KOBALT: STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2026

Het kobalt is een overgangsmetaal dat tot de groep VIIIB van het periodiek systeem behoort en waarvan het chemische symbool Co. is. Het is een effen blauwgrijze (afhankelijke onzuiverheden) die overal in de aardkorst wordt aangetroffen; hoewel de concentratie nauwelijks 25 ppm of 0,001% ervan vertegenwoordigt.

Dit metaal is een essentieel sporenelement in de voeding van herkauwers. Het maakt ook deel uit van de kern van vitamine B ₁₂ , nodig voor de rijping van erytrocyten. Vitamine B ₁₂ heeft een structuur die lijkt op die van de heemgroep van hemoglobine; maar met Co in plaats van Faith.

Metaal kobalt monster. Bron: hoge resolutie afbeeldingen van chemische elementen

In de natuur wordt kobalt meestal niet puur aangetroffen, maar in complexe minerale matrices zoals: kobaltiet, skutterudiet, erythriet, etc. In deze mineralen wordt kobalt meestal gecombineerd met nikkel, ijzer of arseen.

De naam 'kobalt' komt van het Duitse kobalt, dat op zijn beurt is afgeleid van kobolt, de naam die mijnwerkers gaven aan minerale ertsen die blauwe kleurstoffen produceerden en weinig metalen hadden die ze kenden; Ertsen die, moet worden vermeld, hen vergiftiging veroorzaakten.

Kobalt wordt gevonden in ertsen, samen met nikkel, ijzer en koper, naast andere metalen. Daarom kan het niet puur worden verkregen en vereist intensief verfijningswerk om het te zuiveren totdat het gebruik praktisch is.

Het werd ontdekt door de Zweedse chemicus Georg Brandt, tussen 1730 en 1740. Het was het eerste metaal dat werd ontdekt sinds de prehistorie. Brandt wees erop dat kobalt verantwoordelijk was voor de blauwe tint van keramiek en glas; en niet bismut, zoals tot dan toe werd aangenomen.

Kobalt heeft 29 isotopen. De ⁵⁹ Co is stabiel en vertegenwoordigt bijna 100% van de isotopen van kobalt; de overige 28 zijn radio-isotopen. Deze omvatten ⁶⁰ Co, gebruikt bij de behandeling van kanker. Het is een magnetisch element dat zijn magnetisme behoudt bij hoge temperaturen. Deze eigenschap heeft het mogelijk gemaakt legeringen te vormen zoals de zogenaamde Alinco, gebruikt in luidsprekers, microfoons, radiohoorns, enz.

Geschiedenis

Oudheid

Kobalt werd al gebruikt in 2000 tot 3000 jaar v.Chr. De Egyptenaren, Perzen en Chinese dynastieën gebruikten het bij het maken van hun sculpturen en keramiek. Het zorgde voor de blauwe kleur die zo gewaardeerd wordt in kunstwerken en gebruiksvoorwerpen.

De Egyptenaren (1550 - 1292 v.Chr.) Waren waarschijnlijk de eersten die kobalt gebruikten om glas zijn blauwe kleur te geven.

Kobalt wordt niet geïsoleerd in ertsen, maar in aanwezigheid van mineralen met nikkel, koper en arseen.

Bij het smelten van koper met nikkel werd arseenoxide geproduceerd, een zeer giftig gas dat de oorzaak was van de vergiftiging van de mijnwerkers.

Ontdekking

Kobalt werd ongeveer in het jaar 1735 ontdekt door de Zweedse chemicus Georg Brandt, die zich realiseerde dat kobalt precies het metaal was dat bijdroeg aan de blauwe kleur van keramiek en glas.

Het was het eerste metaal dat sinds de oudheid werd ontdekt. Sinds die tijd heeft de mens talloze metalen gebruikt zoals ijzer, koper, zilver, tin, goud enz. In veel gevallen is het onbekend wanneer ze in gebruik zijn genomen.

Mijnbouwproductie

De eerste kobaltwinning ter wereld begon in Europa, waarbij Noorwegen de eerste producent van kobaltblauw was; een verbinding van aluminiumoxide en kobalt, evenals email (poedervormig kobaltglas), gebruikt als pigment in keramiek en in verf.

Het overwicht in de productie van kobalt verhuisde naar Nieuw-Caledonië (1864) en Canada (1904), in de regio Ontario, vanwege de ontdekking van afzettingen in die landen.

Later werd de huidige Democratische Republiek Congo (1913) 's werelds grootste producent van kobalt door de ontdekking van grote afzettingen in de Katanga-regio. Momenteel is dit land, samen met Canada en Australië, een van de belangrijkste kobaltproducenten.

Ondertussen is het ROC 's werelds grootste producent van geraffineerd kobalt en importeert het metaal uit de Democratische Republiek Congo voor raffinage.

In 1938 bereikten John Livinglood en Glenn Seaborg de productie in een ⁶⁰ Co- kernreactor ; Een radioactieve isotoop die in de geneeskunde wordt gebruikt om kanker te behandelen.

Structuur en elektronenconfiguratie van kobalt

Kobalt houdt, net als andere metalen, zijn atomen bij elkaar door de metaalbinding. De kracht en compressie zijn zodanig dat ze een metallisch kristal vormen, waar een golf van elektronen en geleidingsbanden is die hun elektrische en thermische geleidbaarheid verklaren.

Microscopisch analyseren van kobaltkristallen, zal blijken dat ze een compacte hexagonale structuur hebben; er zijn driehoeken van Co-atomen gerangschikt in ABAB … -lagen, die driehoekige prisma's vormen met tussenliggende lagen, die op hun beurt het zesde deel van een zeshoek vertegenwoordigen.

Deze structuur is aanwezig voor de meeste kobaltmonsters bij temperaturen onder 450ºC. Wanneer de temperatuur echter stijgt, begint een overgang tussen twee kristallografische fasen: de compacte zeshoekige (hcp) en de vlakgecentreerde kubus (fcc).

De overgang is traag, dus niet alle hexagonale kristallen worden kubisch. Dus bij hoge temperaturen kan kobalt beide kristallijne structuren vertonen; en dan zijn de eigenschappen niet langer homogeen voor alle metalen.

Kristal kralen maat

De kristalstructuur is niet helemaal perfect; het kan onregelmatigheden bevatten die kristallijne korrels van verschillende groottes definiëren. Hoe kleiner ze zijn, hoe lichter het metaal of sponsachtig is. Aan de andere kant, als de korrels groot zijn, wordt het metaal solide en solide.

Het detail bij kobalt is dat niet alleen de korrels het uiterlijk van het metaal wijzigen: ook de kristallijne structuur. Beneden 450ºC zou de hcp-structuur moeten overheersen; maar wanneer de korrels klein zijn, zoals bij sponsachtig kobalt, is de dominante structuur de fcc.

Het tegenovergestelde doet zich voor als de korrels groot zijn: de fcc-structuur domineert de hcp. Logisch, want grote korrels zijn zwaarder en leggen meer druk op elkaar. Bij hogere drukken verdichten de Co-atomen meer en kiezen ervoor om de hcp-structuur aan te nemen.

Bij hoge temperaturen (T> 1000ºC) treden de zojuist beschreven overgangen op; maar in het geval van sponsachtig kobalt wordt een klein deel van de kristallen zeshoekig, terwijl de meeste kubisch blijven.

Stabiele hcp nanokristallen

In een Spaans onderzoekswerk (Peña O'shea V. et al., 2009) werd aangetoond dat het mogelijk was om hexagonale kobaltnanokristallen te synthetiseren die bestand zijn tegen temperaturen van bijna 700 ° C zonder overgangen naar de fcc-fase te ondergaan.

Hiertoe de onderzoekers gereduceerde monsters cobalt oxides met CO en H ₂ , vastgesteld dat de hcp nanokristallen danken hun stabiliteit een bekleding van koolstof-nanovezels.

Elektronische configuratie en oxidatietoestanden

De elektronenconfiguratie van kobalt is:

3d ⁷ 4s ²

Het kan daarom theoretisch tot negen elektronen verliezen uit zijn valentieschil; maar dit gebeurt niet (tenminste onder normale omstandigheden), noch wordt het Co ⁹⁺ kation ^gevormd .

De oxidatietoestanden zijn: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, waarbij +2 en +3 de belangrijkste zijn.

Eigendommen

Fysiek uiterlijk

Massief, glanzend, blauwgrijs metaal. Gepolijst kobalt is zilverwit met een blauwachtige tint.

Atoomgewicht

58,933 g / mol.

Atoomnummer

27.

Periodiek systeem

Het is een overgangsmetaal dat behoort tot groep 9 (VIIIB), periode 4.

Smeltpunt

1.768 K (1.495 ° C, 2.723 ° F).

Kookpunt

3.200 K (2.927 ° C, 5.301 ° F).

Dichtheid bij kamertemperatuur

8,90 g / cm ³ .

Warmte van fusie

16,06 kJ / mol.

Warmte van verdamping

377 kJ / mol.

Molaire calorische capaciteit

24,81 J / mol K

Snelheid van geluid

4.720 m / s (gemeten op een metalen staaf).

Hardheid

5.0 op de schaal van Mohs.

Magnetisme

Het is een van de drie ferromagnetische elementen bij kamertemperatuur. Kobaltmagneten behouden hun magnetisme bij temperaturen zo hoog als 1.121ºC (2.050ºF).

Elektronegativiteit

1,88 op de schaal van Pauling.

Ionisatieenergie

Eerste ionisatieniveau: 740,4 kJ / mol.

Tweede ionisatieniveau: 1.648 kJ / mol.

Derde ionisatieniveau: 3.232 kJ / mol.

Atomaire radio

125 uur.

Atoomvolume

6,7 cm ³ / mol.

Reacties

Kobalt lost langzaam op in verdunde minerale zuren. Het combineert niet direct met waterstof of stikstof, maar het combineert wel met koolstof, fosfor en zwavel door verhitting. Het bindt zich bij hoge temperaturen aan de zuurstof die aanwezig is in waterdamp.

Reageert heftig met 15 M salpeterzuur en vormt kobaltnitraat, Co (NO ₃ ) ₂ . Reageert zwak met zoutzuur om kobaltchloride, CoCl ₂ , te vormen . Kobalt vormt geen hydriden.

Zowel Co ⁺² als Co ⁺³ vormen talrijke coördinatiecomplexen en worden beschouwd als een van de metalen met het hoogste aantal van deze complexen.

Toepassingen

Legeringen

Kobaltlegeringen worden gebruikt bij de fabricage van straalmotoren en gasturbinemotoren. Een legering genaamd Alinco, gemaakt van aluminium, nikkel en kobalt, heeft sterke magnetische eigenschappen. Alinco magneten worden gebruikt in hoortoestellen, kompassen en microfoons.

De zogenaamde snijgereedschappen zijn gemaakt met stellietlegeringen, gemaakt van kobalt, chroom en wolfraam. Superlegeringen hebben een smeltpunt dat dicht bij dat van kobalt ligt en worden gekenmerkt door hun grote hardheid, omdat ze worden gebruikt bij de vervaardiging van gereedschappen met lage expansie.

Keramiek, sculpturen en glas

Glazen glazen met kobalt. Bron: Pxhere.

Sinds de oudheid wordt kobalt door tal van culturen gebruikt om hun kunst en decoratieve werken een blauwe tint te geven. In die zin zijn oxiden gebruikt: kobalt, CoO en kobalt, Co ₃ O ₄ .

Naast hun gebruik bij de vervaardiging van keramiek, glas en email, worden kobaltoxiden gebruikt bij de bereiding van katalysatoren.

Artsen

Kobalt-60 ( ⁶⁰ Co), een radioactieve isotoop die bèta (β) en gamma (γ) straling uitzendt, wordt gebruikt bij de behandeling van kanker. Γ straling is elektromagnetische straling, dus het kan weefsels binnendringen en kankercellen bereiken, waardoor ze kunnen worden uitgeroeid.

Kankercellen zijn cellen die zich snel delen, waardoor ze vatbaarder worden voor ioniserende straling die hun kern raakt en genetisch materiaal beschadigt.

De ⁶⁰ Co wordt, net als andere radio-isotopen, gebruikt bij de sterilisatie van materialen die in de medische praktijk worden gebruikt.

Evenzo wordt kobalt gebruikt bij de vervaardiging van orthopedische implantaten, samen met titanium en roestvrij staal. Een groot deel van de heupprothesen maakt gebruik van kobaltchromen femurstelen.

Alternatieve energie

Kobalt wordt gebruikt om de prestaties van oplaadbare batterijen te verbeteren en speelt een nuttige rol in hybride voertuigen.

Galvaniseren

Kobalt wordt gebruikt om metalen oppervlakken een goede afwerking te geven die ze beschermt tegen oxidatie. Kobaltsulfaat, CoSO ₄ , is bijvoorbeeld de belangrijkste kobaltverbinding die in dit opzicht wordt gebruikt.

In laboratoria

Kobalt (II) chloride, CoCl ₂ .6H ₂ O, wordt gebruikt als vochtindicator in exsiccatoren. Het is een roze vaste stof die bij hydratatie verandert in een blauwe kleur.

Biologische rol

Kobalt maakt deel uit van de actieve plaats van vitamine B ₁₂ (cyanocobalamine) die betrokken is bij de rijping van erytrocyten. De afwezigheid ervan veroorzaakt bloedarmoede die wordt gekenmerkt door het verschijnen in de bloedcirculatie van grote erytrocyten die bekend staan ​​als megaloblasten.

Waar is het gelegen

aardkorst

Kobalt is wijd verspreid over de aardkorst; hoewel de concentratie erg laag is, wordt geschat dat het 25 ppm van de aardkorst uitmaakt. Ondertussen is de relatieve concentratie in het zonnestelsel als geheel 4 ppm.

Het wordt in kleine hoeveelheden aangetroffen in de nikkel-ijzercomplexen, die inheems zijn in de aarde en in meteorieten. Het wordt ook in combinatie met andere elementen aangetroffen in meren, rivieren, zeeën, planten en dieren.

Vitamine B

Bovendien is het een essentieel element voor de voeding van herkauwers en is het aanwezig in vitamine B ₁₂ , noodzakelijk voor de rijping van erytrocyten. Kobalt is meestal niet geïsoleerd in de natuur, maar wordt gevonden in verschillende mineralen in combinatie met andere elementen.

Mineralen

Kobaltmineralen omvatten de volgende: kobaltiet, in combinatie met arseen en zwavel; erythriet, gevormd door arseen en gehydrateerd kobalt; de glaucodot gevormd door kobalt, ijzer, arseen en zwavel; en het skutterudiet gevormd door kobalt, nikkel en arseen.

Daarnaast kunnen de volgende aanvullende kobaltmineralen worden opgemerkt: linnaeliet, glazuur en heterogeniet. Kobalt wordt in mineralen vergezeld door voornamelijk nikkel, arseen en ijzer.

Meestal wordt kobalt niet gewonnen uit de ertsen die het bevatten, maar is het een bijproduct van de winning van nikkel, ijzer, arseen, koper, mangaan en zilver. Er is een complex proces nodig om kobalt uit deze mineralen te extraheren en te isoleren.

Referenties

1. Wikipedia. (2019). Kobalt. Hersteld van: en.wikipedia.org
2. A. Owen en D. Madoc Jone. (1954). Effect van korrelgrootte op de kristalstructuur van 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 en José LG Fierro. (2009). Ontwikkeling van zeshoekige gesloten verpakte kobaltnanodeeltjes die stabiel zijn bij hoge temperaturen. Chemie van materialen 21 (23), 5637-5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (02 februari 2019). Kobaltfeiten en fysische eigenschappen. ThoughtCo. Hersteld van: thoughtco.com
5. De redactie van Encyclopaedia Britannica. (08 juni 2019). Kobalt. Encyclopædia Britannica. Hersteld van: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Kobalt. Hersteld van: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Elementen voor kinderen: kobalt. Hersteld van: ducksters.com