COBALTO: STRUTTURA, PROPRIETÀ, APPLICAZIONI - CHIMICA - 2026

Il cobalto è un metallo di transizione appartenente al gruppo VIIIB della tavola periodica e il cui simbolo chimico è Co. è un solido blu - grigio (impurità dipendenti) che si trova in tutta la crosta terrestre; sebbene la sua concentrazione ne rappresenti appena 25 ppm o lo 0,001%.

Questo metallo è un oligoelemento essenziale nella nutrizione dei ruminanti. Fa anche parte del nucleo della vitamina B ₁₂ , necessaria per la maturazione degli eritrociti. La vitamina B ₁₂ ha una struttura simile a quella del gruppo eme dell'emoglobina; ma con Co invece di Faith.

Campione di cobalto metallico. Fonte: immagini ad alta risoluzione di elementi chimici

In natura, il cobalto non si trova solitamente puro, ma all'interno di matrici minerali complesse come: cobaltite, skutterudite, eritrite, ecc. In questi minerali, il cobalto è solitamente combinato con nichel, ferro o arsenico.

Il nome "cobalto" deriva dal tedesco kobalt, che a sua volta derivava da kobolt, il nome che i minatori davano ai minerali che producevano coloranti blu e avevano pochi metalli che conoscevano; Minerali che, vale la pena menzionare, li hanno avvelenati.

Il cobalto si trova nei minerali insieme a nichel, ferro e rame, tra gli altri metalli. Pertanto, non può essere ottenuto puro e richiede un intenso lavoro di raffinazione per purificarlo fino a quando il suo utilizzo è pratico.

Fu scoperto dal chimico svedese Georg Brandt, tra il 1730 e il 1740. Fu il primo metallo scoperto dalla preistoria. Brandt ha sottolineato che il cobalto era responsabile della tinta blu della ceramica e del vetro; e non bismuto, come si credeva fino ad allora.

Il cobalto ha 29 isotopi. Il ⁵⁹ Co è stabile e rappresenta quasi il 100% degli isotopi del cobalto; i restanti 28 sono radioisotopi. Questi includono ⁶⁰ Co, utilizzati nel trattamento del cancro. È un elemento magnetico, che conserva il suo magnetismo alle alte temperature. Questa proprietà gli ha permesso di formare leghe come il cosiddetto Alinco, utilizzato in altoparlanti, microfoni, trombe radio, ecc.

Storia

antichità

Il cobalto è stato utilizzato da 2.000 a 3.000 anni aC Gli egizi, i persiani e le dinastie cinesi lo usarono nella realizzazione delle loro sculture e ceramiche. Forniva la colorazione blu così apprezzata nelle opere d'arte e negli oggetti d'uso.

Gli egizi (1550 - 1292 a.C.) furono probabilmente i primi a usare il cobalto per dare al vetro il suo colore blu.

Il cobalto non è isolato nei minerali, ma in presenza di minerali con nichel, rame e arsenico.

Quando si cercava di fondere il rame con il nichel, si produceva ossido di arsenico, un gas molto velenoso che era la causa dell'avvelenamento subito dai minatori.

Scoperta

Il cobalto fu scoperto intorno al 1735 dal chimico svedese Georg Brandt, il quale si rese conto che il cobalto, appunto, era il metallo che forniva la colorazione blu della ceramica e del vetro.

È stato il primo metallo scoperto sin dai tempi antichi. Da questo momento l'uomo ha utilizzato numerosi metalli come ferro, rame, argento, stagno, oro, ecc. In molti casi non si sa quando hanno cominciato ad essere utilizzati.

Produzione mineraria

La prima estrazione di cobalto al mondo iniziò in Europa, con la Norvegia che fu il primo produttore di blu cobalto; un composto di allumina e cobalto, nonché smalto (vetro di cobalto in polvere), utilizzato come pigmento nella ceramica e nella pittura.

La preponderanza nella produzione di cobalto si spostò in Nuova Caledonia (1864) e Canada (1904), nella regione dell'Ontario, a causa della scoperta di giacimenti in quei paesi.

Successivamente, l'attuale Repubblica Democratica del Congo (1913) divenne il principale produttore mondiale di cobalto grazie alla scoperta di grandi giacimenti nella regione del Katanga. Attualmente questo Paese, insieme a Canada e Australia, è uno dei principali produttori di cobalto.

Nel frattempo, la ROC è il principale produttore mondiale di cobalto raffinato, importando il metallo dalla Repubblica Democratica del Congo per la raffinazione.

Nel 1938, John Livinglood e Glenn Seaborg realizzarono la produzione in un reattore atomico da ⁶⁰ Co; Un isotopo radioattivo utilizzato in medicina per curare il cancro.

Struttura e configurazione elettronica del cobalto

Il cobalto, come altri metalli, tiene insieme i suoi atomi attraverso il legame metallico. La forza e la compressione sono tali da stabilire un cristallo metallico, dove c'è una marea di elettroni e bande di conduzione che spiegano le loro conduttività elettriche e termiche.

Analizzando microscopicamente i cristalli di cobalto, si scoprirà che possiedono una struttura esagonale compatta; ci sono triangoli di atomi di Co disposti in strati ABAB …, che formano prismi triangolari con strati interlacciati, che a loro volta rappresentano un sesto di un esagono.

Questa struttura è presente per la maggior parte dei campioni di cobalto a temperature inferiori a 450 ° C. Tuttavia, quando la temperatura aumenta, inizia una transizione tra due fasi cristallografiche: l'esagono compatto (hcp) e il cubico centrato sulla faccia (fcc, per il suo acronimo in inglese: cubico centrato sulla faccia).

La transizione è lenta, quindi non tutti i cristalli esagonali diventano cubici. Pertanto, ad alte temperature, il cobalto può mostrare entrambe le strutture cristalline; e quindi le sue proprietà non sono più omogenee per tutto il metallo.

Dimensione perle di cristallo

La struttura cristallina non è del tutto perfetta; può ospitare irregolarità, che definiscono grani cristallini di diverse dimensioni. Più sono piccoli, più leggero è il metallo o la spugna. D'altra parte, quando i grani sono grandi, il metallo diventerà solido e solido.

Il dettaglio con il cobalto è che non solo i grani modificano l'aspetto esterno del metallo: anche la sua struttura cristallina. Al di sotto di 450 ° C, la struttura hcp dovrebbe predominare; ma quando i chicchi sono piccoli, come nel cobalto spugnoso, la struttura dominante è la fcc.

L'opposto si verifica quando i grani sono grandi: la struttura fcc domina sull'hcp. Ha senso poiché i grani grandi sono più pesanti e esercitano una maggiore pressione l'uno sull'altro. A pressioni più elevate, gli atomi di Co si compattano maggiormente e scelgono di adottare la struttura hcp.

Ad alte temperature (T> 1000ºC) si verificano le transizioni appena descritte; ma nel caso del cobalto spugnoso, una piccola porzione dei suoi cristalli diventa esagonale, mentre la maggior parte continua ad essere cubica.

Nanocristalli hcp stabili

In un lavoro di ricerca spagnolo (Peña O'shea V. et al., 2009), è stato dimostrato che era possibile sintetizzare nanocristalli di cobalto esagonali in grado di resistere a temperature vicine ai 700 ° C senza subire transizioni alla fase fcc.

Per fare ciò, i ricercatori hanno ridotto i campioni di ossidi di cobalto con CO e H ₂ , scoprendo che i nanocristalli hcp dovevano la loro stabilità a un rivestimento di nanofibre di carbonio.

Configurazione elettronica e stati di ossidazione

La configurazione elettronica del cobalto è:

3d ⁷ 4 s ²

Può quindi teoricamente perdere fino a nove elettroni dal suo guscio di valenza; ma questo non accade (almeno in condizioni normali), né si forma il catione Co ⁹⁺ .

I suoi stati di ossidazione sono: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, dove +2 e +3 sono i principali.

Proprietà

Aspetto fisico

Metallo solido, brillante, blu-grigio. Il cobalto lucido è bianco argenteo con una tonalità bluastra.

Peso atomico

58,933 g / mol.

Numero atomico

27.

Tavola periodica

È un metallo di transizione che appartiene al gruppo 9 (VIIIB), periodo 4.

Punto di fusione

1.768 K (1.495 ° C, 2.723 ° F).

Punto di ebollizione

3.200 K (2.927 ° C, 5.301 ° F).

Densità a temperatura ambiente

8,90 g / cm ³ .

Calore di fusione

16,06 kJ / mol.

Calore di vaporizzazione

377 kJ / mol.

Capacità calorica molare

24,81 J / mol K

Velocità del suono

4.720 m / s (misurato su un'asta metallica).

Durezza

5.0 sulla scala di Mohs.

Magnetismo

È uno dei tre elementi ferromagnetici a temperatura ambiente. I magneti al cobalto mantengono il loro magnetismo a temperature fino a 1.121ºC (2.050ºF).

elettronegatività

1,88 della scala Pauling.

Energia ionizzata

Primo livello di ionizzazione: 740,4 kJ / mol.

Secondo livello di ionizzazione: 1.648 kJ / mol.

Terzo livello di ionizzazione: 3.232 kJ / mol.

Radio atomica

125 pm.

Volume atomico

6,7 cm ³ / mol.

reazioni

Il cobalto si dissolve lentamente in acidi minerali diluiti. Non si combina direttamente con l'idrogeno o l'azoto, ma si combina con carbonio, fosforo e zolfo mediante riscaldamento. Si lega all'ossigeno presente nel vapore acqueo ad alte temperature.

Reagisce vigorosamente con acido nitrico 15 M, formando nitrato di cobalto, Co (NO ₃ ) ₂ . Reagisce debolmente con l'acido cloridrico per formare cloruro di cobalto, CoCl ₂ . Il cobalto non forma idruri.

Sia Co ⁺² che Co ⁺³ formano numerosi complessi di coordinazione, essendo considerato uno dei metalli con il maggior numero di questi complessi.

applicazioni

leghe

Le leghe di cobalto sono utilizzate nella produzione di motori a reazione e motori a turbina a gas. Una lega chiamata Alinco, composta da alluminio, nichel e cobalto, ha forti proprietà magnetiche. I magneti Alinco sono utilizzati negli apparecchi acustici, nelle bussole e nei microfoni.

I cosiddetti utensili da taglio sono realizzati con leghe di stellite, di cobalto, cromo e tungsteno. Le superleghe hanno un punto di fusione vicino a quello del cobalto e si caratterizzano per la loro grande durezza, essendo utilizzate nella fabbricazione di utensili a bassa espansione.

Ceramiche, sculture e vetri

Bicchieri bicchieri con cobalto. Fonte: Pxhere.

Sin dai tempi antichi, il cobalto è stato utilizzato da numerose culture per dare alle loro opere d'arte e decorative una sfumatura blu. In questo senso, sono stati utilizzati gli ossidi: cobalto, CoO e cobalto, Co ₃ O ₄ .

Oltre al loro utilizzo nella produzione di ceramiche, vetri e smalti, gli ossidi di cobalto vengono utilizzati nella preparazione di catalizzatori.

medici

Il cobalto-60 ( ⁶⁰ Co), un isotopo radioattivo che emette radiazioni beta (β) e gamma (γ), viene utilizzato nel trattamento del cancro. Γ la radiazione è una radiazione elettromagnetica, quindi ha la capacità di penetrare nei tessuti e raggiungere le cellule cancerose, permettendo così la loro eradicazione.

Le cellule cancerose sono cellule che si dividono rapidamente, il che le rende più suscettibili alle radiazioni ionizzanti che colpiscono il loro nucleo, danneggiando il materiale genetico.

Il ⁶⁰ Co, come altri radioisotopi, viene utilizzato nella sterilizzazione di materiali che vengono utilizzati nella pratica medica.

Allo stesso modo, il cobalto viene utilizzato nella produzione di impianti ortopedici, insieme al titanio e all'acciaio inossidabile. Gran parte delle protesi d'anca utilizzano steli femorali in cromo-cobalto.

Energia alternativa

Il cobalto viene utilizzato per migliorare le prestazioni delle batterie ricaricabili, svolgendo un ruolo utile nei veicoli ibridi.

Galvanotecnica

Il cobalto viene utilizzato per fornire alle superfici metalliche una buona finitura che le protegge dall'ossidazione. Il solfato di cobalto, CoSO ₄ , ad esempio, è il principale composto di cobalto utilizzato a questo proposito.

Nei laboratori

Il cloruro di cobalto, CoCl ₂ .6H ₂ O, viene utilizzato come indicatore di umidità negli essiccatori. È un solido rosa che cambia in un colore blu mentre si idrata.

Ruolo biologico

Il cobalto fa parte del sito attivo della vitamina B ₁₂ (cianocobalamina) coinvolta nella maturazione degli eritrociti. La sua assenza provoca un'anemia caratterizzata dalla comparsa nella circolazione sanguigna di grandi eritrociti noti come megaloblasti.

Dove si trova

crosta terrestre

Il cobalto è ampiamente distribuito in tutta la crosta terrestre; sebbene la sua concentrazione sia molto bassa, si stima che costituisca 25 ppm della crosta terrestre. Nel frattempo, nel Sistema Solare nel suo insieme la sua concentrazione relativa è di 4 ppm.

Si trova in piccole quantità nei complessi ferro-nichel, essendo originario della Terra e dei meteoriti. Si trova anche in combinazione con altri elementi in laghi, fiumi, mari, piante e animali.

Vitamina B

Inoltre, è un elemento essenziale per l'alimentazione dei ruminanti ed è presente nella vitamina B ₁₂ , necessaria per la maturazione degli eritrociti. Il cobalto non è solitamente isolato in natura, ma si trova in diversi minerali combinati con altri elementi.

minerali

I minerali di cobalto includono quanto segue: cobaltite, in combinazione con arsenico e zolfo; eritrite, formata da arsenico e cobalto idrato; il glaucodot formato da cobalto, ferro, arsenico e zolfo; e la skutterudite formata da cobalto, nichel e arsenico.

Inoltre, si possono notare i seguenti minerali di cobalto aggiuntivi: linnaelite, smalto ed eterogenite. Il cobalto è accompagnato nei minerali principalmente da nichel, arsenico e ferro.

Il più delle volte, il cobalto non viene estratto dai minerali che lo contengono, ma è un sottoprodotto dell'estrazione di nichel, ferro, arsenico, rame, manganese e argento. È necessario un processo complesso per estrarre e isolare il cobalto da questi minerali.

Riferimenti

1. Wikipedia. (2019). Cobalto. Estratto da: en.wikipedia.org
2. A. Owen e D. Madoc Jone. (1954). Effetto della granulometria sulla struttura cristallina del cobalto. Proc. Phys. Soc. B 67 456. doi.org/10.1088/0370-1301/67/6/302
3. Víctor A. de la Peña O'Shea, Pilar Ramírez de la Piscina, Narcis Homs, Guillem Aromí e José LG Fierro. (2009). Sviluppo di nanoparticelle di cobalto esagonali a confezione chiusa stabili alle alte temperature. Chimica dei materiali 21 (23), 5637-5643. DOI: 10.1021 / cm900845h.
4. Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (02 febbraio 2019). Fatti e proprietà fisiche del cobalto. ThoughtCo. Estratto da: thoughtco.com
5. The Editors of Encyclopaedia Britannica. (8 giugno 2019). Cobalto. Encyclopædia Britannica. Estratto da: britannica.com
6. Lookchem. (2008). Cobalto. Estratto da: lookchem.com
7. Ducksters. (2019). Elementi per bambini: cobalto. Estratto da: ducksters.com