КОБАЛЬТ: СТРУКТУРА, ВЛАСТИВОСТІ, ЗАСТОСУВАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Кобальту є перехідний метал , належить до групи VIIIB періодичної таблиці і чий хімічний символ Ко є суцільний синій - сірий ( в залежності домішки) знайдені по всій землі російської кори; хоча його концентрація навряд чи становить 25 проміле або 0,001%.

Цей метал є важливим мікроелементом у харчуванні жуйних тварин. Він також входить до складу ядра вітаміну В ₁₂ , необхідного для дозрівання еритроцитів. Вітамін В ₁₂ має структуру, подібну до структури гемоглобіну; але з Ко замість Віри.

Зразок металевого кобальту. Джерело: Зображення високої здатності хімічних елементів

У природі кобальт зазвичай не зустрічається чистим, але в межах складних мінеральних матриць, таких як: кобальтит, скутертуліт, еритрит тощо. У цих мінералах кобальт зазвичай поєднується з нікелем, залізом або миш'яком.

Назва «кобальт» походить від німецького кобальту, який, у свою чергу, походить від кобольту, імені, яке шахтарі дали мінеральним рудам, які виробляли сині барвники та мали мало знаних їм металів; Руди, які, варто згадати, спричинили їх отруєння.

Кобальт міститься в рудах разом з нікелем, залізом та міддю, серед інших металів. Тому його не можна отримати чистим, і для його очищення потрібна інтенсивна доопрацювання, поки його використання не стане практичним.

Його відкрив шведський хімік Георг Брандт між 1730 і 1740 рр. Це був перший метал, виявлений ще з доісторії. Брандт зазначив, що кобальт відповідає за блакитний відтінок кераміки та скла; а не вісмут, як вважали до цього часу.

Кобальт має 29 ізотопів. ⁵⁹ Co є стабільним і становить майже 100% від ізотопів кобальту; решта 28 - радіоізотопи. Сюди входить ⁶⁰ Co, що застосовується при лікуванні раку. Це магнітний елемент, що зберігає свій магнетизм при високих температурах. Ця властивість дозволила йому утворювати сплави, такі як так званий Alinco, використовуваний у гучномовцях, мікрофонах, радіороках тощо.

Історія

Античність

Кобальт використовувався ще в 2000 - 3000 роках до нашої ери. Єгиптяни, перси та китайські династії використовували його для виготовлення своїх скульптур та кераміки. Це надало синю забарвлення так цінуваного у витворах мистецтва та предметах вжитку.

Єгиптяни (1550 - 1292 рр. До н. Е.), Ймовірно, були першими людьми, які використовували кобальт, щоб надати склу його синій колір.

Кобальт не виділяється в рудах, а в присутності мінералів з нікелем, міддю та миш'яком.

При спробі розплавлення міді з нікелем утворювався оксид миш'яку, дуже отруйний газ, який став причиною отруєння, яке зазнали шахтарі.

Відкриття

Приблизно в 1735 році кобальт був відкритий шведським хіміком Георгом Брандтом, який зрозумів, що саме кобальт - це метал, який сприяв синьому забарвленню кераміки та скла.

Це був перший метал, виявлений з давніх часів. З цього часу людина використовувала численні метали, такі як залізо, мідь, срібло, олово, золото тощо. У багатьох випадках невідомо, коли їх почали використовувати.

Видобуток виробництва

Перший видобуток кобальту в світі розпочався в Європі, Норвегія - перший виробник кобальтового синього; сполука глинозему та кобальту, а також емаль (порошкоподібне скло кобальту), що використовується як пігмент у кераміці та фарбі.

Перевага у виробництві кобальту переїхала до Нової Каледонії (1864) та Канади (1904), в регіоні Онтаріо через відкриття родовищ у цих країнах.

Пізніше нинішня Демократична Республіка Конго (1913 р.) Стала провідним світовим виробником кобальту через відкриття великих родовищ у регіоні Катанга. В даний час ця країна разом з Канадою та Австралією є одним з основних виробників кобальту.

Тим часом РПЦ є провідним світовим виробником рафінованого кобальту, який імпортує метал з Демократичної Республіки Конго для переробки.

У 1938 році Джон Лівінглод та Глен Сіборг домоглися виробництва в атомному реакторі ⁶⁰ Со; Радіоактивний ізотоп, який використовується в медицині для лікування раку.

Структура та конфігурація електронів кобальту

Кобальт, як і інші метали, утримує свої атоми разом через металевий зв’язок. Сила і стиснення такі, що вони встановлюють металевий кристал, де є приплив електронів і смуг провідності, що пояснює їх електричну та теплопровідність.

Мікроскопічно аналізуючи кристали кобальту, буде встановлено, що вони мають компактну шестикутну структуру; є трикутники атомів Co, розташовані в шарах ABAB …, утворюючи трикутні призми з проміжними шарами, які, в свою чергу, являють собою шосту частину шестикутника.

Ця структура присутня для більшості зразків кобальту при температурі нижче 450ºC. Однак, коли температура підвищується, починається перехід між двома кристалографічними фазами: компактною шестикутною (hcp) та облицьованою кубічною (fcc, для її абревіатури англійською мовою: face-cented cubic).

Перехід повільний, тому не всі гексагональні кристали виходять кубічними. Таким чином, при високих температурах кобальт може проявляти обидві кристалічні структури; і тоді його властивості вже не є однорідними для всього металу.

Розмір кришталевих намистин

Кристалічна структура не є повністю досконалою; він може містити нерівності, які визначають кристалічні зерна різної величини. Чим вони менше, тим легше металеві або губчасті. З іншого боку, коли зерна будуть великими, метал стане твердим і твердим.

Подробиця кобальту полягає в тому, що не тільки зерна змінюють зовнішній вигляд металу: також його кристалічну структуру. Під температурою нижче 450ºC повинна переважати структура гектару; але коли зерна дрібні, як у губчатого кобальту, домінуючою структурою є FCC.

Навпаки відбувається, коли зерна великі: структура FCC домінує над гепатитом. Це має сенс, оскільки великі зерна важчі і чинять більший тиск один на одного. При більш високих тисках атоми Co більше ущільнюються і вирішують прийняти структуру hcp.

При високих температурах (T> 1000 ° C) відбуваються щойно описані переходи; але у випадку з губчастим кобальтом невелика частина його кристалів стає гексагональною, в той час як більшість продовжує бути кубічною.

Стабільні нанокристали hcp

В іспанській дослідницькій роботі (Peña O'shea V. et al., 2009) було продемонстровано, що можна синтезувати гексагональні нанокристали кобальту, здатні витримувати температуру, близьку до 700 ° C, не переходячи до фази FCC.

Для цього дослідники зменшували зразки оксидів кобальту з СО та Н ₂ , виявивши, що нанокристали hcp завдячують своїй стабільності покриттю вуглецевих нановолокон.

Електронна конфігурація та стани окислення

Конфігурація електронів кобальту:

3d ⁷ 4s ²

Тому теоретично він може втратити до дев'яти електронів зі своєї валентної оболонки; але цього не відбувається (принаймні, в нормальних умовах), а також не ^{утворюється} катіон Co ⁹⁺ .

Стани його окислення: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, основними з яких є +2 і +3.

Властивості

Зовнішність

Твердий, блискучий, синьо-сірий метал. Полірований кобальт сріблясто-білий з синюватим відтінком.

Атомна вага

58,933 г / моль.

Атомне число

27.

Періодична таблиця

Це перехідний метал, який належить до групи 9 (VIIIB), період 4.

Точка плавлення

1,768 К (1495 ° С, 2723 ° F).

Точка кипіння

3200 K (2927 ° C, 5 301 ° F).

Щільність при кімнатній температурі

8,90 г / см ³ .

Тепло синтезу

16,06 кДж / моль.

Тепло випаровування

377 кДж / моль.

Молярна калорійність

24,81 Дж / моль K

Швидкість звуку

4720 м / с (вимірюється на металевому стрижні).

Твердість

5,0 за шкалою Мооса.

Магнетизм

Це один з трьох феромагнітних елементів кімнатної температури. Кобальтові магніти зберігають свій магнетизм при температурі до 1121ºC (2050ºF).

Електронегативність

1,88 за шкалою Полінга.

Енергія іонізації

Перший рівень іонізації: 740,4 кДж / моль.

Другий рівень іонізації: 1648 кДж / моль.

Третій рівень іонізації: 3232 кДж / моль.

Атомне радіо

125 вечора.

Атомний об'єм

6,7 см ³ / моль.

Реакції

Кобальт повільно розчиняється у розведених мінеральних кислотах. Він не поєднується безпосередньо з воднем чи азотом, але поєднується з вуглецем, фосфором та сіркою при нагріванні. Він зв’язується з киснем, присутнім у водяній парі при високих температурах.

Енергійно реагує з 15 М азотною кислотою, утворюючи нітрат кобальту, Co (NO ₃ ) ₂ . Слабо реагує з соляною кислотою з утворенням хлориду кобальту, CoCl ₂ . Кобальт не утворює гідридів.

І Co ^+2, і Co ⁺³ утворюють численні координаційні комплекси, які вважаються одним із металів з найбільшою кількістю цих комплексів.

Програми

Сплави

Кобальтові сплави використовують у виробництві реактивних двигунів та газотурбінних двигунів. Сплав під назвою Alinco, що складається з алюмінію, нікелю та кобальту, має сильні магнітні властивості. Магніти Alinco застосовуються в слухових апаратах, компасах і мікрофонах.

Так звані ріжучі інструменти виготовляють із сплавів стеліту, виготовлених з кобальту, хрому та вольфраму. Супералолі мають температуру плавлення, близьку до температури кобальту, і характеризуються великою твердістю, що використовується при виготовленні інструментів низького розширення.

Кераміка, скульптура та скло

Окуляри окуляри з кобальтом. Джерело: Pxhere.

З давніх часів кобальт використовувався численними культурами, щоб надати своїм художнім та декоративним творам блакитний відтінок. У цьому сенсі використовували оксиди: кобальт, CoO та кобальт, Co ₃ O ₄ .

Крім їх використання у виробництві кераміки, окулярів та емалей, оксиди кобальту використовуються при приготуванні каталізаторів.

Лікарі

Кобальт-60 ( ⁶⁰ Co), радіоактивний ізотоп, що випромінює бета (β) та гамма (γ) випромінювання, використовується для лікування раку. Γ випромінювання - це електромагнітне випромінювання, тому воно має здатність проникати в тканини і досягати ракових клітин, тим самим дозволяючи їх викорінювати.

Ракові клітини - це клітини, які діляться з високою швидкістю, що робить їх більш сприйнятливими до іонізуючого випромінювання, яке вражає їх ядро, пошкоджуючи генетичний матеріал.

⁶⁰ Co, як і інші радіоізотопи, використовується в стерилізації матеріалів, які використовуються в медичній практиці.

Так само кобальт використовується у виробництві ортопедичних імплантатів, поряд з титаном та нержавіючої сталі. Велика частина заміщення стегна використовує кобальт-хромовані стегнові стебла.

Альтернативна енергія

Кобальт використовується для підвищення продуктивності акумуляторних батарей, граючи корисну роль у гібридних транспортних засобах.

Гальванічне покриття

Кобальт використовується для забезпечення металевих поверхонь гарною обробкою, що захищає їх від окислення. Наприклад, сульфат кобальту, наприклад, CoSO ₄ , є основною сполукою кобальту, яка використовується в цьому плані.

У лабораторіях

Хлорид кобальту, CoCl ₂ .6H ₂ O, використовується в якості індикатора вологості в ексикаторах. Це тверда речовина рожевого кольору, яка змінюється на синій колір у міру її зволоження.

Біологічна роль

Кобальт є частиною активного сайту вітаміну В ₁₂ (ціанокобаламіну), який бере участь у дозріванні еритроцитів. Його відсутність викликає анемію, що характеризується появою в кровообігу великих еритроцитів, відомих як мегалобласти.

Де це знаходиться

Земна кора

Кобальт широко поширений по всій земній корі; хоча його концентрація є дуже низькою, оцінюючи, що вона становить 25 частин на мільйон земної кори. Тим часом у Сонячній системі загалом її відносна концентрація становить 4 проміле.

Він міститься в незначній кількості в нікелевих залізних комплексах, будучи рідним для Землі та метеоритів. Він також зустрічається в поєднанні з іншими елементами в озерах, річках, морях, рослинах і тваринах.

Вітамін В

Крім того, він є важливим елементом живлення жуйних тварин і присутній у вітаміні В ₁₂ , необхідному для дозрівання еритроцитів. Кобальт зазвичай не ізольований у природі, але міститься в різних мінералах у поєднанні з іншими елементами.

Корисні копалини

До мінералів кобальту належать: кобальтит у поєднанні з миш'яком та сіркою; еритрит, утворений миш'яком та гідратованим кобальтом; глаукодо, утворений кобальтом, залізом, миш'яком та сіркою; і скутертуліт, утворений кобальтом, нікелем та миш'яком.

Крім того, можна відзначити наступні додаткові мінерали кобальту: лінеаліт, емаль та гетерогеніт. Кобальт супроводжується в мінералах переважно нікелем, миш'яком та залізом.

Здебільшого кобальт не видобувається з руд, які його містять, але є побічним продуктом видобутку нікелю, заліза, миш'яку, міді, марганцю та срібла. Потрібен складний процес для вилучення та виділення кобальту з цих мінералів.

Список літератури

1. Вікіпедія. (2019). Кобальт. Відновлено з: en.wikipedia.org
2. А. Оуен та Д. Мадок Джоун. (1954). Вплив розміру зерна на кристалічну структуру кобальту. Зб. Фіз. Соц. Б 67 456. doi.org/10.1088/0370-1301/67/6/302
3. Віктор А. де ла Пенья О'Шея, Пілар Рамірес де ла Піскіна, Нарцис Хомс, Гілем Аромі та Хосе LG Фієро. (2009). Розвиток гексагональних наночастинок кобальту, стійких при високій температурі. Хімія матеріалів 21 (23), 5637-5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Енн Марі Гельменстін, к.т.н. (02 лютого 2019 р.). Факти та фізичні властивості кобальту. ДумкаCo. Відновлено з: thinkco.com
5. Редактори Encyclopeedia Britannica. (08 червня 2019 р.). Кобальт. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
6. Вишук. (2008). Кобальт. Відновлено з: lookchem.com
7. Качки. (2019). Елементи для дітей: кобальт. Відновлено з: ducksters.com