COBALT: STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, APLICAȚII - CHIMIE - 2025

Cobalt este un metal de tranziție aparținând grupului Vlllb a tabelului periodic și al cărui simbol chimic este Co este un solid albastru - gri (impurități în funcție) a găsit pe tot pământul e crusta; deși concentrația sa reprezintă cu greu 25 ppm sau 0,001% din aceasta.

Acest metal este un oligoelement esențial în nutriția rumegătoarelor. De asemenea, face parte din nucleul vitaminei B ₁₂ , necesar pentru maturarea eritrocitelor. Vitamina B ₁₂ are o structură similară cu cea a grupului hemo al hemoglobinei; dar cu Co în loc de Credință.

Eșantion de cobalt metalic. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

În natură, cobaltul nu se găsește de obicei pur, ci în matrice minerale complexe precum: cobaltitul, skutteruditul, eritritul etc. În aceste minerale, cobaltul este de obicei combinat cu nichel, fier sau arsen.

Numele „cobalt” provine de la kobalt german, care la rândul său a derivat din kobolt, numele pe care minerii l-au dat minereurilor minerale care produceau coloranți albastri și aveau puține metale pe care le știau; Minereuri care, merită menționate, le-au provocat intoxicații.

Cobaltul se găsește în minereuri împreună cu nichel, fier și cupru, printre alte metale. Prin urmare, nu poate fi obținut pur și necesită o muncă intensă de rafinare pentru ao purifica până când utilizarea sa este practică.

A fost descoperit de chimistul suedez Georg Brandt, între 1730 și 1740. A fost primul metal descoperit încă din preistorie. Brandt a subliniat că cobaltul era responsabil pentru nuanța albastră a ceramicii și sticlei; și nu bismut, așa cum se credea până atunci.

Cobaltul are 29 de izotopi. ⁵⁹ Co este stabilă și reprezintă aproape 100% din izotopii de cobalt; restul de 28 sunt radioizotopi. Acestea includ ⁶⁰ Co, utilizate în tratamentul cancerului. Este un element magnetic, conservându-și magnetismul la temperaturi ridicate. Această proprietate i-a permis formarea de aliaje precum așa-numitul Alinco, utilizate în difuzoare, microfoane, coarne radio etc.

Istorie

Antichitate

Cobaltul a fost utilizat încă din 2000 până la 3.000 de ani î.Hr., egiptenii, perșii și dinastiile chinezești l-au folosit la confecționarea sculpturilor și ceramicii lor. Aceasta a oferit colorarea albastră atât de apreciată în operele de artă și în articolele de utilizare.

Egiptenii (1550 - 1292 î.Hr.) au fost probabil primii oameni care au folosit cobaltul pentru a da sticla culoarea albastră.

Cobaltul nu este izolat în minereuri, ci în prezența mineralelor cu nichel, cupru și arsenic.

Atunci când încercați să topească cupru cu nichel, a fost produs oxid de arsen, un gaz foarte otrăvitor care a fost cauza intoxicației suferite de mineri.

Descoperire

Cobaltul a fost descoperit, aproximativ, în anul 1735 de chimistul suedez Georg Brandt, care și-a dat seama că, tocmai, cobaltul a fost metalul care a contribuit la colorarea albastră a ceramicii și a sticlei.

A fost primul metal descoperit din cele mai vechi timpuri. Din acest moment, omul a folosit numeroase metale precum fier, cupru, argint, staniu, aur etc. În multe cazuri nu se știe când au început să fie utilizate.

Producția minieră

Prima exploatare de cobalt din lume a început în Europa, Norvegia fiind primul producător de albastru de cobalt; un compus de alumină și cobalt, precum și email (sticlă de cobalt pulbere), utilizat ca pigment în ceramică și vopsea.

Preponderența în producția de cobalt s-a mutat în Noua Caledonie (1864) și Canada (1904), în regiunea Ontario, din cauza descoperirii depozitelor în aceste țări.

Ulterior, actuala Republică Democratică Congo (1913) a devenit liderul mondial de producție de cobalt din cauza descoperirii unor zăcăminte mari în regiunea Katanga. În prezent, această țară, împreună cu Canada și Australia, este unul dintre principalii producători de cobalt.

Între timp, ROC este principalul producător mondial de cobalt rafinat, importând metalul din Republica Democrată Congo pentru a rafina.

În 1938, John Livinglood și Glenn Seaborg au obținut producția într-un reactor atomic de ⁶⁰ Co; Izotop radioactiv care este utilizat în medicament pentru a trata cancerul.

Structura și configurația electronică a cobaltului

Cobaltul, ca și alte metale, își menține atomii împreună prin legătura metalică. Forța și compresia sunt astfel încât să stabilească un cristal metalic, unde există un val de electroni și benzi de conducere care explică conductivitățile lor electrice și termice.

Analizând microscopic cristalele de cobalt, se va constata că acestea posedă o structură hexagonală compactă; există triunghiuri de atomi de Co dispuse în straturi ABAB …, formând prisme triunghiulare cu straturi intercalate, care, la rândul lor, reprezintă a șasea parte a unui hexagon.

Această structură este prezentă pentru majoritatea probelor de cobalt la temperaturi sub 450ºC. Cu toate acestea, atunci când temperatura crește, începe o tranziție între două faze cristalografice: hexagonalul compact (hcp) și cubul centrat pe față (fcc, pentru acronimul său în engleză: face-centric cubic).

Tranziția este lentă, așa că nu toate cristalele hexagonale devin cubice. Astfel, la temperaturi ridicate cobaltul poate prezenta ambele structuri cristaline; și atunci proprietățile sale nu mai sunt omogene pentru tot metalul.

Mărimea mărgelelor de cristal

Structura cristalului nu este complet perfectă; poate găzdui nereguli, care definesc boabele cristaline de diferite dimensiuni. Cu cât sunt mai mici, cu atât este mai ușor metalul sau aspectul buretelui. Pe de altă parte, când boabele sunt mari, metalul va deveni solid și solid.

Detaliul cu cobalt este că nu numai boabele modifică aspectul exterior al metalului, ci și structura sa cristalină. Sub 450ºC, structura hcp ar trebui să predomine; dar când boabele sunt mici, ca în cobaltul spongios, structura dominantă este fcc.

Contrar apare atunci când boabele sunt mari: structura fcc domină peste hcp. Are sens, deoarece cerealele mari sunt mai grele și pun o presiune mai mare unul pe celălalt. La presiuni mai mari, atomii de Co compactează mai mult și aleg să adopte structura hcp.

La temperaturi ridicate (T> 1000ºC), au loc tranzițiile tocmai descrise; dar în cazul cobaltului spongios, o mică parte din cristalele sale devin hexagonale, în timp ce majoritatea continuă să fie cubice.

Nanocristale stabile de hcp

Într-o lucrare de cercetare spaniolă (Peña O'shea V. et al., 2009), s-a demonstrat că a fost posibilă sintetizarea nanocristalelor de cobalt hexagonale, capabile să reziste la temperaturi apropiate de 700ºC, fără a trece tranziția la faza fcc.

Pentru a face acest lucru, cercetatorii au redus mostre de oxizi de cobalt cu CO și H ₂ , constatând că nanocristalelor hcp datorate stabilitatea lor la un strat de nanofibre de carbon.

Configurare electronică și stări de oxidare

Configurația electronică a cobaltului este:

3d ⁷ 4s ²

Prin urmare, poate teoretic pierde până la nouă electroni din carcasa sa de valență; dar acest lucru nu se întâmplă (cel puțin în condiții normale) și nici nu se ^formează cationul Co ⁹⁺ .

Stările sale de oxidare sunt: ​​-3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, cu +2 și +3 fiind principalele.

Proprietăți

Aspectul fizic

Metal solid, lucios, albastru-cenușiu. Cobaltul lustruit este alb argintiu cu o nuanță albăstruie.

Greutate atomica

58,933 g / mol.

Numar atomic

27.

Tabelul periodic

Este un metal de tranziție care aparține grupei 9 (VIIIB), perioada 4.

Punct de topire

1.768 K (1.495 ° C, 2.723 ° F).

Punct de fierbere

3.200 K (2.927 ° C, 5.301 ° F).

Densitatea la temperatura camerei

8,90 g / cm ³ .

Căldură de fuziune

16,06 kJ / mol.

Căldură de vaporizare

377 kJ / mol.

Capacitate calorică molară

24,81 J / mol K

Viteza sunetului

4.720 m / s (măsurat pe o tijă metalică).

Duritate

5.0 pe scara Mohs.

Magnetism

Este unul dintre cele trei elemente feromagnetice la temperatura camerei. Magneții cu cobalt își păstrează magnetismul la temperaturi de până la 1.121ºC (2.050ºF).

electronegativitate

1,88 pe scara Pauling.

Energie de ionizare

Primul nivel de ionizare: 740,4 kJ / mol.

Al doilea nivel de ionizare: 1.648 kJ / mol.

Al treilea nivel de ionizare: 3.232 kJ / mol.

Radio atomic

Ora 125 pm.

Volumul atomic

6,7 cm ³ / mol.

reacţii

Cobaltul se dizolvă încet în acizi minerali diluați. Nu se combină direct cu hidrogen sau azot, dar se combină cu carbon, fosfor și sulf prin încălzire. Se leagă de oxigenul prezent în vaporii de apă la temperaturi ridicate.

Reacționează puternic cu acid azotic 15 M, formând nitrat de cobalt, Co (NO ₃ ) ₂ . Reacționează slab cu acid clorhidric pentru a forma clorura de cobalt, COCI ₂ . Cobaltul nu formează hidruri.

Atât Co ^{+2 cât} și Co ⁺³ formează numeroase complexe de coordonare, fiind considerate unul dintre metalele cu cel mai mare număr de aceste complexe.

Aplicații

aliaje

Aliajele de cobalt sunt utilizate la fabricarea motoarelor cu jet și a motoarelor cu turbină pe gaz. Un aliaj numit Alinco, format din aluminiu, nichel și cobalt, are proprietăți magnetice puternice. Magneții Alinco sunt folosiți în aparate auditive, busole și microfoane.

Așa-numitele instrumente de tăiere sunt realizate cu aliaje stelate, realizate din cobalt, crom și tungsten. Superalloys-urile au un punct de topire apropiat de cel al cobaltului și se caracterizează prin duritatea lor mare, fiind utilizate la fabricarea uneltelor cu expansiune redusă.

Ceramica, sculpturi și sticlă

Pahare ochelari cu cobalt. Sursa: Pxhere.

Încă din cele mai vechi timpuri, cobaltul a fost folosit de numeroase culturi pentru a oferi artei și lucrărilor decorative o nuanță albastră. În acest sens, s-au folosit oxizi: cobalt, CoO și cobalt, Co ₃ O ₄ .

Pe lângă utilizarea lor la fabricarea de ceramică, pahare și emailuri, oxizii de cobalt sunt folosiți la prepararea catalizatorilor.

Medicii

Cobalt-60 ( ⁶⁰ Co), un izotop radioactiv care emite radiații beta (β) și gamma (γ), este utilizat în tratamentul cancerului. Γ radiația este radiație electromagnetică, deci are capacitatea de a pătrunde în țesuturi și de a ajunge la celulele canceroase, permițând astfel eradicarea acestora.

Celulele canceroase sunt celule care se divid rapid, ceea ce le face mai susceptibile la radiații ionizante care lovește nucleul lor, dăunând materialului genetic.

⁶⁰ Co, cum ar fi alți radioizotopi, este utilizat în sterilizarea materialelor care sunt utilizate în practica medicală.

De asemenea, cobaltul este utilizat la fabricarea implanturilor ortopedice, alături de titan și oțel inoxidabil. O mare parte din înlocuitori de șold au tulpini femurale de crom cobalt.

Energie alternativa

Cobaltul este utilizat pentru a îmbunătăți performanța bateriilor reîncărcabile, jucând un rol util în vehiculele hibride.

Galvanizare

Cobaltul este utilizat pentru a asigura suprafețelor metalice cu un finisaj bun care le protejează împotriva oxidării. Sulfatul de cobalt, CoSO ₄ , de exemplu, este principalul compus de cobalt utilizat în această privință.

În laboratoare

Clorură cobaltoasă COCI ₂ .6H ₂ O, este utilizat ca un indicator de umiditate în desicatoare. Este un solid roz care se schimbă la o culoare albastră pe măsură ce se hidratează.

Rolul biologic

Cobaltul face parte din situsul activ al vitaminei B ₁₂ (cianocobalamina) care este implicată în maturarea eritrocitelor. Absența acesteia determină o anemie caracterizată prin apariția în circulația sângelui a eritrocitelor mari cunoscute sub numele de megaloblaste.

Unde este localizat

scoarța terestră

Cobaltul este distribuit pe scară largă în toată scoarța terestră; deși concentrația sa este foarte scăzută, estimând că aceasta constituie 25 ppm din scoarța terestră. Între timp, în sistemul solar, în ansamblu, concentrația sa relativă este de 4 ppm.

Se găsește în cantități mici în complexele de nichel-fier, fiind originară pe Pământ și în meteoriți. Se găsește, de asemenea, în combinație cu alte elemente din lacuri, râuri, mări, plante și animale.

Vitamina B

În plus, este un element esențial pentru nutriția rumegătoarelor și este prezent în vitamina B ₁₂ , necesară pentru maturarea eritrocitelor. Cobaltul nu este de obicei izolat în natură, dar se găsește în diferite minerale combinate cu alte elemente.

minerale

Mineralele de cobalt includ următoarele: cobaltit, în combinație cu arsenic și sulf; eritrit, format din arsen și cobalt hidratat; glaucodot format din cobalt, fier, arsen și sulf; și skutteruditul format din cobalt, nichel și arsenic.

În plus, pot fi remarcate următoarele minerale suplimentare de cobalt: linnaelită, email și heterogenit. Cobaltul este însoțit de minerale în principal de nichel, arsen și fier.

De cele mai multe ori, cobaltul nu este extras din minereurile care îl conțin, ci este un produs secundar al mineritului de nichel, fier, arsenic, cupru, mangan și argint. Este necesar un proces complex pentru extragerea și izolarea cobaltului din aceste minerale.

Referințe

1. Wikipedia. (2019). Cobalt. Recuperat de la: en.wikipedia.org
2. A. Owen și D. Madoc Jone. (1954). Efectul mărimii cerealelor asupra structurii cristaline a cobaltului. 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 și José LG Fierro. (2009). Dezvoltarea nanoparticulelor hexagonale de cobalt cu ambalaj închis stabil la temperatură ridicată. Chimia materialelor 21 (23), 5637-5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Anne Marie Helmenstine, doctorat. (02 februarie 2019). Fapte de cobalt și proprietăți fizice. ThoughtCo. Recuperat de la: thinkco.com
5. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (08 iunie 2019). Cobalt. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Cobalt. Recuperat de la: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Elemente pentru copii: cobalt. Recuperat de la: ducksters.com