Цены на кобальт, история, происхождение, добыча и использование

Кобальт (химический жаргон, латинский кобальт, стандартный кобальт, названный Cobalt Rex от первого описателя после кобальтовой руды) представляет собой химический элемент с элементарным символом Co и атомным номером 27. Кобальт - это ферромагнитный переходный металл из 9. Группа или кобальтовая группа периодической таблицы. В старшем подсчете это считается 8. Подгруппа или железо-платиновая группа.

история

Соли кобальта и соединения кобальта известны в течение длительного времени и использовались в качестве кобальтового синего преимущественно для окрашивания стекла и керамики. В средние века их часто считали ценными серебряными и медными рудами. Однако, поскольку они не могли быть обработаны и из-за содержания мышьяка при нагревании выделяли неприятные запахи, их считали заколдованными. Предположительно гоблины съели драгоценное серебро и уничтожили на его месте бесполезные серебряные руды. Помимо кобальта это были также вольфрамовые и никелевые руды. Эти руды были тогда заняты шахтерами с прозвищами, такими как никель, вольфрам (такой как "волчья пена", латинская спа lupi) и просто Kobolderz, так что кобальт. 1735 обнаружил шведского химика Георга Брандта в приготовлении солей кобальта, ранее неизвестного металла, описал его свойства и дал ему настоящее имя. 1780 обнаружил, что Торберн Олоф Бергман исследует свойства элемента кобальта.

Физические свойства

Кривые намагничивания ферромагнитных материалов 9. 1. Листовая сталь, 2. Электротехническая сталь, 3. Литая сталь, 4. Вольфрам сталь, 5. Магнитная сталь, 6. Чугун, 7. Никель, 8. Кобальт, 9. Кристаллическая структура магнетита α-Co, a = 250,7 pm, c = 406,9 pm

Кобальт представляет собой стальной серый, очень прочный тяжелый металл с плотностью 8,89 г / см³. Он ферромагнитный с температурой Кюри 1150 ° C. Кобальт встречается в двух модификациях: кристаллическая структура с гексагональной плотностью (ГПУ) в пространственной группе P63 / mmc (номер пространственной группы 194) с параметрами решетки a = 250,7 pm и c = 406,9 pm и двумя формульными единицами на элементарную ячейку и кубической гранью с центром Форма (ГЦК) с параметром сетки a = 354,4 pm. ГПУ-модификация (α-кобальт, исторически ε-кобальт) более стабильна при более низких температурах и превращается примерно при 450 ° C в ГЦК-модификацию (β-кобальт, исторически α-кобальт).

Как типичный металл, он хорошо проводит тепло и электричество, электропроводность составляет 26 процентов от меди.

Особенностью является атомная масса встречающегося в природе кобальта; с 58,93 это больше, чем средняя атомная масса никеля с 58,69, следующим элементом в периодической таблице. Эта особенность существует между аргоном и калием, а также между теллуром и йодом.

Химические свойства

По химическому поведению он похож на железо и никель, устойчив к воздействию воздуха при пассивации; это только растворено окисляющими кислотами. Кобальт является одним из неблагородных элементов с нормальным потенциалом -0,277 V. В соединениях это происходит преимущественно в степени окисления + II и + III. Однако степени окисления -I, 0, + I, + II, + III, + IV и + V также представлены в соединениях. Кобальт образует множество в основном цветных комплексов. При этом, в отличие от ковалентных соединений, степень окисления + III является более распространенной и стабильной, чем + II.

Изотоп

Всего известно изотопов 30 и других основных изомеров 18 между 47Co и 77Co. Натуральный кобальт полностью состоит из изотопа 59Co. Следовательно, этот элемент является одним из чистых элементов 22. Этот изотоп может быть исследован с помощью ЯМР-спектроскопии.

Нуклид 57Co распадается посредством захвата электронов в 57Fe. Гамма-излучение, испускаемое при переходе в основное состояние дочернего ядра, имеет энергию 122,06 кэВ (85,6%) и 14,4 кэВ (9,16%). Основное применение 57Co - мессбауэровская спектроскопия для различения двухвалентного и трехвалентного железа.

Наиболее долгоживущим из нестабильных изотопов является 60Co (Cobalt-60, Spin 5 +), с периодом полураспада 5,27 лет при бета-распаде, сначала в возбужденном состоянии 60Ni (Spin 4 +), а затем испускающим гамма-излучение (две энергии 1,17 и XNUM МэВ) в основное состояние (спин 1,33 +) этого нуклида распадается. По этой причине 0Co используется в качестве источника гамма-излучения для стерилизации или консервирования продуктов питания, для исследования материалов (рентгенографическое исследование) и в терапии рака («кобальтовый пистолет»). В медицине в качестве индикаторов могут быть использованы другие изотопы, такие как 60Co или 57Co.

60Co получается исключительно искусственно путем активации нейтронов из 59Co. Источники спонтанного деления, такие как 252Cf, служат источником нейтронов для производства меньших количеств. Гранулы 59Co подвергаются воздействию нейтронного потока в ядерных реакторах для производства больших количеств.

Образование 60Co из 59Co под нейтронным излучением потенциально может также использоваться для усиления воздействия ядерного оружия, которое производит нейтронное излучение, будучи покрытым кобальтом (кобальтовая бомба). Во время детонации будет сформирован сильный гамма-излучатель, в результате чего окружающая среда станет более загрязненной, чем один только ядерный взрыв. Если 60Co не утилизируется должным образом, но расплавляется с другим кобальтом и перерабатывается в сталь, изготовленные из него стальные детали могут быть вредными для радиоактивности.

С 60Co был открыт эксперимент Ву, который обнаружил нарушение четности слабого взаимодействия.

Вхождение

Кобальт является редким элементом с частотой в земной коре 0,004 процентов. Это ставит его на тридцатое место в списке частот заказанных товаров. Элементаль это происходит очень редко в метеоритах и ​​в ядре Земли. Кобальт присутствует во многих минералах, но обычно встречается только в небольших количествах. Элемент всегда связан с никелем, часто с медью, серебром, железом или ураном. Никеля в три-четыре раза больше, чем кобальта. Оба металла относятся к сидерофильным элементам и характерны для основных и ультраосновных магматитов.

Кобальт встречается в качестве микроэлемента в большинстве почв. Существует целый ряд солей кобальта, в которых кобальт был обогащен атмосферными воздействиями или другими процессами. Наиболее важными из них являются: кобальт (устаревший кобальтовый блеск, CoAsS), лининит и сиегенит (устаревший и вводящий в заблуждение никель-гравий кобальта; (Co, Ni) 3S4), эритрин (устаревшее цветение кобальта), асболан (устаревший эрдкобальт, кобальт и кобальт), скуттер, скуттер Гетерогенит (CoOOH). Содержание кобальта в сульфидных рудах низкое, обычно только 3-0,1 процентов.

Всемирно известные запасы кобальта составляют 25 миллионов тонн. Основные месторождения руды расположены в Демократической Республике Конго и в Замбии, где кобальт встречается вместе с медью, а также в Канаде, Марокко, Кубе, России, Австралии и США. Еще один миллион тонн кобальта предположительно находится в земной коре на почвах Атлантического, Тихого и Индийского океанов.

Извлечение и презентация

Кобальт в основном получают из медных и никелевых руд. Точный метод добычи зависит от состава материнской руды. Сначала часть существующих сульфидов железа превращается обжигом в оксид железа и зашлаковывается кремнеземом в виде силиката железа. В результате получается так называемый грубый камень, который помимо кобальта никеля, меди и другого железа, как сульфид или арсенид. При дальнейшей обжиге с карбонатом натрия и нитратом натрия удаляется дополнительная сера. В этом случае сульфаты и арсенаты образуются из части серы и мышьяка, которые выщелачиваются водой. Остаются соответствующие оксиды металлов, которые обрабатывают серной или соляной кислотой. Только медь не растворяется, а никель, кобальт и железо переходят в раствор. С хлорированной известью затем селективно кобальт может быть осажден в виде гидроксида кобальта и, таким образом, отделен. При нагревании это превращается в оксид кобальта (II, III) (Co3O4) и затем восстанавливается до кобальта с коксом или алюминиевым порошком:

Большая часть кобальта получается путем восстановления кобальтовых побочных продуктов при добыче никеля и меди и расплава. Поскольку кобальт, как правило, является побочным продуктом, поставки кобальта сильно зависят от экономической жизнеспособности добычи меди и никеля на данном рынке.

Существует несколько способов отделения кобальта от меди и никеля в зависимости от концентрации кобальта и точного состава используемой руды. Одним из методов является пенная флотация, при которой поверхностно-активные вещества связываются с различными компонентами руды, что приводит к накоплению солей кобальта. Последующий обжиг превращает руды в сульфат кобальта (II) и окисляет медь и железо. При промывании водой сульфат извлекается вместе с арсенатами. Остатки далее выщелачивают серной кислотой, получая раствор сульфата меди. Кобальт также можно выщелачивать из расплавленной меди.

Сначала кобальт использовали в форме оксидов, сульфатов, гидроксидов или карбонатов для термостойких красок и пигментов, например, Б. используется для росписи фарфора и керамики (см. Также Смальте и Блауфарбенверке). Затем последовало самое известное декоративное применение в виде синего кобальтового стекла. После 1800 алюминат кобальта (CoAl2O4) был промышленно произведен в виде сильного пигмента.

В настоящее время кобальт используется в качестве легирующего компонента для повышения жаростойкости легированных и высоколегированных сталей, в частности быстрорежущей стали и суперсплавов, в качестве связующей фазы в твердых металлах и алмазных инструментах (см. Widia). Его использование в качестве легирующего элемента и в соединениях кобальта делает его стратегически важным металлом. (См. Виталий: имплантаты, лопатки турбин, химический аппарат.) Например, используются кобальтовые стали. Б. для сильно нагруженных деталей, которые должны выдерживать высокие температуры, например. B. вкладыши седла клапана в двигателях внутреннего сгорания или лопасти в газовых турбинах.

Суперсплавы на основе кобальта поглотили большую часть кобальта, произведенного в прошлом. Температурная стабильность этих сплавов делает их пригодными для турбинных лопаток газовых турбин и авиационных двигателей, хотя монокристаллические сплавы на основе никеля превосходят свои характеристики. Сплавы на основе кобальта также устойчивы к коррозии и износу, поэтому, подобно титану, они могут быть использованы для изготовления ортопедических имплантатов, которые не изнашиваются со временем. Разработка износостойких кобальтовых сплавов началась в первом десятилетии 20. В. с Stellitlegierungen, содержащим хром с различными пропорциями вольфрама и углерода. Сплавы с карбидами хрома и вольфрама очень твердые и износостойкие. Для изготовления деталей протеза используются специальные сплавы кобальт-хром-молибден, такие как виталий. Сплавы кобальта также используются для зубных протезов в качестве полезной замены никеля, который может быть аллергенным. Некоторые высокоскоростные стали также содержат кобальт для повышения их жаростойкости и износостойкости. Специальные сплавы алюминия, никеля, кобальта и железа, известные как Alnico, а также самарий и кобальт (самарий-кобальтовый магнит) используются в постоянных магнитах.

Кобальт является компонентом магнитных сплавов, в качестве осушителя (сиккатива) для красок и лаков, в качестве катализатора десульфурации и гидрирования, в виде гидроксида или диоксида лития-кобальта (LiCoO2) в батареях, в коррозионных или износостойких сплавах и в качестве микроэлемента для медицины. и сельское хозяйство. Кобальт также используется в производстве магнитных носителей информации, таких как лента и видеокассеты, где он улучшает магнитные свойства путем легирования. Некоторое время кобальт использовался в качестве компонента сплава для гитарных струн.

С момента появления литий-ионных аккумуляторов в годы 1990 кобальт использовался для аккумуляторов, особенно для мобильных устройств, поскольку литий-кобальт-оксидная батарея обладает особенно высокой плотностью энергии. Первая коммерчески доступная литий-ионная батарея появилась на рынке как литий-кобальтовый аккумулятор Sony в году 1991. В связи с ожидаемой возрастающей важностью аккумуляторов для мобильной электроники и электромобильности Федерация немецкой промышленности (BDI) рекомендует: «В связи с высокой концентрацией отложений кобальта в политически нестабильных штатах Конго и Замбии возросли исследования в области марганцевых и железофосфатных электродов и также в никелевых электродах, которые не содержат или содержат небольшое количество кобальта, в основном рекомендуется ". В аналитической записке BDI, посвященной инновационным приводным технологиям, прогнозируется: «Глобальный спрос на сырье для кобальта может увеличиться в 2030 раз только за счет увеличения спроса на литий-ионные аккумуляторы к 2006 по сравнению с 3,4».

Оксид лития-кобальта (III) часто используется в катодах литий-ионных аккумуляторов. Материал состоит из слоев оксида кобальта с интеркалированным литием. Во время разряда литий выделяется в виде ионов лития. Никель-кадмиевые батареи и никель-металлогидридные батареи также содержат кобальт для усиления окисления никеля в батарее.

Хотя в год 2018 большая часть кобальта в батареях использовалась в мобильном устройстве, аккумуляторные батареи для электромобилей являются более новым приложением для Cobalt. Эта отрасль в пять раз увеличила свой спрос на кобальт, что привело к срочному поиску новых ресурсов в более стабильных районах мира. Ожидается, что спрос будет расти или увеличиваться по мере увеличения распространения электромобилей.

Катализаторы на основе кобальта используются в реакциях с окисью углерода. Кобальт также является катализатором процесса Фишера-Тропша для гидрирования оксида углерода в жидкое топливо. При гидроформилировании алкенов в качестве катализатора часто используют октакарбонил кобальта, хотя его часто заменяют более эффективными катализаторами на основе иридия и родия, например В процессе Кативы.

При гидродесульфурации нефти используется катализатор, полученный из кобальта и молибдена. Этот процесс помогает очистить нефть от сернистых загрязнений, которые влияют на очистку жидкого топлива.

Физиология

Кобальт является частью витамина B12, кобаламина, который необходим для выживания человека. У здоровых людей этот витамин может вырабатываться кишечными бактериями непосредственно из ионов кобальта. Тем не менее, кобаламин должен быть связан с желудочным фактором, который попадает в подвздошную кишку. Тем не менее, поскольку место производства искусственного кобаламина находится в толстой кишке, резорбция невозможна в соответствии с текущим уровнем знаний. Поэтому витамин должен усваиваться пищей. Тем не менее, суточная доза 0,1 мкг кобальта предоставляется в качестве микроэлемента для ежедневных потребностей взрослых. Недостаток витамина B12 может привести к нарушению эритропоэза и, следовательно, к анемии. У жвачных животных такой дефицит возникает главным образом из-за недостаточного потребления кобальта. В животноводстве кобальт добавляется в корм в виде следов, если животных нужно кормить на бедных кобальтом пастбищах. Это следует использовать для противодействия нарушениям роста и лактации, анемии и потере аппетита.

Бактерии в желудке жвачных животных превращают соли кобальта в витамин B12, соединение, которое может вырабатываться только бактериями или археями. Поэтому минимальное присутствие кобальта в почвах значительно улучшает здоровье пасущихся животных.

Белки на основе кобаламина используют коррин для удержания кобальта. Коэнзим B12 имеет реакционную связь C-Co, участвующую в реакциях. У людей B12 имеет два типа алкильных лигандов: метил и аденозил. Метилкобаламин способствует переносу метильных групп. Аденозильная версия B12 катализирует перегруппировки, в которых атом водорода переносится непосредственно между двумя соседними атомами, с одновременной заменой второго заместителя X, который может быть атомом углерода заместителем, атомом кислорода спирта или амина. Метилмалонил-КоА-мутаза превращает метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА, важный шаг в восстановлении энергии из белков и жиров.

Хотя гораздо реже, чем другие металлопротеины (например, цинк и железо), известны другие кобальтопротеины, кроме B12. Эти белки включают метионин-аминопептидазу 2, фермент, обнаруженный у людей и других млекопитающих, который не использует корриновое кольцо B12, но непосредственно связывает кобальт. Другим неисправленным ферментом кобальта является нитрилгидратаза, фермент бактерий, который метаболизирует нитрилы.

В то время как небольшие передозировки соединений кобальта слабо токсичны для человека, большие дозы от 25 до 30 мг в день приводят к заболеваниям кожи, легких, желудка, печени, сердца, почек и раковым язвам.

В середине 1960 было много случаев кобальтоиндуцированной кардиомиопатии (кобальтовой кардиомиопатии) в Канаде и Соединенных Штатах. В Квебеке был зарегистрирован 49, а у пациентов в Омахе - 64. Симптомы включали, помимо прочего, боль в животе, потерю веса, тошноту, одышку и кашель. Уровень смертности составил 40 процентов. Вскрытие показало серьезное повреждение сердечной мышцы и печени. Все пациенты были любителями пива и потребляли от 1,5 до 3 литров в день. Они предпочитали употреблять сорта из местных пивоварен, которые начали добавлять сульфат кобальта (II) в качестве стабилизатора пены примерно месяцем ранее. Предельные значения для кобальта в пищевых продуктах не превышены. Возникновение болезней прекратилось сразу же после того, как пивоваренные заводы прекратили добавки сульфата кобальта (II).

Соли кобальта (II) активируют индуцируемые гипоксией факторы транскрипции (HIF) и повышают экспрессию HIF-зависимых генов. Это включает в себя ген эритропоэтина (ЭПО). Спортсмены могут злоупотреблять солями кобальта (II) для образования красных кровяных клеток.

доказательство

Относительно значимым предварительным образцом для кобальта является шарик фосфорной соли, который сильно окрашен ионами кобальта. В процессе разделения катионов он может быть обнаружен рядом с никелем с тиоцианатом и амиловым спиртом, он образуется при растворении в амиловом спирте голубого Co (SCN) 2. Красновато-фиолетовый тиоцианат кобальта (II) также становится синим при смешивании с ацетоном.

Количественно кобальт может быть определен с помощью ЭДТА в комплексометрическом титровании против муроксида в качестве индикатора.

Связи

Кобальт обычно встречается в его соединениях в двух или трехвалентных. Эти соединения часто имеют смелые цвета. Важными соединениями кобальта являются:

Оксид

Оксид кобальта (II) представляет собой оливково-зеленую нерастворимую в воде соль. Он образует структуру хлорида натрия пространственной группы Fm3m (номер группы номеров 225). Оксид кобальта (II) используется в качестве сырья для производства пигментов, в частности для производства пигмента Смальте, который также используется в керамической промышленности. Это может также использоваться, чтобы сделать кобальтовое стекло и Thénards Blue. Оксид кобальта (II, III) представляет собой твердое вещество черного цвета и относится к группе шпинелей.

Оксид кобальта (II, III) является важным промежуточным звеном в восстановлении металлического кобальта. В результате обжига и выщелачивания оксид кобальта (II, III) сначала получают из различных солей кобальта (обычно сульфидов или арсенидов). Теперь это можно уменьшить с помощью углерода или алюмотермического элемента.

Оксид кобальта (III) представляет собой серо-черное твердое вещество, практически нерастворимое в воде. При температуре выше 895 ° C он выделяет кислород, образуя оксиды кобальта, такие как Co3O4 и CoO.

галогениды

Кобальт (II) хлорид (безводный)
Кобальт (II), гексагидрат хлорида

Хлорид кобальта (II) представляет собой безводную синюю гексагидратную розовую соль. Он имеет кристаллическую структуру тригонального типа гидроксида кадмия (II) с пространственной группой P3m1 (номер пространственной группы 164). Безводный хлорид кобальта (II) очень гигроскопичен и легко впитывает воду. Он очень характерно меняет свой цвет с голубого на розовый. Обратное изменение цвета с розового на синий также возможно при нагревании гексагидрата до температур выше 35 ° C. Из-за типичного изменения цвета он служил индикатором влажности в таких осушителях, как силикагель. С помощью хлорида кобальта (II) вода также может быть обнаружена в других растворах. Он также используется в качестве так называемых секретных чернил, так как он едва виден в виде гексагидрата в водном растворе на бумаге, но при нагревании появляется темно-синяя надпись.

Бромид кобальта (II) представляет собой зеленое гигроскопичное твердое вещество, которое превращается в красный гексагидрат в воздухе. В воде он легко растворяется в красном цвете. Йодид кобальта (II) представляет собой черную графитоподобную гигроскопичную массу, которая медленно становится черной в зеленом цвете в воздухе. Он растворим в воде, разбавленные растворы выглядят красными, концентрированные растворы красными при низких температурах, и все оттенки от коричневого до оливково-зеленого при более высоких температурах. Бромид кобальта (II) и йодид кобальта (II) имеют гексагональную кристаллическую структуру йодида кадмия с пространственной группой P63mc (номер космической группы 186).

Дальнейшие связи

Нитрат кобальта (II) представляет собой соль азотной кислоты, образованную из катиона кобальта и нитрат-аниона. Коричнево-красная и гигроскопичная соль обычно представляет собой гексагидрат, образуя моноклинные кристаллы, которые легко растворимы в воде, этаноле и других органических растворителях.

Оксалат кобальта (II) представляет собой горючее, невоспламеняющееся, кристаллическое, розовое твердое вещество, которое практически не растворяется в воде. Разлагается при нагревании выше 300 ° C. Это происходит в двух аллотропных кристаллических структурах. Один имеет моноклинную кристаллическую структуру с пространственной группой C2 / c (номер космической группы 15), другой - ромбическую кристаллическую структуру с пространственной группой Cccm (номер космической группы 66). Оксалат кобальта (II) в основном используется для производства порошка кобальта. Желтовато-розовый тетрагидрат используется при приготовлении катализаторов.

Сульфат кобальта (II) представляет собой фиолетово-красную гигроскопичную соль в безводном состоянии. Сульфат кобальта (II) используется для производства пигментов, глазурей, в росписи фарфора, для тонирования бумаги (фотографии), в ваннах для гальваники кобальта и для добавления микроэлементов в аквариумистике.

Желтый кобальт представляет собой тонкий, легкий кристаллический порошок и используется в качестве пигмента для масляной и акварельной живописи.

Thénards Blue - синий пигмент, полученный спеканием оксида кобальта (II) с оксидом алюминия при температуре 1200 ° C. Он чрезвычайно стабилен и использовался в прошлом как краситель для керамики (особенно китайского фарфора), ювелирных изделий и красок. Прозрачные стекла окрашены кобальтовым пигментом смальта на основе кремнезема.

Пигмент Rinmans Green представляет собой бирюзовый зеленый порошок и в основном используется для масляных и цементных красок. Rinman's Green является популярным источником цинка. Оксид цинка или гидроксид цинка смешивают на магнезиаринке с небольшим количеством сильно разбавленного раствора нитрата кобальта. Слабое свечение в окислительном пламени создает зеленый цвет Ринмана.

комплексы кобальта

После добавления раствора аммиака раствор хлорида кобальта (II) первоначально осаждает гидроксид кобальта (II), который растворяется в избытке раствора аммиака и хлорида аммония в присутствии кислорода воздуха в качестве окислителя с образованием различных комплексов амина кобальта (III) , В частности, образуются оранжево-желтый хлорид гексааммина кобальта (III) и красный хлорид аквапентааммо кобальта (III).

Кроме того, могут образовываться различные комплексы хлороамминкобальта (III), такие как хлорид хлорпентаамминкобальта (III) или хлорид дихлортетраамминкобальта (III). Некоторые из этих соединений удаляются из раствора. Кроме того, существуют также аминовые комплексы солей кобальта (II), такие как гексаамминсульфат кобальта (II), которые могут быть получены путем пропускания газообразного аммиака над безводным сульфатом кобальта (II).

В дополнение к комплексам аминов существует множество соединений с различными лигандами. Примерами являются гексацианокобальтат (II) калия (K4 [Co (CN) 6]), тетратиоцианатокобальтат (II) калия (K2 [Co (SCN) 4]), гексанитритокобальтат калия (III) (соли Фишера, органические комплексы с кобальтом и желтый, кобальт) Лиганды, такие как этилендиамин или оксалат.

Примечательным является свойство [Co (NH3) 5 (NO2)] Cl (NO3). При облучении ультрафиолетовым светом кристаллы размером от микрометра до миллиметра в этом координационном соединении кобальта прыгают, оставляя расстояния, которые в тысячу раз превышают их размер. Это связано с изомеризацией нитритного лиганда (NO2), что приводит к напряжениям в кристалле. Это преобразование света в механическую энергию было изучено учеными из Объединенных Арабских Эмиратов и России.

Цены на кобальт

Цена на кобальт -> Стратегические цены на металлы