Кобальт химический элемент

Кобальт это химический элемент, простое вещество, микроэлемент, кобальт 60 (60CO) применяется в медицине.

Основные источники получения это его минералы, чистый кобальт похож на железо :

  1. блестящий,
  2. вязкий металл плотностью 8,84 г/см³,
  3. тугоплавок,
  4. обладает магнитными свойствами,
  5. устойчив к действию воды и воздуха.

Кобальт менее активен , чем железо , труднее растворяется в разбавленных кислотах.

Кобальт, получение кобальта

Что такое кобальт

(Cobaltum; от нем. Ко-bold — домовой,   гном),   Со — химический элемент 9 группы периодической системы элементов (по устаревшей побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB) ; ат. н. 27, ат. м. 58,9332.

Тяжелый металл серебристого цвета с синеватым отливом. В соединениях проявляет степени окисления 0, +2 и +3.

Природный кобальт состоит в основном из стабильного изотопа 59Со. Важнейший из искусственных радиоактивных — изотоп Со с периодом полураспада 5,24 года.

В качестве радиоактивного индикатора используют искусственный изотоп 60 Co.

В литосфере содержание кобальта приблизительно 0,002 масс. %.

Для определения используют качественные реакции на кобальт.

Наиболее распространённые минералы:

  1. арсенид ( кобальтовый шпейс ) CoAs2
  2. сульфоарсенид ( кобальтовый блеск ) CoAsS.

Металлический кобальт впервые получил в  1735 швед, химик Ю. Брандт. Промышленное использование кобальта относится к началу 20 в. (1907), когда был создан твердый сплав стеллит.

Электронная конфигурация кобальта [Ar] 3d74s2, полная электронная конфигурация 1s22s22p63s23p63d74s2

Как открыли кобальт

В немецкая провинция Саксония была крупным центром по добыче серебра, меди и других цветных металлов.

Там же находили руду которая по всем признакам была похожа на серебряную, но при плавке из неё не получалось извлекли драгоценный металл.

В результате плавки выделялся ядовитый газ (оксид мышьяка), отравлявший рабочих.

Саксоны это объясняли, что это вмешательство нечистой силы (название «кобальт» происходит от нем. «Kobold» — домовой, гном), коварного подземного гнома кобольда.

От него же исходили и другие опасности, подкарауливающие рудокопов в подземельях.

В те времена в Германии даже читали в церквах молитвы о спасении горняков от злого духа кобольда…

И со временем, когда саксонцы научились отличать «нечистую» руду от серебряной, они ее назвали «кобольд».

В 1735 г. шведский химик Георг Брандт выделил из этой «нечистой» руды серый со слабым розоватым оттенком неизвестный металл. Имя «кобольд», или «кобальт», сохранилось и за ним.

Георг Брандт, открывший кобальт, начал заниматься химией чуть ли не с детства, помогая своему отцу — сначала аптекарю, а затем управляющему металлургическими предприятиями — ставить опыты.

Кобальт в природе

Содержание кобальта в земной коре 3 х 10-3%. Кобальт содержится в метеоритах, в микроколичествах обнаружен в морской воде, минер, источниках, в почве, в растительных и  животных  организмах.

Значительное его количество (до 0,5%) найдено на дне океана (в «конкрециях»).

В сульфидных кобальтсодержащих рудах встречаются минералы:

  1. каттиерит CoS2,
  2. линнеит Co3S4,
  3. карролит CuS-Co2S3
  4. зигенит (Со, Ni)3S4.

В мышьяковых кобальт-содержащих рудах есть кобальтин:

  1. (кобальтовый блеск) CoAsS,
  2. скуттерудит CoAs3,
  3. саффлорит (Со, Fe) As2.

В окисленных (силикатных) рудах встречаются:

гетерогенит СоО х 2Со2СО3,

асболан Со2О3 • СоО X рМnО2 • gFe2О3 • nH2О,

сфероко-бальтит СоСО3.

Не смотря на то что кобальт распространен на земле в виде минералов, а также в виде соединений на дне моря, он не встречается в природе в чистом виде.

Физические свойства

Кобальт — твердый, тягучий, похожий на железо блестящий металл. Как и железо, он обладает магнитными свойствами.

Вода и воздух на него не действуют. В разбавленных кислотах кобальт растворяется значительно труднее, чем железо.

Модификации кобальта

Металлический кобальт существует в двух модификациях: при низкой т-ре и до т-ры 450° С стойка альфа-модификация с гексагональной плотноупакованной решеткой и периодами а = 2,5071 А и с = 4,0864 А.

При т-ре 450° С кобальт переходит в бета-модификацию с кубической гранецентрированной решеткой и периодом а = 3,5480 А (при т-ре 20° С в закаленном состоянии).

Плотность (т-ра 20° С) 8,90 г/см3; tпл 1493°С; tкип 3185°С; температурный коэфф. линейного расширения 12,08-10 град-1; коэфф. теплопроводности (т-pa 20е С) 0,165 кал/ см-сек-град.

Удельная теплоемкость (т-ра 20° С) 0,0989 кал/г х град; удельное электрическое сопротивление (т-ра 20° С) 5,68 х 10-6 ом х см. К. ферромагнитен, т-ра Кюри 1121° С .

Механические свойства кобальта

При (т-ра 20° С): предел   прочности   на   растяжение 26 кгс/мм2; относительное удлинение 5%;    модуль     норм.     упругости 20 750 кгс/мм2; НВ = 124.

В разбавленных кислотах (соляной, серной, азотной) кобальт медленно растворяется, плавиковая к-та на него не действует, дымящая азотная к-та пассивирует металл.

«Царская водка» и щавелевая к-та растворяют Кобальт при комнатной т-ре, расплавленные щелочи реагируют с ним при т-ре красного каления.

Компактный кобальт при обычной т-ре на воздухе не окисляется, при т-ре  300° С  начинает  покрываться тонкой окисной пленкой. С кислородом образует окислы СоО, Со3О4 и Сo2О3.

Тонкодиспергированный кобальт пирофорен.

С окисью углерода образует карбонил. Хлор, бром  и йод взаимодействуют с кобальт уже при т-ре 209 С, образуя галогениды.

Сера, селен, фосфор, мышьяк и сурьма реагируют при нагревании с образованием сульфидов, селенидов, фосфидов, арсенидов и антимонидов.

Кобальт сплавляется с бором и кремнием, образуя соответственно бориды и силициды. Растворяет водород (от 0,9 см3/100 г при т-ре 600° С (до 5,46 см3/100 г при т-ре 1200° С)  и углерод  (1%   при т-ре 1300° С и 3,5% при т-ре 1500° С).

Кобальт не реагирует с газообразным азотом. Практически не взаимодействует с серебром, ртутью, индием, свинцом и таллием.

Образует непрерывные ряды твердых растворов (бета-модификацию) с железом, иридием, марганцем, никелем, палладием, платиной и родием.

Образует обширные, но ограниченные области твердых растворов с золотом, хромом, осмием, рением и рутением.

Многие металлы образуют с кобальтом интерметаллические соединения.

Кобальт получают попутно с никелем из окисленных никелевых и сульфидных медноникелевых руд, подвергая кобальтсодержащее сырье пиро- и гидрометаллургической переработке.

Получение кобальта

Схема получения кобальта

Рис. Схема получения кобальта.

Пирометаллургическая стадия включает получение кобальта и переработку конверторных шлаков никелевого произ-ва перемешиванием их со штейном рудной плавки, в результате чего получается масса, обогащенная кобальтом.

Перерабатывают также жидкие конверторные шлаки медноникелевого произ-ва со штейном рудной плавки при наличии восстановителя, получая обогащенный кобальтом штейн.

В дальнейшем штейн конвертируют, и кобальт переходит в шлак, к-рый восстанавливают, получая богатый по содержанию кобальта сплав никеля и железа.

В основе гидрометаллургической переработки сырья лежит перевод К. в раствор в виде сульфатных соединений или аммиачных комплексов.

Различают процесс выщелачивания, применимый к рудам и концентратам и электрохимическое растворение — для кобальтсодержащих полупродуктов (сплавов).

Получают развитие экстракционные и сорбционные методы разделения никеля и кобальта.

Металлический кобальт получают электролитическим осаждением из растворов на катоде, а также восстановлением товарной окиси кобальта (смеси СоО + Со3О4 + Со2О8) углем в электр. печах.

Известно, что в гробнице Тутанхамона были найдены изделия в виде цветного стекла и смальты, в том числе и синие.

Остатки посуды, мозаики, украшений из синего стекла археологи находят во многих центрах древних цивилизаций.

Марки

Выпускают кобальт марок КО (99,98% Со), К1А (99,30% Со), К1 (99,25% Со), К2 (98,0% Со) и КЗ (97,0% Со).

Кобальт марки КО поставляют в виде катодных листов или пластин, нарезанных из катодов; кобальт марок К1А, K1, К2 и КЗ — в виде слитков массой не более 25 кг или катодных пластин.

Максимальный размер пластины 500 X 500, миним.— 20Х20 мм.

Электролитическим методом получают кобальтовый порошок марок ПК-1 (99,2% Со) и ПК-2 (98,2% Со), используемый для произ-ва спеченных изделий.

Сплавы

Жаропрочный и жаростойкий сплав виталлиум содержит 65% Со, 28% Сr, 3% W и 4% Мо.

Этот сплав сохраняет высокую прочность и не поддается коррозии при температурах до 800—850 °С.

Твердые сплавы кобальта стеллиты, содержащие 40—60% Со, 20—35% Сг, 5—20% W и 1—2% С, применяются для изготовления режущего инструмента.

Кобальт входит также в состав керамико-металлических твердых сплавов — керметов.

Применение кобальта

Основное количество металлического кобальта идет на произ-во сплавов с особыми физическими св-вами , высококоэрцитивных магнитов, быстрорежущей и кобальтовой стали, жаропрочных и твердых сплавов.

На основе кобальта получены катализаторы для органического синтеза. Из соединений кобальта изготовляют стойкие эмали и краски.

Радиоактивный изотоп 60Со применяют как источник гамма-излучения в технике и медицине («кобальтовая пушка»).

Кобальт применяется главным образом в сплавах, которые используются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, для изготовления постоянных магнитов и режущих инструментов, а также как легирующий металл.

Соединения кобальта придают стеклу темно-синюю окраску (вследствие образования силиката кобальта).

Такое стекло, истолченное в порошок, употребляется под названном «шмальты» или «кобальта» в качестве синей краски.

Перспективно использование в произ-ве газотурбинных двигателей, пост, магнитов новых типов, в устройствах каталитического дожигания выхлопных газов автомобильных двигателей.

Рыбу, выращиваемую в прудах, например карпов, нужно кормить. Рационы «рыбьего питания» могут быть самыми различными, одни из них дают больший эффект, другие меньший.

Но в любом случае добавление в корм микроэлементов, в частности кобальта, приводит к поразительным результатам.

Соли кобальта

У кобальта два простых оксида:

оксид кобальта (II) CoO

оксид кобальта ( III ) Co2O3

, а также один смешанный оксид , в котором содержится кобальт II и III Co3O4  (или CoO · Co2O3).

Гидроксид кобальта (II) Co(OH)2 получается при действии щелочей на растворы солей кобальта ( II ).

Сначала выпадает синий осадок гидроксохлорида кобальта :

CoCl2 + NaOH = CoOHCl↓ + NaCl

Под действием избытка едкого натра он переходит в розовый гидроксид кобальта (II) :

CoOHCl + NaOH = Co( OH )↓ + NaCl

Кислород воздуха (в присутствии воды) окисляет гидроксид кобальта ( II ) до тёмно — бурого гидроксида кобальта ( III ) :

4Co(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Co(OH)3

Соли кобальта (II) в безводном состоянии синего , а в водных растворах ( как и кристаллогидраты ) розового цвета. Они достаточно устойчивы и разнообразны.

Оксид кобальта (III) Co2O3 соответствует гидроксид кобальта (III) Co(OH)3 тёмно — коричневого цвета.

Обычно соли кобальта (III) неустойчивы, но комплексные соединения прочны. Например , для него характерны хлорид гексаммино — кобальта (III) [Co(NH3)6]Cl3 и гекса — нитро- (III) кобальт калия K3[Co( NO2)6] .

В качестве комплексообразователя существует кобальт (II), например, роданиды дают с ним комплексные ионы [Co( SCN )4]²⁻синего цвета :

Co(NO3)2 + 4NH4SCN = (NH4)2[Co(SCN)4] + 2NH4NO3

Кобальт образует оксид кобальта (II) или закись кобальта, СоО и оксид кобальта (III), или окись кобальта, Со2О3. которым соответствуют гидроксиды Co(OH)2 и Со(ОН)3.

Этим соединениям отвечают два ряда солей, но соли кобальта (III) нестойки и легко переходят в соли кобальта(II). Известен также смешанный оксид Со3О4 (или CoO • Co2O3).

Cоли кобальта (II) в безводном состоянии обычно синего цвета, а их водные растворы и кристаллогидраты имеют розовый цвет; например, хлорид кобальта (II) образует розовые кристаллы состава СоСl2•Н2О.

Фильтровальная бумага, пропитанная раствором этой соли и потом высушенная, может служить грубым гигроскопом (указателем влажности), так как в зависимости от содержания влаги в воздухе принимает разные оттенки цветов — от синего до розового.

Гидроксид кобальта(II) Со(ОН)2 получается при действии щелочи на растворы солей кобальта(II). Вначале выпадает осадок синей основной соли, который при кипячении жидкости переходит в розовый гидроксид Со(ОН)2; последний при прокаливании дает оксид кобальта (II) СоО серо-зеленого цвета.

Соединения кобальта (II) окисляются с большим трудом, чем соединения железа(II); так, гидроксид кобальта (II) окисляется на воздухе в темно-бурый гидроксид кобальта(III) Со(ОН)3 гораздо медленнее, чем происходит аналогичное превращение гидроксидов железа/

Однако в присутствии сильных окислителей, например гипохлорита натрия, окисление Со(ОН)2 в Со(ОН)3 протекает быстро:

2Со(ОН)2 + NaClO + Н2О = 2Со(ОН)3 + NaCl

При действии на гидроксид кобальта (III) кислородсодержащих кислот соли кобальта (III) не образуются, а выделяется кислород и получаются соли кобальта (II), например:

4Co(OH)3 + 4H2SO4 = 4CoSO4 + 10Н2О + O2

Из соляной кислоты гидроксид кобальта (III) выделяет хлор:

2Со(ОН)3 + 6НСl = 2СоСl2 + Cl2↑ + 6Н2О

Таким образом, соединения Со (III) менее устойчивы, чем со-единения железа (III), и проявляют болеe сильно выраженную окислительную способность.

Для кобальта (III) очень характерна его способность и комплексообразованию. Комплексные соединения кобальта(II) хотя и известны, но очень неустойчивы.

В комплексных солях кобальт может входить как в состав катиона, так и в состав аниона, например [Со(NH3)6]Сl3 и К3[Со(NO2)6]. Координационное число кобальта равно шести.

Кобальт и человек

Кобальт всегда содержится в организмах растений и животных. Общеизвестная его роль в обмене веществ, он крайне необходим для поддержания здоровья человека.

Кобальт участвует в синтезе гемоглобина крови человека и животных , входит в состав антианемического витамина В12.

Особенно необходим кобальт бобовым растениям , так как он содействует фиксации атмосферного азота.

Недостаток его в почве и корнях вызывает у животных заболевание ( сухотку ). Следовательно кобальт это микроэлемент.

Радиоактивный изотоп Co — использовался при лечении раковых опухолей.

Кобальт входит в состав многих сплавов, быстрорежущих и жаростойких сталей. Например , инструментальный сплав стеллит содержит 40 — 50% кобальта.

Соединения кобальта ( II ) сообщают стеклу синюю окраску , в измельченном виде оно известно как краска ( шмальта или кобальт ).

Лит.: Пятницкий И. В. Аналитическая химия кобальта. ; Смирнов В. И. [и др.]. Металлургия меди, никеля и кобальта, ч. 2. Металлургия кобальта и никеля. Кобальт история открытия элемента. Кобальтирование

Статья на тему кобальт

Понравилась статья поделись ей

Leave a Comment