Cobalt - biologie

Cobalt (terminologie chimică; limbaj standard cobalt; din latină cobaltum „Kobold”) este un element chimic cu simbolul elementului Co și numărul atomic 27. Cobaltul este un metal feromagnetic de tranziție din grupul 9 sau grupul de cobalt din tabelul periodic. În metoda de numărare mai veche, aparține celui de-al 8-lea subgrup sau grupul fier-platină. În 1735, chimistul suedez Georg Brandt a descoperit elementul necunoscut anterior și i-a dat numele actual.

O caracteristică specială este masa atomică a cobaltului natural, la 58,93 este mai mare decât masa atomică medie a nichelului la 58,69, următorul element din tabelul periodic. Această particularitate există și între argon (39,95) și potasiu (39,10), precum și între telur (127,60) și iod (126,90).

poveste

Minereurile de cobalt și compușii de cobalt sunt cunoscuți de foarte mult timp și au fost folosiți în principal pentru colorarea sticlei și a ceramicii (albastru de cobalt). În Evul Mediu erau adesea considerați ca minereuri valoroase de argint și cupru. Dar, din moment ce nu au putut fi procesate și din cauza conținutului de arsenic au degajat mirosuri rele atunci când au fost încălzite, au fost considerați vrăjiți. Se presupune că goblinii au mâncat prețiosul argint și au eliminat minereuri inutile de culoare argintie în locul lui. Pe lângă cobalt, acestea erau și minereuri de tungsten și nichel. Aceste minereuri au fost apoi folosite de mineri cu nume derizorii precum nichel, tungsten (de exemplu „scuipat de lup”, lat. lupi spuma) și minereu de goblin, adică acoperit cu cobalt. [A 8-a]

Cobaltul a fost prezentat pentru prima dată în 1735 de chimistul suedez Georg Brandt.

Apariție

Cobaltul este un element rar, cu o abundență în scoarța terestră de aproximativ 0,003%. [9] Aceasta îl face pe locul 30 în lista articolelor sortate după frecvență. [4] Elementar apare foarte rar în meteoriți și în miezul pământului. Cobaltul se găsește în multe minerale, dar cel mai adesea apare doar în cantități mici. Elementul este întotdeauna asociat cu nichel, adesea și cu cupru, argint, fier sau uraniu. Nichelul este de aproximativ trei până la patru ori mai comun decât cobaltul. Ambele metale aparțin elementelor siderofile și sunt caracteristice magmatitelor de bază și ultra-bazice.

Există o serie de minereuri de cobalt în care cobaltul s-a acumulat prin intemperii sau alte procese. Cele mai importante sunt: ​​Cobaltit (învechit Strălucire de cobalt; CoAsS), Linneit și Siegenit (învechite și înșelătoare Pietris de nichel de cobalt [10]), (Co, Ni) 3S4), eritrin (învechit Floare de cobalt), Asbolan (învechit Cobaltul pământului), Skutterudit (Cobalt comestibil, Smaltin, CoAs3) și heterogenit (CoOOH).

Conținutul de cobalt al minereurilor sulfidice este scăzut (în mare parte doar 0,1-0,3% [9]). Zăcămintele majore de minereu se află în Canada, Zambia, Maroc, Republica Democrată Congo, Cuba, Rusia, Australia și Statele Unite.

Cobaltul se găsește ca oligoelement în majoritatea solurilor.

Statele cu cele mai mari finanțări

Producători de cobalt

În multe cazuri, cobaltul nu este rafinat în țările în care minele de cobalt sunt exploatate. Următorul tabel al Cobalt Development Institute - CDI [12] enumeră producătorii de cobalt metalic și săruri de cobalt și cantitățile lor de producție [13]:

Extragerea și prezentarea

Cobaltul este extras în principal din minereuri de cupru și nichel. Tipul exact de extracție depinde de compoziția minereului original. În primul rând, o parte din sulfura de fier prezentă este convertită în oxid de fier prin prăjire și zgură cu dioxid de siliciu sub formă de silicat de fier. Asa numitul Piatra aspră, care pe lângă cobalt conține și nichel, cupru și alt fier sub formă de sulfură sau arsenură. Sulful suplimentar este îndepărtat prin prăjire cu carbonat de sodiu și azotat de sodiu. Sulfatul și arsenatul sunt formate dintr-o parte din sulf și arsenic, care sunt levigate cu apă. Oxizii metalici corespunzători rămân și sunt tratați cu acid sulfuric sau clorhidric. Numai cuprul nu se dizolvă, în timp ce nichelul, cobaltul și fierul se dizolvă. Cu var clorurat, cobaltul poate fi apoi precipitat selectiv sub formă de hidroxid de cobalt și astfel separat. Prin încălzire, acesta este transformat în oxid de cobalt (II, III) (Co3O4) și apoi redus la cobalt cu cocs sau pulbere de aluminiu:

caracteristici

Proprietăți fizice

Cobaltul este un metal greu de oțel, foarte dur, cu o densitate de 8,89 g/cm 3. [15] Este feromagnetic cu o temperatură Curie de 1150 ° C [15]. Cobaltul apare în două modificări, α-cobalt și β-cobalt. Sub 400 ° C, α-cobaltul este mai stabil și cristalizează într-o structură cristalină hexagonală, cea mai densă din grupul spațial 6/mmm, cu parametrii de rețea a = 250,7 pm și c = 406,9 pm și două unități de formulă pe unitate de celulă. La 400 ° C se transformă în forma β cubică centrată pe față cu parametrul zăbrele a = 354,4 pm. [14]

Ca un metal tipic, conduce bine căldura și electricitatea (conductivitatea electrică 26% din cea a cuprului [9]).

Proprietăți chimice

Comportamentul său chimic este similar cu cel al fierului și nichelului și este rezistent în aer prin pasivare; se dizolvă numai prin acizi oxidanți. Cu un potențial normal de -0,277 V, cobaltul este unul dintre elementele de bază. La compuși apare în principal în stările de oxidare + II și + III. Cu toate acestea, următoarele stări de oxidare –I, 0, + I, + II, + III, + IV și + V sunt reprezentate în compuși. Cobaltul formează o multitudine de complexe în mare parte colorate. Spre deosebire de compușii covalenți, starea de oxidare + III este mai frecventă și mai stabilă decât + II.

Izotopi

Sunt cunoscuți în total 28 de izotopi și încă 10 izomeri nucleici între 47 Co și 75 Co. Cobaltul natural constă în 100% din izotopul 59 Co. Elementul este, prin urmare, unul dintre cele 22 de elemente pure. [16] Acest izotop poate fi examinat prin spectroscopie RMN.

Nuclida 57 Co se descompune la 57 Fe prin captarea electronilor. Radiația gamma emisă în timpul tranziției la starea de bază a nucleului fiică are o energie de 122,06 keV (85,6%) și 14,4 keV (9,16%) [17]. Principala aplicație a 57 Co este spectroscopia Mössbauer pentru a face diferența între fierul bivalent și trivalent.

Cea mai lungă viață a izotopilor instabili este 60 Co (Cobalt-60, Spin 5+), care cu un timp de înjumătățire de 5,27 ani cu degradare beta inițial într-o stare excitată de 60 Ni (spin 4+) și apoi cu emisie de radiații gamma (două cuante gamma de energie 1,17 și 1,33 MeV [18 ]) se descompune în starea fundamentală (rotire 0 +) a acestui nuclid. Din acest motiv, 60 Co este utilizat ca sursă de radiații gamma pentru sterilizarea sau conservarea alimentelor, pentru analiza materialelor (testare radiografică) și în terapia cancerului („tun de cobalt”). [19] În medicină, alți izotopi, cum ar fi 57 Co sau 58 Co, pot fi folosiți și ca trasori. [20]

Datorită timpului de înjumătățire - geologic - relativ scurt, nu există apariții naturale de 60 Co. Se obține prin activarea neutronilor din 59 Co. Sursele de fisiune spontană, cum ar fi 252 Cf, sunt utilizate ca sursă de neutroni pentru producerea de cantități mai mici, 59 Co-pelete sunt utilizate în fluxul de neutroni pentru a produce cantități mai mari expuse în reactoarele nucleare.

Formarea a 60 Co din 59 Co sub radiația neutronică ar putea fi utilizată și pentru intensificarea efectului armelor nucleare în care radiația neutronică este generată prin acoperirea cu cobalt (bombă de cobalt). În cazul unei detonări, s-ar forma atunci puternicul emițător gamma, care ar contamina împrejurimile într-o măsură mai mare decât explozia de bază. [21] Dacă 60 Co nu este eliminat corespunzător, ci mai degrabă topit cu alt cobalt și prelucrat în oțel, piesele din oțel fabricate din acesta pot deveni radioactive. [22] [23]

Experimentul Wu a fost realizat cu 60 Co, cu care s-a descoperit încălcarea parității interacțiunii slabe. [24]

utilizare

Ca o componentă din aliaj pentru a crește rezistența la uzură și căldură a oțelurilor și superaliajelor aliate și foarte aliate, ca fază de liant în materiale sinterizate din metale dure și unelte diamantate, ca oxid, sulfat, hidroxid sau carbonat în vopsele și pigmenți termorezistenți (de exemplu, pentru vopsirea porțelanului și Ceramic), ca componentă a aliajelor magnetice, ca acetat ca uscător (sicativ) pentru vopsele și lacuri, ca catalizator (desulfurare/hidrogenare), ca hidroxid sau dioxid de litiu cobalt (LiCoO2) în baterii, în aliaje rezistente la coroziune și uzură și ca oligoelement pentru medicină și agricultură. Utilizarea sa ca element de aliere și în compuși de cobalt îl face un metal important din punct de vedere strategic. (A se vedea Vitallium: implanturi, pale de turbină, dispozitive chimice).

fiziologie

Cobaltul face parte din vitamina B12 (cobalamina), care este esențială pentru supraviețuirea umană. La persoanele sănătoase, vitamina menționată poate fi formată direct din ioni de cobalt de către bacteriile intestinale. Cu toate acestea, cobalamina trebuie legată de factorul intrinsec produs în stomac pentru a fi absorbită în ileon. [25] Cu toate acestea, deoarece situl de producție al cobalaminei sintetice este în intestinul gros, [26] absorbția nu este posibilă în funcție de starea actuală a cunoștințelor. Cu toate acestea, un aport zilnic de 0,1 μg cobalt este specificat ca un oligoelement pentru nevoile zilnice (adulți). Un deficit de vitamina B12 poate duce la afectarea eritropoiezei și astfel la anemie (anemie). [27] În timp ce supradozajele mici de compuși de cobalt sunt doar puțin toxici pentru oameni, doze mai mari (de la aproximativ 25 la 30 mg pe zi) duc la boli ale pielii, plămânilor și stomacului, leziuni hepatice, cardiace și renale și ulcere canceroase.

Un număr de cazuri de cardiomiopatie indusă de cobalt (cardiomiopatie de cobalt) au apărut în Canada și Statele Unite la mijlocul anilor 1960. 49 de pacienți au fost înregistrați în Quebec și 64 în Omaha. Simptomele includ dureri de stomac, scădere în greutate, greață, dificultăți de respirație și tuse. Rata mortalității a fost de aproximativ 40%. Autopsiile au relevat leziuni severe ale mușchilor inimii și ale ficatului. Toți pacienții erau băutori grei de bere (1,5 până la 3 litri/zi). Au preferat să consume soiuri de la fabricile de bere locale care începuseră să adauge sulfat de cobalt (II) la bere ca stabilizator de spumă cu aproximativ o lună mai devreme. [28] Valorile limită pentru cobalt în alimente nu au fost depășite. Incidența bolii sa oprit imediat după ce fabricile de bere au întrerupt amestecurile de sulfat de cobalt. [29] [30]

Sărurile de cobalt (II) activează factorii de transcripție inducibili prin hipoxie (HIF) și cresc expresia genelor dependente de HIF. Aceasta include gena eritropoietinei (EPO). Sărurile de cobalt (II) ar putea fi abuzate de sportivi pentru a promova formarea de celule roșii din sânge. [31]

dovada

Un eșantion preliminar relativ informativ pentru cobalt este perla de sare de fosfor, care este colorată intens în albastru de ioni de cobalt. În procesul de separare a cationilor, acesta poate fi detectat pe lângă nichel cu tiocianat și alcool amilic; atunci când este dizolvat în alcool amilic, formează Co albastru (SCN) 2. Tiocianatul de cobalt roșu-violet (II) din apă devine, de asemenea, albastru atunci când este amestecat cu acetonă. [32]

Cobaltul poate fi determinat cantitativ cu EDTA într-o titrare complexometrică împotriva murexidului ca indicator. [33]

link-uri

Cobaltul apare mai ales bivalent sau trivalent în compușii săi; acești compuși au adesea culori puternice (categoria: compus din cobalt).

• Clorură de cobalt (II)
• Oxizi de cobalt, cum ar fi oxidul de cobalt (II) sau oxidul de cobalt (II, III)
• Azotat de cobalt (II)
• Sulfat de cobalt (II)
• Tiocianat de cobalt (II)
• Acetat de cobalt (II)
• Galben cobalt
• Thénards albastru
• Rinmans verde

Complexe de cobalt

Când se adaugă soluție de amoniac, o soluție de clorură de cobalt (II) produce inițial un precipitat de hidroxid de cobalt (II), care se dizolvă în exces în soluție de amoniac și clorură de amoniu în prezența oxigenului atmosferic ca agent oxidant pentru a forma diferiți complecși amină-cobalt (III). . Se formează în special clorura de hexaamină cobalt (III) galben portocaliu și clorura roșie de cobalt aquapentaamină (III).

În plus, se pot forma diferiți complecși de cloramină cobalt (III), cum ar fi clorură de cloropentaamină cobalt (III) sau clorură de diclorotetraamină cobalt (III). Unii dintre acești compuși cad din soluție. În plus, există și complexe de amină de săruri de cobalt (II), cum ar fi sulfatul de hexaamină de cobalt (II), care poate fi produs prin trecerea amoniacului gazos peste sulfatul de cobalt anhidru (II).

În plus față de complexele de amină, există un număr mare de compuși cu liganzi diferiți. Exemple sunt hexacianocobaltat de potasiu (II) (K4 [Co (CN) 6]), tetrathiocianatocobaltat de potasiu (II) (K2 [Co (SCN) 4]), hexanitritocobaltat de potasiu (III) (sare Fischer, galben cobalt) și complexe cu compuși organici Liganzi precum etilendiamina sau ionul oxalat. [34]