Свойства кобольта

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Соединения кобальта известны человеку с глубокой древности, синие кобальтовые стёкла, эмали, краски находят в гробницах Древнего Египта. Так в гробнице Тутанхамона нашли много осколков синего кобальтового стекла, неизвестно, было ли приготовление стёкол и красок сознательным или случайным. Первое приготовление синих красок относится к 1800 году.

Название химического элемента кобальт происходит от нем. Kobold -домовой, гном. При обжиге содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Руда, содержащая эти минералы, получила у горняков имя горного духа Кобольда. Древние норвежцы приписывали отравления плавильщиков при переплавке серебра проделкам этого злого духа. В этом происхождение названия кобальта схоже с происхождением названия никеля.

В 1735 году шведский минералог Георг Брандт сумел выделить из этого минерала неизвестный ранее металл, который и назвал кобальтом. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет - этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.

атом кобальт сплав окисление

1. Электронная конфигурация атома. Возможные степени окисления

1.1 Электронная конфигурация атома Кобальта

Электронная конфигурация -- формула расположения электронов по различным электронным оболочкам атома химического элемента или молекулы. Электронная конфигурация обычно записывается для атомов в их основном состоянии. Для определения электронной конфигурации элемента существуют следующие правила:

Принцип заполнения. Согласно принципу заполнения, электроны в основном состоянии атома заполняют орбитали в последовательности повышения орбитальных энергетических уровней. Низшие, по энергии, орбитали всегда заполняются первыми.

Принцип запрета Паули. Согласно этому принципу, на любой орбитали может находиться не более двух электронов и то лишь в том случае, если они имеют противоположные спины (неодинаковые спиновые числа).

Правило Хунда. Согласно этому правилу, заполнение орбиталей одной подоболочки начинается одиночными электронами с параллельными (одинаковыми по знаку) спинами, и лишь после того, как одиночные электроны займут все орбитали, может происходить окончательное заполнение орбиталей парами электронов с противоположными спинами.

Рис.1 - Электронные, атомные и молекулярные орбитали.

27 Co кобальт 1s 22s 22p 63s 23p64s 23d7 

1.2 Возможные степени окисления Кобальта

Степень окисления (окислительное число, формальный заряд) - вспомогательная условная величина для записи процессов окисления, восстановления и окислительно-восстановительных реакций. Она указывает на состояние окисления отдельного атома молекулы и представляет собой лишь удобный метод учёта переноса электронов: она не является истинным зарядом атома в молекуле.

Кобальт - элемент VIIIB (9) группы. Электронные конфигурации валентных уровней: Co - 3d74s2. Для кобальта характерны степени окисления +2 и +3, причём в водных растворах наиболее устойчивой является степень окисления +2.

Гораздо реже встречаются степени окисления 0, -1.НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ И ПОЛУЧЕНИЕ В СВОБОДНОМ ВИДЕ

1.3 Нахождение Кобальта в природе

Массовая доля кобальта в земной коре 4·10?3%. Кобальт входит в состав минералов: каролит CuCo2S4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтин CoAs2, скуттерудит (Co, Ni)As3 и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Кобальту сопутствуют железо, никель, хром, марганец и медь. Содержание в морской воде приблизительно (1,7)·10?10%.

Самый крупный поставщик кобальта -- Демократическая Республика Конго. Также есть богатые месторождения в Канаде, США, Франции, Замбии, Казахстане, России.

1.4 Получение Кобальта в свободном виде

Сырьем для получения кобальта служат кобальтовые руды. В состав руд входят такие минералы, как кобальтин (“кобальтовый блеск” - белые, розовые зернистые агрегаты, кристаллы (CoAsS), так называемые “кобальтовые цветы” (минералы малинового цвета твердостью 1,5 - 2,5 и плотностью 3,1 подкласса арсенатов - Co3[AsO4]2·8H2O, крайний член изоморфного ряда эритрин - аннабергит, Ni3[AsO4]2·8H2O, являющиеся продуктом выветривания кобальтина и арсенидов кобальта и никеля), а также линнеит, скуттерудит, шмальтинхлоантит, пентландит. В качестве сырья для получения кобальта может служить пирит (серный колчедан, железный колчедан), самый распространенный минерал класса сульфидов, FeS2, содержащий примеси Cu, Au, Fe, Ni, Co и др. Пирит представляет собой латунно-желтые кубические кристаллы полигенного происхождения, твердостью 6-6,5 и плотностью 5,0 г/см3. Главные промышленные месторождения пирита -- гидротермальные и метасоматические. По концентрации данных минералов в почве можно судить о масштабах залежей кобальтовых руд. В зависимости от химического состава, различают три основных типа кобальтовых руд: мышьяковые руды, сернистые и окисленные. Промышленные концентрации Со встречаются в месторождениях никеля, меди и железа. Как правило, из 1 тонны руды получают от 1 до 30 кг кобальта. Среди металлов подгруппы железа кобальт самый редкий; содержание его в земной коре не превышает тысячной доли процента. Общие мировые запасы оценивают в 6 млн. т, причем большая их часть сосредоточена в зарубежных странах: Заире, Марокко, Замбии, Австралии, Канаде, Индонезии и на Кубе. В России крупнейшим месторождением кобальтовых руд является Норильское, а из республик бывшего СССР значительными запасами также обладает Азербайджан (Дашкесанское месторождение).

2. Физические и химические свойства

2.1 Физические свойства Кобальта

Кобальт -- твердый металл, существующий в двух модификациях. При температурах от комнатной до 427 °C устойчива б-модификация. При температурах от 427 °C до температуры плавления (1494 °C) устойчива в-модификация кобальта (решётка кубическая гранецентрированная). Кобальт -- ферромагнетик, точка Кюри 1121 °C. Желтоватый оттенок ему придает тонкий слой оксидов. При обычной температуре и до 417 °С кристаллическая решетка Кобальта гексагональная плотноупакованная (с периодами а = 2,5017Е, с = 4,614Е), выше этой температуры решетка Кобальта кубическая гранецентрированная (а = 3,5370Е). Атомный радиус 1,25Е, ионные радиусы Со2+0,78Е и Со3+0,64Е. Плотность 8,9 г/см3(при 20 °С); tпл 1493°С, tкип 3100°С. Теплоемкость 0,44 кдж/(кг·К), или 0,1056 кал/(г·°С); теплопроводность 69,08 вт/(м·К), или 165 кал/(см·сек·°С) при 0-100 °С. Удельное электросопротивление 5,68·10-8ом·м, или 5,68·10-6 ом·см (при О °С). Кобальт ферромагнитен, причем сохраняет ферромагнетизм от низких температур до точки Кюри, И = 1121 °С. Механические свойства Кобальта зависят от способа механической и термической обработки. Предел прочности при растяжении 500 Мн/м2(или 50 кгс/мм2) для кованого и отожженного Кобальта; 242-260 Мн/м2 для литого; 700 Мн/м2 для проволоки. Твердость по Бринеллю 2,8 Гн/м2 (или 280 кгс/мм2) для наклепанного металла, 3,0 Гн/м2для осажденного электролизом; 1,2-1,3 Гн/м2для отожженного.

2.2 Химические свойства Кобальта

На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C. Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта представляет собой сложный оксид Co3O4, имеющий структуру шпинели, в кристаллической структуре которого одна часть узлов занята ионами Co2+, а другая -- ионами Co3+; разлагается с образованием CoO выше 900 °C. При высоких температурах можно получить б-форму или в-форму оксида CoO. Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом:

Оксид кобальта (III) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II), например:

При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором.

С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую б-форму (при сплавлении порошков) и чёрную в-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+ жёлтого цвета и розеосоли [Co(NH3)5H2O]3+ красного или розового цвета. Также кобальт создаёт комплексы на основе CN?, NO2? и многих других.

3. Свойства соединений

3.1 Оксид кобальта(II)

Оксид кобальта(II) -- неорганическое соединение, оксид металла кобальта с формулой CoO, тёмно-зелёные (почти чёрные) кристаллы, не растворимые в воде.

Получение:

Окисление кобальта на воздухе:

Разложение оксида кобальта(II,III) при нагревании:

Разложение гидроксида кобальта(II) в вакууме:

Разложение сульфата кобальта(II):

Окисление октакарбониладикобальта:

Оксид кобальта(II) образует тёмно-зелёные (почти чёрные) кристаллы кубической сингонии, пространственная группа F m3m, параметры ячейки a = 0,4258 нм, Z = 4.

При температуре 985°С переходит в в-модификацию, которая имеет структуру, аналогичную б-форме.

При температуре ниже точки Нееля 17°С переходит в фазу с тетрагональной сингонией, параметры ячейки a = 0,42552 нм, c = 0,42058 нм. Не растворяется в воде, р ПР = 14,37.

Химические свойства.

Растворяется в разбавленных кислотах:

Медленно растворяется в горячих щелочах:

Окисляется кислородом воздуха при нагревании:

Суспензия в аммиачном растворе окисляется кислородом воздуха:

Восстанавливается водородом:

С диоксидом кремния образует силикат кобальта:

С оксидом алюминия образует комплексный оксид:

3.2 Оксид кобальта(III)

Оксид кобальта (III) - неорганическое соединение, оксид металла кобальта с формулой Co2O3, чёрные кристаллы, не растворимые в воде.

Получение. Разложение гидроксида кобальта(III) при нагревании:

Разложение нитрата кобальта(II) при нагревании:

Оксид кобальта (III) образует чёрные кристаллы гексагональной сингонии, параметры ячейки a = 0,464 нм, c = 0,567 нм, Z = 2.

В зависимости от способа получения состав может отличаться от стехиометрического. Не растворяется в воде.

Химические свойства. Ступенчато разлагается при нагревании:

Окисляет соляную кислоту:

3.3 Оксид кобальта(IV)

Оксид кобальта(IV) - неорганическое соединение, гидрат окисла металла кобальта с формулой CoO2*H2O, чёрный порошок, не растворяется в воде.

Получение. Анодное окисление кобальта при электролизе щелочных растворов:

Действие щелочного раствора иода на раствор сульфата кобальта(III):

Химические свойства. С оксидами металлов образует соли кобальтаты(IV):

3.4 Гидроксид кобальта(II)

Гидроксид кобальта (II) - неорганическое соединение, гидроокись металла кобальта с формулой Co(OH)2, в зависимости от способа получения имеет окраску розовую, синюю, фиолетовую, не растворяется в воде, образует гидраты.

Получение. Действие разбавленных щелочей на раствор солей двухвалентного кобальта:

Свежеосаждённый гидроксид кобальта(II) образует синий или розовый осадок (б-форма) и является гидратом 3Co(OH)2*2H2O. б-Форма метастабильна и при стоянии переходит в стабильную в-форму -- фиолетовые кристаллы, гексогональная сингония, пространственная группа P 3m1, параметры ячейки a = 0,3173 нм,c = 0,4640 нм, Z = 1.

Не растворим в воде, р ПР = 14,80.

Химические свойства. При нагревании в вакууме разлагается:

Реагирует с кислотами:

Медленно реагирует с щелочами:

Из воздуха медленно поглощает углекислый газ:

Окисляется кислородом под давлением:

Окисляется горячей перекисью водорода::

3.5 Гидроксид кобальта(III)

Гидроксид кобальта(III) - неорганическое соединение, гидроксид кобальта с формулой Co(OH)3 (или CoOOH*H2O), темно-коричневое вещество, не растворяется в воде.

Получение. Действие окислителей на соли кобальта(II) в щелочной среде:

Химические свойства. С трудом реагирует с кислотами:

Разлагается при нагревании:

4. Сплавы. Применение металла и его соединений

Кобальт положительно влияет на продуктивность растений на произвесткованных почвах и почвах, достаточно обеспеченных основными элементами питания, при реакции почвенного раствора, близкой к нейтральной.

Отмечается положительная реакция на применение кобальтовых удобрений у бобовых, овощных культур, картофеля и злаковых на низинных торфяниках, окультуренных и выщелоченных черноземах, глееватой дерново-подзолистой средне-суглинистой, на кислых песчаных дерново-подзолистых почвах после известкования.

При указанных почвенных условиях подкормки кобальтовыми удобрениями влияют на растения следующим образом:

- картофель - некорневые подкормки кобальтосодержащими удобрениями повышают в листьях общее содержание нуклеиновых кислот.

- бобовые культуры - кобальт способствует повышению содержания витамина В12 и активизации процесса азотообразования.

- томаты, гречиха, горох, ячмень, овес - явное улучшение состояния растений.

- лен, ячмень, озимая рожь, сахарная свекла - при внесении кобальта повышается урожайность. Ячмень быстрее вызревает, в семенах льна повышается содержание жира, а в томатах и капусте - сахара и витамина С.

Кобальтовые и кобальтосодержащие удобрения положительно влияют на урожайность и качество семян клевера, конопли, винограда и других плодово-ягодных культур, огурцов, томата, лука, цветной капусты, салата. Издавна известно, что применение кобальта в медицине и, в дальнейшем, в косметологии, приводило к прекрасным результатам - пациенты чувствовали себя лучше, пропадало общее недомогание, улучшался цвет лица, проходила сонливость. Все это происходит за счет химических свойств кобальта - он улучшает кровообращение и способствует регенерации кожи. Кобальт, как микроэлемент, был открыт относительно недавно, но вещество обросло уже богатой историей, в основном, связанной с народной медициной. При всех своих положительных свойствах, передозировка кобальта в организме очень опасна, и применять вещество в отдельности настоятельно не рекомендуется. В косметике кобальт применяется в качестве омолаживающего вещества, и используется в кремах с подтягивающим эффектом. Некоторые производители включают кобальт в линию для молодой и проблемной кожи, так как в свойства кобальта входит очищение и дезинфицирование. В целом, это очень полезный для кожи микроэлемент, который применяется во многих линиях косметики, и, при этом, имеет очень широкий спектр влияния на кожу. В большей степени кобальт входит в состав зеленой глины, которая обладает антисептическими свойствами, и применяется в создании масок для волос. В технике Кобальт применяется главным образом в виде сплавов; таковы кобальтовые сплавы, а также сплавы на основе других металлов, где Кобальт служит легирующим элементом. Сплавы Кобальта используют в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, при изготовлении постоянных магнитов, режущего инструмента и других. Порошкообразный Кобальт, а также Со3О4 служат катализаторами. Фторид CoF3 применяется как сильный фторирующий агент, тенарова синь и особенно силикат Кобальта и калия - как краски в керамической и стекольной промышленности. Соли Кобальта применяют в сельском хозяйстве как микроудобрения, а также для подкормки животных.

Размещено на Allbest.ru