Co · Элемент 27 · Переходный металл
Синий цвет средневековых витражей и фарфора эпохи Мин, а также половина магнитов, удерживающих вместе жёсткие диски.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение кобальт среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 125 pm — это 0,125 нм, поэтому около 4 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Кобальт находится в жидком состоянии в диапазоне 1432 K — от 1768 K до 3200 K.
Положение
История
Кобальт — магнитный супергерой, который приводит в действие цифровую революцию. Этот блестящий серебристо-серый переходный металл совершенно необходим для аккумуляторных батарей, постоянных магнитов и реактивных двигателей. Названный в честь «кобольда» — озорных подземных духов из немецкого фольклора, — кобальт прошёл путь от помехи для средневековых шахтёров до одного из стратегически важнейших элементов современного мира. Открытый в 1735 году шведским химиком Георгом Брандтом, кобальт стал первым металлом, обнаруженным со времён античности. На протяжении веков шахтёры знали о загадочных синих рудах, которые было трудно выплавлять и которые часто содержали мышьяк, из-за чего рабочие заболевали. Они приписывали эти проблемы подземным духам, называемым кобольдами, не понимая, что имеют дело с совершенно новым элементом, который в конечном итоге будет использоваться для питания смартфонов и электромобилей. Что делает кобальт по-настоящему необычным, так это уникальное сочетание магнитных и химических свойств. Это один из всего трёх ферромагнитных элементов — наряду с железом и никелем, — которые можно намагнитить навсегда. Поэтому он необходим для создания самых сильных постоянных магнитов в мире при сплавлении с редкоземельными элементами — настолько мощных, что они могут поднимать автомобили и используются в ветряных турбинах и электродвигателях. Но важнейшая современная роль кобальта связана с аккумуляторными батареями. Катоды из оксида лития-кобальта в литий-ионных батареях способны накапливать огромное количество энергии и заряжаться и разряжаться тысячи раз. Ваш смартфон, ноутбук и электромобиль зависят от кобальта, позволяющего эффективно накапливать и отдавать энергию. По мере перехода мира к возобновляемой энергетике и электротранспорту спрос на кобальт резко вырос. Есть и тревожный факт: около 70% мирового кобальта добывается в Демократической Республике Конго, часто на шахтах с плохими условиями труда. Это привело к активным исследованиям аккумуляторных технологий без кобальта и инициатив по ответственному снабжению.
Георг Брандт (1694–1768), шведский химик и минералог, открыл кобальт около 1735 года, исследуя руды синего цвета из медных рудников близ Салы в Швеции. Местные шахтёры называли эти проблемные руды «кобольдом» (по-немецки — гоблин), потому что они не содержали меди, несмотря на свой внешний вид, и выделяли токсичные пары мышьяка при обжиге.
Систематический анализ Брандта показал, что синий цвет обусловлен ранее неизвестным металлом, а не висмутом или другими известными элементами. Его тщательные химические процедуры позволили выделить соединения кобальта и продемонстрировать их особые свойства, установив, что кобальт стал первым металлом, открытым в результате научного исследования, а не древних металлургических практик.
Промышленное производство кобальта началось с изготовления кобальтового синего пигмента в XVIII веке, ценившегося за стабильность и насыщенный цвет. Современная металлургия кобальта развивалась во время Первой мировой войны, когда сталелитейный завод Krupp в Германии обнаружил жаропрочные свойства кобальта, что привело к его стратегическому военному применению.
Применение
Благодаря исключительной прочности при высоких температурах и коррозионной стойкости кобальт превращает турбинные двигатели из недостижимой мечты в реальность аэрокосмической отрасли. Этот стратегически важный металл используется в реактивных двигателях, медицинских имплантатах и аккумуляторных батареях, питающих современный технологический мир.
Жаропрочные сплавы на основе кобальта сохраняют прочность при температурах выше 1000°C, позволяя лопаткам турбин и камерам сгорания реактивных двигателей работать в экстремальных условиях. Стеллитовые сплавы, содержащие 50–65% кобальта, обеспечивают исключительную износостойкость режущих инструментов, сёдел клапанов и промышленного оборудования. Газотурбинные двигатели коммерческих самолётов используют жаропрочные сплавы кобальта для ответственных вращающихся компонентов, отказ которых может иметь катастрофические последствия.
Катоды из оксида лития-кобальта (LiCoO₂) обеспечивают работу большинства смартфонов, ноутбуков и бытовой электроники благодаря способности кобальта обратимо внедрять ионы лития. В аккумуляторах электромобилей всё чаще используются катоды из никель-кобальт-марганца (NCM) и никель-кобальт-алюминия (NCA), которые обеспечивают баланс между энергоёмкостью, безопасностью и стоимостью, одновременно снижая содержание кобальта из-за ограниченности его поставок.
Кобальто-хромовые сплавы используются для изготовления искусственных тазобедренных и коленных суставов с исключительной биосовместимостью и износостойкостью. Эти имплантаты служат в организме человека 20–30 лет, сохраняя структурную целостность при постоянных механических нагрузках. Стоматологические применения включают кобальтовые сплавы для частичных зубных протезов и ортодонтических аппаратов, требующих прочности и коррозионной стойкости.
Магниты Alnico, содержащие алюминий, никель и кобальт, обеспечивают стабильность магнитных свойств при высоких температурах и применяются в динамиках, датчиках и промышленном оборудовании. Самарий-кобальтовые магниты надёжно работают при температурах до 350°C, что делает их незаменимыми в аэрокосмической и автомобильной промышленности, где неодимовые магниты вышли бы из строя.
Откуда он происходит
25 мг/кг земной коры · более распространён, чем 75% элементов
Кобальт образуется в результате процессов захвата нейтронов в массивных звёздах и во время событий нуклеосинтеза сверхновых. Основной изотоп кобальта, кобальт-59, представляет собой конечный продукт нуклеосинтеза элементов железного пика, формирующийся, когда энергия ядерной связи достигает максимальной эффективности в звёздных ядрах.
Земная кора содержит лишь 30 частей на миллион кобальта, поэтому он относительно редок по сравнению с другими переходными металлами. Большая часть земного кобальта встречается как побочный продукт в никелевых и медных рудах, а не образует самостоятельные минералы кобальта, что способствует концентрации цепочек поставок и геополитическим проблемам.
Демократическая Республика Конго производит 70% мирового кобальта из медно-кобальтовых осадочных месторождений в провинции Катанга. Эти месторождения сформировались в результате выветривания и окисления сульфидных руд, создав богатые кобальтом латериты и окисленные зоны. Карроллит (CuCo₂S₄) и кобальтит (CoAsS) являются основными минералами кобальта, хотя большая часть добычи приходится на смешанные сульфидные руды.
Марганцевые конкреции на глубоководном океанском дне содержат значительные концентрации кобальта (0,2–0,3%), представляя собой потенциальные ресурсы будущего по мере сокращения наземных запасов. Эти конкреции формируются в результате чрезвычайно медленных процессов осаждения на протяжении миллионов лет в богатых кислородом глубоких водах.
Стратегическая важность кобальта и концентрация его поставок стимулируют масштабные усилия по переработке. Переработка аккумуляторов позволяет извлекать кобальт из отработанных литий-ионных батарей, а переработка жаропрочных сплавов — из аэрокосмических компонентов; на современных предприятиях коэффициент извлечения превышает 95%.
Обращение
Соединения кобальта могут вызывать серьёзные последствия для здоровья, включая болезнь лёгких от воздействия твёрдых металлов и аллергический контактный дерматит. Воздействие на рабочем месте требует комплексных мер безопасности из-за потенциальной канцерогенности кобальта и его способности вызывать сенсибилизацию дыхательных путей.
Вдыхание кобальтовой пыли вызывает лёгочный фиброз и «болезнь лёгких от воздействия твёрдых металлов» у работников, подвергающихся воздействию пыли карбида кобальта-вольфрама. Сенсибилизация кожи приводит к аллергии на кобальт, которой страдает 1–3% населения, и вызывает дерматит от ювелирных изделий, застёжек одежды и воздействия на рабочем месте.
Средства защиты органов дыхания, местная вытяжная вентиляция и защита кожи предотвращают воздействие кобальта. Медицинское наблюдение, включая исследование функции лёгких и обследование на аллергию, помогает выявлять ранние последствия для здоровья у работников, подвергающихся воздействию.
Краткие ответы
Кобальт (символ Co) — элемент 27 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 4 периоде, 9 группе. Синий цвет средневековых витражей и фарфора эпохи Мин, а также половина магнитов, удерживающих вместе жёсткие диски. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Ar] 3d⁷ 4s²; она включает 4 занятые электронные оболочки с распределением 2, 8, 15, 2.Кобальт плавится при 1768 K (1494.9 °C) и кипит при 3200 K (2926.9 °C).
Стандартная атомная масса Кобальт составляет 58.933 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Кобальт составляет 8.9 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Кобальт примерно в 8.9× тяжелее.
Электроотрицательность Кобальт по шкале Полинга составляет 1.88. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Кобальт был открыт в 1735 году Georg Brandt. Назван в честь немецкое kobold, «гоблин» — шахтёры винили его в плохой руде.
На долю Кобальт приходится около 25 мг/кг земной коры — он встречается нечасто, но не является редким.