27 Co 58.933
过渡金属 d-block Period 4 Group 9

Co · Element 27 · Cobalt group

The blue in medieval stained glass and Ming porcelain, and half of the magnets that hold hard drives together.

20°C时的状态 固态
原子量 58.933 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ar] 3d⁷ 4s²

结构

钴 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示钴在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 8.9 g/cm³ 56%
熔点 1768 K 73%
沸点 3200 K 66%
比热容 0.421 J/g·K
热导率 100 W/m·K 82%

原子

原子半径 125 pm 17%
共价半径 126 pm
范德华半径 192 pm

电子

电负性 1.88 60%
电离能 760.3 kJ/mol 64%
电子亲和能 60.8 kJ/mol 53%

存在

地壳中的丰度 25 mg/kg 75%

身份

符号Co
原子序数27
原子量58.9332 u
类别过渡金属
d
晶体结构六方密排
氧化态-1, 0, +1, +2, +3, +4, +5
发现时间1735
发现者Georg Brandt

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 钴 atom?

Radius 125 pm — that is 0.125 nm, so about 4000 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

钴 is liquid over a 1432 K window, from 1768 K to 3200 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 4, group 9. Everything in group 9 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 过渡金属

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故事

钴 是什么,以及我们如何发现它

钴是推动数字革命的磁性超级英雄!这种有光泽的银灰色过渡金属对于可充电电池、永磁体和喷气发动机绝对不可或缺。钴的名称源自“kobold”,即德国民间传说中顽皮的地下精灵;它已经从中世纪矿工眼中的麻烦制造者,变成现代世界最具战略重要性的元素之一。 1735年,瑞典化学家Georg Brandt发现了钴。钴是自古以来发现的第一种金属。几个世纪以来,矿工们一直知道有一种神秘的蓝色矿石,这些矿石难以冶炼,而且通常含有砷,会使他们生病。他们把这些问题归咎于名为kobold的地下精灵,却从未意识到自己面对的是一种全新的元素,而这种元素最终将为智能手机和电动汽车提供动力! 钴之所以非同寻常,是因为它兼具独特的磁性和化学性质。它是仅有的三种铁磁性元素之一(另外两种是铁和镍),能够被永久磁化。当钴与稀土元素形成合金时,就能制造出世界上最强的永磁体,因此钴不可或缺。这些磁体强大到可以吊起汽车,并被用于风力涡轮机和电动汽车电机。 但钴最重要的现代用途在于可充电电池。锂钴氧化物正极可用于锂离子电池,在数千次充放电过程中储存巨大的能量。你的智能手机、笔记本电脑和电动汽车都依赖钴来高效储存和释放能量。随着世界转向可再生能源和电动汽车,对钴的需求已经急剧上升。 这里有一个令人担忧的事实:全球约70%的钴来自刚果民主共和国,而且通常产自工作条件较差的矿山。这推动了人们对无钴电池技术和负责任采购倡议的深入研究。

The discovery of 钴

瑞典冶炼工人的发现

Georg Brandt(1694-1768)是一位瑞典化学家和矿物学家。1735年前后,他在研究瑞典Sala附近铜矿中的蓝色矿石时发现了钴。当地矿工称这些麻烦的矿石为“kobold”(德语,意为妖精),因为它们虽然外观相似,却不含铜,而且焙烧时会产生有毒的砷烟。

系统研究

Brandt的系统分析揭示,蓝色来自一种此前未知的金属,而不是铋或其他已知元素。他严谨的化学程序分离出了钴化合物,并证明了其独特性质,从而确立钴是通过科学研究而非古代冶金实践发现的第一种金属。

工业发展

18世纪,商业钴生产始于钴蓝颜料制造,这种颜料因稳定性和鲜艳色彩而备受珍视。现代钴冶金业在第一次世界大战期间发展起来,当时德国Krupp钢铁厂发现了钴的超级合金性质,推动了其在军事战略领域的应用。

应用

钴的用途

钴:超级合金的关键材料

凭借出色的高温强度和耐腐蚀性,钴使涡轮发动机从不可能的梦想变成航空航天领域的现实。这种战略金属让喷气发动机、医疗植入物和为现代科技世界提供动力的可充电电池成为可能。

超级合金应用

钴基超级合金在超过1000°C的温度下仍能保持强度,使喷气发动机的涡轮叶片和燃烧室能够在极端条件下运行。含钴量为50-65%的司太立合金具有出色的耐磨性,可用于切削工具、阀座和工业设备。商用飞机的燃气涡轮发动机依靠钴基超级合金制造关键旋转部件,因为这些部件一旦失效,可能造成灾难性后果。

可充电电池技术

锂钴氧化物(LiCoO₂)正极利用钴可逆嵌入锂离子的能力,为大多数智能手机、笔记本电脑和消费电子产品提供动力。电动汽车电池越来越多地采用镍钴锰(NCM)镍钴铝(NCA)正极,在能量密度、安全性和成本之间取得平衡,同时由于供应限制而减少钴含量。

医疗植入材料

钴铬合金可制造具有出色生物相容性和耐磨性的人工髋关节和膝关节。这些植入物在人体内可使用20-30年,同时在持续的机械应力下保持结构完整性。牙科应用使用钴合金制造需要强度和耐腐蚀性的局部义齿和正畸器具。

磁性材料

含铝、镍和钴的铝镍钴磁体具有高温磁稳定性,可用于扬声器、传感器和工业应用。钐钴磁体可在最高350°C的温度下可靠运行,因此对于钕磁体会失效的航空航天和汽车应用至关重要。

钴:关键技术材料

  • 消费电子产品
    • 智能手机和笔记本电脑电池(iPhone、Samsung、Dell)
    • 平板电脑和可穿戴设备电池
    • 数码相机和便携式设备电池
    • 电动工具电池组
  • 电动汽车
    • 电动汽车电池正极(Tesla、GM、Ford)
    • 混合动力汽车电池系统
    • 电动公交车和卡车电池
    • 电动滑板车和自行车电池
  • 航空航天工业
    • 喷气发动机涡轮叶片和部件
    • 火箭发动机喷管和燃烧室
    • 飞机结构部件
    • 卫星和航天器部件
  • 医疗应用
    • 人工髋关节和膝关节置换关节
    • 牙科植入物和正畸器械
    • 手术器械和设备
    • 放射治疗设备
  • 工业设备
    • 切削工具和耐磨部件
    • 高温炉部件
    • 化学加工设备
    • 炼油厂催化剂系统

来源

自然存在

25 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 75% of elements

钴:恒星和地球上的稀有元素

钴通过大质量恒星中的中子俘获过程以及超新星核合成事件形成。主要的钴同位素钴-59是铁峰核合成的终点,当核结合能在恒星核心达到最高效率时形成。

地球上的稀缺性

地壳中仅含有30 parts per million的钴,与其他过渡金属相比相对稀少。地球上的大多数钴以镍矿和铜矿中的副产品形式存在,而不是形成独立的钴矿物,这加剧了供应链集中和地缘政治方面的担忧。

主要钴来源

刚果民主共和国从加丹加省的铜钴沉积矿床中生产全球70%的钴。这些矿床由硫化矿的风化和氧化形成,产生富钴红土矿和氧化带。卡罗尔矿(CuCo₂S₄)辉钴矿(CoAsS)是主要的钴矿物,不过大部分产量来自混合硫化矿。

海底资源

深海海底的锰结核含有较高浓度的钴(0.2-0.3%)。随着陆地供应受到限制,这些结核可能成为未来的资源。这些结核在富含氧气的深层海水中,经过数百万年的极其缓慢沉淀过程形成。

回收的重要性

钴的战略重要性和供应集中推动了广泛的回收工作。电池回收可从废旧锂离子电池中回收钴,而超级合金回收则从航空航天部件中回收钴。在先进设施中,回收率可超过95%。

处理

安全

钴的安全性:呼吸系统和皮肤问题

钴化合物可能造成严重的健康影响,包括硬金属肺病和过敏性接触性皮炎。由于钴可能具有致癌性并会引起呼吸道致敏,职业接触钴需要采取全面的安全措施。

健康影响

吸入钴尘会使接触钴-碳化钨粉尘的工人患上肺纤维化和“硬金属肺病”。皮肤致敏会导致钴过敏,影响1-3%的人口,并因珠宝、衣物扣件和职业接触而引发皮炎。

接触限值

  • OSHA PEL:钴金属、粉尘和烟雾为0.1 mg/m³(8-hour TWA)
  • NIOSH REL:0.05 mg/m³(10-hour TWA);可能致癌物标 designation
  • ACGIH TLV:钴及无机化合物为0.02 mg/m³(8-hour TWA)

安全措施

呼吸防护、局部排风和皮肤防护可以防止接触钴。包括肺功能检测和过敏筛查在内的医学监测,有助于发现接触钴工人的早期健康影响。

快速回答

钴:常见问题

What is 钴?

钴 (symbol Co) is element 27 on the periodic table, a 过渡金属 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.

What is the electron configuration of 钴?

钴's ground-state electron configuration is [Ar] 3d⁷ 4s², giving 4 occupied shells holding 2, 8, 15, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 钴?

钴 melts at 1768 K (1494.9 °C) and boils at 3200 K (2926.9 °C).

What is the atomic mass of 钴?

The standard atomic weight of 钴 is 58.933 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 钴?

钴 has a density of 8.9 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 钴 is about 8.9× heavier.

What is the electronegativity of 钴?

钴 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.

Who discovered 钴, and when?

钴 was discovered in 1735 by Georg Brandt. It is named after german kobold, "goblin" — miners blamed it for bad ore.

How common is 钴 on Earth?

钴 makes up about 25 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.