الكوبالت: الهيكل والخصائص والتطبيقات - كيمياء - 2025

و الكوبالت هو معدن الانتقال تابعة لVIIIB مجموعة من الجدول الدوري، والذي رمز الكيميائي هو شركة هو الأزرق الصلب - الرمادي (الشوائب حسب) وجدت في جميع أنحاء الأرض الصورة القشرة. على الرغم من أن تركيزه بالكاد يمثل 25 جزء في المليون أو 0.001٪ منه.

هذا المعدن هو عنصر أساسي في تغذية المجترات. كما أنه جزء من نواة فيتامين ب ₁₂ الضروري لنضج كريات الدم الحمراء. يحتوي فيتامين ب ₁₂ على بنية مشابهة لتلك الموجودة في مجموعة الهيموجلوبين ؛ ولكن مع Co بدلاً من Faith.

عينة الكوبالت المعدني. المصدر: صور عالية الدقة للعناصر الكيميائية

في الطبيعة ، لا يوجد الكوبالت نقيًا عادة ، ولكن ضمن مصفوفات معدنية معقدة مثل: الكوبالت ، السكوتروديت ، الإريثريت ، إلخ. في هذه المعادن ، عادة ما يتم دمج الكوبالت مع النيكل أو الحديد أو الزرنيخ.

يأتي اسم "الكوبالت" من الكوبالت الألماني ، والذي اشتق بدوره من kobolt ، وهو الاسم الذي أطلقه عمال المناجم على خامات المعادن التي تنتج أصباغًا زرقاء وتحتوي على القليل من المعادن التي يعرفونها ؛ الجدير بالذكر أنه تسبب في تسممهم.

يوجد الكوبالت في الخامات مع النيكل والحديد والنحاس ، من بين معادن أخرى. لذلك ، لا يمكن الحصول عليها نقية ، وتتطلب أعمال تكرير مكثفة لتنقيتها حتى يصبح استخدامها عمليًا.

اكتشفه الكيميائي السويدي جورج براندت بين عامي 1730 و 1740. وكان أول معدن اكتشف منذ عصور ما قبل التاريخ. وأشار براندت إلى أن الكوبالت هو المسؤول عن الصبغة الزرقاء للسيراميك والزجاج. وليس البزموت كما كان يعتقد حتى ذلك الحين.

يحتوي الكوبالت على 29 نظيرًا. يعتبر الـ ⁵⁹ Co مستقرًا ويمثل ما يقرب من 100٪ من نظائر الكوبالت ؛ 28 المتبقية هي النظائر المشعة. وتشمل ⁶⁰ Co ، المستخدمة في علاج السرطان. إنه عنصر مغناطيسي يحافظ على مغناطيسيته في درجات حرارة عالية. سمحت لها هذه الخاصية بتكوين سبائك مثل ما يسمى Alinco ، المستخدمة في مكبرات الصوت والميكروفونات وأبواق الراديو ، إلخ.

التاريخ

العصور القديمة

استخدم الكوبالت منذ 2000 إلى 3000 سنة قبل الميلاد ، واستخدمه المصريون والفرس والصينيون في صنع منحوتاتهم وخزفهم. قدمت اللون الأزرق الذي يحظى بتقدير كبير في الأعمال الفنية ومواد الاستخدام.

ربما كان المصريون (1550 - 1292 قبل الميلاد) هم أول من استخدم الكوبالت لإعطاء الزجاج لونه الأزرق.

لا يتم عزل الكوبالت في الخامات ، ولكن في وجود المعادن مع النيكل والنحاس والزرنيخ.

عند محاولة إذابة النحاس بالنيكل ، تم إنتاج أكسيد الزرنيخ ، وهو غاز سام للغاية كان سبب التسمم الذي تعرض له عمال المناجم.

اكتشاف

تم اكتشاف الكوبالت ، تقريبًا ، في عام 1735 من قبل الكيميائي السويدي جورج براندت ، الذي أدرك أن الكوبالت ، على وجه التحديد ، هو المعدن الذي ساهم في التلوين الأزرق للسيراميك والزجاج.

كان أول معدن يتم اكتشافه منذ العصور القديمة. منذ ذلك الوقت ، استخدم الإنسان العديد من المعادن مثل الحديد والنحاس والفضة والقصدير والذهب ، إلخ. في كثير من الحالات ، لا يُعرف متى بدأ استخدامها.

إنتاج التعدين

بدأ أول تعدين للكوبالت في العالم في أوروبا ، وكانت النرويج أول منتج للكوبالت الأزرق ؛ مركب من الألومينا والكوبالت ، وكذلك المينا (مسحوق الكوبالت الزجاجي) ، يستخدم كصبغة في السيراميك والطلاء.

انتقلت الغلبة في إنتاج الكوبالت إلى كاليدونيا الجديدة (1864) وكندا (1904) ، في منطقة أونتاريو بسبب اكتشاف الرواسب في تلك البلدان.

في وقت لاحق ، أصبحت جمهورية الكونغو الديمقراطية الحالية (1913) أكبر منتج للكوبالت في العالم بسبب اكتشاف رواسب كبيرة في منطقة كاتانغا. هذا البلد حاليًا ، إلى جانب كندا وأستراليا ، هو أحد منتجي الكوبالت الرئيسيين.

وفي الوقت نفسه ، فإن جمهورية الصين هي المنتج الرائد في العالم للكوبالت المكرر ، حيث تستورد المعدن من جمهورية الكونغو الديمقراطية للتكرير.

في عام 1938، حقق جون Livinglood وجلين سيبورج إنتاج في ⁶⁰ شركة مفاعل نووي. نظير مشع يستخدم في الطب لعلاج السرطان.

هيكل وتكوين الإلكترون من الكوبالت

يحتفظ الكوبالت ، مثله مثل المعادن الأخرى ، بذراته معًا من خلال الرابطة المعدنية. تكون القوة والضغط من النوع الذي يؤسسان بلورة معدنية ، حيث يوجد مد من الإلكترونات ونطاقات التوصيل التي تفسر موصليةها الكهربائية والحرارية.

بالتحليل المجهري لبلورات الكوبالت ، يتبين أنها تمتلك بنية سداسية مضغوطة ؛ هناك مثلثات من ذرات Co مرتبة في طبقات ABAB ، وتشكل مناشير مثلثة مع طبقات مقسمة ، والتي بدورها تمثل الجزء السادس من سداسي.

هذا الهيكل موجود لمعظم عينات الكوبالت عند درجات حرارة أقل من 450 درجة مئوية. ومع ذلك ، عندما ترتفع درجة الحرارة ، يبدأ الانتقال بين مرحلتين بلوريتين: المرحلة السداسية المدمجة (hcp) والمكعب المتمركز على الوجه (fcc ، لاختصارها في اللغة الإنجليزية: مكعب متمركز على الوجه).

يكون الانتقال بطيئًا ، لذا لا تتحول كل البلورات السداسية إلى مكعب. وهكذا ، في درجات الحرارة العالية ، يمكن أن يظهر الكوبالت كلا التركيبين البلوريين ؛ ومن ثم لم تعد خصائصه متجانسة لجميع المعادن.

حجم حبات الكريستال

التركيب البلوري ليس مثاليًا تمامًا ؛ يمكن أن تحتوي على مخالفات تحدد الحبوب البلورية ذات الأحجام المختلفة. كلما كانوا أصغر ، كان المعدن أخف أو يشبه الإسفنج. من ناحية أخرى ، عندما تكون الحبيبات كبيرة ، يصبح المعدن صلبًا وصلبًا.

تفصيل الكوبالت هو أن الحبيبات لا تعدل المظهر الخارجي للمعدن فحسب ، بل هي أيضًا هيكله البلوري. تحت 450 درجة مئوية ، يجب أن تسود بنية hcp ؛ ولكن عندما تكون الحبيبات صغيرة ، كما هو الحال في الكوبالت الإسفنجي ، فإن الهيكل السائد هو fcc.

يحدث العكس عندما تكون الحبيبات كبيرة: يهيمن هيكل fcc على hcp. من المنطقي أن الحبوب الكبيرة أثقل وتضغط بشكل أكبر على بعضها البعض. عند الضغط العالي ، تتراكم ذرات Co بشكل أكبر وتختار اعتماد هيكل hcp.

في درجات حرارة عالية (T> 1000 درجة مئوية) ، تحدث التحولات الموصوفة للتو ؛ ولكن في حالة الكوبالت الإسفنجي ، يصبح جزء صغير من بلوراته سداسية ، بينما يظل معظمها مكعبًا.

بلورات نانوية hcp مستقرة

في عمل بحثي إسباني (Peña O'shea V. et al. ، 2009) ، تم إثبات أنه من الممكن تصنيع بلورات نانوية سداسية من الكوبالت قادرة على تحمل درجات حرارة قريبة من 700 درجة مئوية دون الخضوع لانتقال إلى مرحلة fcc.

للقيام بذلك ، قام الباحثون بتقليل عينات أكاسيد الكوبالت باستخدام ثاني أكسيد الكربون و H ₂ ، ووجدوا أن البلورات النانوية hcp تدين باستقرارها إلى طبقة من ألياف الكربون النانوية.

التكوين الإلكتروني وحالات الأكسدة

تكوين الإلكترون للكوبالت هو:

3d ⁷ 4s ²

لذلك يمكن أن تفقد نظريًا ما يصل إلى تسعة إلكترونات من غلاف التكافؤ ؛ لكن هذا لا يحدث (على الأقل في ظل الظروف العادية) ، كما لم يتم ^تكوين الكاتيون Co ⁹⁺.

حالات الأكسدة الخاصة به هي: -3 ، -1 ، +1 ، +2 ، +3 ، +4 ، +5 ، مع كون +2 و +3 هي الحالات الرئيسية.

الخصائص

مظهر جسماني

معدن صلب ، لامع ، أزرق رمادي. الكوبالت المصقول أبيض فضي مع لون مزرق.

الوزن الذري

58.933 جم / مول.

العدد الذري

27.

الجدول الدوري

إنه معدن انتقالي ينتمي إلى المجموعة 9 (VIIIB) ، الفترة 4.

نقطة الانصهار

1،768 كلفن (1495 درجة مئوية ، 2723 درجة فهرنهايت).

نقطة الغليان

3200 كلفن (2927 درجة مئوية ، 5301 درجة فهرنهايت).

الكثافة في درجة حرارة الغرفة

8.90 جم / سم ³.

حرارة الانصهار

16.06 كيلوجول / مول.

حرارة التبخير

377 كيلو جول / مول.

قدرة السعرات الحرارية المولية

24.81 جول / مول ك

سرعة الصوت

4،720 م / ث (تقاس على قضيب معدني).

صلابة

5.0 على مقياس موس.

المغناطيسية

إنه أحد العناصر الثلاثة المغناطيسية في درجة حرارة الغرفة. تحتفظ مغناطيس الكوبالت بمغناطيسيتها عند درجات حرارة تصل إلى 1121 درجة مئوية (2050 درجة فهرنهايت).

كهرسلبية

1.88 على مقياس بولينج.

طاقة التأين

المستوى الأول من التأين: 740.4 كيلوجول / مول.

مستوى التأين الثاني: 1،648 كيلوجول / مول.

المستوى الثالث من التأين: 3232 كيلوجول / مول.

راديو ذري

125 م.

الحجم الذري

6.7 سم ³ / مول.

تفاعلات

يذوب الكوبالت ببطء في الأحماض المعدنية المخففة. لا يتحد مباشرة مع الهيدروجين أو النيتروجين ، ولكنه يتحد مع الكربون والفوسفور والكبريت عن طريق التسخين. يرتبط بالأكسجين الموجود في بخار الماء في درجات حرارة عالية.

يتفاعل بقوة مع 15 مولار حامض النيتريك ، مكونًا نترات الكوبالت ، Co (NO ₃) ₂. يتفاعل بشكل ضعيف مع حمض الهيدروكلوريك لتكوين كلوريد الكوبالت ، CoCl ₂. الكوبالت لا يشكل الهيدريدات.

يشكل كل من Co ⁺² و Co ⁺³ العديد من مجمعات التنسيق ، حيث يعتبر أحد المعادن التي تحتوي على أكبر عدد من هذه المجمعات.

التطبيقات

سبائك

تستخدم سبائك الكوبالت في صناعة المحركات النفاثة ومحركات التوربينات الغازية. سبيكة تسمى Alinco تتكون من الألومنيوم والنيكل والكوبالت ، ولها خصائص مغناطيسية قوية. تستخدم مغناطيسات الينكو في المعينات السمعية والبوصلة والميكروفونات.

تصنع أدوات القطع المزعومة من سبائك الستالايت المصنوعة من الكوبالت والكروم والتنغستن. السبائك الفائقة لها نقطة انصهار قريبة من تلك الموجودة في الكوبالت ، وتتميز بصلابتها الكبيرة ، حيث يتم استخدامها في تصنيع أدوات التمدد المنخفضة.

سيراميك ومنحوتات وزجاج

نظارات زجاج مع كوبالت. المصدر: Pxhere.

منذ العصور القديمة ، استخدمت العديد من الثقافات الكوبالت لإضفاء صبغة زرقاء على أعمالهم الفنية والزخرفية. بهذا المعنى ، تم استخدام الأكاسيد: الكوبالت ، CoO ، والكوبالت ، Co ₃ O ₄.

بالإضافة إلى استخدامها في صناعة السيراميك والزجاج والمينا ، تستخدم أكاسيد الكوبالت في تحضير المحفزات.

الأطباء

يستخدم Cobalt-60 (⁶⁰ Co) ، وهو نظير مشع ينبعث منه إشعاع بيتا (β) وجاما (γ) ، في علاج السرطان. Γ الإشعاع عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي ، لذلك فهو له القدرة على اختراق الأنسجة والوصول إلى الخلايا السرطانية ، مما يتيح القضاء عليها

الخلايا السرطانية هي خلايا تنقسم بسرعة ، مما يجعلها أكثر عرضة للإشعاع المؤين الذي يضرب نواتها ، مما يؤدي إلى إتلاف المادة الوراثية.

يستخدم ⁶⁰ Co ، مثل النظائر المشعة الأخرى ، في تعقيم المواد المستخدمة في الممارسة الطبية.

وبالمثل ، يستخدم الكوبالت في تصنيع غرسات العظام ، جنبًا إلى جنب مع التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ. يستخدم جزء كبير من بدائل الورك سيقان الفخذ المصنوعة من الكوبالت والكروم.

طاقة بديلة

يستخدم الكوبالت لتحسين أداء البطاريات القابلة لإعادة الشحن ، حيث يلعب دورًا مفيدًا في المركبات الهجينة.

الكهربائي

يستخدم الكوبالت لتزويد الأسطح المعدنية بطبقة نهائية جيدة تحميها من الأكسدة. كبريتات الكوبالت ، CoSO ₄ ، على سبيل المثال ، هي مركب الكوبالت الرئيسي المستخدم في هذا الصدد.

في المعامل

كلوريد الكوبالت، كوكلي ₂.6H ₂ O، ويستخدم كمؤشر الرطوبة في desiccators. إنها مادة صلبة وردية اللون تتحول إلى اللون الأزرق أثناء ترطيبها.

الدور البيولوجي

الكوبالت هو جزء من الموقع النشط لفيتامين ب ₁₂ (سيانوكوبالامين) الذي يشارك في نضوج كريات الدم الحمراء. يؤدي غيابه إلى فقر الدم الذي يتميز بظهور كريات الدم الحمراء الكبيرة المعروفة باسم الأرومات الضخمة في الدورة الدموية.

أين هو موقعه

القشرة الارضية

يتم توزيع الكوبالت على نطاق واسع في جميع أنحاء القشرة الأرضية. على الرغم من أن تركيزه منخفض جدًا ، إلا أنه يُقدر أنه يشكل 25 جزءًا في المليون من قشرة الأرض. وفي الوقت نفسه ، في النظام الشمسي ككل تركيزه النسبي هو 4 جزء في المليون.

توجد بكميات صغيرة في مجمعات النيكل والحديد ، وهي موطنها الأرض والنيازك. توجد أيضًا في تركيبة مع عناصر أخرى في البحيرات والأنهار والبحار والنباتات والحيوانات.

فيتامين ب

علاوة على ذلك ، فهو عنصر أساسي لتغذية الحيوانات المجترة وموجود في فيتامين ب ₁₂ الضروري لنضج كريات الدم الحمراء. لا يتم عزل الكوبالت عادة في الطبيعة ، ولكنه يوجد في معادن مختلفة مقترنة بعناصر أخرى.

المعادن

تشمل معادن الكوبالت ما يلي: الكوبالتيت ، مع الزرنيخ والكبريت ؛ الإريثريت المكون من الزرنيخ والكوبالت المائي ؛ يتكون الجلوكودوت من الكوبالت والحديد والزرنيخ والكبريت ؛ والسكوتروديت يتكون من الكوبالت والنيكل والزرنيخ.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن ملاحظة معادن الكوبالت الإضافية التالية: لينيلايت والمينا وغير المتجانسة. يترافق الكوبالت مع المعادن بشكل أساسي بالنيكل والزرنيخ والحديد.

في معظم الأحيان ، لا يُستخرج الكوبالت من الخامات التي تحتوي عليه ، ولكنه منتج ثانوي لتعدين النيكل والحديد والزرنيخ والنحاس والمنغنيز والفضة. مطلوب عملية معقدة لاستخراج وعزل الكوبالت من هذه المعادن.

المراجع

1. ويكيبيديا. (2019). كوبالت. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
2. أ. أوين ود. مادوك جون. (1954). تأثير حجم الحبيبات على التركيب البلوري للكوبالت. بروك. Phys. Soc. B 67 456. doi.org/10.1088/0370-1301/67/6/302
3. فيكتور إيه دي لا بينيا أوشيا ، وبيلار راميريز دي لا بيسينا ، ونارسيس حمص ، وغيليم أرومي ، وخوسيه إل جي فييرو. (2009). تطوير جزيئات الكوبالت النانوية المغلفة سداسية الشكل مستقرة عند درجة حرارة عالية. كيمياء المواد 21 (23) ، 5637-5643. DOI: 10.1021 / سم 900845 ساعة.
4. آن ماري هيلمنستين ، دكتوراه. (02 فبراير 2019). حقائق الكوبالت والخصائص الفيزيائية. ThoughtCo. تم الاسترجاع من: thinkco.com
5. محررو Encyclopaedia Britannica. (08 يونيو 2019). كوبالت. Encyclopædia Britannica. تم الاسترجاع من: britannica.com
6. لوكشيم. (2008). كوبالت. تم الاسترجاع من: lookchem.com
7. البط. (2019). عناصر للأطفال: كوبالت. تم الاسترجاع من: ducksters.com