Кобальт как химический элемент

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Место кобальта в периодической системе и история его открытия

2. Нахождение в природе

3. Свойства кобальта

3.1 Физические свойства

3.2 Химические свойства

4. Получение

5. Применение

Заключение

Список использованной литературы

Введение

К цветным металлам и сплавам относятся практически все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов, образующих группу чёрных металлов (сталь, чугун, ферросплавы). Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Такие металлы прочны и долговечны, способны переносить высокие температуры. Цветные металлы подразделяют на благородные и неблагородные.

Благородные металлы -- металлы, не подверженные коррозии и окислению, что отличает их от большинства металлов. Все они являются также драгоценными металлами, благодаря их редкости. Основные благородные металлы -- золото, серебро, рутений, родий, палладий, осмий, иридий.

Неблагородные металлы -- простые, дешевые металлы. Типичным примером являются свинец и железо, которые, как и другие металлы такого типа, темнеют или окисляются при контакте с воздухом или влагой. Это свойство отличает их от золота, серебра, платины и других так называемых благородных металлов.

Обычно неблагородные металлы применяют в виде сплавов, так как сплавы обладают лучшими свойствами, чем металлы, из которых они состоят. К числу таких металлов следует отнести кобальт.

Многие цветные металлы и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электропроводностью и теплопроводностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами. Благодаря этим качествам цветные металлы и их сплавы занимают важное место среди конструкционных материалов.

1. Место кобальта в периодической системе и история его открытия

Название элемента «кобальт» происходит от латинского Сobaltum.

Кобальт -- элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, атомный номер 27. Обозначается символом Co (рис.1.1.).

Рис. 1.1. Платина в периодической системе Д. И. Менделеева

Простое вещество кобальт -- серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Кобальт

Кобальт существует в двух кристаллических модификациях: б-Co с гексагональной плотноупакованной решёткой, в-Co с кубической гранецентрированной решёткой, температура перехода б-в 427 °C.

Оксид кобальта применялся в Древнем Египте, Вавилоне, Китае для окрашивания стекол и эмалей в синий цвет. Для той же цели в 16 веке в Западной Европе стали пользоваться цафрой, или сафлором, -- серой землистой массой, которая получалась при обжиге некоторых руд, носивших название «кобольд». Эти руды выделяли при обжиге обильный ядовитый дым, а из продукта их обжига выплавить металл не удавалось. Средневековые рудокопы и металлурги считали это проделками мифических существ - кобольдов (от нем. Kobold - домовой, гном). В 1735 году шведский химик Г. Брандт, нагревая в горне с дутьем смесь цафры с углем и флюсом, получил металл, который назвал "корольком кобольда". Вскоре это название было изменено на «кобольт», а затем на «кобальт».

2. Нахождение в природе

Содержание кобальта в литосфере 1,8·10-3% по массе. В земной коре он мигрирует в магмах, горячих и холодных водах. При магматической дифференциации кобальт накапливается главным образом в верхней мантии: его среднее содержание в ультраосновных породах 2·10-2%. С магматическими процессами связано образование так называемых ликвационных месторождений кобальтовых руд. Концентрируясь из горячих подземных вод, кобальт образует гидротермальные месторождения; в них Со связан с Ni, As, S, Cu. Известно около 30 минералов кобальта. В биосфере кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения -- концентраторы кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация кобальта -- в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10-3% кобальта, в песчаниках 3·10-5, в известняках 1·10-5. Наиболее бедны кобальтом песчаные почвы лесных районов.

В поверхностных водах кобальта мало, в Мировом океане его лишь 5·10-8%. Будучи слабым водным мигрантом, кобальт легко переходит в осадки, адсорбируясь гидроокисями марганца, глинами и др. высокодисперсными минералами.

3. Свойства кобальта

3.1 Физические свойства

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.

3.2 Химические свойства

Конфигурация внешних электронных оболочек атома Кобальта 3d74s2. В соединениях кобальт проявляет переменную валентность. В простых соединениях наиболее устойчив Со(П), в комплексных -- Со(Ш). Для Со(I) и Co(IV) получены только немногочисленные комплексные соединения. При обыкновенной температуре компактный кобальт стоек против действия воды и воздуха. Мелко раздробленный кобальт, полученный восстановлением его оксида водородом при 250 °С (пирофорный кобальт), на воздухе самовоспламеняется, превращаясь в СоО. Компактный кобальт начинает окисляться на воздухе выше 300 °С; при красном калении он разлагает водяной пар: Со + Н2О = СоО + Н2. С галогенами кобальт легко соединяется при нагревании, образуя галогениды СоХ2. При нагревании кобальт взаимодействует с S, Se, P, As, Sb, С, Si, В, причем состав получающихся соединений иногда не удовлетворяет указанным выше валентным состояниям (например, Со2Р, Co2As, CoSb2, Со3С, CoSi3). В разбавленных соляной и серной кислотах кобальт медленно растворяется с выделением водорода и образованием соответственно хлорида СоCl2 и сульфата CoSO4. Разбавленная азотная кислота растворяет кобальт с выделением оксидов азота и образованием нитрата Co(NO3)2.

Концентрированная HNO3 пассивирует кобальт. Названные соли Со (П) хорошо растворимы в воде [при 25°С 100 г воды растворяют 52,4 г СоCl2, 39,3 г CoSO4, 136,4 г Co(NO3)2]. Едкие щелочи осаждают из растворов солей Со2+ синий гидрооксид Со(ОН)2, которая постепенно буреет вследствие окисления кислородом воздуха до Со(ОН)3. Нагревание в кислороде при 400-500 °С переводит СоО в черную закись-окись Со3О4, или СоО·Со2О3 - соединение типа шпинели. Соединение того же типа CoAl2О4 или СоО·Al2О3 синего цвета (тенарова синь, открытая в 1804 году Л. Ж. Тенаром) получается при прокаливании смеси СоО и Al2О3 при температуре около 1000 °С.

Из простых соединений Со (IП) известны лишь немногие. При действии фтора на порошок Со или СоCl2 при 300-400 °С образуется коричневый фторид CoF3. Комплексные соединения Со (Ш) весьма устойчивы и получаются легко. Например, KNO2 осаждает из растворов солей Со (П), содержащих СН3СООН, желтый труднорастворимый гексанитрокобальтат (III) калия K3[Co(NO2)6]. Весьма многочисленны кобальтаммины (прежнее название кобальтиаки) - комплексные соединения Со (Ш), содержащие аммиак или некоторые органических амины.

4. Получение

Минералы Кобальта редки и не образуют значительных рудных скоплений. Главным источником промышленного получения кобальта служат руды никеля, содержащие кобальт как примесь (рис.4.1.).

Рис. 4.1. Месторождение никелевых руд

Переработка этих руд весьма сложна, и ее способ зависит от состава руды. В конечном итоге получают раствор хлоридов кобальта и никеля, содержащий примеси Cu2+, Pb2+, Bi3+. Действием H2S осаждают сульфиды Cu, Pb, Bi, после чего пропусканием хлора переводят Fe(II) в Fe(III) и добавлением СаСО3 осаждают Fe(OH)3 и CaHAsO4. От никеля кобальт отделяют по реакции: 2СоCl2 + NaClO + 4NaOH + H2O = 2Co(OH)3v +5NaCl. Почти весь никель остается в растворе. Черный осадок Со(ОН)3прокаливают для удаления воды; полученный оксид Со3О4 восстанавливают водородом или углеродом. Металлический кобальт, содержащий до 2-3% примесей (Ni, Fe, Cu и другие), может быть очищен электролизом.

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

5. Применение

Кобальт в виде порошка используют в основном в качестве добавки к сталям. При этом повышается жаропрочность стали, улучшаются ее механические свойства (твердость и износоустойчивость при повышенных температурах). Кобальт входит в состав твердых сплавов, из которых изготовляется быстрорежущий инструмент.

Рис. 5.1. Секатор, изготовленный из сплава кобальта

Один из основных компонентов твердого сплава -- карбид вольфрама или титана -- спекается в смеси с порошком металлического кобальта. Именно кобальт улучшает вязкость сплава и уменьшает его чувствительность к толчкам и ударам. Так, например, резец из суперкобальтовой стали (18% кобальт) оказался самым износоустойчивым и с лучшими режущими свойствами по сравнению с резцами из ванадиевой стали (0% кобальт) и кобальтовой стали (6% кобальт). Также кобальтовый сплав может использоваться для защиты от износа поверхностей деталей, подверженных большим нагрузкам. Твердый сплав кобальта способен увеличить срок службы стальных деталей в 4-8 раз.

Также стоит отметить магнитные свойства кобальта. Данный металл способен сохранять данные свойства после однократного намагничивания. Магниты должны иметь высокое сопротивление к размагничиванию, быть устойчивыми по отношению к температуре и вибрациям, легко поддаваться механической обработке. Добавление кобальта в стали позволяет им сохранять магнитные свойства при высоких температурах и вибрациях, а также увеличивает сопротивление размагничиванию. Так, например, японская сталь, содержащая до 60% кобальта, имеет большую коэрцитивную силу (сопротивление размагничиванию) и всего лишь на 2-3,5% теряет магнитные свойства при вибрациях. Магнитные сплавы на основе кобальта применяют при производстве сердечников электромоторов, трансформаторов и в других электротехнических устройствах.

Стоит отметить, что кобальт также нашел применение в авиационной и космической промышленности. Кобальтовые сплавы постепенно начинают конкурировать с никелевыми, которые хорошо зарекомендовали себя и давно используются в данной отрасли промышленности. Сплавы, содержащие кобальт, используются в двигателях, где достигается достаточно высокая температура, в конструкциях авиационных турбин. Никелевые сплавы при высоких температурах теряют свою прочность (при температурах от 1038°С) и тем самым проигрывают кобальтовым.

В последнее время кобальт и его сплавы стали применяться при изготовлении ферритов, в производстве «печатных схем» в радиотехнической промышленности, при изготовлении квантовых генераторов и усилителей. Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов. Силицид кобальта отличный термоэлектрический материал и позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД. Соединения кобальта, введенные в стекла при их варке, обеспечивают красивый синий (кобальтовый) цвет стеклянных изделий.

кобальт химический никелевый

Заключение

Кобальт -- относительно редкий металл, и богатые им месторождения в настоящее время практически исчерпаны. Добывается кобальт из руд никеля и используется в основном для получения кобальтовых сплавов. Основная доля получаемого кобальта расходуется на приготовление различных сплавов.

Так, добавление кобальта позволяет повысить жаропрочность стали, обеспечивает улучшение ее механических и иных свойств.

Кобальт -- компонент некоторых твердых сплавов, из которых изготовляют быстрорежущий инструмент (сверла, разцы). Он обладает хорошими магнитными свойствами и может использоваться для защиты от износа поверхностей деталей. Кобальт сохраняет свою прочность при высоких температурах. Именно поэтому сплавы, содержащие кобальт, используются в двигателях, где достигается достаточно высокая температура, в конструкциях авиационных турбин

Относится кобальт к неблагородным металлам, и как любой неблагородный металл применяется обычно в виде сплавов, так как сплавы обладают лучшими свойствами, чем сам металл.

Размещено на Allbest.ru