KOBALT: SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK, ALKALMAZÁSOK - KÉMIA - 2025

A kobalt egy átmeneti fém, amely a periódusos rendszer VIIIB csoportjába tartozik és amelynek kémiai szimbóluma a Co. Szilárd kék-szürke (szennyeződésektől függően), amely a földkéregben található; bár koncentrációja alig képviseli 25 ppm-ét, vagy ennek 0,001% -át.

Ez a fém nélkülözhetetlen nyomelem a kérődzők táplálkozásában. Ez szintén része a B _12- vitamin magjának, amely az eritrociták éréséhez szükséges. A B _12- vitamin szerkezete hasonló a hemoglobin hem csoportjához; de Co helyett a hit helyett.

Fém kobalt minta. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

A természetben a kobalt nem általában tiszta, hanem olyan összetett ásványi mátrixokban található, mint például: kobaltit, skutterudit, eritrit stb. Ezekben az ásványokban a kobaltot általában nikkel, vas vagy arzén kombinálják.

A „kobalt” elnevezés a német kobalttól származik, amely viszont a koboltból származik, a névnek, amelyet a bányászok ásványi ércekhez adtak, amelyek kék színezékeket állítottak elő és kevés fémet tartalmaztak, amelyeket ismertek; Ércek, amelyeket érdemes megemlíteni, mérgezést okoztak számukra.

A kobalt az ércekben található, többek között a nikkel, a vas és a réz. Ezért nem lehet tiszta előállítani, és a tisztításhoz intenzív finomítási munkákat igényel, amíg a felhasználás nem lesz praktikus.

A svéd vegyész, Georg Brandt fedezte fel 1730 és 1740 között. Ez volt az első fém, amelyet az őskor óta fedeztek fel. Brandt rámutatott, hogy a kobalt a felelős a kerámia és üveg kék árnyalatáért; és nem a bizmutból, ahogyan azt addig hitték.

A kobaltnak 29 izotópja van. Az ⁵⁹ Co stabil, és a kobalt izotópjainak csaknem 100% -át képviseli; a fennmaradó 28 radioizotóp. Ide tartoznak a rák kezelésében használt ⁶⁰ ko-ko. Ez egy mágneses elem, amely magas hőmérsékleten megőrzi mágnesességét. Ez a tulajdonság lehetővé tette ötvözetek kialakítását, például az úgynevezett Alinco-t, amelyeket hangszórókban, mikrofonokban, rádiókürtökben stb. Használnak.

Történelem

Antikvitás

A kobaltot már 2000 és 3000 között használták fel, az egyiptomiak, a perzsa és a kínai dinasztiák szobrok és kerámiák készítésénél használták. Ez biztosítja a műalkotásokban és a használati tárgyakban elismert kék színű színt.

Az egyiptomiak (Kr. E. 1550–1292) valószínűleg az első emberek, akik kobaltot használtak az üveg kék színének megadására.

A kobaltot nem ércekben izolálják, hanem ásványok jelenlétében, nikkel, réz és arzén mellett.

A réz nikkel-olvadékkal történő megolvasztásakor arzén-oxid jött létre, amely egy nagyon mérgező gáz, amely a bányászok szenvedése okozta.

Felfedezés

Kb. 1735-ben a kobaltot fedezte fel Georg Brandt svéd vegyész, aki rájött, hogy éppen a kobalt a fém, amely hozzájárul a kerámia és az üveg kék színéhez.

Ez volt az első fém, amelyet az ókorban fedeztek fel. Azóta az ember számos fémet használt, mint például vas, réz, ezüst, ón, arany, stb. Sok esetben nem ismert, mikor kezdték meg ezeket használni.

Bányászati ​​termelés

A világ első kobaltbányászata Európában kezdődött, Norvégia volt az első kobaltkék-gyártó; alumínium-oxid és kobalt vegyület, valamint zománc (porított kobalt üveg), amelyet pigmentekként használnak kerámia és festékben.

A kobalttermelés döntő többsége Új-Kaledóniába (1864) és Kanadába (1904) költözött, az Ontario régióban, mivel ezekben az országokban lerakódásokat fedeztek fel.

Később a jelenlegi Kongói Demokratikus Köztársaság (1913) a világ vezető kobaltgyártójává vált, mivel a Katanga régióban nagy lerakódásokat fedeztek fel. Jelenleg ez az ország, Kanadával és Ausztráliával együtt az egyik legfontosabb kobaltgyártó.

Eközben a ROC a világ vezető finomított kobalt előállítója, amely a fémot a Kongói Demokratikus Köztársaságból importálja finomítás céljából.

1938-ban John Livinglood és Glenn Seaborg ⁶⁰ Co atomreaktorban termeltek; Radioaktív izotóp, amelyet rák kezelésére használnak az orvostudományban.

A kobalt szerkezete és elektronkonfigurációja

A kobalt, mint más fémek is, atomjait a fémkötésen keresztül tartja össze. Az erő és a nyomás olyan, hogy fémkristályt hoznak létre, ahol az elektronok daganata és a vezetőképessávok magyarázzák elektromos és hővezető képességüket.

A kobaltkristályok mikroszkópos elemzésével kiderül, hogy kompakt hatszögletű szerkezetűek; vannak AB atom… rétegekben elrendezett Co atomok háromszögei, amelyek háromszög alakú prizmákat alkotnak egymással összekapcsolt rétegekkel, amelyek viszont a hatszög hatodik részét képviselik.

Ez a szerkezet a legtöbb kobaltmintában megtalálható 450 ° C alatti hőmérsékleten. A hőmérséklet emelkedésével azonban átmenet kezdődik két kristályos fázis között: a kompakt hatszögletű (hcp) és az arc-központú köbös (fcc).

Az átmenet lassú, tehát nem minden hatszögletű kristály köbös. Így magas hőmérsékleten a kobalt mindkét kristályos szerkezetet felmutathatja; és akkor tulajdonságai már nem egységesek az összes fém esetében.

Kristály gyöngyök mérete

A kristályszerkezet nem teljesen tökéletes; olyan rendellenességeket tárhat fel, amelyek különböző méretű kristályos szemcséket határoznak meg. Minél kisebbek, annál könnyebb fém vagy szivacsszerű. Másrészt, ha a szemcsék nagyok, a fém szilárd és szilárd anyaggá válik.

A kobalt hatása az, hogy nemcsak a szemcsék módosítják a fém külső megjelenését, hanem a kristályszerkezetét is. 450 ºC alatti hőmérsékleten a hcp-struktúrának kell dominálnia; de ha a szemek kicsik, mint a szivacsos kobalt esetében, az uralkodó struktúra az fcc.

Ellenkező esetben fordul elő, ha a szemcsék nagyok: az fcc struktúra dominál a hcp felett. Ennek van értelme, mivel a nagy szemek nehezebbek és nagyobb nyomást gyakorolnak egymásra. Magasabb nyomáson a Co-atomok jobban tömörülnek és úgy döntnek, hogy alkalmazzák a hcp struktúrát.

Magas hőmérsékleten (T> 1000ºC) a fent leírt átmenetek történnek; de a szivacsos kobalt esetében a kristályok kis része hatszögletűvé válik, míg a legtöbb továbbra is köbös.

Stabil hcp nanokristályok

Egy spanyol kutatási munkában (Peña O'shea V. és mtsai., 2009) kimutatták, hogy lehetséges hatszögletű kobalt nanokristályok szintézise, ​​amelyek képesek 700 ° C körüli hőmérsékleten ellenállni anélkül, hogy átalakulnának az fcc fázisba.

Ehhez, a kutatók csökkentett minták kobalt-oxidok CO és H ₂, megállapítva, hogy a hcp nanokristályok tartozott azok stabilitása olyan bevonó szén nanoszálak.

Elektronikus konfiguráció és oxidációs állapotok

A kobalt elektronkonfigurációja:

3d ⁷ 4s ²

Ezért elméletileg akár kilenc elektron elveszhet a valenciahéjából; de ez nem történik meg (legalábbis normál körülmények között), és a Co ⁹⁺ kation sem ^képződik.

Oxidációs állapota: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, a +2 és +3 a fő.

Tulajdonságok

Fizikai megjelenés

Szilárd, ragyogó, kék-szürke fém. A csiszolt kobalt ezüstfehér, kékes árnyalatú.

Atomsúly

58,933 g / mol.

Atomszám

27.

Periódusos táblázat

Ez egy átmeneti fém, amely a 9. csoportba tartozik (VIIIB), 4. időszak.

Olvadáspont

1,768 K (1 495 ° C, 2723 ° F).

Forráspont

3200 K (2,927 ° C, 5,301 ° F).

Sűrűség szobahőmérsékleten

8,90 g / cm ³.

A fúziós hő

16,06 kJ / mol.

A párolgás hője

377 kJ / mol.

Moláris kalóriakapacitás

24,81 J / mol K

A hang sebessége

4720 m / s (fém rudakon mérve).

Keménység

5.0 a Mohs skálán.

Mágnesesség

Ez szobahőmérsékleten a három feromágneses elem egyike. A kobaltmágnesek megtartják mágnesességüket akár 1,121ºC (2,050ºF) hőmérsékleten is.

elektronegativitás

1,88 a Pauling skálán.

Ionizációs energia

Az ionizáció első szintje: 740,4 kJ / mol.

Második ionizációs szint: 1648 kJ / mol.

Az ionizáció harmadik szintje: 3 232 kJ / mol.

Atomic radio

125 órakor.

Atomi térfogat

6,7 cm ³ / mol.

reakciók

A kobalt lassan feloldódik híg ásványi savakban. Nem kombinálódik közvetlenül hidrogénnel vagy nitrogénnel, de hevítéssel kombinálható a szén, foszfor és kénnel. Magas hőmérsékleten kötődik a vízgőzben lévő oxigénhez.

Erősen reagál 15 M salétromsavval, és kobalt-nitrátot képez, Co (NO ₃) ₂. Reagál gyengén sósavval képezve kobalt-klorid, CoCI ₂. A kobalt nem képez hidrideket.

A Co ⁺² és a Co ^{+3 egyaránt} számos koordinációs komplexet alkotnak, és ezeknek a komplexeknek a legnagyobb számú fémet tekintik.

Alkalmazások

ötvözetek

A kobaltötvözeteket sugárhajtóművek és gázturbina motorok gyártásához használják. Az Alinco nevű ötvözet, amely alumíniumból, nikkelből és kobaltból áll, erős mágneses tulajdonságokkal rendelkezik. Az Alinco mágneseket hallókészülékekben, iránytűkben és mikrofonokban használják.

Az úgynevezett vágószerszámok sztellit ötvözetekkel készülnek, kobaltból, krómból és volfrámból. A szuper ötvözetek olvadáspontja közel áll a kobalthoz, és nagy keménységük jellemzi, és ezeket alacsony tágulású szerszámok gyártása során használják.

Kerámia, szobrok és üveg

Szemüveg szemüveg kobalt. Forrás: Pxhere.

Az ókorban a kobaltot számos kultúra használta, hogy művészete és dekoratív alkotása kék színű legyen. Ebben az értelemben oxidokat használtak: kobalt, CoO és kobalt, Co ₃ O ₄.

A kobalt-oxidokat a kerámiák, poharak és zománcok előállításán túl katalizátorok előállításánál használják.

Az orvosok

A kobalt-60 (⁶⁰ Co) radioaktív izotópot, amely béta (β) és gamma (γ) sugárzást bocsát ki, a rák kezelésében használják. Γ a sugárzás elektromágneses sugárzás, tehát képes behatolni a szövetekbe és eljutni a rákos sejtekbe, lehetővé téve ezzel a felszámolást.

A rákos sejtek olyan sejtek, amelyek nagy sebességgel osztódnak meg, ami hajlamosabbá teszi őket a magba ütköző ionizáló sugárzásra, károsítva a genetikai anyagot.

A ⁶⁰ Co-t, a többi radioizotóphoz hasonlóan, az orvosi gyakorlatban használt anyagok sterilizálására is használják.

Hasonlóképpen, a kobaltot titán és rozsdamentes acél mellett használják az ortopédiai implantátumok gyártásához. A csípőpótlások nagy részében kobalt-króm combcsontot alkalmaznak.

Alternatív energia

A kobaltot az újratölthető akkumulátorok teljesítményének javítására használják, hasznos szerepet játszanak a hibrid járművekben.

Galvanizálás

A kobalt felhasználásával jó felületű fémfelületeket biztosít, amelyek megvédik azokat az oxidációtól. Kobalt-szulfát, kobaltnak ₄, például a fő kobalt-vegyületet használjuk ebben a tekintetben.

A laboratóriumokban

Kobalt-klorid, CoCI ₂.6H ₂ O, használják a nedvesség indikátor deszikátorokban. Ez egy rózsaszínű szilárd anyag, amely hidratálódáskor kék színűvé válik.

Biológiai szerepe

A kobalt a B _12- vitamin (cianokobalamin) aktív helyének része, amely részt vesz az eritrociták érésében. Ennek hiánya olyan vérszegénységet okoz, amelyet a nagy vörösvértestek megaloblastoknak nevezett vérkeringésében való megjelenése jellemez.

Hol található

Földkéreg

A kobalt széles körben elterjedt a földkéregben; bár koncentrációja nagyon alacsony, becslések szerint ez a földkéreg 25 ppm-ét teszi ki. Eközben a Naprendszer egészében relatív koncentrációja 4 ppm.

Kis mennyiségben található a nikkel-vas komplexekben, őshonos a Földre és a meteoritokra. Más elemekkel kombinálva megtalálható tavakban, folyókban, tengerekben, növényekben és állatokban is.

B-vitamin

Ezenkívül alapvető elem a kérődzők táplálkozásában, és jelen van a B ₁₂ -vitaminban, amely az eritrociták éréséhez szükséges. A kobalt a természetben általában nem elszigetelt, hanem különféle ásványokban található meg, más elemekkel kombinálva.

Ásványok

A kobalt ásványi anyagok közé tartoznak a következők: kobaltit arzénnel és kénnel kombinálva; eritrit, amelyet arzén és hidratált kobalt alkot; a kobalt, vas, arzén és kén által alkotott glaukód; és a kobalt, nikkel és arzén által alkotott skutterudit.

Ezenkívül a következő további kobalt-ásványok figyelhetők meg: linnaelit, esmaltite és heterogenite. A kobaltot ásványi anyagok kísérik, főleg nikkel, arzén és vas.

A kobaltot általában nem az abból származó ércekből nyerik, hanem a nikkel, vas, arzén, réz, mangán és ezüst kitermelésének mellékterméke. Az ásványok kobalt kinyerésére és izolálására összetett folyamat szükséges.

Irodalom

1. Wikipedia. (2019). Kobalt. Helyreállítva: en.wikipedia.org
2. A. Owen és D. Madoc Jone. (1954). A szemcseméret hatása a kobalt kristályszerkezetére. 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 és José LG Fierro. (2009). Magas hőmérsékleten stabil, hatszögletű zárt csomagolású kobalt nanorészecskék fejlesztése. Chemistry of Materials 21 (23), 5637-5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (2019. február 2.). Kobalt tények és fizikai tulajdonságok. ThoughtCo. Helyreállítva: gondolat.com
5. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019. június 8.). Kobalt. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Kobalt. Helyreállítva: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Elemek gyerekeknek: kobalt. Helyreállítva: ducksters.com