Кобальт - біологія

Кобальт (хімічна термінологія; стандартна мова кобальт; з лат кобальтум "Кобольд") - хімічний елемент із символом елемента Co та атомним номером 27. Кобальт - це феромагнітний перехідний метал з 9-ї групи або групи кобальту періодичної системи. У старому методі підрахунку він належить до 8-ї підгрупи або залізо-платинової групи. У 1735 р. Шведський хімік Георг Брандт відкрив невідомий раніше елемент і дав йому сучасну назву.

Атомна маса природного кобальту є особливістю: на 58,93 вона перевищує середню атомну масу нікелю на 58,69, що є наступним елементом таблиці Менделєєва. Ця особливість існує також між аргоном (39,95) та калієм (39,10), а також між телуром (127,60) та йодом (126,90).

історія

Кобальтові руди та сполуки кобальту відомі дуже давно і в основному використовувались для фарбування скла та кераміки (синій кобальт). У середні віки про них часто думали як про цінні срібні та мідні руди. Але оскільки їх неможливо було обробити і через вміст миш’яку при нагріванні видавали неприємні запахи, їх розглядали як зачарованих. Нібито гобліни з'їли дорогоцінне срібло і вивели на його місце нікчемні руди срібного кольору. Окрім кобальту, це були також вольфрамові та нікелеві руди. Потім ці руди використовували шахтарі з фальшивими назвами, такими як нікель, вольфрам (наприклад, "вовча коса", лат. люпі спума) і гоблінова руда, тобто кобальт, покритий. [8-й]

Вперше кобальт був представлений у 1735 році шведським хіміком Георгом Брандтом.

Виникнення

Кобальт - це рідкісний елемент із вмістом у земній корі приблизно 0,003%. [9] Це ставить його на 30-е місце у списку елементів, відсортованих за частотою. [4] Елементарно це трапляється вкрай рідко в метеоритах і в земному ядрі. Кобальт міститься в багатьох мінералах, але здебільшого він зустрічається лише в невеликих кількостях. Елемент завжди асоціюється з нікелем, часто також з міддю, сріблом, залізом або ураном. Нікель приблизно втричі-чотири рази частіше, ніж кобальт. Обидва метали належать до сидерофільних елементів і характерні для основних та надбазових магматитів.

Існує ряд кобальтових руд, в яких кобальт накопичувався в результаті вивітрювання або інших процесів. Найважливішими є: кобальт (застарілий Кобальтовий блиск; CoAsS), Linneit та Siegenit (застарілі та оманливі Кобальтовий нікелевий гравій [10]), (Co, Ni) 3S4), еритрин (застарілий Цвітіння кобальту), Асболан (застарілий Земляний кобальт), Skutterudit (Їстівний кобальт, Смальтин, CoAs3) та гетерогеніт (CoOOH).

Вміст кобальту в сульфідних рудах низький (переважно лише 0,1–0,3% [9]). Основні родовища руди знаходяться в Канаді, Замбії, Марокко, Демократичній Республіці Конго, Кубі, Росії, Австралії та США.

У більшості ґрунтів кобальт знаходиться як мікроелемент.

Держави з найбільшим фінансуванням

Виробники кобальту

У багатьох випадках кобальт не переробляється в країнах, де видобувають кобальтові руди. Наступна таблиця Інститут розвитку кобальту - CDI [12] перелічує виробників металевого кобальту та солей кобальту та їх виробничі кількості [13]:

Вилучення та презентація

Кобальт добувають переважно з мідних та нікелевих руд. Точний вид видобутку залежить від складу вихідної руди. По-перше, частина сульфіду заліза перетворюється в оксид заліза шляхом обсмажування і шлакується діоксидом кремнію у вигляді силікату заліза. Так званий Грубий камінь, який крім кобальту також містить нікель, мідь та інше залізо у вигляді сульфіду або арсеніду. Далі сірка видаляється обсмажуванням з карбонатом натрію та нітратом натрію. Сульфати та арсенати утворюються з частини сірки та миш'яку, які вимиваються водою. Відповідні оксиди металів залишаються і обробляються сірчаною або соляною кислотою. Тільки мідь не розчиняється, тоді як нікель, кобальт та залізо розчиняються. За допомогою хлорного вапна кобальт може селективно осаджуватися у вигляді гідроксиду кобальту і таким чином відокремлюватися. Це перетворюється в кобальт (II, III) оксид (Co3O4) нагріванням, а потім відновлюється до кобальту з коксом або алюмінієвим порошком:

характеристики

Фізичні властивості

Кобальт - сталево-сірий, дуже міцний важкий метал щільністю 8,89 г/см 3. [15] Він феромагнітний з температурою Кюрі 1150 ° C [15]. Кобальт зустрічається у двох модифікаціях, α-кобальт та β-кобальт. При температурі нижче 400 ° C α-кобальт є більш стабільним і кристалізується в гексагональній, щільній кристалічній структурі в космічній групі 6/ммм з параметрами гратки a = 250,7 pm та c = 406,9 pm та двома формульними одиницями на одиницю комірки. При 400 ° C він перетворюється в гранульовану кубічну β-форму з параметром решітки a = 354,4 pm. [14]

Як типовий метал, він добре проводить тепло та електрику (електропровідність 26% від міді [9]).

Хімічні властивості

Його хімічна поведінка подібна до заліза та нікелю, і він стійкий у повітрі через пасивацію; він розчиняється лише кислотами з окислювальним ефектом. З нормальним потенціалом -0,277 В кобальт є одним з базових елементів. У сполуках це відбувається переважно в ступенях окиснення + II та + III. Однак у сполуках представлені наступні ступені окиснення - I, 0, + I, + II, + III, + IV та + V. Кобальт утворює безліч переважно кольорових комплексів. На відміну від ковалентних сполук, ступінь окислення + III є більш поширеним і стабільнішим, ніж + II.

Ізотопи

Всього відомо 28 ізотопів та 10 додаткових ізомерів ядра між 47 Co і 75 Co. Природний кобальт на 100% складається з ізотопу 59 Ко. Таким чином, елемент є одним із 22 чистих елементів. [16] Цей ізотоп можна дослідити за допомогою ЯМР-спектроскопії.

Нуклід 57 Co розпадається до 57 Fe за рахунок захоплення електронів. Гамма-випромінювання, що випромінюється при переході в основний стан дочірнього ядра, має енергію 122,06 кеВ (85,6%) та 14,4 кеВ (9,16%) [17]. Основним застосуванням 57 Co є Мессбауерська спектроскопія для розмежування двовалентного та тривалентного заліза.

Найбільш довгоживучим з нестабільних ізотопів є 60 Co (Кобальт-60, Спін 5 +), який з періодом напіврозпаду 5,27 років з бета-розпадом спочатку знаходиться в збудженому стані 60 Ni (спін 4 +), а потім із випромінюванням гамма-випромінювання (два гамма-кванти з енергією 1,17 і 1,33 МеВ [18 ]) розпадається в основний стан (спін 0 +) цього нукліду. З цієї причини 60 Co використовується як джерело гамма-випромінювання для стерилізації або консервування їжі, для аналізу матеріалу (рентгенологічне тестування) та для терапії раку ("гармата кобальту"). [19] У медицині інші ізотопи, такі як 57 Co або 58 Co, також можуть використовуватися як індикатори. [20]

Завдяки - геологічно - відносно короткому періоду напіввиведення немає природних явищ 60 Ко. Це отримується шляхом активації нейтронів від 59 Ко. Спонтанні джерела поділу, такі як 252 Cf, використовуються як джерело нейтронів для виробництва менших кількостей, 59 Ко-гранули використовуються в потоці нейтронів для отримання більших кількостей опромінення в ядерних реакторах.

Утворення 60 Co з 59 Co під нейтронним випромінюванням потенційно також може використовуватися для посилення ефекту ядерної зброї, в якій нейтронне випромінювання генерується покриттям кобальтом (кобальтовою бомбою). У разі детонації тоді утворюється сильний гамма-випромінювач, який забруднює навколишнє середовище більшою мірою, ніж вибух лише ядра. [21] Якщо 60 Co не утилізувати належним чином, а переплавити з іншим кобальтом і переробити в сталь, сталеві деталі, виготовлені з нього, можуть бути радіоактивними. [22] [23]

Експеримент Ву проводили з 60 Co, з якими було виявлено порушення парності слабкої взаємодії. [24]

використання

Як компонент сплаву для підвищення зносостійкості та жаростійкості легованих та високолегованих сталей та суперсплавів, як сполучна фаза в твердих металевих спічених матеріалах та алмазних інструментах, як оксид, сульфат, гідроксид або карбонат у термостійких кольорах та пігментах (наприклад, для фарбування фарфору та Керамічний), як компонент магнітних сплавів, як ацетат як сушарка (сикатив) для лакофарбових матеріалів, як каталізатор (десульфурація/гідрування), як гідроксид або діоксид кобальту літію (LiCoO2) в батареях, в корозійних та зносостійких сплавах і як мікроелемент для медицини та сільського господарства. Його використання як легуючого елемента та у сполуках кобальту робить його стратегічно важливим металом. (Див. Віталій: імплантати, лопатки турбін, хімічні пристрої).

фізіологія

Кобальт входить до складу вітаміну В12 (кобаламіну), який необхідний для виживання людини. У здорових людей зазначений вітамін може утворюватися безпосередньо з іонів кобальту кишковими бактеріями. Однак кобаламін повинен бути зв’язаний із внутрішнім фактором, що виробляється в шлунку, щоб всмоктуватися в клубову кишку. [25] Однак, оскільки місце виробництва штучного кобаламіну знаходиться в товстій кишці, [26] поглинання неможливе відповідно до сучасного стану знань. Тим не менше, щоденне споживання 0,1 мкг кобальту вказано як мікроелемент для щоденних потреб (дорослі). Дефіцит вітаміну В12 може призвести до порушення еритропоезу і, отже, до анемії (анемії). [27] Хоча невеликі передозування сполук кобальту лише незначно токсичні для людини, більші дози (приблизно від 25 до 30 мг на день) призводять до захворювань шкіри, легенів та шлунка, ураження печінки, серця та нирок та ракових виразок.

Ряд випадків індукованої кобальтом кардіоміопатії (кобальтової кардіоміопатії) стався в Канаді та США в середині 1960-х років. 49 пацієнтів були зареєстровані в Квебеку та 64 в Омасі. Серед симптомів були біль у шлунку, втрата ваги, нудота, задишка та кашель. Рівень смертності становив близько 40%. Розтин виявив серйозне пошкодження серцевого м'яза та печінки. Усі пацієнти пили пильне пиво (від 1,5 до 3 літрів на день). Вони воліли вживати сорти від місцевих пивоварних підприємств, які почали додавати сульфат кобальту (II) до пива як стабілізатор піни приблизно місяцем тому. [28] Граничні значення кобальту в їжі не були перевищені. Захворюваність зупинилася відразу після того, як пивоварні припинили виробництво домішок сульфату кобальту. [29] [30]

Солі кобальту (II) активують фактори транскрипції, індуковані гіпоксією (HIF), і збільшують експресію HIF-залежних генів. Сюди входить ген еритропоетину (ЕРО). Солі кобальту (II) можуть зловживати спортсменами для сприяння утворенню еритроцитів. [31]

доказ

Відносно інформативною попередньою пробою для кобальту є перлина солі фосфору, яка забарвлена ​​в синій іон кобальту. У процесі поділу катіонів його можна виявити на додаток до нікелю з тіоціанатом та аміловим спиртом; при розчиненні в аміловому спирті він утворює синій Co (SCN) 2. Червоно-фіолетовий кобальт (II) тіоціанат у воді також стає синім при змішуванні з ацетоном. [32]

Кількість кобальту може бути визначена за допомогою ЕДТА в комплексометричному титруванні проти мурексиду як показника. [33]

посилання

Кобальт зустрічається переважно двовалентним або тривалентним у своїх сполуках; ці сполуки часто мають сильні кольори (категорія: сполука кобальту).

• Кобальт (II) хлорид
• Оксиди кобальту, такі як кобальт (II) оксид або кобальт (II, III) оксид
• Кобальт (II) нітрат
• Кобальт (II) сульфат
• Тіоціанат кобальту (II)
• Кобальт (II) ацетат
• Кобальтово-жовтий
• Тенарди сині
• Рінманс зелений

Кобальтові комплекси

При додаванні розчину аміаку розчин хлориду кобальту (II) спочатку утворює осад гідроксиду кобальту (II), який розчиняється в надлишку розчину аміаку та хлориду амонію в присутності кисню атмосфери в якості окислювача з утворенням різних комплексів амін-кобальт (III) . Зокрема, утворюється оранжево-жовтий хлорид гексааммін кобальту (III) та червоний хлорид аквапентааміну кобальт (III).

Крім того, можуть утворюватися різні комплекси хлороамін кобальту (III), такі як хлорпентаамін кобальт (III) хлорид або дихлоротетраамін кобальт (III) хлорид. Деякі з цих сполук випадають з розчину. Крім того, існують також амінні комплекси солей кобальту (II), такі як гексааммін кобальт (II) сульфат, які можуть бути отримані шляхом пропускання газу аміаку над безводним сульфатом кобальту (II).

Крім комплексів амінів, існує велика кількість сполук з різними лігандами. Прикладами є гексаціанокобальтат калію (II) (K4 [Co (CN) 6]), тетратіоціанатокобальтат калію (II) (K2 [Co (SCN) 4]), гексанітритокобальтат калію (III) (сіль Фішера, кобальт жовтий) та комплекси з органічними сполуками Такі ліганди, як етилендіамін або оксалат-іон. [34]