Кобальт — чем интересен и где используется металл. Электронная конфигурация, свойства кобальта и его применение

Общие сведения:

Нахождение в природе

Массовая доля кобальта в земной коре 4·10−3%. Кобальт входит в состав минералов: каролит CuCo2S4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтит CoAs2 и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Кобальту сопутствуют железо, никель, марганец и медь. Содержание в морской воде приблизительно (1,7)·10−10%.

Свойства металла

Кобальт — элемент периодической таблицы Менделеева под номером 27. Его относят к металлам, он имеет белый или желтоватый серебристый цвет. Имеет синеватый или розоватый отлив.

Физические свойства металла:

• плотность 8,9 г/см³;
• температура плавления 1495°С;
• кипит при 2870  градусах Цельсия;

Кобальт ферромагнетик, как и два его соседа по таблице Менделеева — железо и никель.

Рекомендуем:  ЛИТИЙ — в космосе, на земле, под водой

Химические свойства металла обусловлены его степенями окисления — +2, +3, 0.

Холодная концентрированная азотная кислота пассивирует Co.

Щелочи реагируют с водными растворами солей, при этом образуется гидроксид Со(ОН)2.

Водорастворимые соли кобальта дарят воде розовый цвет. Растворенные в ацетоне, эти соли окрашивают раствор в синий цвет.

Месторождения кобальтсодержащих руд

В природе нахождение таких руд вроде не проблема. Кобальтсодержащих минералов геологи насчитывают более 130. Вопрос в том, сколько именно металла содержит руда.

Собственно кобальтовых минералов всего около 40.

1. Скуттерит. Содержание Cо до 30%.
2. Саффлорит-лёллингит. Кобальта в руде до 29%.
3. Арсенопирит-аллоклазит. В ней искомого металла до 35%
4. Кобальтин-герсдорфит с содержанием Cо до 35%.

Но в большинстве кобальтсодержащие руды металла содержат до 3%.

Кобальт добывают из сернистых медно-никелевых, окисленных кобальто-медных, силикатно-оксидных никелевых месторождений.

Свойства атома кобальта :

200	Свойства атома
201	Атомная масса (молярная масса)	58,933194(4) а.е.м. (г/моль)
202	Электронная конфигурация	1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d7 4s2
203	Электронная оболочка	K2 L8 M15 N2 O0 P0 Q0 R0
204	Радиус атома (вычисленный)	152 пм
205	Эмпирический радиус атома*	135 пм
206	Ковалентный радиус*	126 пм – low-spin, 150 пм – high-spin
207	Радиус иона (кристаллический)	Co2+ low spin 79 (6) пм, Co3+ low spin 68,5 (6) пм, Co2+ high spin 88,5 (6) пм, Co3+ high spin 75 (6) пм, Co4+ high spin 67 (6) пм (в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле)
208	Радиус Ван-дер-Ваальса
209	Электроны, Протоны, Нейтроны	27 электронов, 27 протонов, 32 нейтрона
210	Семейство (блок)	элемент d-семейства
211	Период в периодической таблице	4
212	Группа в периодической таблице	9-ая группа (по старой классификации – побочная подгруппа 8-ой группы)
213	Эмиссионный спектр излучения

Электронная схема кобальта

Co: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d7 →
Co3+: 1s22s22p63s23p64s23d4

You need to enable JavaScript to run this app.

Одинаковую электронную конфигурацию имеют
ион кобальта +3 и
-2Ti, -1V, +1Mn, +2Fe, +4Ni

Порядок заполнения оболочек атома кобальта (Co3+) электронами:
1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d →
5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.

На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на
‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14

Кобальт имеет 27 электронов,
заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:

2 электрона на 1s-подуровне

2 электрона на 2s-подуровне

6 электронов на 2p-подуровне

2 электрона на 3s-подуровне

6 электронов на 3p-подуровне

2 электрона на 4s-подуровне

4 электрона на 3d-подуровне

Химические свойства кобальта:

Валентные электроны кобальта

Количество валентных электронов в атоме кобальта — 9.

Ниже приведены их квантовые числа (N — главное, L — орбитальное, M — магнитное, S — спин)

ОрбитальNLMS

Степени окисления, которые может проявлять кобальт: +1, +2, +3, +4, +5

Ионы кобальта

5+Co
4+Co

Co 3+2+Co
1+Co
0Co
1-Co

3+Валентность Co

Атомы кобальта в соединениях проявляют валентность V, IV, III, II, I.

Валентность кобальта характеризует способность атома Co к образованию хмических связей.
Валентность следует из строения электронной оболочки атома, электроны, участвующие в образовании
химических соединений называются валентными электронами. Более обширное определение валентности это:

Число химических связей, которыми данный атом соединён с другими атомами

Валентность не имеет знака.

Квантовые числа Co 3+

Квантовые числа определяются последним электроном в конфигурации, для иона Co эти числа имеют значение N = 3, L = 2, Ml = 0, Ms = ½

Оксиды

• На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C.
• Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта состоит из смеси оксидов CoO и Co2O3, поэтому в справочниках можно встретить брутто формулу Co3O4.
• При высоких температурах можно получить α-форму или β-форму оксида CoO
• Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом. Со3О4 + 4Н2 → 3Со + 4Н2О.
• Оксид кобальта (II) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II), например: 2Со(ОН)2 + O2 → Co2O3 + Н2O.

Другие соединения

• При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором. Co + 3F → CoF3, но, Co + 2Cl → CoCl2
• С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую α-форму (при сплавлении порошков) и черную β-форму (выпадает в осадок из растворов).
• При нагревании CoS в атмосфере сероводорода получается сложный сульфид Со9S8
• С другими окисляющими элементами, такими как углерод, фосфор, азот, селен, кремний, бор. кобальт тоже образует сложные соединения, являющиеся смесями где присутствует кобальт со степенями окисления 1, 2, 3.
• Кобальт способен растворять водород, не образуя химических соединений. Косвенным путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН2 и СоН.
• Растворы солей кобальта CoSO4, CoCl2, Со(NO3)2 придают воде бледно-розовую окраску. Растворы солей кобальта в спиртах темно-синие. Многие соли кобальта нерастворимы.
• Кобальт создаёт комплексные соединения. Чаще всего на основе аммиака.

Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли [Co(NH3)6]3+ желтого цвета и розеосоли [Co(NH3)5H2O]3+ красного или розового цвета.

• Также кобальт создаёт комплексы на основе CN−, NO2− и многих других.
• Хлорид кобальта
• Ионные комплексы кобальта

Физические свойства кобальта:

Кристаллическая решётка кобальта подробно

Степень окисления кобальта

Атомы кобальта в соединениях имеют степени окисления 5, 4, 3, 2, 1, 0, -1.

Степень окисления — это условный заряд атома в соединении: связь в молекуле
между атомами основана на разделении электронов, таким образом, если у атома виртуально увеличивается
заряд, то степень окисления отрицательная (электроны несут отрицательный заряд), если заряд уменьшается,
то степень окисления положительная.

Степень окисления иона Co3+ = 3

Получение и марки кобальта

Получение нашего героя зависит от выплавки… меди и никеля. Наш герой — побочный продукт этих производств. Делается это методами пирометаллургии, выщелачиванием с последующей алюминотермией.

Выпускается в виде проволоки, слитков, полос, пластин.

Кобальт металлический

Идет на марки стали К0, К1, К1А, К1Ау. Из сырья выплавляют слитки, прокатывают листы для нужд химической, электротехнической промышленности.

Слитки и чушки кобальтовые К1АУ

Содержание Co колеблется от 99,98% (для К0) до 98,3% для К2.

Кобальт порошковый

Исходник для стали марки ПК-1у. Металлический продукт содержит как минимум 99,35% Co. Это порошковая масса, сформированная методом электролиза. Из нее делают аккумуляторы, гальванопокрытия, катализаторы, присадки.

Кобальт порошковый

Основные производители продукции из кобальта в России – «Норильский никель» и «Кольская ГМК».

Стоимость металлического кобальта

Из-за политической ситуации в бассейне реки Конго в конце 1970-х годов цена на кобальт за год поднялась на 2000 %.

На 15 января 2018 года стоимость кобальта на мировом рынке, по данным London Metal Exchange, составляет 75 000 долл./т.

Как используется

Применение кобальта незаменимо в суровых условиях: запредельные механические нагрузки, аномально высокие температуры, угроза размагничивания.

Почти весь продукт забирает промышленный комплекс. Слитки, пластины, проволока, порошок выпускаются из чистого металла, сплавов и соединений.

Сплавы

Металл добавляют к сплавам, чтобы сделать тверже. Для этого металлический порошок кобальта спекают с карбидами титана либо вольфрама.

Ассортимент из сплавов широк:

• Режущий инструментарий (резцы, сверла). Деталь сохраняет кондиции, служит в 5-8 раз дольше.
• Сердечники электротехнических механизмов (моторов, трансформаторов, других).
• Сочетания «кобальт + самарий (либо эрбий)», «кобальт + железо + алюминий» – основа жаростойких постоянных магнитов высокой мощности.
• Кобальтом как элементом жаропрочных сплавов вытесняется традиционный никель. Это новый материал турбин, авиационных, ракетных двигателей.
• На особом счету сплав металла кобальт с хромом (стеллит). Его отличает биологическая нейтральность плюс коррозионная стойкость. Используется для протезирования.

Новейшие направления использования кобальта – электроника и радиотехника. Из металла и сплавов получают компоненты печатных плат для квантовых генераторов и усилителей.

Металл

Металлический порошок кобальта добавляют к сталям для повышения жаропрочности, твердости, других кондиций.

Соединения

Соединения металла обеспечивают премиальные характеристики продукции из них:

• Кобальтат лития – положительный электрод аккумуляторов.
• Силицид кобальта – основа электрических термогенераторов с высоким КПД.

Самое красивое применение Co-соединений – бытовой стеклянный ассортимент. Мелкая пластика, вазы, конфетницы, фужеры, фруктовницы великолепны.

Синий цвет, создаваемый добавкой порошка металла к расплавленной стекломассе, так и назвали – кобальтовым.

Другие формы

Изотоп металла искусственного происхождения кобальт-60 востребован как источник γ-излучения (гамма-нож, гамма-дефектоскопия, стерилизация).

Биологическая роль

Кобальт — один из микроэлементов, жизненно важных организму. Он входит в состав витамина B12 (кобаламин). Кобальт задействован при кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях. Потребность человека в кобальте — 0,007—0,015 мг ежедневно. В теле человека содержится 0,2 мг кобальта на каждый килограмм массы тела. При отсутствии кобальта развивается акобальтоз.

Суточная потребность в кобальте

Суточная потребность в кобальте очень невелика, обычно составляет 0,1 – 0,8 мг для здорового взрослого человека. Обычно дневную норму кобальта человек получает из пищи.

Признаки нехватки кобальта

Признаками нехватки в организме человека кобальта являются участившиеся заболевания системы кровообращения и эндокринной. Причиной недостатка кобальта обычной служат хронические заболевания органов пищеварения (гастрит, язва двенадцатиперстной кишки).

Токсикология

Кобальт и его соединения токсичны. Известны также соединения, обладающие канцерогенным и мутагенным действием (например, сульфат).

В 1960-х годах соли кобальта использовались некоторыми пивоваренными компаниями для стабилизации пены. Регулярно выпивавшие более четырёх литров пива в день получали серьёзные побочные эффекты на сердце, и, в отдельных случаях, это приводило к смерти. Известные случаи т. н. кобальтовой кардиомиопатии в связи с употреблением пива происходили с 1964 по 1966 годы в Омахе (штат Небраска), Квебеке (Канада), Левене (Бельгия), и Миннеаполисе (штат Миннесота). С тех пор его использование в пивоварении прекращено и в настоящее время является незаконным.

ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 мг/м³, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 мг/л.

Токсическая доза (LD50 для крыс) — 50 мг.

Особенно токсичны пары октакарбонила кобальта Co2(СО)8.

Предостережение

О том, что кобальт и его соединения токсичны, рудокопы Саксонии знали еще пятьсот лет назад.

Наука это подтвердила, уточнив список. Канцерогенами и мутагенами признаны сульфаты металла.

Тем не менее, полвека назад некоторые пивовары использовали соли металла, чтобы плотная пена подольше «украшала» поверхность напитка в кружке. Фанаты пива получали проблемы с сердцем, иногда умирали. Подобные случаи фиксировались в Бельгии, США, Канаде. С тех пор применение таких ингредиентов официально запрещено. Другой вопрос – выполняется ли запрет.

Предельно допустимое содержание кобальта в питьевой воде – 0,01 мг на литр, пыли в воздухе – 0,51 мг на кубометр.

Смертельная доза, проверенная на крысах, – 50 мг.

Особо токсичны пары октакарбонила.