KOBALT: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Kobalt metal przejściowy należący do grupy VIIIB Układu Okresowego i którego chemiczny symbol Co jest ciągłe niebieskie - szary (w zależności od zanieczyszczeń) znalezionych przez ziemi „s skórka; chociaż jego stężenie prawie nie stanowi 25 ppm lub 0,001% tego.

Ten metal jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym w żywieniu przeżuwaczy. Jest również częścią jądra witaminy B ₁₂ , niezbędnej do dojrzewania erytrocytów. Witamina B ₁₂ ma strukturę podobną do grupy hemowej hemoglobiny; ale z Co zamiast wiary.

Próbka metalicznego kobaltu. Źródło: obrazy o wysokiej rozdzielczości pierwiastków chemicznych

W naturze kobalt zwykle nie jest czysty, ale w złożonych matrycach mineralnych, takich jak: kobaltyt, skutterudyt, erytryt itp. W tych minerałach kobalt jest zwykle łączony z niklem, żelazem lub arsenem.

Nazwa „kobalt” pochodzi od niemieckiego kobaltu, który z kolei wywodzi się od kobolt, nazwy, którą górnicy nadali rudom minerałów wytwarzających niebieskie barwniki i posiadających niewiele znanych im metali; Rudy, które warto wspomnieć, spowodowały ich zatrucie.

Kobalt znajduje się w rudach wraz z niklem, żelazem i miedzią oraz innymi metalami. Dlatego nie można go uzyskać w stanie czystym i wymaga intensywnej pracy rafinacji, aby go oczyścić, dopóki jego użycie nie będzie praktyczne.

Został odkryty przez szwedzkiego chemika Georga Brandta w latach 1730-1740. Był to pierwszy metal odkryty od czasów prehistorycznych. Brandt zwrócił uwagę, że kobalt jest odpowiedzialny za niebieski odcień ceramiki i szkła; a nie bizmut, jak dotąd uważano.

Kobalt ma 29 izotopów. ⁵⁹ Co jest stabilna i oznacza prawie 100% izotopów kobaltu; pozostałe 28 to radioizotopy. Należą do nich ⁶⁰ Co, stosowane w leczeniu raka. Jest to element magnetyczny, który zachowuje swój magnetyzm w wysokich temperaturach. Ta właściwość pozwoliła mu na tworzenie stopów, takich jak tzw. Alinco, stosowane w głośnikach, mikrofonach, tubach radiowych itp.

Historia

Antyk

Kobalt był używany już od 2000 do 3000 lat pne Egipcjanie, Persowie i dynastie chińskie używali go do wytwarzania swoich rzeźb i ceramiki. Dało to niebieskie zabarwienie tak cenione w dziełach sztuki i przedmiotach użytkowych.

Egipcjanie (1550 - 1292 pne) byli prawdopodobnie pierwszymi ludźmi, którzy użyli kobaltu do nadania szkłu niebieskiego koloru.

Kobalt nie jest izolowany w rudach, ale w obecności minerałów zawierających nikiel, miedź i arsen.

Podczas próby stopienia miedzi z niklem powstał tlenek arsenu, bardzo trujący gaz, który był przyczyną zatrucia górników.

Odkrycie

Kobalt został odkryty mniej więcej w 1735 roku przez szwedzkiego chemika Georga Brandta, który zdał sobie sprawę, że właśnie kobalt był metalem, który nadał ceramice i szkło niebieskie zabarwienie.

Był to pierwszy metal odkryty od czasów starożytnych. Od tego czasu człowiek używał wielu metali, takich jak żelazo, miedź, srebro, cyna, złoto itp. W wielu przypadkach nie wiadomo, kiedy zaczęto je stosować.

Produkcja górnicza

Pierwsze wydobycie kobaltu na świecie rozpoczęło się w Europie, a Norwegia była pierwszym producentem błękitu kobaltu; związek tlenku glinu i kobaltu oraz emalii (sproszkowane szkło kobaltowe), stosowany jako pigment w ceramice i farbach.

W związku z odkryciem złóż w tych krajach przewaga w produkcji kobaltu przeniosła się do Nowej Kaledonii (1864) i Kanady (1904) w regionie Ontario.

Później obecna Demokratyczna Republika Konga (1913) stała się czołowym światowym producentem kobaltu dzięki odkryciu dużych złóż w regionie Katanga. Obecnie kraj ten, obok Kanady i Australii, jest jednym z głównych producentów kobaltu.

Tymczasem ROC jest wiodącym na świecie producentem rafinowanego kobaltu, importującym metal z Demokratycznej Republiki Konga do rafinacji.

W 1938 roku John Livinglood i Glenn Seaborg osiągnęli produkcję w reaktorze atomowym ⁶⁰ Co; Izotop promieniotwórczy stosowany w medycynie w leczeniu raka.

Struktura i konfiguracja elektronowa kobaltu

Kobalt, podobnie jak inne metale, utrzymuje swoje atomy razem poprzez metaliczne wiązanie. Siła i kompresja są takie, że tworzą metaliczny kryształ, w którym występuje fala elektronów i pasm przewodnictwa, które wyjaśniają ich przewodnictwo elektryczne i cieplne.

Analizując mikroskopowo kryształy kobaltu, okaże się, że posiadają one zwartą strukturę heksagonalną; istnieją trójkąty atomów Co ułożone w warstwy ABAB …, tworzące trójkątne graniastosłupy z warstwami interkalacyjnymi, które z kolei stanowią szóstą część sześciokąta.

Taka struktura występuje w większości próbek kobaltu w temperaturach poniżej 450ºC. Jednak, gdy temperatura wzrasta, zaczyna się przejście między dwiema fazami krystalograficznymi: zwartą heksagonalną (hcp) i sześcienną centrowaną na twarzy (fcc, od angielskiego akronimu: face-centered cubic).

Przejście jest powolne, więc nie wszystkie sześciokątne kryształy stają się sześcienne. Zatem w wysokich temperaturach kobalt może wykazywać obie struktury krystaliczne; a wtedy jego właściwości nie są już jednorodne dla wszystkich metali.

Rozmiar kryształowych koralików

Struktura kryształu nie jest całkowicie doskonała; może zawierać nieregularności, które definiują krystaliczne ziarna o różnych rozmiarach. Im są mniejsze, tym lżejszy metal lub gąbka. Z drugiej strony, gdy ziarna są duże, metal stanie się stały i trwały.

Detal z kobaltem polega na tym, że nie tylko ziarna modyfikują wygląd zewnętrzny metalu, ale także jego strukturę krystaliczną. Poniżej 450ºC powinna dominować struktura hcp; ale gdy ziarna są małe, jak w przypadku gąbczastego kobaltu, dominującą strukturą jest fcc.

Odwrotna sytuacja występuje, gdy ziarna są duże: struktura fcc dominuje nad hcp. Ma to sens, ponieważ duże ziarna są cięższe i wywierają na siebie większy nacisk. Przy wyższych ciśnieniach atomy Co bardziej zagęszczają się i przyjmują strukturę hcp.

W wysokich temperaturach (T> 1000 ° C) zachodzą właśnie opisane przejścia; ale w przypadku gąbczastego kobaltu niewielka część jego kryształów staje się sześciokątna, podczas gdy większość nadal jest sześcienna.

Stabilne nanokryształy hcp

W hiszpańskiej pracy badawczej (Peña O'shea V. i in., 2009) wykazano, że można zsyntetyzować heksagonalne nanokryształy kobaltu zdolne do wytrzymania temperatur bliskich 700ºC bez przechodzenia w fazę fcc.

W tym celu naukowcy zredukowali próbki tlenków kobaltu za pomocą CO i H ₂ , stwierdzając, że nanokryształy hcp zawdzięczają swoją stabilność powłoce z nanowłókien węglowych.

Konfiguracja elektronowa i stany utlenienia

Konfiguracja elektronowa kobaltu to:

3d ⁷ 4s ²

Może więc teoretycznie stracić do dziewięciu elektronów ze swojej powłoki walencyjnej; ale tak się nie dzieje (przynajmniej w normalnych warunkach), ani nie tworzy się kation Co ⁹⁺ .

Jego stany utlenienia to: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, przy czym najważniejsze są +2 i +3.

Nieruchomości

Wygląd fizyczny

Solidny, błyszczący, niebiesko-szary metal. Polerowany kobalt jest srebrzystobiały z niebieskawym odcieniem.

Masa atomowa

58,933 g / mol.

Liczba atomowa

27.

Układ okresowy

Jest to metal przejściowy należący do grupy 9 (VIIIB), okres 4.

Temperatura topnienia

1768 K (1495 ° C, 2723 ° F).

Temperatura wrzenia

3200 K (2927 ° C, 5301 ° F).

Gęstość w temperaturze pokojowej

8,90 g / cm ³ .

Ciepło topnienia

16,06 kJ / mol.

Ciepło parowania

377 kJ / mol.

Molowa pojemność kaloryczna

24,81 J / mol K

Szybkość dźwięku

4720 m / s (mierzone na metalowym pręcie).

Twardość

5,0 w skali Mohsa.

Magnetyzm

Jest to jeden z trzech elementów ferromagnetycznych w temperaturze pokojowej. Magnesy kobaltowe zachowują swój magnetyzm w temperaturach nawet do 1121ºC (2050ºF).

Elektroujemność

1,88 w skali Paulinga.

Energia jonizacji

Pierwszy stopień jonizacji: 740,4 kJ / mol.

Drugi poziom jonizacji: 1648 kJ / mol.

Trzeci stopień jonizacji: 3232 kJ / mol.

Radio atomowe

125 po południu.

Objętość atomowa

6,7 cm ³ / mol.

Reakcje

Kobalt powoli rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach mineralnych. Nie łączy się bezpośrednio z wodorem lub azotem, ale poprzez ogrzewanie łączy się z węglem, fosforem i siarką. W wysokich temperaturach wiąże się z tlenem obecnym w parze wodnej.

Energicznie reaguje z 15 M kwasem azotowym, tworząc azotan kobaltu Co (NO ₃ ) ₂ . Słabo reaguje z kwasem solnym, tworząc chlorek kobaltu, CoCl ₂ . Kobalt nie tworzy wodorków.

Zarówno Co ^{+2, jak} i Co ⁺³ tworzą liczne kompleksy koordynacyjne, uważane za jeden z metali o największej liczbie tych kompleksów.

Aplikacje

Stopy

Stopy kobaltu są używane do produkcji silników odrzutowych i silników turbinowych. Stop o nazwie Alinco, składający się z aluminium, niklu i kobaltu, ma silne właściwości magnetyczne. Magnesy Alinco są używane w aparatach słuchowych, kompasach i mikrofonach.

Tak zwane narzędzia tnące wykonane są ze stopów stellitowych, wykonanych z kobaltu, chromu i wolframu. Nadstopy mają temperaturę topnienia zbliżoną do kobaltu i charakteryzują się dużą twardością, dzięki czemu są wykorzystywane do produkcji narzędzi o niskiej rozszerzalności.

Ceramika, rzeźby i szkło

Szklanki do okularów z kobaltem. Źródło: Pxhere.

Od czasów starożytnych kobalt był używany w wielu kulturach, aby nadać ich sztuce i pracom dekoracyjnym niebieski odcień. W tym sensie zastosowano tlenki: kobalt, CoO i kobalt, Co ₃ O ₄ .

Oprócz ich wykorzystania w produkcji ceramiki, szkieł i emalii, do wytwarzania katalizatorów wykorzystuje się tlenki kobaltu.

Lekarze

W leczeniu raka stosowany jest kobalt-60 ( ⁶⁰ Co), radioaktywny izotop emitujący promieniowanie beta (β) i gamma (γ). Γ promieniowanie jest promieniowaniem elektromagnetycznym, więc ma zdolność przenikania do tkanek i docierania do komórek nowotworowych, umożliwiając w ten sposób ich eliminację.

Komórki rakowe to komórki, które dzielą się szybko, co czyni je bardziej podatnymi na promieniowanie jonizujące, które uderza w ich jądro, uszkadzając materiał genetyczny.

⁶⁰ Co, podobnie jak inne radioizotopy, stosuje się do sterylizacji materiałów, które są stosowane w praktyce lekarskiej.

Podobnie kobalt jest używany do produkcji implantów ortopedycznych, podobnie jak tytan i stal nierdzewna. W wielu endoprotezoplastyce stawu biodrowego stosuje się kobaltowo-chromowe trzpienie udowe.

Energia alternatywna

Kobalt jest używany w celu poprawy wydajności akumulatorów, odgrywając użyteczną rolę w pojazdach hybrydowych.

Galwanotechnika

Kobalt służy do nadania powierzchniom metalowym dobrego wykończenia, które chroni je przed utlenianiem. Siarczan kobaltu cosø ₄ , na przykład jest głównym związek kobaltu stosuje się w tym zakresie.

W laboratoriach

Chlorek kobaltu, CoCl ₂ .6H ₂ O, jest stosowany jako wskaźnik wilgoci w eksykatorach. Jest to różowa substancja stała, która podczas nawilżania zmienia kolor na niebieski.

Rola biologiczna

Kobalt jest częścią centrum aktywnego witaminy B ₁₂ (cyjanokobalaminy), która bierze udział w dojrzewaniu erytrocytów. Jej brak powoduje anemię charakteryzującą się pojawieniem się w krwiobiegu dużych erytrocytów zwanych megaloblastami.

Gdzie to się znajduje

Skorupa ziemska

Kobalt jest szeroko rozpowszechniony w całej skorupie ziemskiej; chociaż jego stężenie jest bardzo niskie, szacując, że stanowi 25 ppm skorupy ziemskiej. Tymczasem w całym Układzie Słonecznym jego względne stężenie wynosi 4 ppm.

Występuje w niewielkich ilościach w kompleksach niklowo-żelazowych, pochodzących z Ziemi i meteorytów. Występuje również w połączeniu z innymi pierwiastkami w jeziorach, rzekach, morzach, roślinach i zwierzętach.

Aneuryna

Ponadto jest niezbędnym pierwiastkiem do odżywiania przeżuwaczy i występuje w witaminie B ₁₂ , niezbędnej do dojrzewania erytrocytów. Kobalt zwykle nie jest izolowany, ale występuje w różnych minerałach połączonych z innymi pierwiastkami.

Minerały

Do minerałów kobaltu należą: kobaltyt w połączeniu z arsenem i siarką; erytryt, utworzony z arsenu i uwodnionego kobaltu; glaukodot utworzony przez kobalt, żelazo, arsen i siarkę; i skutterudyt utworzony przez kobalt, nikiel i arszenik.

Ponadto można zauważyć następujące dodatkowe minerały kobaltu: linnaelit, szkliwo i heterogenit. W minerałach kobaltowi towarzyszy głównie nikiel, arsen i żelazo.

W większości przypadków kobalt nie jest wydobywany z rud, które go zawierają, ale jest produktem ubocznym wydobycia niklu, żelaza, arsenu, miedzi, manganu i srebra. Do ekstrakcji i izolacji kobaltu z tych minerałów wymagany jest złożony proces.

Bibliografia

1. Wikipedia. (2019). Kobalt. Odzyskane z: en.wikipedia.org
2. A. Owen i D. Madoc Jone. (1954). Wpływ wielkości ziarna na strukturę krystaliczną kobaltu. Proc. Phys. Soc. B 67 456. doi.org/10.1088/0370-1301/67/6/302
3. Víctor A. de la Peña O′Shea, Pilar Ramírez de la Piscina, Narcis Homs, Guillem Aromí i José LG Fierro. (2009). Rozwój sześciokątnych nanocząstek kobaltu o zamkniętym upakowaniu, stabilnych w wysokiej temperaturze. Chemistry of Materials 21 (23), 5637-5643. DOI: 10,1021 / cm900845h.
4. Dr Anne Marie Helmenstine (02 lutego 2019). Fakty i właściwości fizyczne kobaltu. ThoughtCo. Odzyskany z: thinkco.com
5. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (08 czerwca 2019). Kobalt. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Kobalt. Odzyskany z: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Elementy dla dzieci: kobalt. Odzyskany z: ducksters.com