KOBOLT: STRUKTUR, EGENSKAPER, APPLIKATIONER - KEMI - 2024

Den kobolt är en övergångsmetall tillhörande gruppen VIIIB i det periodiska systemet och vars kemiska beteckningen är Co är en solid blå - grå (beroende föroreningar) finns i hela jord s skorpan; även om dess koncentration knappast representerar 25 ppm eller 0,001% av den.

Denna metall är ett väsentligt spårämne i näringen av idisslare. Det är också en del av kärnan i vitamin B ₁₂ , nödvändig för mognad av erytrocyter. Vitamin B ₁₂ har en struktur liknande den för hemgruppen av hemoglobin; men med Co istället för tro.

Metalliskt koboltprov. Källa: Hi-Res Images of Chemical Elements

I naturen finns kobolt vanligtvis inte rent utan inom komplexa mineralmatriser som: koboltit, skutterudit, erytrit etc. I dessa mineraler kombineras kobolt vanligtvis med nickel, järn eller arsenik.

Namnet "kobolt" kommer från den tyska kobolt, som i sin tur härstammar från kobolt, ett namn som gruvarbetare gav mineralmalmer som producerade blå färgämnen och hade få metaller som de visste; Malmer som, det är värt att nämna, orsakade dem förgiftning.

Kobolt finns i malmer tillsammans med nickel, järn och koppar, bland andra metaller. Därför kan det inte erhållas rent och kräver intensivt raffineringsarbete för att rena det förrän dess användning är praktisk.

Det upptäcktes av den svenska kemisten Georg Brandt, mellan 1730 och 1740. Det var den första metallen som upptäckts sedan förhistorien. Brandt påpekade att kobolt var ansvarig för den blå nyansen av keramik och glas; och inte vismut, som man trodde tills dess.

Cobalt har 29 isotoper. Den ⁵⁹ Co är stabil och utgör nästan 100% av de isotoper av kobolt; de resterande 28 är radioisotoper. Dessa inkluderar ⁶⁰ Co, som används vid behandling av cancer. Det är ett magnetiskt element som bevarar sin magnetism vid höga temperaturer. Den här egenskapen har gjort det möjligt att bilda legeringar som den så kallade Alinco, som används i högtalare, mikrofoner, radiohorn etc.

Historia

antiken

Kobolt användes så långt tillbaka som 2000 till 3000 år f.Kr. Egypterna, perserna och kinesiska dynastierna använde det för att göra sina skulpturer och keramik. Det gav den blå färg som så uppskattad i konstverk och användningsartiklar.

Egypterna (1550 - 1292 f.Kr.) var förmodligen de första människorna som använde kobolt för att ge glas sin blå färg.

Kobolt isoleras inte i malmer, utan i närvaro av mineraler med nickel, koppar och arsenik.

När man försökte smälta koppar med nickel producerades arsenoxid, en mycket giftig gas som var orsaken till förgiftningen som gruvarbetarna lidit.

Upptäckt

Kobolt upptäcktes ungefär år 1735 av den svenska kemisten Georg Brandt, som insåg att kobolt, exakt, var metallen som bidrog till blå färg av keramik och glas.

Det var den första metallen som upptäckts sedan antiken. Sedan denna tid använde människan många metaller som järn, koppar, silver, tenn, guld, etc. I många fall är det okänt när de började användas.

Gruvproduktion

Den första koboltbrytningen i världen började i Europa, med Norge som den första tillverkaren av koboltblå; en förening av aluminiumoxid och kobolt, samt emalj (pulveriserat koboltglas), som används som pigment i keramik och i färg.

Överväganden i produktionen av kobolt flyttade till Nya Kaledonien (1864) och Kanada (1904) i Ontario-regionen på grund av upptäckten av insättningar i dessa länder.

Senare blev den nuvarande demokratiska republiken Kongo (1913) världens ledande koboltproducent på grund av upptäckten av stora insättningar i Katanga-regionen. För närvarande är detta land, tillsammans med Kanada och Australien, en av de viktigaste koboltproducenterna.

Samtidigt är ROC världens ledande tillverkare av raffinerad kobolt och importerar metallen från Demokratiska republiken Kongo för raffinering.

1938 uppnådde John Livinglood och Glenn Seaborg produktion i en ⁶⁰ Co- atomreaktor ; En radioaktiv isotop som används i medicin för att behandla cancer.

Struktur och elektronkonfiguration av kobolt

Kobolt, liksom andra metaller, håller sina atomer samman genom den metalliska bindningen. Kraften och kompressionen är sådan att de bildar en metallisk kristall, där det finns en tidvatten av elektroner och ledningsband som förklarar deras elektriska och termiska konduktiviteter.

Mikroskopiskt analyserande koboltkristaller kommer det att konstateras att de har en kompakt hexagonal struktur; det finns trianglar av Co-atomer arrangerade i ABAB … lager, bildar triangulära prismor med sammanflätade lager, som i sin tur representerar en sjätte av en hexagon.

Denna struktur är närvarande för de flesta koboltprover vid temperaturer under 450 ° C. När temperaturen stiger börjar emellertid en övergång mellan två kristallografiska faser: den kompakta hexagonala (hcp) och den ansiktscentrerade kubiken (fcc, för dess förkortning på engelska: ansiktscentrerad kubik).

Övergången är långsam, så inte alla hexagonala kristaller blir kubiska. Sålunda kan kobolt vid höga temperaturer uppvisa båda kristallina strukturer; och dess egenskaper är inte längre homogena för all metall.

Crystal pärlor storlek

Kristallstrukturen är inte helt perfekt; det kan innehålla ojämnheter, som definierar kristallkorn i olika storlekar. Ju mindre de är, desto lättare är metallen eller svampliknande. Å andra sidan, när kornen är stora, blir metallen fast och fast.

Detaljen med kobolt är att inte bara kornen modifierar det yttre utseendet på metallen: även dess kristallstruktur. Under 450 ºC bör hcp-strukturen dominerar; men när kornen är små, som i svampig kobolt, är den dominerande strukturen fcc.

Det motsatta inträffar när kornen är stora: fcc-strukturen dominerar över hcp. Det är vettigt eftersom stora korn är tyngre och sätter ett större tryck på varandra. Vid högre tryck kompakterar Co-atomerna mer och väljer att anta hcp-strukturen.

Vid höga temperaturer (T> 1000 ºC) inträffar de just beskrivna övergångarna; men när det gäller svampig kobolt blir en liten del av dess kristaller hexagonala, medan de flesta fortsätter att vara kubiska.

Stabila hcp-nanokristaller

I ett spanskt forskningsarbete (Peña O'shea V. et al., 2009) visades det att det var möjligt att syntetisera hexagonala koboltnanokristaller som kan motstå temperaturer nära 700 ° C utan att genomgå övergången till fcc-fasen.

För att göra detta, forskarna reducerade prover av koboltoxider med CO och H ₂ , fann att de hcp nanokristaller skyldig deras stabilitet till en beläggning av kolnanofibrer.

Elektronisk konfiguration och oxidationstillstånd

Elektronkonfigurationen för kobolt är:

3d ⁷ 4s ²

Det kan därför teoretiskt förlora upp till nio elektroner från dess valensskal; men detta händer inte (åtminstone under normala förhållanden), och heller ^{inte bildas} Co ^9+-katjonen .

Dess oxidationstillstånd är: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, där +2 och +3 är de viktigaste.

Egenskaper

Fysiskt utseende

Massiv, glansig, blågrå metall. Polerad kobolt är silvervit med en blåaktig nyans.

Atomvikt

58,933 g / mol.

Atomnummer

27.

Periodiska systemet

Det är en övergångsmetall som tillhör grupp 9 (VIIIB), period 4.

Smältpunkt

1,768 K (1 495 ° C, 2,723 ° F).

Kokpunkt

3 200 K (2 927 ° C, 5 331 ° F).

Densitet vid rumstemperatur

8,90 g / cm ^{^} .

Smältvärme

16,06 kJ / mol.

Förångningsvärme

377 kJ / mol.

Molär kalorikapacitet

24,81 J / mol K

Ljudets hastighet

4.720 m / s (uppmätt på en metallstång).

Hårdhet

5,0 på Mohs-skalan.

Magnetism

Det är ett av de tre ferromagnetiska elementen vid rumstemperatur. Koboltmagneter behåller sin magnetism vid temperaturer så höga som 1.121 ° C.

Elektronnegativitet

1,88 på Pauling-skalan.

Joniseringsenergi

Första joniseringsnivå: 740,4 kJ / mol.

Andra joniseringsnivån: 1 648 kJ / mol.

Tredje joniseringsnivå: 3 232 kJ / mol.

Atomradio

125 pm.

Atomvolym

6,7 cm ³ / mol.

reaktioner

Kobolt löses långsamt i utspädda mineralsyror. Det kombineras inte direkt med väte eller kväve, men kombineras med kol, fosfor och svavel genom uppvärmning. Det binder till syre som finns i vattenånga vid höga temperaturer.

Reagerar kraftigt med 15 M salpetersyra, bildar koboltnitrat, Co (NO ₃ ) ₂ . Reagerar svagt med klorvätesyra för att bilda koboltklorid, CoCl ₂ . Kobolt bildar inte hydrider.

Både Co ⁺² och Co ⁺³ bildar många koordinationskomplex, eftersom de betraktas som en av metallerna med det högsta antalet av dessa komplex.

tillämpningar

Alloys

Koboltlegeringar används vid tillverkning av jetmotorer och gasturbinmotorer. En legering som kallas Alinco, består av aluminium, nickel och kobolt, har starka magnetiska egenskaper. Alinco-magneter används i hörapparater, kompasser och mikrofoner.

De så kallade skärverktygen är tillverkade med stellitlegeringar, gjorda av kobolt, krom och volfram. Superlegeringar har en smältpunkt nära kobolt, och kännetecknas av deras stora hårdhet, och används vid tillverkning av verktyg med låg expansion.

Keramik, skulpturer och glas

Glasögon med kobolt. Källa: Pxhere.

Sedan antiken har kobolt använts av många kulturer för att ge deras konst och dekorativa verk en blå nyans. I denna mening har oxider använts: kobolt, CoO och kobolt, Co ₃ O ₄ .

Förutom deras användning vid tillverkning av keramik, glas och emaljer används koboltoxider vid framställningen av katalysatorer.

läkare

Cobalt-60 ( ⁶⁰ Co), en radioaktiv isotop som avger beta- (ß) och gamma (γ) strålning, används för behandling av cancer. Γ strålning är elektromagnetisk strålning, så den har förmågan att tränga igenom vävnader och nå cancerceller, vilket tillåter deras utrotning.

Cancerceller är celler som delar sig snabbt, vilket gör dem mer mottagliga för joniserande strålning som slår mot deras kärna och skadar genetiskt material.

Den ⁶⁰ Co, liksom andra radioisotoper, används vid sterilisering av material som används i medicinsk praxis.

På samma sätt används kobolt vid tillverkning av ortopediska implantat, tillsammans med titan och rostfritt stål. En stor del av höftersättningarna använder kobolt-krombenstammar.

Alternativ energi

Kobolt används för att förbättra uppladdningsbara batteriers prestanda och spelar en användbar roll i hybridfordon.

Galvanisering

Kobolt används för att ge metallytor en god yta som skyddar dem mot oxidation. Koboltsulfat, coso ₄ , till exempel, är den huvudsakliga koboltförening som användes i detta avseende.

I labb

Koboltklorid, CoCl ₂ .6H ₂ O, används som en fuktindikator i exsickatorer. Det är en rosa fast substans som ändras till en blå färg när den hydratiserar.

Biologisk roll

Kobolt är en del av den aktiva platsen för vitamin B ₁₂ (cyanokobalamin) som är involverad i mognad av erytrocyter. Dess frånvaro orsakar en anemi som kännetecknas av utseendet i blodcirkulationen hos stora erytrocyter kända som megaloblaster.

Var ligger den

jordskorpa

Kobolt är vitt distribuerat över jordskorpan; även om dess koncentration är mycket låg, beräknar den att den utgör 25 ppm av jordskorpan. Samtidigt är det i solsystemet som helhet den relativa koncentrationen 4 ppm.

Det finns i små mängder i nickel-järnkomplex, som är infödda till jorden och meteoriter. Det finns också i kombination med andra element i sjöar, floder, hav, växter och djur.

Vitamin B

Dessutom är det ett väsentligt element för näring av idisslare och finns i vitamin B ₁₂ , nödvändigt för mognad av erytrocyter. Kobolt är vanligtvis inte isolerad i naturen, men finns i olika mineraler i kombination med andra element.

mineraler

Koboltmineraler inkluderar följande: kobaltit, i kombination med arsenik och svavel; erytrit, bildad av arsenik och hydratiserad kobolt; glaukodoten bildad av kobolt, järn, arsenik och svavel; och skutteruditen bildad av kobolt, nickel och arsenik.

Dessutom kan följande ytterligare koboltmineraler noteras: linnaelit, emalj och heterogenit. Kobolt åtföljs av mineraler främst av nickel, arsenik och järn.

Merparten av tiden utvinns inte kobolt från malmen som innehåller den, utan är en biprodukt från gruvdrift av nickel, järn, arsenik, koppar, mangan och silver. En komplex process krävs för att extrahera och isolera kobolt från dessa mineraler.

referenser

1. Wikipedia. (2019). Kobolt. Återställd från: en.wikipedia.org
2. A. Owen och D. Madoc Jone. (1954). Effekt av kornstorlek på kristallstrukturen i 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 och José LG Fierro. (2009). Utveckling av sexkantiga slutna packade koboltnopartiklar stabila vid hög temperatur. Materialkemi 21 (23), 5637-5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (02 februari 2019). Koboltfakta och fysiska egenskaper. ThoughtCo. Återställd från: thoughtco.com
5. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (8 juni, 2019). Kobolt. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Kobolt. Återställd från: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Element för barn: kobolt. Återställd från: ducksters.com