What is コバルト?
コバルト (symbol Co) is element 27 on the periodic table, a 遷移金属 in period 4, group 9. The blue in medieval stained glass and Ming porcelain, and half of the magnets that hold hard drives together. At room temperature it is a solid.
構造
環の上の点を示す図ではありません。占有された各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。
測定値
各バーは、その性質についてコバルトが118元素の中でどこに位置するかを示しています。
出典:IUPAC 2021標準原子量 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。
縮尺どおりの大きさ
Radius 125 pm — that is 0.125 nm, so about 4000 million of them side by side would span a millimetre.
熱範囲
コバルト is liquid over a 1432 K window, from 1768 K to 3200 K.
物語
コバルトはデジタル革命を支える、磁性を持つスーパーヒーローです。光沢のある銀灰色の遷移金属で、充電式電池、永久磁石、ジェットエンジンに欠かせません。ドイツの民間伝承に登場する、いたずら好きな地下の精霊「kobold」にちなんで名付けられたコバルトは、中世の鉱山労働者を悩ませる存在から、現代世界で最も戦略的に重要な元素の一つへと変わりました。 1735年、スウェーデンの化学者Georg Brandtによって発見されたコバルトは、古代以来初めて発見された金属でした。何世紀もの間、鉱山労働者は、精錬が難しく、しばしばヒ素を含んでいたため病気を引き起こす、謎めいた青色の鉱石を知っていました。彼らはこうした問題をkoboldと呼ばれる地下の精霊のせいにし、やがてスマートフォンや電気自動車を動かすことになる、まったく新しい元素を扱っているとは知りませんでした。 コバルトを並外れたものにしているのは、磁気的性質と化学的性質の独特な組み合わせです。鉄とニッケルとともに、永久に磁化できる3つしかない強磁性元素の一つです。そのため、希土類元素と合金化すると世界最強の永久磁石を作るのに不可欠です。この磁石は非常に強力で、自動車を持ち上げることができ、風力タービンや電気自動車のモーターにも使われています。 しかし、コバルトの現代における最も重要な役割は、充電式電池です。リチウムイオン電池の酸化リチウムコバルト正極は、何千回も充放電しながら膨大な量のエネルギーを蓄えられます。スマートフォン、ノートパソコン、電気自動車はすべて、エネルギーを効率よく蓄え、放出するためにコバルトに依存しています。世界が再生可能エネルギーと電気自動車へ移行するにつれて、コバルトの需要は急増しています。 ここで懸念される点があります。世界のコバルトのおよそ70%はコンゴ民主共和国で産出されており、労働条件の悪い鉱山から産出されることも少なくありません。そのため、コバルトを使わない電池技術や、倫理的な調達を目指す取り組みについて、集中的な研究が進められています。
Georg Brandt(1694~1768)は、スウェーデンの化学者および鉱物学者で、1735年頃、スウェーデンのSala近郊にある銅鉱山から産出した青色の鉱石を調査中にコバルトを発見しました。地元の鉱山労働者は、見た目に反して銅を含まず、焙焼すると有毒なヒ素の煙を発生させる扱いにくい鉱石を「kobold」(ゴブリンを意味するドイツ語)と呼んでいました。
Brandtの体系的な分析により、青色はビスマスや他の既知の元素ではなく、それまで知られていなかった金属によるものだと明らかになりました。彼の綿密な化学操作によってコバルト化合物が単離され、独自の性質が示されたことで、コバルトは古代の冶金技術ではなく、科学的な調査によって発見された最初の金属として確立されました。
商業的なコバルト生産は、18世紀にコバルトブルー顔料の製造から始まりました。この顔料は安定性と鮮やかな色で高く評価されました。現代のコバルト冶金は第一次世界大戦中に発展し、ドイツのKrupp製鉄所がコバルトの超合金としての性質を発見したことで、戦略的な軍事用途につながりました。
用途
コバルトは、優れた高温強度と耐食性によって、タービンエンジンを実現不可能な夢から航空宇宙の現実へと変えます。この戦略的な金属は、ジェットエンジン、医療用インプラント、そして現代の技術社会を支える充電式電池を可能にしています。
コバルト基超合金は1000°Cを超える温度でも強度を維持し、ジェットエンジンのタービンブレードや燃焼室を極限条件で稼働させます。50~65%のコバルトを含むステライト合金は、切削工具、バルブシート、産業機器に優れた耐摩耗性をもたらします。民間航空機のガスタービンエンジンは、故障が壊滅的な結果につながる可能性のある重要な回転部品に、コバルト基超合金を使用しています。
酸化リチウムコバルト(LiCoO₂)正極は、リチウムイオンを可逆的にインターカレーションできるコバルトの性質によって、ほとんどのスマートフォン、ノートパソコン、民生用電子機器を動かしています。電気自動車の電池では、供給上の制約からコバルト含有量を減らしつつ、エネルギー密度、安全性、コストのバランスを取るニッケル・コバルト・マンガン(NCM)正極やニッケル・コバルト・アルミニウム(NCA)正極の採用が増えています。
コバルト・クロム合金は、生体適合性と耐摩耗性に優れた人工股関節や人工膝関節を作ります。これらのインプラントは、絶え間ない機械的応力を受けても構造的完全性を保ちながら、人体内で20~30年間使用できます。歯科用途では、強度と耐食性が必要な部分入れ歯や矯正装置にコバルト合金を使用します。
アルミニウム、ニッケル、コバルトを含むアルニコ磁石は、高温での磁気安定性に優れ、スピーカー、センサー、産業用途に使われています。サマリウム・コバルト磁石は350°Cまでの温度で安定して作動するため、ネオジム磁石では機能しなくなる航空宇宙や自動車の用途に不可欠です。
由来
25 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 75% of elements
コバルトは、大質量星における中性子捕獲過程や超新星元素合成の過程で形成されます。主要なコバルト同位体であるコバルト59は、鉄ピーク元素合成の終点にあたり、恒星の核で核結合エネルギーの効率が最大に達したときに形成されます。
地殻に含まれるコバルトはわずか30 ppmで、他の遷移金属と比べて比較的希少です。地球上のコバルトの大部分は、独立したコバルト鉱物として形成されるのではなく、ニッケル鉱石や銅鉱石の副産物として存在します。そのため、供給網の集中と地政学的な懸念が生じています。
コンゴ民主共和国は、カタンガ州の銅・コバルト堆積鉱床から世界のコバルトの70%を産出しています。これらの鉱床は硫化鉱の風化と酸化によって形成され、コバルトに富むラテライトと酸化帯を生み出しました。カロライト(CuCo₂S₄)とコバルト鉱(CoAsS)は主要なコバルト鉱物ですが、生産の大部分は混合硫化鉱から得られます。
深海底のマンガン団塊には相当量のコバルト(0.2~0.3%)が含まれており、陸上の供給が制約されるにつれて、将来の資源となる可能性があります。これらの団塊は、酸素に富む深海の水中で、数百万年にわたる非常に遅い沈殿過程によって形成されます。
コバルトの戦略的重要性と供給の集中が、広範なリサイクルの取り組みを促しています。電池のリサイクルでは使用済みリチウムイオン電池からコバルトを回収し、超合金のリサイクルでは航空宇宙部品からコバルトを回収します。高度な施設では、95%を超える回収率を達成しています。
取り扱い
コバルト化合物は、超硬合金肺疾患やアレルギー性接触皮膚炎など、深刻な健康影響を引き起こす可能性があります。コバルトには発がん性の可能性と呼吸器感作性があるため、職業上のばく露には包括的な安全対策が必要です。
コバルト粉じんの吸入は、コバルト・タングステンカーバイド粉じんにばく露した労働者に肺線維症と「超硬合金肺疾患」を引き起こします。皮膚感作によって人口の1~3%にコバルトアレルギーが生じ、宝飾品、衣服の留め具、職業上のばく露による皮膚炎を引き起こします。
呼吸用保護具、局所排気換気、皮膚の保護によって、コバルトへのばく露を防止できます。肺機能検査やアレルギー検査を含む健康監視は、ばく露した労働者の健康影響を早期に発見するのに役立ちます。
簡単な回答
コバルト (symbol Co) is element 27 on the periodic table, a 遷移金属 in period 4, group 9. The blue in medieval stained glass and Ming porcelain, and half of the magnets that hold hard drives together. At room temperature it is a solid.
[Ar] 3d⁷ 4s², giving 4 occupied shells holding 2, 8, 15, 2 electrons respectively.コバルト melts at 1768 K (1494.9 °C) and boils at 3200 K (2926.9 °C).
The standard atomic weight of コバルト is 58.933 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.
コバルト has a density of 8.9 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of コバルト is about 8.9× heavier.
コバルト has a Pauling electronegativity of 1.88. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.
コバルト was discovered in 1735 by Georg Brandt. It is named after german kobold, "goblin" — miners blamed it for bad ore.
コバルト makes up about 25 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.