КОБАЛЬТ: СОСТАВ, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2026

Кобальта представляет собой переходный металл , принадлежащий к группе VIIIB периодической таблицы и чей химический символ Ко является сплошной синий - серый ( в зависимости примеси) найдены по всей земле русской коры; хотя его концентрация вряд ли составляет 25 частей на миллион или 0,001% от него.

Этот металл является важным микроэлементом в питании жвачных животных. Он также входит в состав ядра витамина B ₁₂ , необходимого для созревания эритроцитов. Витамин B ₁₂ имеет структуру, аналогичную структуре гемовой группы гемоглобина; но с Ко вместо Веры.

Образец металлического кобальта. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

В природе кобальт обычно встречается не в чистом виде, а в составе сложных минеральных матриц, таких как кобальтит, скуттерудит, эритрит и т. Д. В этих минералах кобальт обычно сочетается с никелем, железом или мышьяком.

Название «кобальт» происходит от немецкого kobalt, которое, в свою очередь, происходит от kobolt - названия, которое горняки дали минеральным рудам, которые производят синие красители и содержат мало известных им металлов; Стоит отметить, что руды стали причиной их отравления.

Кобальт содержится в рудах наряду с никелем, железом, медью и другими металлами. Следовательно, его нельзя получить в чистом виде, и для его очистки требуется интенсивная очистка, пока его использование не станет практичным.

Он был открыт шведским химиком Георгом Брандтом между 1730 и 1740 годами. Это был первый металл, обнаруженный с доисторических времен. Брандт указал, что кобальт является причиной голубого оттенка керамики и стекла; а не висмут, как считалось до сих пор.

Кобальт имеет 29 изотопов. ⁵⁹ Co является стабильным и составляет почти 100% от изотопов кобальта; остальные 28 - радиоизотопы. К ним относится ⁶⁰ Co, используемый при лечении рака. Это магнитный элемент, сохраняющий свой магнетизм при высоких температурах. Это свойство позволило ему сформировать сплавы, такие как так называемый Alinco, который используется в громкоговорителях, микрофонах, радиоприемниках и т. Д.

история

древность

Кобальт использовался еще 2000–3000 лет до нашей эры. Египтяне, персы и китайские династии использовали его при создании своих скульптур и керамики. Он придавал голубой цвет, столь ценимый в произведениях искусства и предметах обихода.

Египтяне (1550–1292 гг. До н.э.) были, вероятно, первыми, кто использовал кобальт для придания стеклу синего цвета.

Кобальт выделяется не в рудах, а в присутствии минералов с никелем, медью и мышьяком.

При попытке плавить медь с никелем образовался оксид мышьяка, очень ядовитый газ, который стал причиной отравления горняков.

открытие

Кобальт был открыт примерно в 1735 году шведским химиком Георгом Брандтом, который понял, что именно кобальт был металлом, который придает голубой окраске керамике и стеклу.

Это был первый металл, обнаруженный с древних времен. С этого времени человек использовал множество металлов, таких как железо, медь, серебро, олово, золото и т. Д. Во многих случаях неизвестно, когда они начали использоваться.

Горное производство

Первая в мире добыча кобальта началась в Европе, причем Норвегия стала первым производителем синего кобальта; соединение оксида алюминия и кобальта, а также эмаль (порошковое кобальтовое стекло), используемое в качестве пигмента в керамике и красках.

Преобладание добычи кобальта переместилось в Новую Каледонию (1864 г.) и Канаду (1904 г.) в регион Онтарио из-за открытия месторождений в этих странах.

Позже нынешняя Демократическая Республика Конго (1913 г.) стала ведущим производителем кобальта в мире благодаря открытию крупных месторождений в районе Катанги. В настоящее время эта страна вместе с Канадой и Австралией является одним из основных производителей кобальта.

Между тем Китайская республика является ведущим производителем очищенного кобальта в мире, импортируя металл из Демократической Республики Конго для аффинажа.

В 1938 году Джон Ливинглад и Гленн Сиборг достигли производства в атомном реакторе ⁶⁰ Co; Радиоактивный изотоп, который используется в медицине для лечения рака.

Строение и электронная конфигурация кобальта

Кобальт, как и другие металлы, скрепляет свои атомы металлической связью. Сила и сжатие таковы, что образуют металлический кристалл, где есть поток электронов и зон проводимости, которые объясняют их электрическую и теплопроводность.

При микроскопическом анализе кристаллов кобальта будет обнаружено, что они обладают компактной гексагональной структурой; треугольники атомов Co расположены в слоях ABAB …, образующих треугольные призмы с интеркалированными слоями, которые, в свою очередь, представляют собой шестую часть шестиугольника.

Эта структура присутствует в большинстве образцов кобальта при температурах ниже 450 ° C. Однако при повышении температуры начинается переход между двумя кристаллографическими фазами: компактной гексагональной (ГПУ) и гранецентрированной кубической (ГЦК, сокращенно на английском языке: гранецентрированная кубическая).

Переход происходит медленно, поэтому не все гексагональные кристаллы становятся кубическими. Таким образом, при высоких температурах кобальт может иметь обе кристаллические структуры; и тогда его свойства перестают быть однородными для всех металлов.

Размер хрустальных бусин

Кристаллическая структура не совсем идеальна; он может содержать неровности, определяющие кристаллические зерна разных размеров. Чем они меньше, тем легче металл или губка. С другой стороны, когда зерна большие, металл станет твердым и твердым.

Особенность кобальта заключается в том, что не только зерна изменяют внешний вид металла, но и его кристаллическую структуру. Ниже 450ºC должна преобладать структура ГПУ; но когда зерна маленькие, как в губчатом кобальте, доминирующей структурой является ГЦК.

Обратное происходит, когда зерна большие: ГЦК-структура преобладает над ГПУ. Это имеет смысл, так как крупные зерна тяжелее и оказывают большее давление друг на друга. При более высоких давлениях атомы Co уплотняются сильнее и выбирают структуру ГПУ.

При высоких температурах (T> 1000ºC) происходят только что описанные переходы; но в случае губчатого кобальта небольшая часть его кристаллов становится гексагональной, в то время как большая часть остается кубической.

Стабильные нанокристаллы ГПУ

В испанской исследовательской работе (Peña O'shea V. et al., 2009) было показано, что можно синтезировать гексагональные нанокристаллы кобальта, способные поддерживать температуры, близкие к 700ºC, без перехода в ГЦК фазу.

Для этого исследователи восстановили образцы оксидов кобальта с помощью CO и H ₂ , обнаружив, что нанокристаллы ГПУ обязаны своей стабильностью покрытию из углеродных нановолокон.

Электронная конфигурация и степени окисления

Электронная конфигурация кобальта:

3д ⁷ 4с ²

Следовательно, теоретически он может потерять до девяти электронов со своей валентной оболочки; но этого не происходит (по крайней мере, при нормальных условиях), и при этом не ^{образуется} катион Co ⁹⁺ .

Его степени окисления: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, причем +2 и +3 являются основными.

свойства

Внешность

Цельный, блестящий, серо-голубой металл. Кобальт полированный - серебристо-белый с голубоватым оттенком.

Атомный вес

58,933 г / моль.

Атомный номер

27.

Периодическая таблица

Это переходный металл, относящийся к группе 9 (VIIIB), период 4.

Температура плавления

1768 К (1495 ° С, 2723 ° F).

Точка кипения

3200 К (2927 ° C, 5301 ° F).

Плотность при комнатной температуре

8,90 г / см ³ .

Теплота плавления

16,06 кДж / моль.

Теплота испарения

377 кДж / моль.

Молярная калорийность

24,81 Дж / моль К

Скорость звука

4720 м / с (измерено на металлическом стержне).

твердость

5.0 по шкале Мооса.

Магнетизм

Это один из трех ферромагнитных элементов при комнатной температуре. Кобальтовые магниты сохраняют свой магнетизм при температурах до 1121ºC (2050ºF).

Электроотрицательность

1,88 по шкале Полинга.

Энергия ионизации

Первый уровень ионизации: 740,4 кДж / моль.

Второй уровень ионизации: 1,648 кДж / моль.

Третий уровень ионизации: 3232 кДж / моль.

Атомное радио

125 часов вечера.

Атомный объем

6,7 см ³ / моль.

Реакции

Кобальт медленно растворяется в разбавленных минеральных кислотах. Он не соединяется напрямую с водородом или азотом, но он соединяется с углеродом, фосфором и серой при нагревании. Он связывается с кислородом, присутствующим в водяном паре при высоких температурах.

Активно Реагирует с 15 M азотной кислотой с образованием нитрата кобальта Co (NO ₃ ) ₂ . Слабо реагирует с соляной кислотой с образованием хлорида кобальта CoCl ₂ . Кобальт не образует гидридов.

И Co ^+2, и Co ⁺³ образуют многочисленные координационные комплексы, считаясь одним из металлов с наибольшим количеством этих комплексов.

Приложения

сплавы

Сплавы кобальта используются в производстве реактивных двигателей и газотурбинных двигателей. Сплав под названием Alinco, состоящий из алюминия, никеля и кобальта, обладает сильными магнитными свойствами. Магниты Alinco используются в слуховых аппаратах, компасах и микрофонах.

Так называемые режущие инструменты изготовлены из стеллитовых сплавов, состоящих из кобальта, хрома и вольфрама. Суперсплавы имеют температуру плавления, близкую к температуре плавления кобальта, и характеризуются большой твердостью, что позволяет использовать их при производстве инструментов с низким коэффициентом расширения.

Керамика, скульптура и стекло

Очки-очки с кобальтом. Источник: Pxhere.

С древних времен кобальт использовался многими культурами для придания своим художественным и декоративным работам голубого оттенка. В этом смысле были использованы оксиды: кобальт CoO и кобальт Co ₃ O ₄ .

Помимо использования в производстве керамики, стекла и эмалей, оксиды кобальта используются для приготовления катализаторов.

Врачи

Кобальт-60 ( ⁶⁰ Co), радиоактивный изотоп, излучающий бета (β) и гамма (γ) излучение, используется при лечении рака. Γ-излучение - это электромагнитное излучение, поэтому оно может проникать в ткани и достигать раковых клеток, что позволяет им уничтожить.

Раковые клетки - это клетки, которые быстро делятся, что делает их более восприимчивыми к ионизирующему излучению, которое поражает их ядра и повреждает генетический материал.

⁶⁰ Co, как и другие радиоизотопы, используется в стерилизации материалов, которые используются в медицинской практике.

Точно так же кобальт используется в производстве ортопедических имплантатов, наряду с титаном и нержавеющей сталью. В большинстве замен тазобедренного сустава используются бедренные стержни из кобальт-хрома.

Альтернативой энергии

Кобальт используется для улучшения характеристик аккумуляторных батарей, играя полезную роль в гибридных транспортных средствах.

гальванопокрытие

Кобальт используется для придания металлическим поверхностям хорошей отделки, защищающей их от окисления. Сульфат кобальта, CoSO ₄ , например, является основным соединением кобальта, используемым в этом отношении.

В лабораториях

Хлорида кобальта, CoCl ₂ · 6H ₂ O, используется в качестве индикатора влажности в эксикаторе. Это розовое твердое вещество, которое при гидратации меняет цвет на синий.

Биологическая роль

Кобальт является частью активного центра витамина B ₁₂ (цианокобаламина), который участвует в созревании эритроцитов. Его отсутствие вызывает анемию, характеризующуюся появлением в кровообращении крупных эритроцитов, известных как мегалобласты.

Где она находится

земная кора

Кобальт широко распространен в земной коре; хотя его концентрация очень мала, по оценкам, он составляет 25 частей на миллион земной коры. Между тем в Солнечной системе в целом его относительная концентрация составляет 4 ppm.

В небольших количествах он содержится в комплексах никель-железо, которые встречаются на Земле и в метеоритах. Он также встречается в сочетании с другими элементами в озерах, реках, морях, растениях и животных.

Витамин B

Кроме того, он является важным элементом для питания жвачных животных и содержится в витамине B ₁₂ , необходимом для созревания эритроцитов. Кобальт обычно не выделяется в природе, но содержится в различных минералах в сочетании с другими элементами.

полезные ископаемые

Минералы кобальта включают следующее: кобальтит в сочетании с мышьяком и серой; эритрит, образованный мышьяком и гидратированным кобальтом; глаукодот, образованный кобальтом, железом, мышьяком и серой; и скуттерудит, образованный кобальтом, никелем и мышьяком.

Кроме того, можно отметить следующие дополнительные минералы кобальта: линнаэлит, эмаль и гетерогенит. Кобальт в минералах сопровождается в основном никелем, мышьяком и железом.

В большинстве случаев кобальт не извлекается из содержащих его руд, а является побочным продуктом добычи никеля, железа, мышьяка, меди, марганца и серебра. Для извлечения и выделения кобальта из этих минералов требуется сложный процесс.

Ссылки

1. Wikipedia. (2019). Кобальт. Получено с: en.wikipedia.org
2. А. Оуэн и Д. Мадок Джоун. (1954). Влияние размера зерна на кристаллическую структуру кобальта. Proc. Phys. Soc.B 67 456. doi.org/10.1088/0370-1301/67/6/302
3. Виктор А. де ла Пенья О'Ши, Пилар Рамирес де ла Писцина, Нарсис Хомс, Гиллем Ароми и Хосе Л.Г. Фьерро. (2009). Разработка гексагональных наночастиц кобальта с закрытой упаковкой, стабильных при высоких температурах. Химия материалов 21 (23), 5637-5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Энн Мари Хельменстин, доктор философии (02 февраля 2019 г.). Факты и физические свойства кобальта. ThoughtCo. Получено с: thinkco.com
5. Редакторы энциклопедии Британника. (8 июня 2019 г.). Кобальт. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Кобальт. Получено с: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Элементы для детей: кобальт. Получено с: ducksters.com