Co · Element 27 · Übergangsmetall
Das Blau mittelalterlicher Buntglasfenster und chinesischen Porzellans der Ming-Zeit sowie die Hälfte der Magnete, die Festplatten zusammenhalten.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Cobalt bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 125 pm — das entspricht 0,125 nm; etwa 4 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Cobalt ist über einen Bereich von 1432 K flüssig, von 1768 K bis 3200 K.
Wo es steht
Die Geschichte
Cobalt ist der magnetische Superheld, der die digitale Revolution antreibt. Dieses glänzende, silbergraue Übergangsmetall ist für wiederaufladbare Batterien, Permanentmagnete und Düsentriebwerke absolut unverzichtbar. Benannt nach dem „Kobold“, den listigen unterirdischen Geistern aus der deutschen Folklore, entwickelte sich Cobalt von einem Ärgernis für mittelalterliche Bergleute zu einem der strategisch wichtigsten Elemente der modernen Welt. 1735 vom schwedischen Chemiker Georg Brandt entdeckt, war Cobalt das erste seit der Antike entdeckte Metall. Jahrhunderte lang kannten Bergleute rätselhafte blaue Erze, die schwer zu schmelzen waren und oft Arsen enthielten, wodurch sie krank wurden. Sie schoben diese Probleme unterirdischen Geistern namens Kobolden zu und ahnten nicht, dass sie es mit einem völlig neuen Element zu tun hatten, das später Smartphones und Elektroautos antreiben würde. Was Cobalt wirklich außergewöhnlich macht, ist seine einzigartige Kombination aus magnetischen und chemischen Eigenschaften. Es ist neben Eisen und Nickel eines von nur drei ferromagnetischen Elementen, die dauerhaft magnetisiert werden können. Dadurch ist es unverzichtbar für die Herstellung der stärksten Permanentmagnete der Welt, wenn es mit Seltenerdelementen legiert wird – Magnete, die so stark sind, dass sie Autos anheben können und in Windturbinen und Elektromotoren verwendet werden. Die wichtigste moderne Rolle von Cobalt liegt jedoch in wiederaufladbaren Batterien. Kathoden aus Lithiumcobaltoxid in Lithium-Ionen-Batterien können enorme Energiemengen speichern und dabei tausende Male geladen und entladen werden. Ihr Smartphone, Laptop und Elektroauto sind alle darauf angewiesen, dass Cobalt Energie effizient speichert und abgibt. Da die Welt auf erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge umsteigt, ist die Nachfrage nach Cobalt stark angestiegen. Besorgniserregend ist Folgendes: Etwa 70 % des weltweiten Cobalts stammen aus der Demokratischen Republik Kongo, häufig aus Minen mit schlechten Arbeitsbedingungen. Dies hat zu intensiver Forschung an cobaltfreien Batterietechnologien und Initiativen zur ethischen Beschaffung geführt.
Georg Brandt (1694–1768), ein schwedischer Chemiker und Mineraloge, entdeckte Cobalt um 1735 bei der Untersuchung blau gefärbter Erze aus Kupferminen nahe Sala in Schweden. Die örtlichen Bergleute nannten diese problematischen Erze „Kobold“ (deutsch für Goblin), weil sie trotz ihres Aussehens kein Kupfer enthielten und beim Rösten giftige Arsendämpfe freisetzten.
Brandts systematische Analyse zeigte, dass die blaue Farbe von einem zuvor unbekannten Metall und nicht von Bismut oder anderen bekannten Elementen stammte. Seine sorgfältigen chemischen Verfahren isolierten Cobaltverbindungen und wiesen deren eigenständige Eigenschaften nach. Damit wurde Cobalt als erstes Metall entdeckt, das durch wissenschaftliche Untersuchung und nicht durch antike metallurgische Verfahren gefunden wurde.
Die kommerzielle Cobaltproduktion begann im 18. Jahrhundert mit der Herstellung von Cobalt-blau-Pigment, das wegen seiner Stabilität und intensiven Farbe geschätzt wurde. Die moderne Cobaltmetallurgie entwickelte sich während des Ersten Weltkriegs, als die Krupp-Stahlwerke in Deutschland die Superlegierungseigenschaften von Cobalt entdeckten, was zu strategischen militärischen Anwendungen führte.
Anwendungen
Cobalt macht aus unmöglichen Träumen von Turbinentriebwerken die Realität der Luft- und Raumfahrt, und zwar durch seine außergewöhnliche Hochtemperaturfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Dieses strategische Metall ermöglicht Düsentriebwerke, medizinische Implantate und wiederaufladbare Batterien, die unsere moderne technologische Welt antreiben.
Cobaltbasierte Superlegierungen behalten ihre Festigkeit bei Temperaturen von über 1000 °C und ermöglichen den Betrieb von Turbinenschaufeln und Brennkammern in Düsentriebwerken unter extremen Bedingungen. Stellitlegierungen mit einem Cobaltanteil von 50–65 % bieten eine außergewöhnliche Verschleißfestigkeit für Schneidwerkzeuge, Ventilsitze und Industrieanlagen. Gasturbinen in Verkehrsflugzeugen sind bei kritischen rotierenden Bauteilen, deren Ausfall katastrophal sein könnte, auf Cobalt-Superlegierungen angewiesen.
Lithiumcobaltoxid (LiCoO₂)-Kathoden versorgen die meisten Smartphones, Laptops und Unterhaltungselektronik, da Cobalt Lithiumionen reversibel einlagern kann. Batterien für Elektrofahrzeuge verwenden zunehmend Kathoden aus Nickel-Cobalt-Mangan (NCM) und Nickel-Cobalt-Aluminium (NCA), die Energiedichte, Sicherheit und Kosten ausbalancieren und gleichzeitig aufgrund von Versorgungsengpässen den Cobaltanteil verringern.
Cobalt-Chrom-Legierungen ermöglichen künstliche Hüft- und Kniegelenke mit außergewöhnlicher Biokompatibilität und Verschleißfestigkeit. Diese Implantate halten 20–30 Jahre im menschlichen Körper und bewahren dabei ihre strukturelle Integrität unter ständiger mechanischer Belastung. Zahnmedizinische Anwendungen nutzen Cobaltlegierungen für Teilprothesen und kieferorthopädische Geräte, die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit erfordern.
Alnico-Magnete mit Aluminium, Nickel und Cobalt bieten eine hohe magnetische Stabilität bei hohen Temperaturen für Lautsprecher, Sensoren und industrielle Anwendungen. Samarium-Cobalt-Magnete funktionieren zuverlässig bei Temperaturen bis zu 350 °C und sind daher für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbereich unverzichtbar, bei denen Neodym-Magnete versagen würden.
Woher es stammt
25 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 75 % der Elemente
Cobalt entsteht durch Neutroneneinfangprozesse in massereichen Sternen und während der Nukleosynthese in Supernovae. Das wichtigste Cobalt-Isotop, Cobalt-59, stellt den Endpunkt der Nukleosynthese im Eisenmaximum dar und bildet sich, wenn die nukleare Bindungsenergie in Sternkernen ihre höchste Effizienz erreicht.
Die Erdkruste enthält nur 30 Teile pro Million Cobalt, wodurch es im Vergleich zu anderen Übergangsmetallen relativ selten ist. Das meiste irdische Cobalt kommt als Nebenprodukt in Nickel- und Kupfererzen vor, anstatt eigene Cobaltminerale zu bilden, was zur Konzentration der Lieferketten und zu geopolitischen Problemen beiträgt.
Die Demokratische Republik Kongo produziert 70 % des weltweiten Cobalts aus sedimentären Kupfer-Cobalt-Lagerstätten in der Provinz Katanga. Diese Lagerstätten bildeten sich durch Verwitterung und Oxidation von Sulfiderzen, wodurch cobalt-reiche Laterite und oxidierte Zonen entstanden. Carrollit (CuCo₂S₄) und Cobaltit (CoAsS) sind wichtige Cobaltminerale, obwohl der größte Teil der Produktion aus gemischten Sulfiderzen stammt.
Mangan Knollen auf dem tiefen Meeresboden enthalten bedeutende Cobaltanteile (0,2–0,3 %) und stellen potenzielle zukünftige Ressourcen dar, da die irdischen Vorräte knapper werden. Diese Knollen bilden sich über Millionen von Jahren durch extrem langsame Ausfällungsprozesse in sauerstoffreichen Tiefengewässern.
Die strategische Bedeutung und die Konzentration der Cobaltversorgung treiben umfangreiche Recyclingbemühungen voran. Beim Batterierecycling wird Cobalt aus verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien zurückgewonnen, während beim Recycling von Superlegierungen Cobalt aus Bauteilen der Luft- und Raumfahrt recycelt wird. In hochentwickelten Anlagen werden Rückgewinnungsraten von über 95 % erreicht.
Handhabung
Cobaltverbindungen können schwerwiegende gesundheitliche Auswirkungen verursachen, darunter die Hartmetallstaublunge und allergische Kontaktdermatitis. Eine berufliche Exposition erfordert umfassende Sicherheitsmaßnahmen, da Cobalt potenziell krebserregend ist und die Atemwege sensibilisieren kann.
Das Einatmen von Cobaltstaub verursacht bei Beschäftigten, die Cobalt-Wolframcarbid-Stäuben ausgesetzt sind, Lungenfibrose und eine „Hartmetallstaublunge“. Hautsensibilisierung führt bei 1–3 % der Bevölkerung zu Cobaltallergien und verursacht Dermatitis durch Schmuck, Kleidungsverschlüsse und berufliche Exposition.
Atemschutz, lokale Absaugung und Hautschutz verhindern eine Cobalt-Exposition. Eine medizinische Überwachung einschließlich Lungenfunktionstests und Allergiescreening hilft, frühe gesundheitliche Auswirkungen bei exponierten Beschäftigten zu erkennen.
Schnelle Antworten
Cobalt (Symbol Co) ist Element 27 im Periodensystem, ein Übergangsmetall in der 4, Gruppe 9. Das Blau mittelalterlicher Buntglasfenster und chinesischen Porzellans der Ming-Zeit sowie die Hälfte der Magnete, die Festplatten zusammenhalten. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Ar] 3d⁷ 4s²; sie ergibt 4 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 15, 2.Cobalt schmilzt bei 1768 K (1494.9 °C) und siedet bei 3200 K (2926.9 °C).
Die Standardatommasse von Cobalt beträgt 58.933 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Cobalt hat eine Dichte von 8.9 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1.0 g/cm³, daher ist ein Block aus Cobalt ungefähr 8.9× schwerer.
Cobalt hat eine Elektronegativität von 1.88 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Cobalt wurde 1735 von Georg Brandt entdeckt. Es ist nach deutsch kobold, „Kobold“ — Bergleute machten ihn für schlechtes Erz verantwortlich benannt.
Cobalt macht Über 25 mg/kg der Erdkruste aus — nicht häufig, aber auch nicht selten.