钴：结构，性能，应用 - 化学 - 2025

的钴是属于周期表的第VIIIB族，并且其化学符号为Co.为固体蓝的过渡金属 - 灰色（取决于杂质）发现在整个地球的地壳; 尽管其浓度几乎不代表其25 ppm或0.001％。

这种金属是反刍动物营养中必不可少的微量元素。它也是维生素B ₁₂核的一部分，是红细胞成熟所必需的。维生素B ₁₂的结构类似于血红蛋白的血红素基团。但是用Co代替Faith。

金属钴样品。来源：化学元素的高分辨率图像

在自然界中，钴通常不是纯净的，而是存在于复杂的矿物基质中，例如：钴矿，方钴矿，赤霞石等。在这些矿物质中，钴通常与镍，铁或砷结合。

“钴”的名字来自德国的钴，而钴又源于kobolt，矿工给矿物产生的名称是产生蓝色染料且几乎不知道的金属。值得一提的是，矿石致使它们中毒。

钴与镍，铁和铜以及其他金属一起被发现在矿石中。因此，不能纯净地获得它，并且需要大量的精制工作以将其纯化，直到可以实际使用为止。

它是由瑞典化学家乔治·布兰特（Georg Brandt）在1730年至1740年之间发现的。这是自史前以来发现的第一种金属。布兰特指出，钴是造成陶瓷和玻璃的蓝色色调的原因。而不是像那时之前那样相信铋。

钴有29种同位素。的⁵⁹钴是稳定的并且代表钴的同位素的几乎100％; 其余28个是放射性同位素。其中包括⁶⁰联合，在癌症的治疗中使用。它是一种磁性元素，可以在高温下保持其磁性。这种特性使它能够形成合金，例如用于扬声器，麦克风，无线电喇叭等的所谓的Alinco。

历史

古代

钴的使用可追溯到公元前2,000至3,000年，埃及人，波斯人和中国王朝在制作雕塑和陶瓷时都使用了钴。它提供了在艺术品和使用物品中非常欣赏的蓝色。

埃及人（公元前1550年至1292年）可能是最早使用钴使玻璃呈蓝色的人。

钴不是在矿石中分离出来的，而是在含有镍，铜和砷的矿物存在下分离的。

当试图用镍熔化铜时，会产生氧化砷，这是一种非常有毒的气体，是矿工中毒的原因。

发现

大约在1735年，瑞典化学家乔治·布兰特（Georg Brandt）发现了钴，他意识到钴正是能使陶瓷和玻璃呈现蓝色的金属。

它是自古以来发现的第一种金属。从那时起，人类就使用了许多金属，例如铁，铜，银，锡，金等。在许多情况下，何时开始使用它们是未知的。

采矿生产

世界上第一批钴矿开采始于欧洲，挪威是第一批钴蓝生产国。氧化铝和钴以及搪瓷（粉状钴玻璃）的化合物，用作陶瓷和油漆中的颜料。

钴的生产主要转移到安大略省的新喀里多尼亚（1864年）和加拿大（1904年），原因是在这些国家发现了矿床。

后来，由于在加丹加地区发现了大量矿床，现任刚果民主共和国（1913年）成为世界领先的钴生产国。目前，这个国家与加拿大和澳大利亚一起，是主要的钴生产国之一。

同时，中华民国是世界领先的精炼钴生产商，从刚果民主共和国进口这种金属进行精炼。

1938年，约翰·利文卢德（John Livinglood）和格伦·西堡（Glenn Seaborg）在⁶⁰ Co 原子反应堆中实现了生产；一种放射性同位素，用于医学上以治疗癌症。

钴的结构和电子构型

钴与其他金属一样，通过金属键将原子结合在一起。力和压缩使它们形成金属晶体，其中电子和导带的潮汐可以解释其电导率和热导率。

用显微镜分析钴晶体，发现它们具有紧密的六边形结构。在ABAB…层中排列有Co原子的三角形，形成带交错层的三棱柱，依次代表六边形的六分之一。

在温度低于450ºC的大多数钴样品中都存在这种结构。但是，当温度升高时，在两个结晶相之间开始过渡：紧密的六角形（hcp）和面心立方（fcc）。

过渡很慢，因此并非所有六角形晶体都变成立方晶。因此，在高温下，钴可同时显示出两种晶体结构。然后它的特性对于所有金属不再是同质的。

水晶珠大小

晶体结构不是完全完美的。它可以包含不规则形状，这些不规则形状定义了不同大小的晶粒。它们越小，金属或海绵状材料就越轻。另一方面，当晶粒大时，金属将变得固体和固体。

钴的细节在于，不仅晶粒改变了金属的外观：还改变了其晶体结构。低于450ºC，hcp结构应占主导地位。但是当晶粒较小时（如海绵状钴），主要结构为fcc。

当晶粒较大时，情况恰恰相反：fcc结构在hcp上占主导地位。这是有道理的，因为大颗粒较重并且彼此施加更大的压力。在较高的压力下，Co原子的致密性更高，并选择采用hcp结构。

在高温（T>1000ºC）时，会发生上述过渡。但是对于海绵状钴，其晶体的一小部分变为六边形，而大多数晶体仍为立方晶。

稳定的hcp纳米晶体

西班牙的一项研究工作（PeñaO'shea V.等，2009）证明，可以合成六方钴纳米晶体，这些纳米晶体能够承受接近700ºC的温度而不会发生向fcc相的转变。

为此，研究人员用CO和H ₂还原了氧化钴样品，发现hcp纳米晶体的稳定性归功于碳纳米纤维的涂层。

电子结构和氧化态

钴的电子构型为：

3d ⁷ 4s ²

因此，从理论上讲，它的化合价壳最多可损失9个电子。但这不会发生（至少在正常条件下），也不会^形成 Co ⁹⁺阳离子。

其氧化态为：-3，-1，+ 1，+ 2，+ 3，+ 4，+ 5，其中+2和+3为主要态。

物产

外观

固体，有光泽的蓝灰色金属。抛光钴为银白色，略带蓝色。

原子重量

58.933克/摩尔

原子数

27。

元素周期表

它是过渡金属，属于第4组9（VIIIB）。

熔点

1,768 K（1,495°C，2,723°F）。

沸点

3,200 K（2,927°C，5,301°F）。

室温密度

8.90克/厘米³。

熔化热

16.06 kJ /摩尔

汽化热

377 kJ /摩尔

摩尔热容量

24.81 J /摩尔K

音速

4,720 m / s（在金属棒上测量）。

硬度

莫氏等级5.0。

磁性

它是室温下的三种铁磁元素之一。钴磁体在高达1,121ºC（2,050ºF）的温度下仍保持磁性。

电负性

鲍林标度为1.88。

电离能

第一电离水平：740.4 kJ / mol。

第二电离水平：1,648 kJ / mol。

第三级电离：3,232 kJ / mol。

原子无线电

125下午

原子量

6.7cm ³ / mol。

反应

钴缓慢溶解在稀无机酸中。它不会直接与氢或氮结合，但会通过加热与碳，磷和硫结合。它与高温下水蒸气中的氧气结合。

与15 M硝酸剧烈反应，形成硝酸钴Co（NO ₃）₂。与盐酸微弱反应，生成氯化钴CoCl ₂。钴不会形成氢化物。

Co ⁺²和Co ^+3都形成许多配位络合物，被认为是这些络合物数量最多的金属之一。

应用领域

合金类

钴合金用于制造喷气发动机和燃气涡轮发动机。一种由铝，镍和钴组成的合金称为Alinco，具有很强的磁性。Alinco磁铁用于助听器，指南针和麦克风。

所谓的切削工具是由钴，铬和钨制成的司太立合金制成的。高温合金的熔点接近钴，并且具有高硬度的特点，可用于制造低膨胀率工具。

陶瓷，雕塑和玻璃

眼镜与钴眼镜。资料来源：Pxhere。

自古以来，钴已被多种文化所使用，为其艺术和装饰作品赋予了蓝色。在这种意义上，已经使用了氧化物：钴CoO和钴Co ₃ O ₄。

除了将它们用于制造陶瓷，玻璃和搪瓷外，氧化钴还用于制备催化剂。

医生

钴60（⁶⁰ Co）是一种放射性同位素，可发射β（β）和γ（γ）辐射，用于治疗癌症。Γ辐射是电磁辐射，因此具有穿透组织并到达癌细胞的能力，因此可以消灭它们。

癌细胞是高速分裂的细胞，这使它们更容易受到撞击细胞核的电离辐射的伤害，从而破坏遗传物质。

的⁶⁰钴，等其它放射性同位素，类型是指在医疗实践中使用的材料的灭菌使用。

同样，钴与钛和不锈钢一起用于骨科植入物的制造。大部分髋关节置换使用钴铬合金股骨柄。

可替代能源

钴用于改善可充电电池的性能，在混合动力汽车中发挥着重要作用。

电镀

钴用于为金属表面提供良好的光洁度，以保护其免受氧化。硫酸钴，例如CoSO ₄，是在这方面使用的主要钴化合物。

在实验室里

氯化钴CoCl ₂.6H ₂ O被用作干燥器中的水分指示剂。它是一种粉红色的固体，随着水合会变成蓝色。

生物作用

钴是维生素B ₁₂（氰钴胺素）活性位点的一部分，维生素B ₁₂参与红细胞的成熟。它的缺失会导致贫血，其特征是在血液循环中出现称为巨细胞的大型红细胞。

它在哪里

地壳

钴广泛分布在地壳中。尽管它的浓度很低，但据估计它占地壳的25 ppm。同时，在整个太阳系中，其相对浓度为4 ppm。

在少量的镍铁络合物中发现了它，它是地球和陨石的天然产物。还发现它与湖泊，河流，海洋，植物和动物中的其他元素结合在一起。

维生素B

此外，它是反刍动物营养的必需元素，并且存在于维生素B _12中，这是红细胞成熟所必需的。钴通常不是自然界中分离出来的，而是在与其他元素结合的不同矿物中发现的。

矿物质

钴矿物质包括：钴矿，结合砷和硫；由砷和水合钴形成的赤铁矿；由钴，铁，砷和硫形成的青金石；以及由钴，镍和砷形成的方钴矿。

此外，还可以注意到以下其他钴矿物：菱镁矿，搪瓷和异质岩。钴伴有矿物质，主要是镍，砷和铁。

大多数时候，钴并不是从含有钴的矿石中提炼出来的，而是从镍，铁，砷，铜，锰和银中开采出来的副产品。从这些矿物质中提取和分离钴需要复杂的过程。

参考文献

1. 维基百科。（2019）。钴。从以下位置恢复：en.wikipedia.org
2. A. Owen和D. Madoc Jone。（1954）。晶粒尺寸对钴晶体结构的影响。进程 物理B.67456。doi.org/10.1088/0370-1301/67/6/302
3. VíctorA. de laPeñaO'Shea，PilarRamírezde la Piscina，Narcis Homs，GuillemAromí和JoséLG Fierro。（2009）。六方密闭钴纳米粒子在高温下稳定的发展。材料化学21（23），5637-5643。DOI：10.1021 / cm900845h。
4. Anne Marie Helmenstine博士 （2019年2月2日）。钴的事实和物理性质。ThoughtCo。从以下资源中恢复：Thoughtco.com
5. 大英百科全书的编辑。（2019年6月8日）。钴。不列颠百科全书。从以下位置恢复：britannica.com
6. Lookchem。（2008）。钴。从以下地址恢复：lookchem.com
7. 鸭子。（2019）。孩子们的元素：钴。从以下地址恢复：ducksters.com