Kobaltstruktur, Eigenschaften, Anwendungen

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Jonah Lester

Das Kobalt Es ist ein Übergangsmetall, das zur Gruppe VIIIB des Periodensystems gehört und dessen chemisches Symbol Co. ist. Es ist ein graublauer Feststoff (abhängig von seinen Verunreinigungen), der 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, notwendig für die Reifung von Erythrozyten. Vitamin B.12 Es hat eine ähnliche Struktur wie die Hämgruppe des Hämoglobins; aber mit Co anstelle von Fe.

Metallische Kobaltprobe. Quelle: Hochauflösende Bilder chemischer Elemente [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

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 erwähnenswert sind, haben sie vergiftet.

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 59Co ist stabil und macht fast 100% der Kobaltisotope aus; Die restlichen 28 sind Radioisotope. Diese schließen ein 60Co, zur Krebsbehandlung eingesetzt. 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..

Artikelverzeichnis

  • 1 Geschichte
    • 1.1 Antike
    • 1.2 Ermittlung
    • 1.3 Bergbauproduktion
  • 2 Struktur und Elektronenkonfiguration von Kobalt
    • 2.1 Größe der Kristallkörner
    • 2.2 Stabile hcp-Nanokristalle
    • 2.3 Elektronische Konfiguration und Oxidationsstufen
  • 3 Eigenschaften
    • 3.1 Aussehen
    • 3.2 Atomgewicht
    • 3.3 Ordnungszahl
    • 3.4 Periodensystem
    • 3.5 Schmelzpunkt
    • 3.6 Siedepunkt
    • 3.7 Dichte bei Raumtemperatur
    • 3.8 Schmelzwärme
    • 3.9 Verdampfungswärme
    • 3.10 Molare Wärmekapazität
    • 3.11 Schallgeschwindigkeit
    • 3.12 Härte
    • 3.13 Magnetismus
    • 3.14 Elektronegativität
    • 3.15 Ionisierungsenergie
    • 3.16 Atomradius
    • 3,17 Atomvolumen
    • 3.18 Reaktionen
  • 4 Anwendungen
    • 4.1 Legierungen
    • 4.2 Keramik, Skulpturen und Glas
    • 4.3 Ärzte
    • 4.4 Alternative Energie
    • 4.5 Galvanisieren
    • 4.6 In Laboratorien
    • 4.7 Biologische Rolle
  • 5 Wo zu finden
    • 5.1 Erdkruste
    • 5.2 Vitamin B12
    • 5.3 Mineralien
  • 6 Referenzen

Geschichte

Antike

Kobalt wurde bereits 2.000 bis 3.000 Jahre vor Christus verwendet. Die Ägypter, die Perser und die chinesischen Dynastien verwendeten es bei der Ausarbeitung 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 beisteuerte..

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 verlagerte sich aufgrund der Entdeckung von Lagerstätten in diesen Ländern nach Neukaledonien (1864) und Kanada (1904) in der Region Ontario..

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, da sie das Metall zur Raffination aus der Demokratischen Republik Kongo importiert..

1938 erreichten John Livinglood und Glenn Seaborg die Produktion in einem Atomreaktor der 60Co; 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 aufweisen. Es gibt Dreiecke von Co-Atomen, die in ABAB ... -Schichten angeordnet sind und dreieckige Prismen mit verschachtelten 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 kubischen (fcc, für ihr Akronym in Englisch: flächenzentrierte kubische).

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 erscheint 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. Unterhalb von 450 ° C 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.zwei, Feststellung, dass hcp-Nanokristalle ihre Stabilität einer Beschichtung aus Kohlenstoffnanofasern verdanken.

Elektronische Konfiguration und Oxidationsstufen

Die Elektronenkonfiguration von Kobalt ist:

[Ar] 3d74szwei

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 Kation gebildet9+.

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 ºC, 2.723 ºF).

Siedepunkt

3.200 K (2.927 ºC, 5.301 ºF).

Dichte bei Raumtemperatur

8,90 g / cm3.

Schmelzwärme

16,06 kJ / mol.

Verdampfungswärme

377 kJ / mol.

Molare Wärmekapazität

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 cm3/ 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. Bindet an Sauerstoff, der bei hohen Temperaturen im Wasserdampf vorhanden ist.

Reagiert heftig mit 15 M Salpetersäure unter Bildung von Kobaltnitrat, Co (NO3)zwei. Reagiert schwach mit Salzsäure unter Bildung von Kobaltchlorid, CoClzwei. Kobalt bildet keine Hydride.

Sowohl die Co.+zwei wie die 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, bestehend 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 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 die Oxide verwendet: Kobalt, CoO und Kobalt, Co.3ODER4.

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

Ärzte

Kobalt-60 (60Co), 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 mit hoher Geschwindigkeit teilen, wodurch sie anfälliger für ionisierende Strahlung werden, die auf ihren Kern trifft und genetisches Material schädigt.

Das 60Co wird wie andere Radioisotope bei der 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. Die meisten Hüftprothesen verwenden 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, CoSO4, Beispielsweise ist es die Hauptkobaltverbindung, die in dieser Hinsicht verwendet wird.

In Labors

Kobaltchlorid, CoClzwei.6HzweiOder es wird als Feuchtigkeitsindikator in Exsikkatoren verwendet. Es ist ein rosa Feststoff, der sich bei Hydratation in 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. Ebenso kommt es in Kombination mit anderen Elementen in Seen, Flüssen, Meeren, Pflanzen und Tieren vor..

Vitamin B.12

Darüber hinaus ist es ein wesentliches Element für die Ernährung von Wiederkäuern und in Vitamin B enthalten12, notwendig für die Reifung von Erythrozyten. Kobalt wird normalerweise nicht in der Natur isoliert, sondern kommt in verschiedenen Mineralien in Kombination mit anderen Elementen vor.

Mineralien

Kobaltmineralien umfassen Folgendes: Kobaltit in Kombination mit Arsen und Schwefel; Erythrit, bestehend 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 L. G. 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.
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  7. Ducksters. (2019). Elemente für Kinder: Kobalt. Wiederhergestellt von: ducksters.com

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