مقدمه ای بر کبالت

عنصر کبالت که در گروه 9 جدول تناوبی قرار دارد، در دسته فلزات واسطه قرار می گیرد. این فلز به طور طبیعی در هوا، آب، خاک، سنگ ها، گیاهان و حیوانات وجود دارد. کبالت جامد با درخشش سفید نقره‌ای و رنگ مایل به آبی به نظر می‌رسد و در دمای اتاق شکننده می‌ماند.

این یک عنصر کمیاب ضروری در بدن است و مانند آهن می تواند مغناطیسی شود. کاربرد کبالت بسیار متنوع است و به موتورهای توربین و هواپیما، صنایع نفت و شیمیایی و عوامل خشک کننده در رنگ ها و جوهرها گسترش می یابد. حتی یکی از ایزوتوپ های رادیواکتیو آن، Co-60، کلید پرتودهی بسیاری از محصولات غذایی را ثابت کرده است.

10 واقعیت جالب و سرگرم کننده درباره کبالت

1. اصطلاح “کبالت” از کلمه آلمانی “kobold” به معنای اجنه گرفته شده است. این عنصر این نام را دریافت کرد زیرا معدنچیان قرون وسطایی که به دنبال قلع بودند فکر می کردند سنگ معدن آن هنگام ذوب بخارات سمی آزاد می کند. معلوم شد که بخارات سمی آرسنیک است که معمولاً با کبالت یافت می شود.

کبالت جزء ضروری همه موجودات زنده است. این شامل ستون فقرات ویتامین B12 است که خون سازی و عملکرد سیستم عصبی را تسهیل می کند، از جمله موارد مهم دیگر.

3. کاربرد غالب فعلی کبالت عملکرد آن در باتری های لیتیوم یونی است.

4. عنصر کبالت اولین فلزی بود که کشف شد و مانند مس یا طلا “فلز باستانی” نبود. دانشمند مسئول، گئورگ برانت، اولین کاشف فلز ثبت شده در تاریخ شد.

5. ترکیبات کبالت می توانند رنگدانه های زیادی ایجاد کنند، نه فقط آبی کبالت. فسفات کبالت می تواند رنگ بنفش ایجاد کند و سبز کبالت از ترکیب اکسیدهای کبالت و اکسید روی حاصل می شود.

6. قدیمی ترین شیشه کبالتی رنگ که در مصر کشف شده است، به 1550 سال قبل از میلاد باز می گردد.

7. ایزوتوپ کبالت Co-60 کلید تولید پرتوهای گاما است که می تواند برای درمان سرطان و همچنین استریل کردن تجهیزات پزشکی استفاده شود.

8. اتحادیه اروپا کبالت را یک “مواد خام حیاتی” می داند زیرا مکان های کمی وجود دارد که بتوان در آن کبالت را در مقادیر زیاد استخراج کرد و همچنین تقاضای بسیار بالایی دارد.

9. در سال 2010، زمانی که محققان آلمانی اولین تصاویر را از تغییر “اسپین” در یک اتم ثبت کردند، از کبالت استفاده کردند. اصطلاح «اسپین» به تشریح تکانه زاویه‌ای الکترون‌ها در حین حرکت در اطراف هسته می‌پردازد.

10. تقریبا یک سوم قیف های کبالتی که سالانه تولید می شود به صنایع سرامیک و رنگ.

کبالت در جدول تناوبی

کبالت دارای نماد اتمی Co و عدد اتمی 27 است. این یک فلز واسطه خاکستری نقره ای است که در جدول تناوبی در سمت راست آهن، سمت چپ نیکل و بالای رودیم قرار دارد. برخی از خواص فیزیکی و شیمیایی با نیکل مشترک است. این یک عنصر کمیاب ضروری در بدن است و مانند آهن می تواند مغناطیسی شود.

پیکربندی الکترونی اتم کبالت [Ar]3d74s2 است. کبالت دارای الکترونگاتیوی 1.88 است

آلوتروپ های کبالت

به طور کلی، عنصر کبالت به عنوان مخلوطی از دو آلوتروپ در یک محدوده دمایی گسترده وجود دارد. دگرگونی بین این حالت‌ها با سرعت بسیار آهسته اتفاق می‌افتد، که باعث ایجاد واریانس در خواص فیزیکی مشاهده‌شده این عنصر می‌شود.

فرم بتا، یا فرم بتا، کبالت ساختاری کریستالی، شش ضلعی و نزدیک به خود می گیرد. شکل آلفا یا شکل α به صورت کریستال مکعبی وجود دارد. اگرچه هر دو آلوتروپ در شرایط عادی پایدار هستند، فرم بتا در دمای تقریباً 400 درجه سانتیگراد یا 750 درجه فارنهایت غالب است. برعکس، شکل آلفا در بالای این دماها تا نقطه ذوب عنصر، در 1490 درجه سانتیگراد یا 2720 درجه فارنهایت، غالب است.

کبالت در محیط زیست

محققان با کبالت به عنوان یک فلز آزاد در محیط مواجه نمی شوند. آنها معمولا آن را به شکل سنگ معدن پیدا می کنند. رایج ترین سنگ معدن کبالت شامل کبالتیت، اریتریت، اسکوترودیت و گلوکودوت است. معدنچیان تمایل دارند این سنگ‌ها را در مکان‌های مختلفی از جمله چین، روسیه، استرالیا، فنلاند، آذربایجان و جمهوری دموکراتیک کنگو پیدا کنند.

همچنین می توانیم از طریق روش های دیگر به عنصر کبالت دسترسی پیدا کنیم. این عنصر می تواند به عنوان یک محصول جانبی فرآیند استخراج برای مس و نیکل باشد. در مورد مس، هر کبالتی که در این فلز باشد و همراه با آن ذوب شود، اکسید می شود. این فلز اکسید شده، هنگامی که توسط یک کوره الکتریکی پردازش می شود، با کربن احیا می شود و یک آلیاژ مس-آهن-کبالت را تشکیل می دهد. در طی ذوب نیکل، پالایش الکترولیتی فرآیند بازیابی کبالت را با رسوب آن از محلول – معمولاً به شکل هیدروکسید کبالتیک – تسهیل می‌کند. با این حال، به دلیل کاهش قیمت مس و نیکل، تاسیسات معدنی با مشکل مواجه شده‌اند که منجر به کاهش خالص تولید کبالت محصول جانبی شده است.

کبالت همچنین می تواند از طریق سوزاندن زغال سنگ و نفت وارد محیط زیست شود. تأسیسات در صنعت برق بیشترین مقدار کبالت را به این روش تولید می کنند. وقتی در نیروگاه های خود سوخت می سوزانند، کبالت آزاد می کنند.

علاوه بر این، تولید و استفاده از مواد حاوی کبالت نیز منجر به انتشار کبالت به محیط می شود. محصولات از جمله،

اما نه محدود به این، شیشه های رنگی، رنگ ها، لاستیک ها، لوازم آرایشی، سفال ها همگی حاوی ترکیبات کبالت هستند. این ترکیبات احتمالاً شامل اکسید کبالت، نیتریت پتاسیم کبالت، آلومینات کبالت و فسفات آمونیوم کبالت هستند.

بیشتر ترکیبات حاوی کبالت از طریق باد به صورت گرد و غبار حرکت می کنند. کبالت همچنین می‌تواند وارد آب‌های سطحی شود، زمانی که آب باران روان از خاک و سنگ‌هایی که این فلز را انباشته کرده‌اند عبور می‌کند.

همانطور که بحث شد، کبالت را می توان در حیوانات و در انسان نیز یافت. در واقع، کبالت برای همه پستانداران به شکل کوبالامین یا ویتامین B12 ضروری است. این ویتامین، یک مجموعه هماهنگ کننده کبالت، سوخت فرآیندهایی است که سلامت خون و سلول های عصبی را تضمین می کند. همچنین با عمل به عنوان کوفاکتور در طول سنتز DNA به فرآیند تولید DNA کمک می کند.

تاریخچه عنصر کبالت

اصطلاح “کبالت” به فرهنگ یونان باستان و آلمان در قرون وسطی باز می گردد. بر اساس رمان لاتین Chronicles of Leoben که در سال 1335 نوشته شده است، “kobolt” با افسانه های کوتوله هایی که در معادن کوه اشنیبرگ واقع در آلمان زندگی می کنند مرتبط است.

با این حال، فرآیندهای رنگ آمیزی کبالت برای نزدیک به 3000 سال وجود داشته است. اولین کاربردهای هنری این عنصر به لعاب های حاوی کبالت بر روی قطعات سفالی و شیشه برمی گردد. حتی برخی از مقبره های مصر باستان آثاری از کبالت را نشان می دهند. سفال های چینی مربوط به سال 600 میلادی نیز حاوی شواهدی از رنگ های آبی حاوی کبالت هستند.

کشف کبالت – چه کسی آن را کشف کرد؟

ما به دانشمند سوئدی، گئورگ برانت، “کشف” یا جداسازی شیمیایی عنصر کبالت را اعتبار می دهیم. برانت به عنوان یک محقق و شیمیدان، به تشخیص خود از “نقص” شیمی افتخار می کرد. او به دنبال ایجاد پایه محکم تری از دانش علمی تنها بر اصول و بدیهیات بود.

این پیروی از حقایق علمی به رویارویی نهایی برانت با کبالت دامن زد. زمانی که متوجه شد رنگ رنگدانه آبی رنگی که در آن زمان در شیشه‌سازی به کار می‌رفت از یک فلز ناشناخته گرفته شده است و این ماده را به عنوان یک عنصر تعیین کرد و شروع به مطالعه آن کرد. برانت در رمان خود در سال 1735 Dissertatio de Semi-Metallis کشف این «نیمه فلز» جدید را که کبالت نامیده بود، ذکر کرد. ادعای برانت در ابتدا با تردید مواجه شد، زیرا هیچ فلز جدیدی پیدا نشده بود.

اگرچه ما در حال حاضر کبالت را به عنوان یک فلز واسطه طبقه بندی می کنیم، یافته های برانت موج جدیدی از تحقیقات عنصری و گسترش جدول تناوبی را که بعداً ایجاد شد، برانگیخت. همچنین، جالب اینجاست که برانت لقب اولین کسی را در تاریخ دارد که فلز جدیدی را کشف کرده است.

واکنش ها، ترکیبات، حالت های اکسیداسیون و جداسازی
واکنش های کبالت
کبالت + هوا

این عنصر به راحتی با هوا واکنش نشان نمی دهد. با این حال، پس از حرارت دادن، این ترکیب منجر به اکسید Co3O4 می شود. و اگر واکنش در دمای بیش از 900 درجه سانتیگراد یا BLANK ° F رخ دهد، ترکیب CoO تولید می کند.

3Co(s) + 4O2(g) → 2Co3O4(s)

2Co(ها) + O2(g) → 2CoO(ها)

کبالت + هالوژن ها

کبالت با برم واکنش می دهد و برمید کبالت (II) تشکیل می دهد: CoBr2.

Co(s) + Br2(l) → CoBr2(s) [سبز]

کبالت با کلر و ید به روشی مشابه واکنش می دهد.

Co(s) + Cl2(g) → CoCl2(s)

Co(ها) + I2(ها) → CoI2(ها)

کبالت + اسید

کبالت در اسید سولفوریک حل می شود و محصولاتی متشکل از یون Co(II) و گاز هیدروژن ایجاد می کند.

Co(s) + H2SO4(aq) → Co2+(aq) + SO42-(aq) + H2(g)

کبالت + آب

کبالت با انعکاس رفتار خود در حضور هوا، به راحتی با آب واکنش نشان نمی دهد. با این حال، CoO می تواند از ترکیب فلز کبالت داغ و بخار حاصل شود، همانطور که در زیر مشاهده می شود.

2Co(ها) + O2(g) → 2CoO(ها)

ترکیبات کبالت
اکسیدها و هیدروکسیدها

کبالت می تواند دو ترکیب دوتایی مختلف را در اثر متقابل با اکسیژن تولید کند. این ترکیبات شامل اکسید کبالتوس: CoO و تریکوبالت تتروکسید: Co3O4 است. کبالت در هر دو حالت اکسیداسیون +2 یا +3 در تتروکسید تریکوبالت وجود دارد. علاوه بر این، تقریباً نیمی از اکسید کبالت تجاری مورد استفاده در تولید سرامیک، شیشه و مینا از تتروکسید تریکوبالت تشکیل شده است.

هیدروکسید کبالت (II)، Co(OH)2، در آب نامحلول است و هنگامی که برای اولین بار رسوب می‌کند، رنگ آبی زیبایی پیدا می‌کند که به سرعت به رنگ صورتی تبدیل می‌شود. .

سولفات های کبالت، هالیدها و فسفات ها

ترکیب سولفات کبالت: CoSO4 نقش کلیدی در فرآیندهایی مانند آبکاری الکتریکی، خشک کردن، و پوشش بالای مراتع کشاورزی دارد. این، همراه با سایر نمک‌های کبالت، به تولید کاتالیزور، پودر فلز کبالت و نمک‌های بیشتر کمک می‌کند.

کوبالتینیتیت پتاسیم: K3[Co(NO2)6] که به آن زرد هندی نیز گفته می شود، ظاهری زرد روشن و پودری دارد. بیشتر به عنوان رنگدانه زرد استفاده می شود.

کلرید کبالتوس: CoCl2 شکل جامد و صورتی به خود می گیرد که با کم شدن آب به آبی تبدیل می شود. این ترکیب به عنوان کاتالیزور و به عنوان شاخص رطوبت کاربرد دارد.

فسفات کبالتوس: Co3(PO4)2∙8H2O معمولاً در فرآیندهای رنگ آمیزی و رنگ آمیزی سطوحی مانند چینی و شیشه استفاده می شود.

در همین حال، کبالت آمونیوم فسفات: جنس CoNH4PO4

یک رنگ بنفش عمیق است این ترکیب در دنیای هنری نیز کاربرد دارد.

مجتمع های هماهنگی کبالت (II) و کبالت (III).

کبالت با لیگاندهایی مانند آمونیاک، تیوسیانات، فنانترولین و یون کلرید کمپلکس‌های مختلفی را تشکیل می‌دهد. این یون ها می توانند آبی یا صورتی باشند که معمولاً مربوط به کمپلکس های چهار وجهی یا هشت وجهی است. اتیلن دی آمین با کبالت (III) کمپلکس تشکیل می دهد. در واقع، در بسیاری از کمپلکس‌های هماهنگی، کبالت به راحتی به حالت 3+ اکسید می‌شود – به‌ویژه زمانی که کلرید کبالت (II) با آمونیاک مخلوط می‌شود. CoCl3X (NH3) تشکیل می شود که X 4، 5 یا 6 است و هر کدام رنگ متفاوتی دارند.

ایالات اکسیداسیون کبالت

کبالت در هنگام ترکیب با مولکول های دیگر برای تشکیل ترکیبات، حالت اکسیداسیون 2+ یا 3+ را نشان می دهد. حالت اکسیداسیون +2 رایج ترین است و کبالت در حالت اکسیداسیون +3 معمولاً ناپایدار و یک عامل اکسید کننده قوی است. با این حال، حالت های اکسیداسیون +4، +1، 0، و -1 را نیز می توان مشاهده کرد.

ترکیبات “کبالتوس” حاوی کبالت در حالت اکسیداسیون +2 هستند. در همین حال، اصطلاح “کبالتیک” به کبالت در حالت اکسیداسیون +3 آن اشاره می کند. این یون، Co3+، در واقع بیش از هر فلز دیگری به جز پلاتین، یون‌های پیچیده‌تری را تشکیل می‌دهد.

جداسازی کبالت

عنصر کبالت، همانطور که بحث شد، معمولاً می تواند از طریق ذوب تقلیلی تولید شود. این فرآیند به انواع سنگ‌های فلزی مختلف نیاز دارد که در محیط وجود دارند. کبالت همچنین می تواند به عنوان یک محصول جانبی استخراج مس و نیکل، فرآیندهایی که در بالا توضیح داده شد، ایجاد شود. جداسازی کبالت در محیط آزمایشگاه آماتور دشوار است، اما می توان آن را از طریق الکترولیز انجام داد.

کاربردهای کبالت در دنیای امروز
کبالت برای چه مواردی استفاده می شود؟

کبالت در دنیای امروز کاربردهای زیادی دارد، از جمله ارتباط با صنایع تجاری، صنعتی، پزشکی و نظامی. غالب و سودمندترین استفاده از این عنصر به نقش آن در الکترودهای باتری قابل شارژ بستگی دارد. بنابراین کبالت بر زندگی روزمره ما تأثیر می گذارد. اکثر دستگاه ها از تلفن همراه تا لپ تاپ به آن متکی هستند.

موتورهای توربین گاز، کلید عملکرد قطارها، هواپیماها و قایق ها، از سوپرآلیاژها مشتق می شوند. این سوپرآلیاژها به وجود کبالت نیاز دارند. سایر محصولات مانند کیسه هوا، لاستیک ها، عوامل خشک کننده، فولادها، رسانه های ضبط مغناطیسی، آهنرباها، لاستیک ها، رنگ ها و رنگدانه ها و حتی سایر آلیاژها همگی شامل عنصر کبالت هستند.

در بیمارستان‌ها، عنصر کبالت نقش کلیدی در آشکارسازی تومورها و متاستازهای سرطانی، عقیم‌سازی تجهیزات و تصویربرداری آسیب دارد. حتی می توان از آن در ساخت آلیاژهای مصنوعی استفاده کرد که شامل جایگزین های مختلف زانو، مفصل و دندان می شود.

سهم آشکار کبالت در جهان ما با وضعیت آن به عنوان یک فلز ضروری ترکیب شده است. بسیاری از این کاربردهای پر تقاضا به کبالت و تنها کبالت متکی هستند. چنین برنامه های تخصصی را نمی توان با استفاده از جایگزینی از فلزات جایگزین تکمیل کرد. در سال 2011، اهمیت آن به طور خاص برای توسعه صنعتی و تکنولوژیکی باعث شد تا آن را به عنوان “بسیار مهم” در اتحادیه اروپا و “از لحاظ استراتژیک مهم” در ایالات متحده به رسمیت بشناسند.

اما غلظت کافی کبالت ممکن است اثرات ناخوشایندی ایجاد کند. مسمومیت با کبالت ممکن است در اثر بلع فلز، تنفس آن یا تماس طولانی مدت آن با پوست ایجاد شود. افزایش غلظت کبالت خون باعث بروز مشکلات غدد درون ریز، هماتولوژیک، قلبی عروقی و حتی عصبی در حیوانات و انسان می شود.

سازمان‌هایی مانند مؤسسه کبالت اثرات سطوح قرار گرفتن در معرض محیط زیست با کبالت را بر روی موجودات آبزی و ساکن در خشکی مطالعه می‌کنند. این غلظت‌های توسعه‌یافته را می‌توان «ایمن» تلقی کرد، بنابراین شرکت‌ها و صنایعی که از این عنصر استفاده می‌کنند مطلع می‌شوند.

خواص فیزیکی کبالت
نماد: شرکت
نقطه ذوب: 1768 K; 1495 درجه سانتی گراد; 2723 درجه فارنهایت
نقطه جوش: 3,143 K; 2870 درجه سانتی گراد; 5198 درجه فارنهایت
چگالی: 8.86 گرم بر سانتی متر^3
وزن اتمی: 58.93
عدد اتمی: 27
الکترونگاتیوی: 1.88
طبقه بندی: فلز
فراوانی طبیعی 0.003٪ در پوسته زمین
پیکربندی پوسته الکترونی: [Ar] 3d7 4s2
ایزوتوپ ها: فراوان ترین ایزوتوپ های کبالت شامل 56-Co، 57-Co، 58-Co و 60-Co است.
تنها ایزوتوپ پایدار و طبیعی کبالت 59-Co است
یافت شده: بیشتر کبالت از سنگ معدن های مختلف به دست آمده از معادن و ذخایر طبیعی به دست می آید
کبالت فرومغناطیسی است

سمیت: کبالت غیر سمی است، اما قرار گرفتن در معرض بیش از حد خطرناک است

از کجا می توانم عنصر کبالت را بخرم؟

شما می توانید فلز کبالت را به صورت پودر یا قطعات فلزی از بسیاری از فروشندگان مختلف از جمله آمازون، eBay و فروشگاه های تخصصی خریداری کنید. محصولات حاوی کبالت، مانند محصولاتی که در این مقاله توضیح داده شده است، به طور گسترده در سراسر اینترنت در دسترس هستند.