KOBALT: STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, ANWENDUNGEN - CHEMIE - 2025

Das Kobalt ist ein Übergangsmetall der Gruppe VIIIB des Periodensystems, dessen chemisches Symbol Co. ist. Es ist ein festes Blaugrau (abhängig von Verunreinigungen), das in der gesamten Erdkruste vorkommt. obwohl seine Konzentration kaum 25 ppm oder 0,001% davon darstellt.

Dieses Metall ist ein wesentliches Spurenelement in der Ernährung von Wiederkäuern. Es ist auch Teil des Kerns von Vitamin B ₁₂ , der für die Reifung von Erythrozyten notwendig ist. Vitamin B ₁₂ hat eine ähnliche Struktur wie die Hämgruppe des Hämoglobins; aber mit Co statt Glauben.

Metallische Kobaltprobe. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente

In der Natur kommt Kobalt normalerweise nicht rein vor, sondern in komplexen Mineralmatrices wie Kobaltit, Skutterudit, Erythrit usw. In diesen Mineralien wird Kobalt normalerweise mit Nickel, Eisen oder Arsen kombiniert.

Der Name "Kobalt" stammt vom deutschen Kobalt, der wiederum von Kobolt abgeleitet ist, einem Namen, den Bergleute Mineralerzen gaben, die blaue Farbstoffe produzierten und nur wenige Metalle hatten, die sie kannten. Erze, die, sollte erwähnt werden, sie vergifteten.

Kobalt kommt unter anderem neben Nickel, Eisen und Kupfer in Erzen vor. Daher kann es nicht rein erhalten werden und erfordert intensive Raffinierungsarbeiten, um es zu reinigen, bis seine Verwendung praktisch ist.

Es wurde zwischen 1730 und 1740 vom schwedischen Chemiker Georg Brandt entdeckt. Es war das erste Metall, das seit der Vorgeschichte entdeckt wurde. Brandt wies darauf hin, dass Kobalt für die Blautönung von Keramik und Glas verantwortlich sei; und nicht Wismut, wie bis dahin geglaubt wurde.

Kobalt hat 29 Isotope. Das ⁵⁹ Co ist stabil und repräsentiert fast 100% der Kobaltisotope; Die restlichen 28 sind Radioisotope. Dazu gehören ⁶⁰ Co, die bei der Behandlung von Krebs eingesetzt werden. Es ist ein magnetisches Element, das seinen Magnetismus bei hohen Temperaturen bewahrt. Diese Eigenschaft hat es ihm ermöglicht, Legierungen wie das sogenannte Alinco zu bilden, das in Lautsprechern, Mikrofonen, Funkhörnern usw. verwendet wird.

Geschichte

Antike

Kobalt wurde bereits 2000 bis 3.000 Jahre vor Christus verwendet. Die Ägypter, Perser und chinesischen Dynastien verwendeten es für die Herstellung ihrer Skulpturen und Keramiken. Es lieferte die blaue Färbung, die in Kunstwerken und Gebrauchsgegenständen so geschätzt wurde.

Die Ägypter (1550 - 1292 v. Chr.) Waren wahrscheinlich die ersten, die Kobalt verwendeten, um Glas seine blaue Farbe zu verleihen.

Kobalt wird nicht in Erzen isoliert, sondern in Gegenwart von Mineralien mit Nickel, Kupfer und Arsen.

Beim Versuch, Kupfer mit Nickel zu schmelzen, wurde Arsenoxid erzeugt, ein sehr giftiges Gas, das die Ursache für die Vergiftung der Bergleute war.

Entdeckung

Kobalt wurde ungefähr 1735 vom schwedischen Chemiker Georg Brandt entdeckt, der erkannte, dass Kobalt genau das Metall war, das die blaue Färbung von Keramik und Glas ermöglichte.

Es war das erste Metall, das seit der Antike entdeckt wurde. Seit dieser Zeit verwendete der Mensch zahlreiche Metalle wie Eisen, Kupfer, Silber, Zinn, Gold usw. In vielen Fällen ist nicht bekannt, wann sie verwendet wurden.

Bergbauproduktion

Der erste Kobaltabbau der Welt begann in Europa, wobei Norwegen der erste Produzent von Kobaltblau war. eine Verbindung aus Aluminiumoxid und Kobalt sowie Emaille (pulverisiertes Kobaltglas), die als Pigment in Keramik und Farbe verwendet wird.

Der überwiegende Teil der Kobaltproduktion zog nach Neukaledonien (1864) und Kanada (1904) in der Region Ontario, da in diesen Ländern Lagerstätten entdeckt wurden.

Später wurde die heutige Demokratische Republik Kongo (1913) aufgrund der Entdeckung großer Lagerstätten in der Region Katanga zum weltweit führenden Kobaltproduzenten. Derzeit ist dieses Land zusammen mit Kanada und Australien einer der wichtigsten Kobaltproduzenten.

Mittlerweile ist die Republik China der weltweit führende Hersteller von raffiniertem Kobalt und importiert das Metall zur Raffination aus der Demokratischen Republik Kongo.

1938 erreichten John Livinglood und Glenn Seaborg die Produktion in einem ^60- Co -Atomreaktor . Ein radioaktives Isotop, das in der Medizin zur Behandlung von Krebs eingesetzt wird.

Struktur und Elektronenkonfiguration von Kobalt

Kobalt hält wie andere Metalle seine Atome durch die Metallbindung zusammen. Die Kraft und Kompression ist so, dass sie einen metallischen Kristall bilden, in dem eine Flut von Elektronen und Leitungsbändern vorhanden ist, die ihre elektrischen und thermischen Leitfähigkeiten erklären.

Bei der mikroskopischen Analyse von Kobaltkristallen wird festgestellt, dass sie eine kompakte hexagonale Struktur besitzen. Es gibt Dreiecke von Co-Atomen, die in ABAB … -Schichten angeordnet sind und dreieckige Prismen mit eingelagerten Schichten bilden, die wiederum den sechsten Teil eines Sechsecks darstellen.

Diese Struktur ist für die meisten Kobaltproben bei Temperaturen unter 450 ° C vorhanden. Wenn die Temperatur steigt, beginnt jedoch ein Übergang zwischen zwei kristallographischen Phasen: der kompakten hexagonalen (hcp) und der flächenzentrierten Kubik (fcc, für das Akronym im Englischen: flächenzentrierte Kubik).

Der Übergang ist langsam, so dass nicht alle hexagonalen Kristalle kubisch werden. Somit kann Kobalt bei hohen Temperaturen beide kristallinen Strukturen aufweisen; und dann sind seine Eigenschaften nicht mehr für alle Metalle homogen.

Kristallperlen Größe

Die Kristallstruktur ist nicht vollständig perfekt; Es kann Unregelmäßigkeiten aufweisen, die kristalline Körner unterschiedlicher Größe definieren. Je kleiner sie sind, desto leichter ist das Metall oder schwammartig. Wenn andererseits die Körner groß sind, wird das Metall fest und fest.

Das Detail bei Kobalt ist, dass nicht nur die Körner das äußere Erscheinungsbild des Metalls verändern, sondern auch seine kristalline Struktur. Unter 450ºC sollte die hcp-Struktur überwiegen; aber wenn die Körner klein sind, wie bei schwammigem Kobalt, ist die dominante Struktur der fcc.

Das Gegenteil tritt auf, wenn die Körner groß sind: Die fcc-Struktur dominiert über dem hcp. Dies ist sinnvoll, da große Körner schwerer sind und einen größeren Druck aufeinander ausüben. Bei höheren Drücken verdichten sich die Co-Atome stärker und nehmen die hcp-Struktur an.

Bei hohen Temperaturen (T> 1000ºC) treten die gerade beschriebenen Übergänge auf; Im Fall von schwammigem Kobalt wird ein kleiner Teil seiner Kristalle sechseckig, während die meisten weiterhin kubisch sind.

Stabile hcp-Nanokristalle

In einer spanischen Forschungsarbeit (Peña O'shea V. et al., 2009) wurde gezeigt, dass es möglich ist, hexagonale Kobalt-Nanokristalle zu synthetisieren, die Temperaturen nahe 700 ° C standhalten können, ohne in die fcc-Phase überzugehen.

Zu diesem Zweck reduzierten die Forscher Proben von Kobaltoxiden mit CO und H ₂ und stellten fest, dass die hcp-Nanokristalle ihre Stabilität einer Beschichtung aus Kohlenstoffnanofasern verdankten.

Elektronische Konfiguration und Oxidationsstufen

Die Elektronenkonfiguration von Kobalt ist:

3d ⁷ 4s ²

Es kann daher theoretisch bis zu neun Elektronen aus seiner Valenzschale verlieren; Dies geschieht jedoch nicht (zumindest unter normalen Bedingungen), und es wird auch kein Co ⁹⁺ -Kation ^gebildet .

Seine Oxidationsstufen sind: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, wobei +2 und +3 die Hauptstufen sind.

Eigenschaften

Aussehen

Massives, glänzendes, blaugraues Metall. Poliertes Kobalt ist silberweiß mit einem bläulichen Farbton.

Atomares Gewicht

58,933 g / mol.

Ordnungszahl

27.

Periodensystem

Es ist ein Übergangsmetall der Gruppe 9 (VIIIB), Periode 4.

Schmelzpunkt

1,768 K (1,495 ° C, 2,723 ° F).

Siedepunkt

3.200 K (2.927 ° C, 5.301 ° F).

Dichte bei Raumtemperatur

8,90 g / cm ³ .

Schmelzwärme

16,06 kJ / mol.

Verdampfungswärme

377 kJ / mol.

Molare Kalorienkapazität

24,81 J / mol K.

Schallgeschwindigkeit

4.720 m / s (gemessen an einem Metallstab).

Härte

5,0 auf der Mohs-Skala.

Magnetismus

Es ist eines der drei ferromagnetischen Elemente bei Raumtemperatur. Kobaltmagnete behalten ihren Magnetismus bei Temperaturen von bis zu 1.121 ° C (2.050 ° F).

Elektronegativität

1,88 auf der Pauling-Skala.

Ionisationsenergie

Erster Ionisationsgrad: 740,4 kJ / mol.

Zweiter Ionisationsgrad: 1.648 kJ / mol.

Dritter Ionisationsgrad: 3.232 kJ / mol.

Atomradio

125 Uhr.

Atomvolumen

6,7 cm ³ / mol.

Reaktionen

Kobalt löst sich langsam in verdünnten Mineralsäuren. Es verbindet sich nicht direkt mit Wasserstoff oder Stickstoff, sondern durch Erhitzen mit Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel. Es bindet bei hohen Temperaturen an den im Wasserdampf vorhandenen Sauerstoff.

Reagiert heftig mit 15 M Salpetersäure unter Bildung von Kobaltnitrat, Co (NO ₃ ) ₂ . Reagiert schwach mit Salzsäure unter Bildung von Kobaltchlorid, CoCl ₂ . Kobalt bildet keine Hydride.

Sowohl Co ^{+ 2} als auch Co ^{+ 3} bilden zahlreiche Koordinationskomplexe und gelten als eines der Metalle mit der höchsten Anzahl dieser Komplexe.

Anwendungen

Legierungen

Kobaltlegierungen werden zur Herstellung von Strahltriebwerken und Gasturbinentriebwerken verwendet. Eine Legierung namens Alinco aus Aluminium, Nickel und Kobalt hat starke magnetische Eigenschaften. Alinco-Magnete werden in Hörgeräten, Kompassen und Mikrofonen verwendet.

Die sogenannten Schneidwerkzeuge bestehen aus Stellitlegierungen aus Kobalt, Chrom und Wolfram. Superlegierungen haben einen Schmelzpunkt nahe dem von Kobalt und zeichnen sich durch ihre große Härte aus, die bei der Herstellung von Werkzeugen mit geringer Ausdehnung verwendet wird.

Keramik, Skulpturen und Glas

Gläser Gläser mit Kobalt. Quelle: Pxhere.

Seit der Antike wurde Kobalt von zahlreichen Kulturen verwendet, um ihren Kunst- und Dekorationsarbeiten einen blauen Farbton zu verleihen. In diesem Sinne wurden Oxide verwendet: Kobalt, CoO und Kobalt, Co ₃ O ₄ .

Neben ihrer Verwendung bei der Herstellung von Keramik, Gläsern und Emails werden Kobaltoxide bei der Herstellung von Katalysatoren verwendet.

Ärzte

Cobalt-60 ( ⁶⁰ Co), ein radioaktives Isotop, das Beta (β) - und Gamma (γ) -Strahlung emittiert, wird zur Behandlung von Krebs eingesetzt. Γ Strahlung ist elektromagnetische Strahlung, daher kann sie in Gewebe eindringen und Krebszellen erreichen und so deren Ausrottung ermöglichen.

Krebszellen sind Zellen, die sich schnell teilen, wodurch sie anfälliger für ionisierende Strahlung werden, die auf ihren Kern trifft und genetisches Material schädigt.

Das ⁶⁰ Co wird wie andere Radioisotope zur Sterilisation von Materialien verwendet, die in der medizinischen Praxis verwendet werden.

Ebenso wird Kobalt bei der Herstellung von orthopädischen Implantaten zusammen mit Titan und Edelstahl verwendet. Ein großer Teil der Hüftprothesen verwendet Kobalt-Chrom-Oberschenkelstiele.

Alternative Energie

Kobalt wird verwendet, um die Leistung von wiederaufladbaren Batterien zu verbessern, und spielt eine nützliche Rolle in Hybridfahrzeugen.

Galvanisieren

Kobalt wird verwendet, um Metalloberflächen ein gutes Finish zu verleihen, das sie vor Oxidation schützt. Kobaltsulfat , beispielsweise CoSO ₄ , ist die in dieser Hinsicht verwendete Hauptkobaltverbindung .

In Labors

Kobaltchlorid, CoCl ₂ · 6H ₂ O, als Feuchtigkeitsindikator in Exsikkatoren verwendet. Es ist ein rosa Feststoff, der sich beim Hydratieren in eine blaue Farbe verwandelt.

Biologische Rolle

Kobalt ist Teil des aktiven Zentrums von Vitamin B ₁₂ (Cyanocobalamin), das an der Reifung von Erythrozyten beteiligt ist. Seine Abwesenheit verursacht eine Anämie, die durch das Auftreten großer Erythrozyten, die als Megaloblasten bekannt sind, im Blutkreislauf gekennzeichnet ist.

Wo befindet es sich?

Erdkruste

Kobalt ist in der Erdkruste weit verbreitet. Obwohl seine Konzentration sehr niedrig ist, wird geschätzt, dass er 25 ppm der Erdkruste ausmacht. Im gesamten Sonnensystem beträgt seine relative Konzentration 4 ppm.

Es kommt in geringen Mengen in den Nickel-Eisen-Komplexen vor, die auf der Erde und in Meteoriten heimisch sind. Es kommt auch in Kombination mit anderen Elementen in Seen, Flüssen, Meeren, Pflanzen und Tieren vor.

Vitamin B.

Darüber hinaus ist es ein wesentliches Element für die Ernährung von Wiederkäuern und in Vitamin B _{12 enthalten} , das für die Reifung von Erythrozyten notwendig ist. Kobalt wird normalerweise nicht in der Natur isoliert, sondern in verschiedenen Mineralien in Kombination mit anderen Elementen gefunden.

Mineralien

Kobaltmineralien umfassen Folgendes: Kobaltit in Kombination mit Arsen und Schwefel; Erythrit, gebildet aus Arsen und hydratisiertem Kobalt; das aus Kobalt, Eisen, Arsen und Schwefel gebildete Glaucodot; und der aus Kobalt, Nickel und Arsen gebildete Skutterudit.

Zusätzlich können die folgenden zusätzlichen Kobaltmineralien festgestellt werden: Linnaelit, Schmelz und Heterogenit. Kobalt wird in Mineralien hauptsächlich von Nickel, Arsen und Eisen begleitet.

Kobalt wird meistens nicht aus den darin enthaltenen Erzen gewonnen, sondern ist ein Nebenprodukt des Abbaus von Nickel, Eisen, Arsen, Kupfer, Mangan und Silber. Ein komplexer Prozess ist erforderlich, um Kobalt aus diesen Mineralien zu extrahieren und zu isolieren.

Verweise

1. Wikipedia. (2019). Kobalt. Wiederhergestellt von: en.wikipedia.org
2. A. Owen und D. Madoc Jone. (1954). Einfluss der Korngröße auf die Kristallstruktur von Kobalt. 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 und José LG Fierro. (2009). Entwicklung hexagonaler geschlossen gepackter Kobaltnanopartikel, die bei hohen Temperaturen stabil sind. Chemistry of Materials 21 (23), 5637 & ndash; 5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (2. Februar 2019). Kobalt Fakten und physikalische Eigenschaften. ThoughtCo. Wiederhergestellt von :oughtco.com
5. Die Herausgeber der Encyclopaedia Britannica. (08. Juni 2019). Kobalt. Encyclopædia Britannica. Wiederhergestellt von: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Kobalt. Wiederhergestellt von: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Elemente für Kinder: Kobalt. Wiederhergestellt von: ducksters.com