Kobolt

Kobolt
←  Järn | Nickel  →
27 Co ↓ Rh 27Co _
Utseendet av en enkel substans
Koboltprover
Atomegenskaper
Namn, symbol, nummer	Kobolt / Cobaltum (Co), 27
Grupp , punkt , block	9 (föråldrad 8), 4, d-element
Atommassa ( molmassa )	58.933194(4)  a. e. m.  ( g / mol )
Elektronisk konfiguration	[Ar] 3d 7 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 7 4s 2
Atomradie	125 pm
Kemiska egenskaper
kovalent radie	116  pm
Jonradie	(+3e) 63 (+2e) 72  pm
Elektronnegativitet	1,88 (Pauling-skala)
Elektrodpotential	E 0 (Co 2+ /Co) \u003d -0,277 V
Oxidationstillstånd	+1; +2; +3; +4; +5
Joniseringsenergi (första elektron)	758,1 (7,86)  kJ / mol  ( eV )
Termodynamiska egenskaper hos ett enkelt ämne
Densitet (vid ej )	8,9 g/cm³
Smält temperatur	1768K _
Koktemperatur	3143K _
Oud. fusionsvärme	15,48 kJ/mol
Oud. avdunstningsvärme	389,1 kJ/mol
Molär värmekapacitet	24,8 [1]  J/(K mol)
Molar volym	6,7  cm³ / mol
Kristallgittret av en enkel substans
Gallerstruktur	Sexkantig tätpackad upp till Т = 427 °С
Gitterparametrar	a=2,505 c=4,089  Å
c / a -förhållande	1,632
Debye temperatur	445K  _
Andra egenskaper
Värmeledningsförmåga	(300 K) 100 W/(m K)
CAS-nummer	7440-48-4

Kobolt ( kemisk symbol  - Co , från lat.  Co baltum ) är ett kemiskt element i den 9:e gruppen (enligt den föråldrade klassificeringen  - en sidoundergrupp av den åttonde gruppen, VIIIB), den fjärde perioden av det periodiska systemet av kemiska element av D. I. Mendeleev , med atomnummer 27.

Det enkla ämnet kobolt  är en silvervit, lätt gulaktig övergångsmetall med en rosa eller blåaktig nyans. Det finns i två kristallina modifikationer: α -Co med ett hexagonalt tätpackat gitter , β -Co med ett kubiskt ansiktscentrerat gitter , övergångstemperatur α↔β 427 °C [1] .

Namnets ursprung

Namnet "kobolt" kommer från det.  "Kobold"  - brownie, tomte. Rostning av arsenikhaltiga koboltmineraler frigör flyktig, giftig arsenikoxid . Malmen som innehåller dessa mineraler fick namnet på bergsspriten kobold av gruvarbetarna . De gamla norrmännen tillskrev förgiftningen av smältverken under omsmältningen av silver till denna onda andes knep. I detta liknar ursprunget till namnet på kobolt ursprunget till namnet på nickel ( tyska  Nickel - busig, dvärg Nickel) [2] . År 1735 kunde den svenske mineralogen Georg Brandt isolera en tidigare okänd metall från sachsiska polymetalliska malmer , som han kallade kobolt, som han beskrev i sin avhandling "Om halvmetaller" ( Dissertatio de semimetallis ) [3] [4] . I den visade han att han hade äran att upptäcka en ny "halvmetall", som tidigare ofta misstades för vismut [5] . Han fick också reda på att föreningarna av detta speciella element blir glasblåa - denna egenskap användes även i det antika Assyrien och Babylon . Till en början fick Brandts upptäckt dock inte vederbörlig berömmelse [4] . Vissa forskare trodde att metallen som upptäcktes av svensken var en blandning av ämnen med en "speciell jord". Den franske kemisten Pierre Joseph Maker 1781 [4] bevisade slutligen att detta är ett oberoende element ; han gav också en beskrivning av metallurgiska metoder för dess utvinning [3] . I mitten av 1830-talet utvecklade den franske veterinären Charles Askin en metod för att separera kobolt-nickelmalmer med blekmedel . Senare förbättrades denna metod och introducerades i industriell produktion [6] .

Koboltblå har hex-färgkoden #0047ab.

Historik

Koboltföreningar har varit kända för människan sedan urminnes tider. Inledningsvis användes kobolt som ett blått färgämne vid tillverkning av dekorativ och brukskonst, glas, emaljer, porslin och keramik , etc. [7] Koboltporslin och keramik kännetecknas av en speciell djup mörkblå färg. Koboltfärger är bland de äldsta och användes i många centra för dekorativ och brukskonst i Europa och Asien . Man tror att i Kina började användningen av kobolt för färgning av keramik samtidigt med spridningen av porslin. Blå koboltglas, emaljer, färger finns i gravarna i Babylonien och det antika Egypten senast 2600 f.Kr. e. [8] Så, i Tutankhamons grav , hittade de föremål gjorda av glas, målade blå, och inte bara med koppar, utan även kobolt [9] . Blå glas och emaljer erhållna med kobolt är kända bland arvet från antikens Grekland och antikens Rom . Det är inte känt om beredningen av glasögon och färger var medveten eller oavsiktlig. Det har konstaterats att kobolt har använts i Azerbajdzjan för tillverkning av glas, emaljer och glasyrer sedan 10-1100-talen. Tydligen var det en biprodukt vid smältningen av koppar från malmfyndigheterna i Dashkesan . I det medeltida Europa har användningen av metall för att skapa hushållsartiklar ( venetianskt glas ) varit känd sedan andra hälften av 1400-talet [8] . Senare, på 1400-1500-talen, började den användas mer allmänt i Europa. År 1550 noterade alkemisten Berenguccio att glasets blå färg berodde på innehållet av ämnet zaffer (zaffer). Sedan dess har varianter av detta namn hittats i andra författares verk. Det antas att ett av koboltmineralerna, safflorit, har sitt namn till zaffar [10 ] .

På grundval av den sydsaxiska polymetalliska malmfyndigheten i Schneeberg ( Ertsbergen ) inleddes koboltbrytning. Det har konstaterats att man från och med 1520-talet började tillverka färg av den, som skickades till Venedig  , det största centrumet för glasproduktion. 1679 gav den tyske alkemisten Johann Kunkel en beskrivning av tillverkningen av en zaffer. År 1790 fanns det 25 koboltfabriker i Europa som specialiserade sig på tillverkning av smalt , även känd som blått koboltglas, blått smalt - ett av mosaikens beståndsdelar [ 10] . Fram till andra hälften av 1800-talet var Tyskland det huvudsakliga centrum för metallbrytning, även om det också producerades i mindre mängder i andra europeiska regioner ( Sverige , Norge , Spanien ). Detta tillstånd fortsatte fram till 1860-talet, då den franske ingenjören Jules Garnier upptäckte att Nya Kaledonien hade rika fyndigheter av nickel- och koboltmalmer. Sedan 1870-talet började deras intensiva utveckling, och den franska ön blev den främsta exportören av kobolt under flera decennier. I början av 1900-talet hittades rika fyndigheter av silver-koboltmalmer i den kanadensiska provinsen Ontario , som håller på att bli huvudleverantören av kobolt till världsmarknaden. År 1909 bröts mer än 1 500 ton metall där, varefter produktionen i denna region gradvis började minska [3] . Sedan 1920-talet har gruvcentrum flyttats till provinsen Katanga i Belgiska Kongo , där Union Minière du Haut-Katanga har startat industriell koboltbrytning [11] . Under 2000-talet är den största tillverkaren av kobolt i världen det schweiziska företaget Glencore . Det är hon som är huvudleverantör av kobolt vid tillverkning av batterier för elektroniska enheter och elfordon. Den schweiziska handlarens främsta tillgång i detta område är koboltproduktionen i Zaire [12] [13] . Koboltbrytning stimulerades av upptäckten av dess egenskaper och utvidgningen av dess omfattning. 1897 föreslog den franske kemisten Paul Sabatier det som en katalysator . Sedan 1901 har metallen introducerats i tillverkningen av snabbtorkande oljefärger. År 1907 patenterade den amerikanske uppfinnaren och industrimannen Elwood Haynes en metod för tillverkning av metallskärare från stelliter  , superhårda legeringar av kobolt och krom, och senare tekniker som använder olika tillsatser (volfram och/eller molybden) började introduceras i dem. Stelliter används ofta för sprutning, ytbeläggning och lödning av maskindelar, verktygsmaskiner och verktyg för att öka slitstyrkan [14] . Sedan första världskriget har kobolt använts i produktionen av hopcalite , som används i personlig andningsskyddsutrustning , särskilt gasmasker. År 1917 upptäckte den japanska forskaren och uppfinnaren Kotaro Honda kobolthaltiga magnetiska legeringar (kobolt, japanskt stål) [14] [15] .

Att vara i naturen

Massfraktionen kobolt i jordskorpan är 4⋅10 −3 %.

Kobolt är en beståndsdel av mineraler: karolit CuCo 2 S 4 , linneit Co 3 S 4 , koboltit CoAsS, sfärokobaltit CoCO 3 , smaltine CoAs 2 , skutterudite (Co, Ni)As 3 och andra. Totalt är ett 30-tal kobolthaltiga mineral kända. Kobolt åtföljs av arsenik , järn , nickel , krom , mangan och koppar .

Halten i havsvatten är ungefär (1,7)⋅10 −10 %.

Insättningar

60 % av de undersökta koboltreserverna finns i Kongo (6 miljoner ton) [16] . Dessutom är fyndigheter kända i Australien (1 miljon ton), Kuba (500 tusen ton), Filippinerna (290 tusen ton), Kanada (270 tusen ton), Zambia (270 tusen ton), Ryssland (250 tusen ton ), såväl som i USA , Frankrike och Kazakstan [17] . Koboltproduktionen i världen kan öka med upp till 200 tusen ton till 2025 [18]

Får

Kobolt erhålls huvudsakligen från nickelmalmer genom att behandla dem med lösningar av svavelsyra eller ammoniak. Pyrometallurgitekniker används också .

Klor används för att separera från nickel med liknande egenskaper , kobolt(II)klorat (Co(ClO 3 ) 2 ) fälls ut och nickelföreningar förblir i lösning.

Kostnaden för metallisk kobolt

På grund av den politiska situationen i Kongobäckenet i slutet av 1970 -talet steg priset på kobolt med 2000 % på ett år.

Från och med den 15 januari 2018 är kostnaden för kobolt på världsmarknaden, enligt London Metal Exchange, $75 000/t [19] . I mars 2021 nådde priset $53 000 per ton på börserna. [tjugo]

Fysiska egenskaper

Kobolt är en hårdmetall som finns i två modifieringar . Vid temperaturer från rumstemperatur till 427 °C är α -modifieringen stabil. Vid temperaturer från 427 °C till smältpunkten (1494 °C) är β -modifieringen av kobolt stabil (ansiktscentrerat kubiskt gitter). Kobolt är en ferromagnet , Curiepunkt 1121 °C. Ett tunt lager av oxider ger den en gulaktig nyans .

Isotoper

Kobolt har bara en stabil isotop, 59Co ( isotopförekomst 100 [ 21]  %). Ytterligare 22 radioaktiva isotoper av kobolt är kända. Den konstgjorda isotopen kobolt-60 används i stor utsträckning som en källa till hård gammastrålning för sterilisering, inom medicin i gammaknivar , upptäckt av gammafel, etc.

Kemiska egenskaper

Oxider

• I luft oxiderar kobolt vid temperaturer över 300 °C.
• Koboltoxid, stabil vid rumstemperatur, är en komplex oxid Co 3 O 4 med en spinellstruktur , i vars kristallstruktur en del av platserna är upptagen av Co 2+-joner och den andra av Co 3+ -joner ; sönderdelas och bildar CoO vid temperaturer över 900 °C.
• Vid höga temperaturer kan α -formen eller β -formen av CoO- oxid erhållas .
• Alla koboltoxider reduceras med väte:

• Kobolt(III)oxid kan erhållas genom att kalcinera kobolt(II)föreningar, till exempel:

Andra anslutningar

• Vid upphettning reagerar kobolt med halogener , och kobolt (III) föreningar bildas endast med fluor .

• Med svavel bildar kobolt 2 olika CoS- modifieringar . Silvergrå α-form (när pulver är sammansmälta) och svart β-form (fäller ut från lösningar).
• När CoS värms upp i en atmosfär av vätesulfid erhålls komplex sulfid Co 9 S 8 .
• Med andra oxiderande element, såsom kol , fosfor , kväve , selen , kisel , bor , bildar kobolt också komplexa föreningar, som är blandningar där kobolt är närvarande med oxidationstillstånd 1, 2, 3.
• Kobolt kan lösa upp väte utan att bilda kemiska föreningar . Två stökiometriska kobolthydrider CoH2 och CoH syntetiserades indirekt .
• Lösningar av koboltsalter CoSO 4 , CoCl 2 , Co(NO 3 ) 2 ger vattnet en ljusrosa färg, eftersom Co 2+-jonen i vattenlösningar finns i form av rosa [Co(H 2 O) 6 ] 2+ aqua komplex . Lösningar av koboltsalter i alkoholer är mörkblå. Många koboltsalter är olösliga.
• Kobolt bildar komplexa föreningar . I +2- oxidationstillståndet bildar kobolt labila komplex, medan de i +3-oxidationstillståndet är mycket inerta. Som ett resultat är kobolt(III)-komplexföreningar nästan omöjliga att erhålla genom direkt ligandutbyte, eftersom sådana processer är extremt långsamma. De mest kända aminokomplexen av kobolt.

De mest stabila komplexen är luteosalter (t.ex. [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ ) gula och roseosalter (t.ex. [Co(NH 3 ) 5 H 2 O] 3+ ) röda eller rosa.

• Kobolt bildar också komplex med CN - , NO 2 - och många andra ligander. Den komplexa anjonen hexanitrokoboltat [Co(NO 2 ) 6 ] 3− bildar en olöslig fällning med kaliumkatjoner, som används i kvalitativ analys.

Applikation

• Speciallegeringar och stål är den huvudsakliga tillämpningen av kobolt.
  • Att legera stål med kobolt ökar dess hårdhet, slitage och värmebeständighet [22] . Koboltstål används för att skapa ett bearbetningsverktyg: borrar, fräsar, etc.
  • Legeringar av kobolt och krom fick sitt eget namn stellite [22] . De har hög hårdhet och slitstyrka. På grund av deras korrosionsbeständighet och biologiska neutralitet används vissa stelliter i proteser (se artikeln " Vitally ").
  • Vissa koboltlegeringar, som de med samarium eller erbium, uppvisar hög remanens, vilket gör att de är lämpliga för att göra kraftfulla värmebeständiga permanentmagneter (se Samarium Cobalt Magnet ).). Dessutom används legeringar baserade på järn och aluminium med kobolt, såsom alnico [22] , som magneter .
  • Kobolt används vid tillverkning av kemiskt resistenta legeringar [22] .
• Kobolt och dess föreningar används i nickel-kadmium och vissa litiumjonbatterier .
• Koboltföreningar används i stor utsträckning för att erhålla ett antal färger och i färgning av glas och keramik [22] . Till exempel tenarblå .
• Kobolt används som katalysator för kemiska reaktioner inom den petrokemiska industrin, polymerindustrin och andra processer.
• Koboltsilicid  är ett utmärkt termoelektriskt material; det möjliggör produktion av termoelektriska generatorer med hög effektivitet.
• Den konstgjorda isotopen kobolt-60 används ofta som en källa till hård gammastrålning för sterilisering, inom medicin i gammaknivar , upptäckt av gammafel, matbestrålning , etc.

Användningen av kobolt i dekoration av keramik och glas

Det finns en åsikt att kobolt först användes i Mesopotamien vid skiftet av det 3:e och 2:a årtusendet f.Kr. Därifrån spreds tekniska metoder för att kombinera kobolt med koppar till det gamla Egypten. Med hjälp av kobolt var det möjligt att imitera lapis lazuli och turkos, som var populära bland egyptierna. Arkeologer hittade keramiska tabletter i Nineve , som berättade om tillverkningen av konstgjorda lapis lazuli och safirer. Dessa tavlor är daterade till 700-talet f.Kr. Antika och venetianska glasblåsare använde aktivt kobolt.

I Kina började användningen av kobolt för färgning av keramik samtidigt med spridningen av porslin. Detta hände under Tang-eran (618-907 e.Kr.). Under den mongoliska Yuan-dynastin (1280-1368) började användningen av kobolt för underglasyrmålning. Storhetstiden för tillverkningen av porslin med blå underglasyrmålning föll på Ming-eran (1368-1644). Koboltfördelningen påverkades av upptäckten av en malmfyndighet nära Jingdezhen. På 1600-talet blev tekniken blå poudre (soufle) utbredd. Koboltpulvret blåstes på den våta porslinsytan med ett bamburör, vars ände var täckt med en sidenduk. Kobolt lade sig på produkten i ett ojämnt tunt lager, vilket gav effekten av flimmer.

Kobolt användes också aktivt i Japan. Dessutom målade han på order av Ostindiska kompaniet i stil med kinesiska mästare, vars produkter det fanns en speciell efterfrågan [23] .

Biologisk roll

Kobolt är ett av de spårämnen som är avgörande för kroppen. Det är en del av vitamin B 12 ( kobalamin ). Kobolt är involverad i hematopoiesis, nervsystemets och leverns funktioner, enzymatiska reaktioner. Människans behov av kobolt är 0,007-0,015 mg dagligen. Människokroppen innehåller 0,2 mg kobolt för varje kilo kroppsvikt. I frånvaro av kobolt utvecklas akobaltos .

Men ett överskott av kobolt i kroppen är också skadligt.

Toxikologi

Kobolt och dess föreningar är giftiga vid intag i höga doser. Dess oorganiska föreningar är också kända för att ha cancerframkallande och mutagena effekter (till exempel sulfat ).

På 1960-talet användes koboltsalter av vissa bryggeriföretag för att stabilisera skummet. De som regelbundet drack mer än fyra liter öl om dagen fick allvarliga biverkningar på hjärtat, och i vissa fall ledde det till döden. Kända fall av den sk. koboltkardiomyopati i samband med ölkonsumtion inträffade från 1964 till 1966 i Omaha (Nebraska), Quebec (Kanada), Leuven (Belgien) och Minneapolis (Minnesota). Dess användning i bryggning har sedan dess upphört och är för närvarande olaglig [24] [25] .

MPC- damm av kobolt i luften är 0,5 mg/m³, i dricksvatten är det tillåtna innehållet av koboltsalter 0,01 mg/l.

Toxisk dos ( LD50 för råttor) - 50 mg.

Särskilt giftiga är ångorna av koboltoktakarbonyl Co 2 (CO) 8 .

Samtidigt används dagligen 40 000 barn under 13 år i Kongo som arbetare i utvinningen av kobolt, som används för att skaffa delar till mobiltelefoner och annan hemelektronik.

Anteckningar

1. ↑ 1 2 Chemical Encyclopedia: in 5 tons / Knunyants I. L. - M . : Soviet Encyclopedia, 1990. - V. 2. - S. 414. - 671 sid. — 100 000 exemplar.
2. ↑ Ann Rooney. Kemi. Från periodiska systemet till nanoteknik . - M. : AST, 2020. - 206 sid. — ISBN 978-5-17-114753-2 . Arkiverad 24 december 2021 på Wayback Machine
3. ↑ 1 2 3 Reznik, Sobol, Khudyakov, 1995 , sid. femton.
4. ↑ 1 2 3 Svidunovich et al., 2020 , sid. 38.
5. ↑ Venetsky, 2005 , sid. 113-114.
6. ↑ Venetsky, 2005 , sid. 114-115.
7. ↑ Venetsky, 2005 , sid. 111-112.
8. ↑ 1 2 Reznik, Sobol, Khudyakov, 1995 , sid. 13.
9. ↑ Kritzman, Stanzo, 1990 , sid. 117.
10. ↑ 1 2 Reznik, Sobol, Khudyakov, 1995 , sid. fjorton.
11. ↑ Reznik, Sobol, Khudyakov, 1995 , sid. 17.
12. ↑ Glencore kommer att sälja en tredjedel av den utvunna kobolten till Kina . Vedomosti . Hämtad 24 december 2021. Arkiverad från originalet 24 december 2021. (ryska)
13. ↑ Specialrapport: Glencore: Den själlösa varujätten . IndustriALL (26 april 2018). Hämtad 24 december 2021. Arkiverad från originalet 24 december 2021. (ryska)
14. ↑ 1 2 Reznik, Sobol, Khudyakov, 1995 , sid. arton.
15. ↑ Venetsky, 2005 , sid. 115.
16. ↑ Teknikföretag stämt över dödsfall i koboltgruvor i DR Kongo  (otillgänglig länk) , BBC, 2019-12-17
17. ↑ Smartphonepriserna förutspås skjuta i höjden . Hämtad 14 januari 2018. Arkiverad från originalet 20 oktober 2020. (obestämd)
18. ↑ Kina har etablerat kontroll över världens försörjning av kobolt - Vedomosti . Hämtad 26 november 2021. Arkiverad från originalet 26 november 2021. (obestämd)
19. ↑ London belägger med metall Exchange : Hem  . www.lme.com. Hämtad 15 januari 2018. Arkiverad från originalet 10 januari 2018.
20. ↑ Koboltpriserna stiger, men ingen glömmer oljan | Vem är det som vet . Hämtad 26 november 2021. Arkiverad från originalet 26 november 2021. (obestämd)
21. ↑ Audi G. , Kondev FG , Wang M. , Huang WJ , Naimi S. Nubase2016-utvärderingen av nukleära egenskaper  // Kinesisk fysik  C. - 2017. - Vol. 41 , iss. 3 . - P. 030001-1-030001-138 . - doi : 10.1088/1674-1137/41/3/030001 . - .
22. ↑ 1 2 3 4 5 Användningen av kobolt . Hämtad 26 januari 2019. Arkiverad från originalet 25 januari 2019. (obestämd)
23. ↑ Evig kobolt på ömtåligt porslin. N. Pavluhina. Antikviteter, konst och samlarföremål. nr 3(65), 2009, s. 4 - 17
24. ↑ Diverse problem Arkiverad 1 februari 2010 på Wayback Machine // truealcohol.land.ru .
25. ↑ Dekret från Ryska federationens överläkare av den 14 november 2001 N 36 "Om antagandet av sanitära regler" (med ändringar och tillägg) Arkiverad kopia av den 19 januari 2012 på Wayback Machine .

Litteratur

• Venetsky S. I. Berättelser om metaller. — M .: MISIS; Malm och metaller, 2005. - 432 sid. — ISBN 5-87623-147-9 .
• Encyclopedic Dictionary of a Young Chemist / Kritzman V. A., Stanzo V. V. - M . : Pedagogy, 1990. - 320 sid. — ISBN 5-7155-0292-6 .
• Reznik I.D., Sobol S.I., Khudyakov V.M. Cobalt. - M . : Mashinostroenie, 1995. - T. 1: Historisk essä. Råkällor av kobolt. Pyrometallurgi av kobolt. — 440 s. - ISBN 5-217-02685-5 .
• Vityaz, P., Svidunovich, N.; Kuis, D.; Voitov I., Myurek, M. Val och tillämpning av material / Ed. ed. N. A. Svidunovich. - Minsk: Belarusian Science, 2020. - V. 4. Val och tillämpning av icke-järnmetaller och legeringar. — 616 sid. - ISBN 978-985-08-2531-5 .

Länkar

• Cobalt on Webelements Arkiverad 30 augusti 2004 på Wayback Machine
• Kobolt i Popular Library of Chemical Elements Arkiverad 25 maj 2007 på Wayback Machine

Ordböcker och uppslagsverk	Stor norsk Storryska  (ryska) Brockhaus och Efron Brockhaus och Efron kanadensisk Litet Brockhaus och Efron Britannica (11:e) Britannica (online) Brockhaus Treccani Universalis
I bibliografiska kataloger BNF : 119794179 GND : 4070047-1 J9U : 987007284052205171 LCCN : sh85027513 NDL : 00566072 NKC : ph543047