другое: среди людей, получивших пусть и не большую, но всё-таки ощутимую дозу радиации, не было выявлено повышенной заболеваемости онкологическими болезнями. Наоборот, в ряде случаев она была даже меньше, чем в среднем по региону. Другая подобная история, произошедшая в 2000 году, оказалась менее масштабной, но более трагичной. Рабочие пункта приёма металлолома вскрыли контейнер с кобальтом-60 и спустя некоторое время с симптомами лучевой болезни были доставлены в госпиталь, где трое из них впоследствии скончались.
Люди, имеющие дело с металлоломом, сами того не зная, могут стать жертвой чей-то преступной халатности. Фото: Arne Hoel / World Bank CC BY-NC-ND 2.0
От грустных историй перейдём к более жизнеутверждающим фактам о кобальте. Наверняка многим встречалось такое выражение как «кобальтовая синь» – так называется синий пигмент для красок. Использовать соединения кобальта для создания синего цвета начали ещё в Древнем Египте. С помощью минералов, содержащих кобальт, египтяне придавали керамическим сосудам и другим изделиям приятный синий оттенок. Интересно, что в разные эпохи развития Египта источниками кобальтовых минералов были совершенно разные регионы. Кроме того, соединения кобальта – не единственные пигменты синего цвета, которые использовали древние египтяне. Не менее популярным пигментом была синяя фритта, которую получали из соединений меди. Именно фритту мы можем видеть на сохранившихся стенных росписях в дворцах и храмах Древнего Египта. Кобальтовые же красители использовались для придания окраски керамическим предметам. В наше время один из самых известных видов керамики с кобальтовой краской – это знаменитый гжельский фарфор.
Характерный синий или голубой цвет древнеегипетской керамики – заслуга кобальтовых солей. Фото: Mary Harrsch/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
У хлорида кобальта, того самого, что пивовары добавляли в пиво, чтобы оно лучше пенилось, есть такое интересное свойство: он может менять цвет с синего на розовый в зависимости от влажности. На этой способности хлорида кобальта основан метод оценки работоспособности силикагеля – известного влагопоглотителя, пакетики с которым нам часто попадаются в коробках из-под обуви. Дело в том, что сухой силикагель и силикагель, набравший влаги, на вид практически одинаковы. Как тогда определить, набрал сорбент влаги и его пора менять или ещё нет? Можно, конечно, измерять массу поглощённой воды, взвешивая силикагель на весах, но это крайне неудобный способ. Намного лучше добавить в него немного хлорида кобальта, который в свежем и сухом силикагеле будет иметь синий цвет, а когда сорбент наберёт влаги, синяя окраска сменится на бледно-розовую.
Синий цвет свежему силикагелю придаёт хлорид кобальта. Фото: MAURO CATEB/Flickr.com CC BY 2.0
Ещё один тип материалов, в котором кобальт проявляет свои необычные свойства, – это постоянные магниты. Если сплавить кобальт с редкоземельным элементом самарием, то полученный материал станет одним из сильнейших постоянных магнитов, по силе уступающим только магнитам на основе неодима. Но, кроме силы, важно ещё то, как магнит сохраняет свои свойства, например, когда меняется температура. И с этим у самарий-кобальтовых магнитов всё отлично, настолько, что такие магниты используют для определения эталона массы. До последнего времени в качестве эталона массы использовалась платиново-иридиевая гирька, но с прошлого года она была вынуждена уступить своё место постоянной Планка – фундаментальной константе, которая входит в физические формулы, описывающие самые разные квантовые эффекты. Так что вместо обычных весов с гирями за эталонный килограмм нынче ответственны весы Киббла – сложная установка, которая позволяет определить массу через измерение электрических величин. В составе этого прибора находится система из постоянных самарий-кобальтовых магнитов весом в одну тонну!
Весы Кибба, установленные в Национальном институте стандартов и технолгий (США). Фото: J. Lee/NIST
И напоследок расскажем о кобальте, который вы без проблем сможете найти если уж не дома, то по крайней мере в домашней мастерской. Если вы когда-нибудь сверлили что-нибудь металлическое, то наверняка знаете, что самыми дешёвыми свёрлами можно делать отверстия разве что в консервных банках, да и то сравнительно недолго. Попытка подступиться с таким инструментом к чугуну или стали будет заранее обречена на провал. Вот здесь вам на помощь как раз и придут кобальтовые свёрла, отличающиеся от обычных слегка золотистым цветом. В состав сплава, из которого изготавливают такие свёрла, входит до восьми процентов кобальта – такая добавка делает сверло более твёрдым и позволяет ему выдерживать более высокие температуры, чем стальные свёрла. Правда и стоят кобальтовые свёрла если не на порядок, то уж точно в разы больше обычных.
Если таинственные кобольды, живущие в подземном царстве, это не более чем миф, то кобальт в нашей жизни вполне реален. И пусть встречается он не так уж и часто, но относится к нему нужно со всем вниманием и осторожностью – тогда этот элемент проявит себя с лучшей стороны!
Свёрла из кобальтовых сплавов сверлят лучше, но и стоят дороже. Внимательные читатели могут заметить, что на фото – свёрла левого вращения. Фото: Chris Yarzab/Flickr.com CC BY 2.0
#кобальт #Менделеев #химия #периодическаясистема #элементы
