KOBOLT: STRUKTUR, EGENSKABER, APPLIKATIONER - KEMI - 2025

Den cobalt er et overgangsmetal, der tilhører gruppen VIIIB i det periodiske system og hvis kemiske symbol er Co er en helt blå - grå (afhængigt urenheder) findes i hele jorden 's skorpe; skønt dens koncentration næppe repræsenterer 25 ppm eller 0,001% af den.

Dette metal er et essentielt sporelement i drøvtyggers ernæring. Det er også en del af kernen i vitamin B ₁₂, som er nødvendig til modning af erythrocytter. Vitamin B ₁₂ har en struktur, der ligner strukturen i hemmegruppen af ​​hæmoglobin; men med Co i stedet for tro.

Metallisk koboltprøve. Kilde: Hi-Res-billeder af kemiske elementer

I naturen findes kobolt normalt ikke ren, men inden for komplekse mineralmatrixer som: cobaltit, skutterudit, erythrit osv. I disse mineraler er cobalt normalt kombineret med nikkel, jern eller arsen.

Navnet 'kobolt' kommer fra den tyske kobolt, som igen stammede fra kobolt, det navn, som minearbejdere gav mineralmalme, der producerede blå farvestoffer og havde få metaller, som de kendte; Malme, som det er værd at nævne, forårsagede dem forgiftning.

Cobalt findes blandt andet i malme sammen med nikkel, jern og kobber. Derfor kan det ikke opnås rent og kræver intens raffineringsarbejde for at rense det, indtil det er praktisk anvendt.

Det blev opdaget af den svenske kemiker Georg Brandt mellem 1730 og 1740. Det var det første metal opdaget siden forhistorien. Brandt påpegede, at kobolt var ansvarlig for den blå farve af keramik og glas; og ikke vismut, som man troede indtil da.

Cobalt har 29 isotoper. Den ⁵⁹ Co er stabil og repræsenterer næsten 100% af isotoper af cobalt; de resterende 28 er radioisotoper. Disse inkluderer ⁶⁰ Co, der anvendes til behandling af kræft. Det er et magnetisk element, der bevarer sin magnetisme ved høje temperaturer. Denne egenskab har gjort det muligt for den at danne legeringer såsom den såkaldte Alinco, der bruges i højttalere, mikrofoner, radiohorn osv.

Historie

antikken

Kobolt blev brugt så langt tilbage som 2.000 til 3.000 år f.Kr. Egypterne, perserne og kinesiske dynastier brugte det til fremstilling af deres skulpturer og keramik. Det gav den blå farve, som så værdsat i kunstværker og brugsgenstande.

Egypterne (1550 - 1292 f.Kr.) var sandsynligvis de første mennesker, der brugte kobolt for at give glas dets blå farve.

Kobolt isoleres ikke i malm, men i nærvær af mineraler med nikkel, kobber og arsen.

Når man forsøgte at smelte kobber med nikkel, blev der produceret arsenoxid, en meget giftig gas, der var årsagen til forgiftningen, som minearbejdere havde lidt.

Opdagelse

Kobolt blev opdaget i ca. 1735 af den svenske kemiker Georg Brandt, der indså, at kobolt netop var metallet, der gav den blå farve af keramik og glas.

Det var det første metal, der blev opdaget siden oldtiden. Siden denne tid brugte mennesket adskillige metaller såsom jern, kobber, sølv, tin, guld osv. I mange tilfælde er det ukendt, hvornår de begyndte at blive brugt.

Minedrift

Den første koboltminedrift i verden begyndte i Europa, hvor Norge var den første producent af koboltblå; en forbindelse af aluminiumoxid og kobolt samt emalje (pulveriseret koboltglas), der bruges som pigment i keramik og i maling.

Den overvægt i produktionen af ​​kobolt flyttede til Ny Kaledonien (1864) og Canada (1904) i Ontario-regionen på grund af opdagelsen af ​​forekomster i disse lande.

Senere blev den nuværende demokratiske republik Congo (1913) verdens førende producent af kobolt på grund af opdagelsen af ​​store forekomster i Katanga-regionen. I øjeblikket er dette land sammen med Canada og Australien en af ​​de største koboltproducenter.

I mellemtiden er ROC verdens førende producent af raffineret kobolt, der importerer metallet fra Den Demokratiske Republik Congo til raffinering.

I 1938 opnåede John Livinglood og Glenn Seaborg produktion i en ⁶⁰ Co atomreaktor; En radioaktiv isotop, der bruges i medicin til behandling af kræft.

Struktur og elektronkonfiguration af kobolt

Som andre metaller holder kobolt sine atomer sammen gennem den metalliske binding. Kraften og kompressionen er sådan, at de opretter en metallisk krystal, hvor der er et tidevand af elektroner og ledningsbånd, der forklarer deres elektriske og termiske ledningsevne.

Ved mikroskopisk analyse af cobaltkrystaller vil det kunne konstateres, at de har en kompakt hexagonal struktur; der er trekanter af Co-atomer arrangeret i ABAB… lag, der danner trekantede prismer med sammenflettede lag, som igen repræsenterer en sjettedel af en hexagon.

Denne struktur er til stede for de fleste cobaltprøver ved temperaturer under 450 ° C. Når temperaturen stiger, begynder imidlertid en overgang mellem to krystallografiske faser: den kompakte hexagonale (hcp) og den ansigt-centrerede kubik (fcc, for dens forkortelse på engelsk: ansigt-centreret kubik).

Overgangen er langsom, så ikke alle hexagonale krystaller bliver kubiske. Ved høje temperaturer kan kobolt således udvise begge krystallinske strukturer; og derefter er dens egenskaber ikke længere homogene for alt metal.

Krystallperler størrelse

Krystallstrukturen er ikke helt perfekt; det kan indeholde uregelmæssigheder, som definerer krystallinske korn i forskellige størrelser. Jo mindre de er, jo lettere er metallet eller svamplignende. På den anden side, når kornene er store, bliver metallet solidt og solidt.

Detaljen med kobolt er, at ikke kun kornene ændrer det ydre udseende af metallet: også dets krystallinske struktur. Under 450 ° C bør hcp-strukturen dominerer; men når kornene er små, som i svampet kobolt, er den dominerende struktur fcc.

Det modsatte sker, når kornene er store: fcc-strukturen dominerer over hcp. Det giver mening, da store kerner er tungere og lægger større pres på hinanden. Ved højere tryk komprimerer Co-atomerne mere og vælger at anvende hcp-strukturen.

Ved høje temperaturer (T> 1000 ºC) forekommer de netop beskrevne overgange; men i tilfælde af svampet kobolt bliver en lille del af dens krystaller hexagonal, mens de fleste fortsat er kubiske.

Stabile nanokrystaller af HCP

I et spansk forskningsarbejde (Peña O'shea V. et al., 2009) blev det demonstreret, at det var muligt at syntetisere hexagonale koboltnanokrystaller, der var i stand til at modstå temperaturer tæt på 700 ° C uden at gennemgå overgang til fcc-fasen.

For at gøre dette, forskerne reducerede prøver af cobaltoxider med CO og H ₂, fastslog, at HCP nanokrystaller skylder deres stabilitet til et overtræk af kulstofnanofibre.

Elektronisk konfiguration og oxidationstilstande

Elektronkonfigurationen af ​​kobolt er:

3d ⁷ 4s ²

Det kan derfor teoretisk miste op til ni elektroner fra dens valensskal; men dette sker ikke (i det mindste under normale forhold), og Co ⁹⁺ -kationen ^{dannes heller ikke}.

Dens oxidationstilstande er: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, hvor +2 og +3 er de vigtigste.

Ejendomme

Fysisk fremtoning

Massivt, skinnende, blågrå metal. Poleret kobolt er sølvfarvet med en blålig nuance.

Atomvægt

58,933 g / mol.

Atom nummer

27.

Periodiske system

Det er et overgangsmetal, der hører til gruppe 9 (VIIIB), periode 4.

Smeltepunkt

1.768 K (1.495 ° C, 2.723 ° F).

Kogepunkt

3.200 K (2.927 ° C, 5.301 ° F).

Tæthed ved stuetemperatur

8,90 g / cm ³.

Fusionsvarme

16,06 kJ / mol.

Fordampningsvarme

377 kJ / mol.

Molær kalorikapacitet

24,81 J / mol K

Lydens hastighed

4.720 m / s (målt på en metalstang).

Hårdhed

5,0 i Mohs-skalaen.

Magnetisme

Det er et af de tre ferromagnetiske elementer ved stuetemperatur. Koboltmagneter beholder deres magnetisme ved temperaturer så høje som 1.121 ° C.

elektronegativitet

1,88 på Pauling-skalaen.

Ioniseringsenergi

Første niveau af ionisering: 740,4 kJ / mol.

Andet ioniseringsniveau: 1.648 kJ / mol.

Tredje ioniseringsniveau: 3.232 kJ / mol.

Atomradio

125 pm.

Atomisk volumen

6,7 cm ³ / mol.

Reaktioner

Kobolt opløses langsomt i fortyndede mineralsyrer. Det kombineres ikke direkte med brint eller nitrogen, men det kombineres med kulstof, fosfor og svovl ved opvarmning. Det binder sig til det ilt, der er til stede i vanddamp ved høje temperaturer.

Reagerer kraftigt med 15 M salpetersyre, danner cobaltnitrat, Co (NO ₃) ₂. Reagerer svagt med saltsyre til dannelse af cobaltchlorid, CoCl ₂. Cobalt danner ikke hydrider.

Både Co ⁺² og Co ⁺³ danner adskillige koordinationskomplekser, idet de betragtes som en af ​​metallerne med det højeste antal af disse komplekser.

Applikationer

Legeringer

Koboltlegeringer bruges til fremstilling af jetmotorer og gasturbinemotorer. En legering kaldet Alinco, der består af aluminium, nikkel og kobolt, har stærke magnetiske egenskaber. Alinco-magneter bruges i høreapparater, kompasser og mikrofoner.

De såkaldte skæreværktøjer er fremstillet med stellitlegeringer, lavet af kobolt, krom og wolfram. Superlegeringer har et smeltepunkt tæt på kobolt og er kendetegnet ved deres store hårdhed, der anvendes til fremstilling af værktøjer til lav ekspansion.

Keramik, skulpturer og glas

Briller med kobolt. Kilde: Pxhere.

Siden oldtiden er kobolt blevet brugt af mange kulturer til at give deres kunst og dekorative værker en blå farvetone. I den forstand er oxider blevet anvendt: cobalt, CoO, og cobalt, Co ₃ O ₄.

Ud over deres anvendelse til fremstilling af keramik, glas og emaljer anvendes cobaltoxider til fremstilling af katalysatorer.

Læger

Cobalt-60 (⁶⁰ Co), en radioaktiv isotop, der udsender beta (β) og gamma (γ) stråling, bruges til behandling af kræft. Γ stråling er elektromagnetisk stråling, så den har evnen til at trænge ind i væv og nå kræftceller, hvilket tillader deres udryddelse.

Kræftceller er celler, der deler sig hurtigt, hvilket gør dem mere modtagelige for ioniserende stråling, der rammer deres kerne og beskadiger genetisk materiale.

Den ⁶⁰ Co, ligesom andre radioisotoper, anvendes i sterilisering af materialer, der anvendes i medicinsk praksis.

Ligeledes anvendes kobolt til fremstilling af ortopædiske implantater sammen med titan og rustfrit stål. De fleste hofteudskiftninger bruger cobalt-krom femoral stængler.

Alternativ energi

Kobolt bruges til at forbedre genopladelige batteriers ydelse og spiller en nyttig rolle i hybridbiler.

galvanisering

Cobalt bruges til at give metaloverflader en god finish, der beskytter dem mod oxidation. Cobaltsulfat, COSO ₄, for eksempel, er den vigtigste cobaltforbindelse anvendes i denne henseende.

I laboratorier

Cobaltochlorid, CoCl ₂.6H ₂ O, anvendes som en fugtindikator i desiccators. Det er et lyserødt fast stof, der skifter til en blå farve, når den hydrerer.

Biologisk rolle

Cobalt er en del af det aktive sted af vitamin B ₁₂ (cyanocobalamin), der er involveret i modningen af ​​erythrocytter. Dets fravær forårsager en anæmi, der er karakteriseret ved udseendet i blodcirkulationen af ​​store erytrocytter, der er kendt som megaloblaster.

Hvor er det placeret

Jordskorpe

Kobolt er bredt fordelt over jordskorpen; skønt dens koncentration er meget lav, estimeres det, at den udgør 25 ppm af jordskorpen. I solsystemet som helhed er dens relative koncentration i mellemtiden 4 ppm.

Det findes i små mængder i nikkel-jernkomplekser, der er hjemmehørende i Jorden og i meteoritter. Det findes også i kombination med andre elementer i søer, floder, søer, planter og dyr.

Vitamin B

Derudover er det et væsentligt element til ernæring af drøvtyggere og er til stede i vitamin B ₁₂, nødvendigt til modning af erytrocytter. Kobolt er normalt ikke isoleret i naturen, men findes i forskellige mineraler kombineret med andre elementer.

Mineraler

Koboltmineraler inkluderer følgende: cobaltit, i kombination med arsen og svovl; erythrit, dannet af arsen og hydreret kobolt; glaukodotten dannet af kobolt, jern, arsen og svovl; og skutterudit dannet af kobolt, nikkel og arsen.

Derudover kan følgende følgende koboltmineraler bemærkes: linnaelit, emalje og heterogenit. Cobalt ledsages i mineraler hovedsageligt af nikkel, arsen og jern.

Det meste af tiden udvindes ikke kobolt fra malmene, der indeholder den, men er et biprodukt fra udvindingen af ​​nikkel, jern, arsen, kobber, mangan og sølv. En kompleks proces er påkrævet for at ekstrahere og isolere kobolt fra disse mineraler.

Referencer

1. Wikipedia. (2019). Cobalt. Gendannet fra: en.wikipedia.org
2. A. Owen og D. Madoc Jone. (1954). Effekt af kornstørrelse på krystalstrukturen af ​​kobolt. 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 og José LG Fierro. (2009). Udvikling af sekskantede lukkede pakninger af kobolt-nanopartikler, der er stabile ved høj temperatur. Materialekemi 21 (23), 5637-5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Anne Marie Helmenstine, ph.d. (02. februar 2019). Koboltfakta og fysiske egenskaber. ThoughtCo. Gendannes fra: thoughtco.com
5. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (8. juni 2019). Cobalt. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com
6. LookChem. (2008). Cobalt. Gendannes fra: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Elementer til børn: kobolt. Gendannes fra: ducksters.com