KOBALT: STRUKTURA, VLASTNOSTI, APLIKACE - CHEMIE - 2025

Kobalt je přechodový kov náležející do skupiny VIIIB periodické tabulky a jejichž chemická značka je Co je modrá - šedá (v závislosti nečistoty) nalézt v celé zemi ‚s kůrky; i když jeho koncentrace jen stěží představuje 25 ppm nebo 0,001%.

Tento kov je nezbytným stopovým prvkem ve výživě přežvýkavců. To je také součástí jádra vitaminu B ₁₂, které jsou nezbytné pro zrání erytrocytů. Vitamin B ₁₂ má strukturu podobnou jako heme skupině hemoglobinu; ale s Co místo Faith.

Vzorek kovového kobaltu. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvků

V přírodě se kobalt obvykle nenachází čistý, ale ve složitých minerálních matricích, jako jsou: kobaltit, skutterudit, erythrit atd. V těchto minerálech je kobalt obvykle kombinován s niklem, železem nebo arsenem.

Název „kobalt“ pochází z německého kobaltu, který je zase odvozen od koboltu, což je název, který horníci dali minerálním rudám, které vyráběly modré barvy a měly málo kovů, které znaly; Rudy, které stojí za zmínku, způsobily otravu.

Kobalt se nachází v rudách společně s niklem, železem a mědí. Nelze jej tedy získat čistě a vyžaduje intenzivní rafinační práci, aby bylo očištěno, dokud nebude jeho použití praktické.

Byl objeven švédským chemikem Georgem Brandtem v letech 1730 až 1740. Byl to první kov objevený od pravěku. Brandt zdůraznil, že kobalt je zodpovědný za modrý nádech keramiky a skla; a ne bizmut, jak se do té doby věřilo.

Kobalt má 29 izotopů. ⁵⁹ Co je stabilní a představuje téměř 100% izotopů kobaltu; zbývajících 28 jsou radioizotopy. Patří mezi ně ⁶⁰ Co, používané při léčbě rakoviny. Je to magnetický prvek, který udržuje svůj magnetismus při vysokých teplotách. Tato vlastnost mu umožnila tvořit slitiny, jako je tzv. Alinco, používané v reproduktorech, mikrofonech, rádiových rohech atd.

Dějiny

Starověk

Kobalt byl používán již v období 2 000 až 3 000 let před naším letopočtem, kdy ho Egypťané, Peršané a čínští dynastii použili při výrobě svých soch a keramiky. Poskytovalo modré zbarvení, které je tak oceněno v uměleckých dílech a v článcích o použití.

Egypťané (1550 - 1292 př.nl) byli pravděpodobně prvními lidmi, kteří použili kobalt, aby dali sklenici modrou barvu.

Kobalt není izolován v rudách, ale v přítomnosti minerálů s niklem, mědí a arsenem.

Při pokusu o roztavení mědi niklem byl vyroben oxid arzenitý, velmi jedovatý plyn, který způsobil otravu horníkům.

Objev

Kobalt byl objeven přibližně v roce 1735 švédským chemikem Georgem Brandtem, který si uvědomil, že kobalt je právě kov, který přispěl k modré zbarvení keramiky a skla.

Byl to první kov objevený od starověku. Od této doby člověk používal mnoho kovů, jako je železo, měď, stříbro, cín, zlato atd. V mnoha případech není známo, kdy se začaly používat.

Těžba

První těžba kobaltu na světě začala v Evropě, přičemž Norsko bylo prvním výrobcem kobaltové modři; směs aluminy a kobaltu, stejně jako smalt (práškové kobaltové sklo), používaná jako pigment v keramice a barvě.

Převážná část produkce kobaltu se přesunula do Nové Kaledonie (1864) a Kanady (1904) v regionu Ontario v důsledku objevení vkladů v těchto zemích.

Později se současná Demokratická republika Kongo (1913) stala předním světovým producentem kobaltu díky objevu velkých ložisek v oblasti Katanga. V současné době je tato země spolu s Kanadou a Austrálií jedním z hlavních producentů kobaltu.

Mezitím je ROC předním světovým výrobcem rafinovaného kobaltu, který dováží kov z Demokratické republiky Kongo k rafinaci.

V roce 1938 dosáhli John Livinglood a Glenn Seaborg produkce v atomovém reaktoru ⁶⁰ Co; Radioaktivní izotop, který se v medicíně používá k léčbě rakoviny.

Struktura a elektronová konfigurace kobaltu

Kobalt, stejně jako jiné kovy, drží své atomy pohromadě prostřednictvím kovové vazby. Síla a komprese jsou takové, že vytvářejí kovový krystal, kde je příliv elektronů a vodivých pásem, které vysvětlují jejich elektrickou a tepelnou vodivost.

Mikroskopicky analyzující krystaly kobaltu bylo zjištěno, že mají kompaktní hexagonální strukturu; ve vrstvách ABAB jsou uspořádány trojúhelníky Co atomů, které tvoří trojúhelníkové hranoly s prokládanými vrstvami, které zase představují jednu šestinu hexagonu.

Tato struktura je přítomna pro většinu vzorků kobaltu při teplotách pod 450 ° C. Když však teplota stoupne, začíná přechod mezi dvěma krystalografickými fázemi: kompaktním hexagonálním (hcp) a krychlovým centrem (fcc, pro jeho zkratku v angličtině: krychlovým centrem orientovaným na tvář).

Přechod je pomalý, takže ne všechny hexagonální krystaly se změní na krychlovou. Při vysokých teplotách tak může kobalt vykazovat obě krystalické struktury; a jeho vlastnosti již nejsou homogenní pro všechny kovy.

Velikost křišťálových korálků

Krystalová struktura není úplně dokonalá; může nést nepravidelnosti, které definují krystalická zrna různých velikostí. Čím menší jsou, tím lehčí je kov nebo houba. Na druhé straně, když jsou zrna velká, kov se stane pevným a pevným.

Detail s kobaltem je ten, že nejen zrna modifikují vnější vzhled kovu, ale také jeho krystalickou strukturu. Pod 450 ° C by měla převládat struktura hcp; ale když jsou zrna malá, jako u houbovitého kobaltu, dominuje struktura fcc.

Opak nastává, když jsou zrna velká: struktura fcc dominuje nad hcp. To dává smysl, protože velká zrna jsou těžší a vyvíjejí na sebe větší tlak. Při vyšších tlacích se atomy Co více zhutňují a rozhodnou se přijmout strukturu hcp.

Při vysokých teplotách (T> 1000 ° C) dochází k popsaným přechodům; ale v případě houbovitého kobaltu se malá část jeho krystalů stane hexagonální, zatímco většina zůstává krychlových.

Stabilní hcp nanokrystaly

Ve španělské výzkumné práci (Peña O'shea V. et al., 2009) bylo prokázáno, že je možné syntetizovat hexagonální kobaltové nanokrystaly schopné odolávat teplotám blízkým 700 ° C, aniž by procházely přechody do fáze fcc.

K tomu, vědci snižuje vzorky oxidů kobaltu s CO a H ₂, zjištění, že HCP nanokrystaly dluží jejich stabilita na povlak uhlíkových nanovláken.

Elektronická konfigurace a oxidační stavy

Elektronová konfigurace kobaltu je:

3d ⁷ 4s ²

Může tedy teoreticky ztratit až devět elektronů z valenčního náboje; ale k tomu nedochází (alespoň za normálních podmínek), ani se ^nevytváří kationt Co ⁹⁺.

Jeho oxidační stavy jsou: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, přičemž +2 a +3 jsou hlavní.

Vlastnosti

Fyzický vzhled

Masivní, lesklý, modrošedý kov. Leštěný kobalt je stříbřitě bílý s namodralým nádechem.

Atomová hmotnost

58,933 g / mol.

Protonové číslo

27.

Periodická tabulka

Je to přechodný kov, který patří do skupiny 9 (VIIIB), období 4.

Bod tání

1,768 K (1 495 ° C, 2 723 ° F).

Bod varu

3 200 K (2 927 ° C, 5 311 ° F).

Hustota při pokojové teplotě

8,90 g / cm ³.

Teplo fúze

16,06 kJ / mol.

Odpařovací teplo

377 kJ / mol.

Molární kalorická kapacita

24,81 J / mol K

Rychlost zvuku

4 720 m / s (měřeno na kovové tyči).

Tvrdost

5,0 na Mohsově stupnici.

Magnetismus

Je to jeden ze tří feromagnetických prvků při pokojové teplotě. Kobaltové magnety si zachovávají svůj magnetismus při teplotách až 1 121 ° C (2 050 ° F).

Elektronegativita

1,88 v Paulingově stupnici.

Ionizační energie

První úroveň ionizace: 740,4 kJ / mol.

Druhá úroveň ionizace: 1648 kJ / mol.

Třetí úroveň ionizace: 3,232 kJ / mol.

Atomové rádio

125 pm.

Atomový objem

6,7 cm ³ / mol.

Reakce

Kobalt se pomalu rozpustí ve zředěných minerálních kyselinách. Nekombinuje se přímo s vodíkem nebo dusíkem, ale zahřívá se s uhlíkem, fosforem a sírou. Při vysokých teplotách se váže na kyslík přítomný ve vodní páře.

Rázně reaguje s 15 M kyselinou dusičnou za vzniku dusičnanu kobaltu, Co (NO ₃) ₂. Reaguje slabě s kyselinou chlorovodíkovou za vzniku chlorid kobaltnatý, COCI ₂. Kobalt netvoří hydridy.

Oba Co ⁺² a Co ⁺³ tvoří četné koordinační komplexy, považovány za jeden z kovů s největším počtem těchto komplexů.

Aplikace

Slitiny

Slitiny kobaltu se používají při výrobě proudových motorů a motorů s plynovou turbínou. Slitina zvaná Alinco, složená z hliníku, niklu a kobaltu, má silné magnetické vlastnosti. Alinco magnety se používají ve sluchadlech, kompasech a mikrofonech.

Tzv. Řezné nástroje jsou vyráběny ze slitin stellitu, z kobaltu, chrómu a wolframu. Superslitiny mají bod tání blízký bodu tání kobaltu a vyznačují se velkou tvrdostí, která se používá při výrobě nástrojů s nízkou roztažností.

Keramika, sochy a sklo

Brýle brýle s kobaltem. Zdroj: Pxhere.

Od starověku byl kobalt používán mnoha kulturami, aby svému umění a dekorativnímu dílu dodal modrý nádech. V tomto smyslu byly použity oxidy: kobalt, COO, a kobalt, Co ₃ O ₄.

Kromě jejich použití při výrobě keramiky, skel a smaltů se oxidy kobaltu používají při přípravě katalyzátorů.

Lékaři

Při léčbě rakoviny se používá kobalt-60 (⁶⁰ Co), radioaktivní izotop, který emituje záření beta (β) a gama (y). Γ záření je elektromagnetické záření, takže má schopnost proniknout tkání a dosáhnout rakovinných buněk, což umožňuje jejich eradikaci.

Rakovinové buňky jsou buňky, které se dělí vysokou rychlostí, což je činí citlivější na ionizující záření, které zasahuje jejich jádro a poškozuje genetický materiál.

⁶⁰ Co, stejně jako další radioizotopů, se používá při sterilizaci materiálů, které se používají v lékařské praxi.

Podobně se kobalt používá při výrobě ortopedických implantátů spolu s titanem a nerezovou ocelí. Velká část náhrad kyčle využívá femorální stonky kobalt-chrom.

Alternativní energie

Kobalt se používá ke zlepšení výkonu dobíjecích baterií a hraje užitečnou roli v hybridních vozidlech.

Galvanizace

Kobalt se používá k zajištění kovových povrchů s dobrou povrchovou úpravou, která je chrání před oxidací. Síran kobaltnatý, COSO ₄, například, je hlavní kobaltu sloučenina použitá v tomto ohledu.

V laboratořích

Chlorid kobaltnatý, CoCl ₂.6H ₂ O, se používá jako indikátor vlhkosti v exsikátoru. Je to růžová pevná látka, která se během hydratace mění na modrou barvu.

Biologická role

Kobalt je součástí aktivního místa vitamínu B ₁₂ (kyanokobalamin), který se podílí na dozrávání erytrocytů. Jeho nepřítomnost způsobuje anémii charakterizovanou výskytem velkých erytrocytů známých jako megaloblasty v krevním oběhu.

Kde se to nachází

zemská kůra

Kobalt je široce distribuován v zemské kůře; ačkoli jeho koncentrace je velmi nízká, odhaduje, že to představuje 25 ppm zemské kůry. Mezitím v sluneční soustavě jako celku je její relativní koncentrace 4 ppm.

Nachází se v malém množství v komplexech nikl-železo a je původem ze Země a meteoritů. Nachází se také v kombinaci s dalšími prvky v jezerech, řekách, mořích, rostlinách a zvířatech.

Vitamin B

Kromě toho, že je podstatným prvkem pro výživu přežvýkavců a je přítomen v vitaminu B ₁₂, které jsou nezbytné pro zrání erytrocytů. Kobalt není obvykle izolován v přírodě, ale nachází se v různých minerálech kombinovaných s jinými prvky.

Minerály

Mezi minerály kobaltu patří: kobaltit, v kombinaci s arsenem a sírou; erythrit, tvořený arsenem a hydratovaným kobaltem; glaukot tvořený kobaltem, železem, arsenem a sírou; a faktterudit tvořený kobaltem, niklem a arsenem.

Kromě toho lze zaznamenat následující další minerály kobaltu: linnaelit, smalt a heterogenit. Kobalt doprovází minerály hlavně nikl, arsen a železo.

Většinou se kobalt nevyluhuje z rud, které jej obsahují, ale je vedlejším produktem těžby niklu, železa, arsenu, mědi, manganu a stříbra. K extrakci a izolaci kobaltu z těchto minerálů je zapotřebí složitý proces.

Reference

1. Wikipedia. (2019). Kobalt. Obnoveno z: en.wikipedia.org
2. A. Owen a D. Madoc Jone. (1954). Vliv velikosti zrna na krystalovou strukturu kobaltu. 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 a José LG Fierro. (2009). Vývoj hexagonálních uzavřených kobaltových nanočástic stabilních při vysoké teplotě. Chemistry of Materials 21 (23), 5637-5643. DOI: 10,1021 / cm900845h.
4. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (2. února 2019). Kobaltová fakta a fyzikální vlastnosti. ThoughtCo. Obnoveno z: thinkco.com
5. Editors of Encyclopaedia Britannica. (8. června 2019). Kobalt. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Kobalt. Obnoveno z: lookchem.com
7. Kachny. (2019). Prvky pro děti: kobalt. Obnoveno z: ducksters.com