Металл окрашивающий стекло в глубокий синий цвет

Обновлено: 18.05.2024

В Саксонии с давних времен добывали цветные металлы. Частенько горняки добывали казалось бы серебряную руду, но выплавить серебро не получалось. А при плавке руда выделяла газ, от которого травились рабочие. Такую «нечистую» руду шахтеры называли «кобольд». Считалось, что злые духи подземелий (кобольды) вредят шахтерам, прячут хорошую руду и подсовывают ядовитую.

Отсюда и происхождение названия — кобальт. В этом случае никель и наш герой — родные братья. Оба получили названия от языческих горных духов.

Кто нашел «вредного духа»

История открытия проста. Георг Брандт, шведский химик и минералог (по совместительству начальник Шведского королевского монетного двора) любил мышьяк. Не в смысле гастрономическом, а как ученый. Но в ходе исследований любимого элемента ученый нашел методы получения некоторых металлов, разработал способы получения основных кислот (серной, азотной, соляной). А еще определил, что за вредный дух мешает добывать серебро горнякам.

В руде имелся неизвестный раньше элемент, его Брандт назвал кобальтом. Еще химик выяснил, что соли найденного металла окрашивают стекло в восхитительный синий цвет.

Познавательно: в незапамятные времена в центрах цивилизаций (Египте, Вавилоне) делали стекло и смальту синего цвета.

Мартин Руланд, немецкий врач и алхимик, работавший при дворе императора Рудольфа II, в своем «Алхимическом лексиконе» писал:

«Кобальт (Koboltum, Kobaltum) или коллет (Colletum) … черная, немного похожая по цвету на золу материя, которую можно ковать и лить, она не обладает металлическим блеском, и представляет собой вредную взвесь, уводящую (при плавке) вместе с дымом хорошую руду». Очевидно, здесь говорится о металлическом кобальте.

Свойства металла

Кобальт — элемент периодической таблицы Менделеева под номером 27. Его относят к металлам, он имеет белый или желтоватый серебристый цвет. Имеет синеватый или розоватый отлив.

Физические свойства металла:

плотность 8,9 г/см³;
температура плавления 1495°С;
кипит при 2870 градусах Цельсия;

Кобальт ферромагнетик, как и два его соседа по таблице Менделеева — железо и никель.

Химические свойства металла обусловлены его степенями окисления — +2, +3, 0.

Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует Co.

Щелочи реагируют с водными растворами солей, при этом образуется гидроксид Со(ОН)2.

Водорастворимые соли кобальта дарят воде розовый цвет. Растворенные в ацетоне, эти соли окрашивают раствор в синий цвет.

Месторождения кобальтсодержащих руд

В природе нахождение таких руд вроде не проблема. Кобальтсодержащих минералов геологи насчитывают более 130. Вопрос в том, сколько именно металла содержит руда.

Собственно кобальтовых минералов всего около 40.

Скуттерит. Содержание Cо до 30%.
Саффлорит-лёллингит. Кобальта в руде до 29%.
Арсенопирит-аллоклазит. В ней искомого металла до 35%
Кобальтин-герсдорфит с содержанием Cо до 35%.

Но в большинстве кобальтсодержащие руды металла содержат до 3%.

Кобальт добывают из сернистых медно-никелевых, окисленных кобальто-медных, силикатно-оксидных никелевых месторождений.

Детский труд на богатейших шахтах

Конго — одна из беднейших и коррумпированных стран. Зато в ее недрах находятся бесценные сокровища. Страна занимает первое место в мире по добыче кобальта (около 60%). Добычу ведут в самодельных шахтах, практически руками и молотком. Треть из работающих в шахтах дети школьного возраста. За 12-ти часовой рабочий день малолетний работник получает 3-4 доллара США.

Остальные страны обделены этим ценным ресурсом:

Канада — 6% мировой добычи кобальта.
Австралия 4 %.
Филиппины 4%.
Куба 3%.
Замбия 3%.
Россия 3%.

Получение и марки кобальта

Получение нашего героя зависит от выплавки… меди и никеля. Наш герой — побочный продукт этих производств. Делается это методами пирометаллургии, выщелачиванием с последующей алюминотермией.

Марка кобальта	Вид выпуска, содержание Co
К0	не менее 99,98% Со
виталлиум	62-65% Со
стеллита	50% Со
викаллой	52% Со
К2	не менее 98,3% Со
ПК-1у	Порошок металлического кобальта, (Co не меньше 99,35%)

Выпускается в виде проволоки, слитков, полос, пластин.

Чем хорош и плох кобальт

Достоинствам нашего героя позавидуют многие металлы.

Отличная жаропрочность.
Высокие твердость и устойчивость к износу (даже при высоких температурах).
Устойчив к размагничиванию.

Применение металла: инструменты, краски, электроника

Использование кобальта ограничено его ценой, иначе он применялся бы гораздо шире. Но в производстве инструментальных материалах металл необходим. Знаменитый советский сплав «победит» (помните, победитовые сверла) кроме кобальта содержит вольфрам.

Продукция из кобальта и его соединений — это сплавы с особыми свойствами, сердечники электромоторов и трансформаторов.

Квантовые генераторы и усилители, печатные схемы в радиоэлектронике, авиационная и космическая промышленности — везде отметился наш герой.

Не доказано: есть версия, что при аресте у Маты Хари (знаменитой куртизанки, танцовщицы и по совместительству шпионки) нашли пузырек с чернилами, содержащими соли кобальта. Эти чернила проявляют надпись на бумаге только при ее нагревании. Кстати, таким же свойством обладает молоко…

Такие «специальные шпионские» чернила обычному человеку не нужны. Это был повод арестовать Мату Хари.

Синий, желтый, фиолетовый…

Декорирование керамики и стекла началось еще в античные времена. Венеция с ее знаменитыми мастерами по стеклу использовала соли кобальта для окраски стеклянных изделий в глубокий синий цвет. И не только синий. Фосфорнокислая соль имеет фиолетовый цвет; соль Фишера — желтый; сульфат кобальта ярко-розового цвета, есть соль зеленая. Все эти соли применяют в производстве масляных красок и для росписи фарфоровых изделий.

Бесценные вазы, чаши, шкатулки эпохи Мин украшают крупнейшие музеи и редкие частные коллекции. Вся эта керамика украшена голубой росписью кобальтовых красок.

Познавательно: сохранился синий египетский кувшин (стекло окрашено солями кобальта). Кувшинчик сделали в ХV в. до нашей эры. Существуют и стекловидные голубые кирпичи, содержащие соли нашего героя.

От кобальтовой пушки до домика в деревне

Изотоп 60Co — источник гамма-излучения. У него довольно широкий спектр применения:

В медицине «кобальтовая пушка» для лучевой терапии опухолей.
В дефектоскопах.
Для уничтожения насекомых в зерне.
Для стерилизации инструментов.

Биологическая роль металла велика, но тут действует принцип «в капле лекарство, в ложке яд».

Наш герой — необходимый компонент витамина В-12, его недостаток вызывает болезни у людей и животных.

Препараты с кобальтом — необходимая составляющая комбикормов. Добавьте немного солей кобальта в любимый пруд, и получите хороший прирост рыбы.

Познавательно: в России велика площадь земель с пониженным содержанием металла кобальта. Если на такой земле стоит ваш домик в деревне, пасутся коровы и козы — не избежать проблем со здоровьем животных (и потребителей продуктов животноводства).

Применение кобальта в электронике необходимо. Батарейки, аккумуляторы, некоторые детали электроники невозможно сделать без кобальта.

Металлический порошок используют как катализатор при синтезе бензина, производстве маргаринов и спредов.

Автомобили с ДВС морально устарели, опасны в плане экологии. В общем, пора переходить на электромобили. Мешает массовому переходу на электромобили …кобальт. Вернее, литий-ионные аккумуляторы, где этот металл нужен, причем в немалых количествах. Правда, производители аккумуляторов ищут пути к уменьшению в них содержания драгоценного металла.

Наши любимые кошки: зачем им наш герой?

Им-то он точно не нужен. Нужен их хозяевам. Дорогие наполнители для кошачьих лотков (туалетов) содержат «индикатор влажности» — цветные кусочки соли двухвалентного кобальта. Его особенность — менять цвет с синего на розовый при увлажнении. То бишь, справила ваша кошечка малые дела в лоток, и индикаторные кусочки изменили цвет. Меняйте наполнитель.

Сплавляем металлы

В сверхлегированных никелевых сплавах наш герой занимает почетное место.

Для промышленности характеристики сплавов просто блестящие. Они бывают жаропрочными, износостойкими, сверхтвердые.

Сверхтвердые стеллитовые сплавы содержат кобальт и хром.

Как легирующая добавка наш герой входит в состав быстрорежущих инструментальных сталей, но в них целое содружество металлов:

вольфрам 15-19%;
кобальт 5-13%;
хром 4%; 1%.

Дисперсионно закаленные сплавы нержавейки применяют для изготовления приводов, клапанов и в нефтяной промышленности.

Ферромагнитные свойства металла используют в сплавах с самарием. Кобальт-самариевые магниты имеют большую магнитную силу, чем ферритовые и могут работать при высоких температурах.

Цена металла на LME

Стоимость тонны кобальта на Лондонской бирже металлов составляет 29500,0 US$ (цена указана на 27.05.2020).

Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

КОБАЛЬТ — щедрый подарок горных духов

Красители

Красители служат для окрашивания стекла в тот или иной цвет. Обычно в качестве красителей используют соединения металлов.

По механизму их действия различают молекулярные и коллоидные красители. К молекулярным относятся те красители, которые, будучи введены в стекломассу, растворяются в ней. Окраска таких стекол не изменяется при повторной тепловой обработке. К этой группе красителей относятся главным образом окислы тяжелых металлов — марганца, кобальта, никеля, хрома, железа урана. К коллоидным относятся те красители, которые при введении их в стекломассу равномерно распределяются в ней в виде мельчайших коллоидных частиц. Сюда относятся соединения золота, меди, селена, серебра.

Молекулярные красители. Соединения марганца в виде окиси марганца Mn₂O₃ или перекиси марганца MnO₂ придают стеклу различные оттенки фиолетового цвета. В качестве исходного сырья для введения в стекломассу этих окислов используют пиролюзит МnO₂ и марганцово-калиевую соль KMnO₄.

В процессе варки перекись марганца разлагается на окись марганца и кислород: 4MnO₂ = 2Mn₂O₃+O₂. Закись марганца MnО — бесцветный окисел в стекле, поэтому при использовании соединений марганца для получения цветных стекол нельзя допускать их перехода в MnO.

Соединения кобальта придают стеклу синий цвет. Чаще всего используют закись кобальта — сильный и стойкий краситель. Его вводят в стекломассу в очень малых количествах.

Соединения хрома окрашивают стекло в зеленый цвет и в желто-зеленый цвет. В качестве красителей используют оксид хрома Cr₂O₃, хромокалиевую соль K₂Cr₂O₇ (которая легче растворяется в стекломассе по сравнению с оксидом хрома), хромонатриевую соль Na₂Cr₂O₇·2H₂O. Содержание Cr₂O₃ составляет 0,25 . 1,2 % от массы шихты. В производстве стеклянной тары (зеленые бутылки) в состав шихты вводят феррохромовые шлаки. Применение комплексного мелкодисперсного красителя, содержащего Cr₂O₃, SiO₂, Al₂O₃, CaO, MgO, позволяет исключить использование пиритных огарков и экономить сырьевые материалы (песок, доломит, нефелин). Травянисто-зеленый цвет стекла получают при одновременном использовании оксида хрома (0,5 %), оксида меди (2 %) и окислительных условиях варки стекломассы. Соотношение. CuO:Cr₂O₃ = 3÷4. Предпочтительнее использовать соли хрома, так как они более интенсивно окрашивают стекломассу и при варке лучше растворяются в стекле (более технологичны).

Соединения никеля придают стеклу красно-фиолетовую окраску. В производстве стекла используют закись никеля NiO, окись никеля Ni₂O₃ и гидрат закиси никеля Ni(OH)₂. Окрашивание соединениями никеля хорошо воспроизводимо и не зависит от условий варки стекла.

Соединения железа окрашивают стекло в различные цвета: закись железа FeO — в сине-зеленый; окись железа F₂O₃ — в желтый или коричневый, а в смеси с углем и серой — в оранжевый; смесь закиси и окиси железа Fe₃O₄(FeO·Fe₂O₃) — в зеленый. Обычно в стекломассе оксиды железа присутствуют не в отдельности, а в виде смеси, которая и окрашивает стекло в зеленый цвет. Для ввода оксидов железа в стекло на заводах применяют пиритные огарки - отходы сернокислого производства, а также крокус - порошок красно-бурого цвета.

Из соединений меди в качестве молекулярного красителя используется только окись меди CuО, который окрашивает стекло в зеленовато-голубой цвет. Соединения меди в зависимости от концентрации, состава стекла и условий окрашивания придают стеклу синий, голубой, зеленый и красный цвета. Оксид меди CuO окрашивает стекло в голубой, слегка зеленоватый цвет. Чисто голубой цвет стекла получают при введении CuO в количестве 1 . 2 %, с увеличением содержания оксида меди окраска стекла переходит в зеленую.

Соединения урана придают стеклу желто-зеленый цвет. В качестве красителя используют закись урана UO₂, трехокись урана UO₃ и натриевую соль урановой кислоты Na₂UO₇·3H₂O. Для стекла, окрашенного ураном, характерна флуоресценция, вызванная ультрафиолетовым излучением. При выпуске изделий из интенсивно окрашенных стекол в жёлтый и оранжевый цвета соединения урана применяют совместно с сернистым кадмием. Несмотря на то что препараты урана достаточно чисты, их применение в стекольном производстве ограничивается из-за высокой стоимости.

Соединения кадмия придают стеклу ярко-желтый цвет. Обычно при варке калиевокальциевых стекол применяют сернистый кадмий CdS - порошок желтого или оранжевого цвета. При варке свинцовых стекол нельзя применять в качестве красителя CdS в связи с тем, что возможно образование PbS, окрашивающего стекло в черный цвет. Вводят CdS в стекло в конце варки стекломассы, так как при высокой температуре и продолжительном времени сернистый кадмий переходит в оксид кадмия, который не вызывает окраски стекла.

Оксиды редкоземельных элементов за последние годы также начали применять в качестве красителей при производстве изделий из стекла. Окислы редкоземельных элементов, используемые в производстве сортовых стекол: окись церия СеO₂ (окрашивает стекло в золотисто-желтый цвет); Совместное применение диоксида церия с диоксидом титана придает стеклу чистую золотисто-желтую окраску (вводят оксид церия в стекло через концентраты редкоземельных элементов, которые снижают себестоимость изделий), окись празеодима Pr₂O₃; (придает стеклу зелено-золотистый цвет); окись неодима Nd₂O₃ (пурпурно-красный цвет), оксид эрбия Er₂O₃ — красивый розовый цвет. Оксиды редкоземельных элементов являются слабыми красителями, однако стекла, окрашенные ими, характеризуются высокой прозрачностью, чистотой цвета, оригинальными оттенками, что способствовало их широкому применению в производстве сортовой посуды.

Коллоидные красители

Коллоидные красители вызывают образование в массе стекла взвешенных коллоидально-дисперсных частиц металлов или их соединений. Цвет стекла зависит от природы и концентрации коллоидных красителей, состава стекла и размеров взвешенных частиц. Получение окраски стекла возможно лишь путем вторичного нагревания изделий, при котором частицы увеличиваются до нужных размеров. Термообработку изделий проводят при определенном температурном и временном режимах и называют «наводкой».

Коллоидными красителями являются соединения золота, серебра, сурьмы, закисная медь, селен и др.

Соединения селена окрашивают стекло в красный и розовый цвет. Обычно используют металлический селен и селенистокислый натрий Na₂SeO₃. Интенсивность окраски стекол в основном зависит от количества содержащегося
в них селена, а так как селен при варке склонён выгорать, то и цвет стекол часто меняется. Красные стекла, окрашенные селеном, называют селеновым рубином.

Соединения золота, придают стеклу цвет от нежно-розового до темно-красного (золотой рубин). Соединения золота окрашивают стекло в красные цвета - от розового до пурпурного (золотой рубин). Особенно чистые цвета получаются после наводки стекол с содержанием РbО от 25 до 50 %. В качестве красителя используют 10 %-ный (по массе) водный раствор хлорного золота AuCl₃, содержащее 4,96% чистого золота. Розовую окраску стекла получают уже при введении 0,01% металлического золота, а для получения золотого рубина необходимо ввести 0,02% золота. Стекло, окрашенное золотом, относится к наиболее красивым и благородным и применяется при производстве высокохудожественных изделий.

Соединения серебра (0,05-0,1%) придают стеклу золотисто-желтый цвет. В качестве красителей обычно применяют 10 %-ный (по массе) раствор нитрата серебра AgNO₃. После вторичного нагрева образуется в массе стекла металлическое серебро. Растворимость серебра в стекле низкая и поэтому требуется длительное выдерживание при высоких температурах. Улучшение окраски стекла достигается при добавлении диоксида олова SnO₂. В отдельных случаях изделия из стекла окрашивают только с поверхности (так называемые серебряные протравы) с помощью специальной пасты из смеси глины, охры и хлорида серебра AgCl c75,25%Ag.

Соединение меди Cu₂O обладает большой красящей способностью и образует в стекле коллоидный раствор частиц металлической меди, которые в интервале температур 580 . 700 С после наводки придают стеклу темно-красный цвет (медный рубин). Медь является одним из древних красителей стекла и ее растворимость значительно выше золота и серебра. Вводят Cu₂O в количестве 1 . 3 % от массы шихты в виде порошка коричневого цвета. Кроме того, при варке медного рубина следует вводить в качестве восстановителей в состав шихты виннокаменную соль калия KHC₄H₄O₆ и закись олова SnO. Обычно для варки медного рубина используют натриевые стекла. При содержании меди в стекле 0,8 . 1,8 % по массе получают интенсивное окрашивание хрустальных стекол, которые используют для выработки накладных стекол с толщиной окрашенного слоя в несколько десятых долей миллиметра.

Элементарный селен Se при использовании вместе с солями кадмия и серой окрашивает стекло в ярко-красный цвет (селеновый рубин). Для этого вводят (по массе) 0,3 . 0,8 % Se, 1 . 1,45 % карбоната CdCO₃ и 0,5 . 1 % S (по массе сверх основного состава стекла). При варке селенорубиновых стекол выбирают составы, содержащие 4 . 18 % оксида цинка, который способствует получению более интенсивной окраски стекла. Потеря селена вследствие улетучивания достигает 70 . 80 % вводимого количества.

Соединения сурьмы Sb₂O₃ и Sb₂O₅ вводят в состав стекла для получения сурьмяного рубина, который по степени окрашивания занимает промежуточное положение между селеновым и медным рубинами. Наилучший результат получают при одновременном введении серы и угля. Используют при варке рубина также и сернистые соединения сурьмы, например Sb₂S₃ — порошок черного цвета. Сурьмяный рубин имеет более интенсивный цветовой оттенок и поэтому его целесообразно использовать при выработке накладных хрустальных стекол.

Вспомогательные сырьевые материалы

Ускорители. Для ускорения варки стекла применяют соединения фтора и хлора, а также нитраты натрия, калия, бария и аммонийные соли, способствующие появлению жидкой фазы при более низких температурах и тем самым увеличению скорости процесса силикатообразования. Шихта с добавкой 1 % фтора при 1450°С проваривается в два раза быстрее, чем шихта без фтора.

Кремнефтористый натрий Na₂SiF₆ — отход химических производств, сильно летуч, токсичен. Вводят в состав шихты из расчета 03 — 0,5 % фтора сверх основного состава стекла. Наряду с положительными факторами применение фторидов вызывает ряд отрицательных явлений. Фториды усиливают разрушение огнеупорных материалов стекловаренных печей и вследствие большой летучести вместе с дымовыми газами выделяются в окружающую среду. В связи с этим при использовании фторидов необходимо учитывать не только экономические предпосылки, но и охрану окружающей среды.

Хлористый натрий NaCl (поваренную соль) вводят в состав шихты от 1,5 до 3 % ее массы. Как и фториды, NaCl сильно летуч. В процессе стекловарения теряется по массе от 30 до 35 % хлорида.

Осветлители. Осветлители вводят в шихту для того, чтобы способствовать освобождению стекломассы от видимых пузырей, т. е. ее осветлению. Этим ускоряют процесс стекловарения.

Действие осветлителей заключается в том, что при нагревании они разлагаются с выделением большого количества газообразных продуктов. Улетучиваясь из стекломассы, они способствуют удалению из нее и других газов (пузырей).

Наиболее распространенные осветлители: азотнокислый, хлористый и сернокислый аммоний, хлористый натрий, сульфат натрия и натриевая селитра. Наиболее эффективные осветлители — аммонийные соли.

Количество осветлителя, вводимого в стекломассу, % от массы шихты:
NH₄NO₃. 2,5
NH₄Cl. 2,5
(NH₄)₂SO₄. 0,5-3,0
NaCl. 0,5—1
Na₂SO₄. 0,5—1
NaNO₃. 1—1,5
Обесцвечиватели. Обесцвечиватели вводят в стекломассу, чтобы устранить нежелательные сине-зеленые или желто-зеленые оттенки, которые стекломасса приобретает из-за примесей железа в сырьевых материалах.

Стекло обесцвечивают химическим и физическим способами.

Обесцвечиватели для химического обесцвечивания. Закисное железо FеО сильнее закрашивает стекло, чем окисное Fe₂O₃. Интенсивность окраски зависит от общего содержания в стекле оксидов железа. При производстве многих видов изделий из стекла такая окраска не допускается, поэтому для ее устранения и применяют обесцвечивающие материалы.

Сущность химического обесцвечивания стекла состоит в том, чтобы перевести при образовании стекла закисную форму железа в окисную. С этой целью и используют такие сырьевые материалы, которые при нагревании разлагаются с выделением свободного кислорода. Наличие кислорода является непременным условием для успешного протекания основной реакции обесцвечивания:
2FeO + 1/2O₂=Fe₂O₃

Для химического обесцвечивания используют следующие материалы.

Трехокись мышьяка As₂O₃ при нагревании (при сравнительно низкой температуре) поглощает кислород, превращаясь в пятиокись As₂O₅. Затем уже при высоких температурах (близких к температурам осветления стекломассы) пятиокись разлагается на трехокись As₂O₃ с выделением свободного кислорода O₂, который и обеспечивает химическое обесцвечивание.

Для обесцвечивания стекла As₂O₃ рекомендуется вводить 0,3 — 0,5%.

Селитра NaNO₃ разлагается с выделением кислорода уже при температурах 400° С. Ее рекомендуется вводить совместно с As₂O₃: 0,3% трехокиси мышьяка, 1—1,5% селитры.

Сульфат натрия Na₂SO₄ разлагается при высоких температурах с частичным выделением кислорода.

Двуокись церия CeO₂ при высокой температуре разлагается с выделением кислорода: 2 CeO₂ = Ce₂O₃+ 1/2 O₂.

Обесцвечиватели для физического обесцвечивания. Сущность физического обесцвечивания состоит в том, что в стекломассу вводят вещества (обесцвечиватели), которые окрашивают стекло, в цвет, дополнительный к существующему, как бы накладывают один цвет на другой. Цвета подбирают таким образом, чтобы уменьшить интенсивность окраски стекла. Однако хотя интенсивность окраски при этом уменьшается, в то же время понижается общая светопрозрачность. В качестве обесцвечивателей используют соединения марганца, селена, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Окись марганца Mn₂O₃ придает стеклу фиолетовый цвет, который дополняет желтую окраску стекла от действия окиси железа.

Селен Se применяют в виде металлического селена или селенистонатриевой соли Na₂SeO₃. В качестве обесцвечивателя он сообщает стеклу большую прозрачность, чем другие окислители. Особенно эффективно его применение совместно с окисью кобальта.

Закись никеля NiO придает стеклу дополнительный бледно-фиолетовый цвет, используют ее в основном при производстве калиевых и свинцовых стекол.

Окись кобальта CoO придает стеклу дополнительный синий цвет. Ее чаще используют совместно, с закисью никеля и селеном.

Двуокись церия CeO₂, окись неодима Nd₂O₃, окись празеодима Pr₂O₃ — резкоземельные материалы, которые наиболее часто используют для обесцвечивания.

Читайте также: