钴是什么?
钴(符号Co)是元素周期表中的第27号元素,属于4周期9族的过渡金属。 中世纪彩色玻璃和明代瓷器中的蓝色,也是固定硬盘的磁体中有一半所含的元素。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。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。
测量值
每个条形图显示钴在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径125 pm——即0.125 nm,因此大约4百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
钴在1432 K的范围内呈液态,温度从1768 K到3200 K。
背后的故事
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充电电池、永磁体和喷气发动机至关重要。钴的名称源自“kobold”,即德国民间传说中顽皮的地下精灵;它已从让中世纪矿工头疼的麻烦物质,变成现代世界中最具战略意义的元素之一。 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,却从未意识到自己接触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,是因为它独特地结合了磁性和化学性质。它与铁、镍一样,是仅有的三种铁磁性元素之一,可以被永久磁化。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。 不过,钴最重要的现代用途是在充电电池中。锂钴氧化物正极能够在数千次充放电过程中储存巨量能量。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,对钴的需求急剧增长。 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,而且往往产自工作条件恶劣的矿场。这推动了人们对无钴电池技术和道德采购计划的深入研究。
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附近铜矿产出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),因为它们外观像铜矿,却不含铜,并且焙烧时会产生有毒的砷烟雾。
Brandt的系统分析表明,这种蓝色来自一种此前未知的金属,而不是铋或其他已知元素。他通过严谨的化学实验分离出钴化合物,并证明了它们独特的性质,从而确立了钴是第一种通过科学研究发现的金属,而不是通过古代冶金实践发现的金属。
18世纪,商业化钴生产始于钴蓝颜料的制造,这种颜料因稳定性好、色彩浓烈而备受珍视。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,促成了其在军事战略领域的应用。
用途
凭借卓越的高温强度和耐腐蚀性,钴使涡轮发动机从不可能实现的梦想变成了现实中的航空航天技术。这种战略性金属支持喷气发动机、医疗植入物和为现代科技世界提供动力的充电电池。
钴基超级合金在超过1000°C的温度下仍能保持强度,使喷气发动机涡轮叶片和燃烧室能够在极端条件下运行。含有50-65%钴的司太立合金为切削工具、阀座和工业设备提供卓越的耐磨性。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,后果可能是灾难性的。
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)和镍钴铝(NCA)正极,在降低钴含量的同时平衡能量密度、安全性和成本,以应对供应限制。
钴铬合金可制造具有卓越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。牙科应用利用钴合金制造局部义齿和需要强度及耐腐蚀性的正畸器械。
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的温度下可靠工作,因此在钕磁体会失效的航空航天和汽车应用中不可或缺。
来源
地壳中含量为25 mg/kg · 比75%的元素更丰富
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产物,在恒星核心中核结合能达到最高效率时形成。
地壳中仅含有30 ppm的钴,与其他过渡金属相比相对稀有。地球上的大多数钴以镍矿和铜矿的副产品形式存在,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。
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。这些矿床由硫化矿石的风化和氧化形成,产生富钴红土层和氧化带。卡罗尔矿(CuCo₂S₄)和辉钴矿(CoAsS)是主要的钴矿物,不过大多数产量来自混合硫化矿石。
深海海底的锰结核含有大量钴(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。这些结核在富氧深层海水中经过数百万年的极慢沉淀过程形成。
钴的战略重要性及其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
钴化合物可能造成严重健康影响,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引起呼吸道致敏,职业接触必须采取全面的安全措施。
吸入钴粉尘会使接触钴-碳化钨粉尘的工人患肺纤维化和“硬金属肺病”。皮肤致敏会导致钴过敏,影响1-3%的人口,并因首饰、衣物扣件和职业接触引发皮炎。
呼吸防护、局部排风和皮肤防护可防止接触钴。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。
快速解答
钴(符号Co)是元素周期表中的第27号元素,属于4周期9族的过渡金属。 中世纪彩色玻璃和明代瓷器中的蓝色,也是固定硬盘的磁体中有一半所含的元素。 在室温下为固态。
[Ar] 3d⁷ 4s²,共有4个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 15, 2。钴在1768 K(1494.9 °C)熔化,在3200 K(2926.9 °C)沸腾。
钴的标准原子量为58.933 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
钴的密度为8.9 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此钴块约重8.9倍。
钴的鲍林电负性为1.88。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。
钴由Georg Brandt于1735年发现。 它以德语 kobold,“妖怪”——矿工认为它要为矿石质量差负责命名。
钴约占地壳的25 mg/kg——不常见,但并不稀有。