Кобальт: получение, свойства, применение

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

Ташкентский Государственный Педагогический Университет имени Низами

Факультет: «Естественные науки»

Кафедра: «Химия и методика ее преподавания»

КУРСОВАЯ РАБОТА

По предмету: Неорганическая химия

Тема: Кобальт: получение, свойства, применение

Бердибоева Дариха

Ташкент - 2022

Введение

Кобальт -- элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов, атомный номер 27. Обозначается символом Co (лат. Cobaltum). Простое вещество кобальт (CAS-номер: 7440-48-4) -- серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: б-Co с гексагональной плотноупакованной решёткой, в-Co с кубической гранецентрированной решёткой, температура перехода б-в 427 °C.

1. Происхождение названия

Название химического элемента кобальт происходит от нем. Kobold -- домовой, гном. При обжиге содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Руда, содержащая эти минералы, получила у горняков имя горного духа Кобольда. Древние норвежцы приписывали отравления плавильщиков при переплавке серебра.

В 1735 году шведский минералог Георг Брандт сумел выделить из этого минерала неизвестный ранее металл, который и назвал кобальтом. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет -- этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.

Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для отделения от близкого по свойствам никеля используется хлор, хлорат кобальта (Co(ClO3)2) выпадает в осадок, а соединения никеля остаются в растворе.

Табл. 1

Кобальт -- элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 27. Обозначается символом Co (лат. Cobaltum). Простое вещество кобальт (CAS-номер: 7440-48-4) -- серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом. Существует в двух кристаллических модификациях: б-Co с гексагональной плотноупакованной решёткой, в-Co с кубической гранецентрированной решёткой, температура перехода б-в 427 °C[1].

2. История

Соединения кобальта известны человеку с глубокой древности, синие кобальтовые стёкла, эмали, краски находят в гробницах Древнего Египта. Так в гробнице Тутанхамона нашли много осколков синего кобальтового стекла, не известно, было ли приготовление стёкол и красок сознательным или случайным. Первое приготовление синих красок относится к 1800 году.

В 1735 году шведский минералог Георг Брандт сумел выделить из этого минерала неизвестный ранее металл, который и назвал кобальтом. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет -- этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.

3. Нахождение в природе

Массовая доля кобальта в земной коре 4·10?3%. Кобальт входит в состав минералов: каролит CuCo2S4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтин CoAs2, скуттерудит (Co, Ni)As3 и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Кобальту сопутствуют железо, никель, марганец и медь. Содержание в морской воде приблизительно (1,7)·10?10%.

Месторождения

Самый крупный поставщик кобальта -- Демократическая Республика Конго [2]. Также есть богатые месторождения в Канаде, США, Франции, Замбии, Казахстане, России.

4. Получение

Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для отделения от близкого по свойствам никеля используется хлор, хлорат кобальта (Co(ClO3)2) выпадает в осадок, а соединения никеля остаются в растворе.

Кобальт имеет только один стабильный изотоп -- 59Co (изотопная распространённость 100%). Известны ещё 22 радиоактивных изотопа кобальта.

5. Физические свойства

Кобальт -- твердый металл, существующий в двух модификациях. При температурах от комнатной до 427 °C устойчива б-модификация. При температурах от 427 °C до температуры плавления (1494 °C) устойчива в-модификация кобальта (решётка кубическая гранецентрированная). Кобальт -- ферромагнетик, точка Кюри 1121 °C. Желтоватый оттенок ему придает тонкий слой оксидов.

6. Химические свойства

Оксиды

На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C.

Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта представляет собой сложный оксид Co3O4, имеющий структуру шпинели, в кристаллической структуре которого одна часть узлов занята ионами Co2+, а другая -- ионами Co3+; разлагается с образованием CoO выше 900 °C.

При высоких температурах можно получить б-форму или в-форму оксида CoO.

Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом.

Оксид кобальта (III) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II).

Другие соединения

При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором.

С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую б-форму (при сплавлении порошков) и чёрную в-форму (выпадает в осадок из растворов).

При нагревании CoS в атмосфере сероводорода получается сложный сульфид Со9S8

С другими окисляющими элементами, такими как углерод, фосфор, азот, селен, кремний, бор. кобальт тоже образует сложные соединения, являющиеся смесями где присутствует кобальт со степенями окисления 1, 2, 3.

· Кобальт способен растворять водород, не образуя химических соединений. Косвенным путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН2 и СоН.

· Растворы солей кобальта CoSO4, CoCl2, Со(NO3)2 придают воде бледно-розовую окраску. Растворы солей кобальта в спиртах темно-синие. Многие соли кобальта нерастворимы.

· Кобальт создаёт комплексные соединения. Чаще всего на основе аммиака.

Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли [Co(NH3)6]3+ жёлтого цвета и розеосоли [Co(NH3)5H2O]3+ красного или розового цвета.

· Также кобальт создаёт комплексы на основе CN?, NO2? и многих других.

7. Применение

· Легирование кобальтом стали повышает её жаропрочность, улучшает механические свойства. Из сплавов с применением кобальта создают обрабатывающий инструмент: свёрла, резцы, и т. п.

· Магнитные свойства сплавов кобальта находят применение в аппаратуре магнитной записи, а также сердечниках электромоторов и трансформаторов.

· Для изготовления постоянных магнитов иногда применяется сплав, содержащий около 50 % кобальта, а также ванадий или хром.

· Кобальт применяется как катализатор химических реакций.

· Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов.

· Силицид кобальта отличный термоэлектрический материал и позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД.

· Радиоактивный кобальт-60 (период полураспада 5,271 года) применяется в гамма-дефектоскопии и медицине.

· 60Со используется в качестве топлива в радиоизотопных источниках энергии.

8. Биологическая роль

Кобальт, один из микроэлементов, жизненно важных организму. Он входит в состав витамина В12 (кобаламин). Кобальт задействован при кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях. Потребность человека в кобальте 0,007-0,015 мг, ежедневно. В теле человека содержится 0,2 мг кобальта на каждый килограмм массы человека. При отсутствии кобальта развивается акобальтоз.

9. Токсикология

Избыток кобальта для человека вреден.

В 1960-х годах соли кобальта использовались некоторыми пивоваренными компаниями для стабилизации пены. Регулярно выпивавшие более четырёх литров пива в день получали серьёзные побочные эффекты на сердце, и, в отдельных случаях, это приводило к смерти. Известные случаи т. н. кобальтовой кардиомиопатии в связи с употреблением пива происходили с 1964 по 1966 годы в Омахе (штат Небраска), Квебеке (Канада), Левене (Бельгия), и Миннеаполисе (штат Миннесота). С тех пор его использование в пивоварении прекращено, и в настоящее время является незаконным[4][5].

ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 мг/мі, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 мг/л.

Токсическая доза (LD50 для крыс) -- 50 мг.

Особенно токсичны пары октакарбонила кобальта Со2(СО)8.

Табл. 2

Рис. 1. Схема атома кобальта

Название химического элемента кобальт происходит от нем. Kobold -- домовой, гном. При обжиге содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Руда, содержащая эти минералы, получила у горняков имя горного духа Кобольда. Древние норвежцы приписывали отравления плавильщиков при переплавке серебра проделкам этого злого духа. Вероятно, имя злого духа восходит к греческому «кобалос» -- дым. Этим же словом греки называли лживых людей. В 1735 году шведский минералог Георг Бранд сумел выделить из этого минерала неизвестный ранее металл, который и назвал кобальтом. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет -- этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.

10. Нахождение в природе

Массовая доля кобальта в земной коре 4·10?3%. Кобальт входит в состав минералов: каролит CuCo2S4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтит CoAs2 и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Кобальту сопутствуют железо, никель, марганец и медь. Содержание в морской воде приблизительно (1,7)·10?10%. Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для отделения от близкого по свойствам никеля используется хлор, хлорат кобальта (Co(ClO3)2) выпадает в осадок, а соединения никеля остаются в растворе. Кобальт имеет только один стабильный изотоп -- 59Co (изотопная распространённость 100[2] %). Известны еще 22 радиоактивных изотопа кобальта.

Кобальт создаёт комплексные соединения. Чаще всего на основе аммиака.

Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли [Co(NH3)6]3+ желтого цвета и розеосоли [Co(NH3)5H2O]3+ красного или розового цвета.

Также кобальт создаёт комплексы на основе CN?, NO2? и многих других.

Хлорид кобальта

Ионные комплексы кобальта Легирование кобальтом стали повышает её жаропрочность, улучшает механические свойства. Из сплавов с применением кобальта создают обрабатывающий инструмент: свёрла, резцы, и.т.п. Магнитные свойства сплавов кобальта находят применение в аппаратуре магнитной записи, а также сердечниках электромоторов и трансформаторов. Для изготовления постоянных магнитов иногда применяется сплав, содержащий около 50 % кобальта, а также ванадий или хром. Кобальт применяется как катализатор химических реакций. Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов. Силицид кобальта отличный термоэлектрогенераторы с высоким КПД.Радиоактивный кобальт-60 (период полураспада 5,271 года) применяется в гамма-дефектоскопии и медицине.60Со используется в качестве топлива в радиоизотопных источниках энергии.

Для получения металлического К. руда обрабатывается сухим, смешанным, мокрым или электролитическим способом.

I. Сухой способ. В 1886 г. Levat взял патент на обработку руды углем, так, чтобы восстановлять никель и К. и получить их в виде зерен или металлической пыли. После этой операции отделение К. и никеля от окислов железа и марганца совершается электролитическим путем. Этот способ не нашел себе применения, вследствие значительного содержания железа и марганца, которые препятствуют полной обработке руды. Электролитический способ пока тоже не употребляется.

II. Смешанный способ (Herrenschmidt'a) состоит в обогащении сперва руды К. и в обработке реактивами мокрым путем. Для этого руду сперва смешивают со свинцовой серебристой рудой или с медной (с медным песчаником). Смесь закладывается в доменную печь, где марганец переходит в шлак, а полученный продукт заключает сернистые соединения К., никеля, меди, свинца, а также и железа. Потом продукт мелется и превращается обжигом в сернокислые соли. Сернокислые никель, К. и медь выщелачивают водой и с помощью железа осаждают медь. Жидкость фильтруют через слой руды, вследствие чего железо осаждается и замещается в растворе соответственным количеством К., никеля и марганца из руды. Берут часть раствора и магнезией осаждают эти металлы; осадок отделяют и обрабатывают кипячением с остальным количеством раствора, заключающего в себе К., никель и марганец. При этом марганец растворяется, осаждая соответственное количество окиси К. и никеля. Повторяют операцию несколько раз пока окончательно не получат в осадке только никель и К., которые отделяют по способу, указанному ниже. В 1891 г. Герреншмидт предложил сернистые соединения, в полученном из домны продукте, переводить в хлористые посредством хлористого кальция. Затем часть профильтрованного раствора обрабатывать смесью окиси и углекислой меди и извести, причем осаждается -- железо с некоторым количеством меди в виде углекислого соединения. Подвергают кипячению: медь вторично растворяется. Известью или углекислым натром осадить из жидкости никель, К. и медь и к этому осадку прибавить остальную часть жидкости, заключающую хлористый К., никель и медь, вследствие чего медь осаждается, а К. и никель переходят в раствор.

III. Мокрый способ. Кобальтовые руды, а в особенности руды из Новой Каледонии, могут быть обрабатываемы прямо мокрыми способами, из которых более употребителен способ Герреншмидта. Измельченную руду или кипятят с раствором сернокислой закиси железа или же прокаливают смесь этой соли с измельченной рудой. Металлы: К., никель и марганец переходят в сернокислые соединения:

2SO4Fe + MnO2 + CoO = Fe2O4 + SO4Mn + SO4Co

2SO4Fe + Co2O3 = Fe2O3 + 2SO4Co.

Сцеживают и фильтруют железистую муть, содержащую глинозем и другие породы. Фильтрат, содержащий соединения К., никеля и марганца, обрабатывают сернистым железом; полученные в осадке сернистые соединения К. и никеля, а также и некоторого количества марганца отделяют фильтрацией на фильтр-прессе и подвергают отстаиванию с некоторым количеством хлористого железа. Сернистый марганец растворяется и в растворе получается черный осадок сернистого К. и никеля и жидкость с сернокислыми и хлористыми солями марганца и железа. Осадок фильтруют, просушивают и обжигают для превращения в растворимые сернокислые соединения. Обожженную массу разбавляют снова кипяченой водой для растворения сернокислого К. и никеля. Эту жидкость обрабатывают хлористым кальцием для превращения в хлористые соединения. Потом жидкость разделяют на 2 части: в первой части К. и никель осаждают известковым молоком, пропускают через фильтр-пресс и промывают для выделения хлористого кальция. Осадок в виде мути окисляют струей хлора вместе с воздухом. Затем к окисленной мути добавляют вторую часть жидкости. При подогреве в присутствии пара никель осадка переходит в виде хлористого соединения в раствор и вместе с тем осаждает соответственное количество окиси К. Повторяют эту операцию до тех пор, пока не получат осадка с содержанием одной чистой окиси К.

Металлический К. промышленным образом получается восстановлением окиси К. углем, реже углеводородами или окисью углерода. Для этого приготовляется масса из 95 частей CoO, 4 частей древесного угля, 2 частей патоки и достаточного количества воды. Эта масса перемешивается на месильной машине, спрессовывается в металлических формах и после ее предварительной просушки разрезается на кубики и вторично просушивается. Затем кубики обсыпаются угольным порошком и накаливаются до 1220° в восстановительном пламени, причем металлы восстанавливаются и обуглероживаются. Наконец, металл сплавляется в тиглях в присутствии буры и окиси К. при 1800-2000° для обезуглероживания кобальта. В белокалильном жару кобальт сваривается со сталью; железо, покрытое с обеих сторон К., выкатывается, в самые тонкие листы. Употребление металлического К. очень ограничено. Он идет на приготовление феррокобальта для получения кобальтовой стали и для разных сплавов с медью. Употребляется также для кобальтирования металлов. Главным же образом пользуются кобальтовыми красками (см. Кобальт, химический элемент). Кобальта -- разновидности химического элемента кобальта с разным количеством нейтронов в ядре. Известны изотопы кобальта с массовыми числами от 47 до 75 (количество протонов 27, нейтронов от 20 до 48) и 11 ядерных изомеров.

Природный кобальт является моноизотопным элементом с единственным стабильным изотопом 59Co.

Наиболее долгоживущий из нестабильных изотопов кобальта и имеющий 5,2714 лет. Другие наиболее долгоживущие изотопы 57Co с периодом полураспада 271,8 суток, 56Co (77,27 суток), 58Co (70,86 суток). Прочие изотопы имеют период полураспада менее суток.

У изотопов с массовыми числами менее 59 превалируют позитронный распад и электронный захват, при этом дочерними ядрами являются изотопы железа. У изотопов с массовыми числами более 59 превалирует бета-распад, порождая изотопы никеля.

Кобальт в чистом виде известен человеку с 18 века, но применялся он уже с незапамятных времен: в древней Ассирии и Вавилоне с помощью его соединений окрашивались стёкла в красивый синий цвет, не потеряло это применение своего значения и сегодня. В чистом виде кобальт - красивый металл серебристо-белого цвета, который имеет то желтоватый, то синевато - розовый отлив.

Цвет кобальт

Основное применение кобальта в промышленности это легирование сталей: его присутствие повышает их стойкость и жаропрочность. Он незаменим в производстве магнитов, сердечники трансформаторов и электрических моторов изготовляются с применением кобальтовых сплавов. Соединение кобальта с литием в настоящее время широко используется для производства литиевых аккумуляторов, которые могут применяться как источник постоянного тока для электротранспорта. Его тетракарбонил применяют как катализатор, а органический стеарат этого металла применяют для производства пластиков.

Кроме стабильного изотопа, существует и радиоактивный кобальт, (Со-60), который используется в медицине в современных устройствах для нейрохирургических операций и облучения труднодоступных опухолей головного мозга, ведь по мощности излучения всего 17 г этого изотопа эквивалентны килограмму радия.

Заключение

кобальт химический литиевый

В заключение я бы сказал, что Название химического элемента кобальт происходит от нем. Kobold -- домовой, гном. При обжиге содержащих мышьяк кобальтовых минералов выделяется летучий ядовитый оксид мышьяка. Руда, содержащая эти минералы, получила у горняков имя горного духа Кобольда. Древние норвежцы приписывали отравления плавильщиков.

В 1735 году шведский минералог Георг Брандт сумел выделить из этого минерала неизвестный ранее металл, который и назвал кобальтом. Он выяснил также, что соединения именно этого элемента окрашивают стекло в синий цвет -- этим свойством пользовались ещё в древних Ассирии и Вавилоне.

Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для отделения от близкого по свойствам никеля используется хлор, хлорат кобальта (Co(ClO3)2) выпадает в осадок, а прессе и подвергают отстаиванию с некоторым количеством хлористого железа. Сернистый марганец растворяется и в растворе получается черный осадок сернистого К. и никеля и жидкость с сернокислыми и хлористыми солями марганца и железа. Осадок фильтруют, просушивают и обжигают для превращения в растворимые сернокислые соединения. Обожженную массу разбавляют снова кипяченой водой для растворения сернокислого К. и никеля. Эту жидкость обрабатывают хлористым кальцием для превращения в хлористые соединения. Потом жидкость разделяют на 2 части: в первой части К. и никель осаждают известковым молоком, пропускают через фильтр-пресс и промывают для выделения хлористого кальция. Осадок в виде мути окисляют струей хлора вместе с воздухом. Затем к окисленной мути добавляют вторую часть жидкости. При подогреве в присутствии пара никель осадка переходит в виде хлористого соединения в раствор и вместе с тем осаждает соответственное количество окиси К. Повторяют эту операцию до тех пор, пока не получат осадка с содержанием одной чистой окиси.

Литература

1. Кедров Б.М. Эволюция понятия элемента в химии. М., 1956;

2. Рабинович В.Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. М., 1979;

3. Diels Н. Elementum. Leipzig, 1899.

4. Словарь философских терминов. Научная редакция профессора В.Г. Кузнецова. М., ИНФРА-М, 2007, с. 695-697.

5. Фигуровский Н.А. Очерк общей истории химии: развитие классической химии в XIX ст. М., Наука, 1979.

6. Фримантл М. Химия в действии. т. 2, М., Мир, 1998.

7. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. М., Высшая школа, 1991.

8. Дмитриев И.С. Научное открытие in statu nascendi: периодический закон Д.И. Менделеева. / Вопросы истории естествознания и техники, № 1, 2001, с. 31.

9. Зарецкий С. А., Сучков В. Н., Животинский П. Б. Электрохимическая технология неорганических веществ и химические источники тока: Учебник для учащихся техникумов. М..: Высш. Школа, 1980. 423 с.

10. Мазанко А. Ф., Камарьян Г. М., Ромашин О. П. Промышленный мембранный электролиз. М.: изд-во «Химия», 1989. 240 с.

11. Позин М. Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), ч.1, изд. 4-е, испр. Л., Изд-во «Химия», 1974. 792 с.

12. Фиошин М. Я., Павлов В. Н. Электролиз в неорганической химии. М.: изд-во «Наука», 1976. 106 с.

13. Якименко Л. М. Производство хлора, каустической соды и неорганических хлорпродуктов. М.: изд-во «Химия», 1974. 600 с.Итнернет-источники

14. Правила безопасности при производстве, хранении, транспортировке и применении хлора // URL: http://www.consultant.ru/

15. Аварийно химически опасные вещества // URL: http://umc.kirov.ru/

Размещено на Allbest.ru