Кобалт - биология

Кобалт (химическа терминология; стандартен език кобалт; от латински кобалтум "Kobold") е химичен елемент със символа на елемента Co и атомния номер 27. Кобалтът е феромагнитен преходен метал от 9-та група или кобалтова група на периодичната таблица. При по-стария метод на броене той принадлежи към 8-ма подгрупа или желязо-платинова група. През 1735 г. шведският химик Георг Бранд открива неизвестния преди това елемент и му дава сегашното си име.

Специална характеристика е атомната маса на естествено срещащия се кобалт, при 58,93 тя е по-голяма от средната атомна маса на никел при 58,69, следващият елемент в периодичната таблица. Тази особеност съществува и между аргон (39,95) и калий (39,10), както и между телур (127,60) и йод (126,90).

история

Кобалтовите руди и кобалтовите съединения са известни от много дълго време и се използват главно за оцветяване на стъкло и керамика (кобалтово синьо). През Средновековието често са били смятани за ценни сребърни и медни руди. Тъй като обаче не можеха да бъдат обработени и поради съдържанието на арсен издаваха лоши миризми при нагряване, на тях се гледаше като на омагьосани. Твърди се, че таласъмите са яли скъпоценното сребро и са отделяли на негово място безполезни руди със сребърен цвят. В допълнение към кобалта това бяха също волфрамови и никелови руди. След това тези руди са били използвани от миньорите с фалшиви имена като никел, волфрам (като "вълча плюнка", лат. лупи спума) и гоблинова руда, т.е. покрита с кобалт. [8-ми]

Кобалтът е представен за първи път през 1735 г. от шведския химик Георг Бранд.

Поява

Кобалтът е рядък елемент с изобилие в земната кора приблизително 0,003%. [9] Това го поставя на 30-то място в списъка с елементи, сортирани по честота. [4] Елементарно се среща изключително рядко в метеоритите и в земното ядро. Кобалтът се съдържа в много минерали, но най-вече се среща само в малки количества. Елементът винаги е свързан с никел, често също с мед, сребро, желязо или уран. Никелът е около три до четири пъти по-често срещан от кобалта. И двата метала принадлежат към сидерофилните елементи и са характерни за основните и ултрабазисните магматити.

Има редица кобалтови руди, в които кобалтът се е натрупал чрез атмосферни влияния или други процеси. Най-важните са: кобалтит (остарял Кобалтов блясък; CoAsS), Linneit и Siegenit (остарял и подвеждащ Кобалтов никелов чакъл [10]), (Co, Ni) 3S4), еритрин (остарял Кобалтов цвят), Асболан (остарял Земен кобалт), Skutterudit (Ядлив кобалт, Смалтин, CoAs3) и хетерогенит (CoOOH).

Съдържанието на кобалт в сулфидните руди е ниско (най-вече само 0,1–0,3% [9]). Основните рудни находища се намират в Канада, Замбия, Мароко, Демократична република Конго, Куба, Русия, Австралия и САЩ.

Кобалтът се намира като микроелемент в повечето почви.

Държавите с най-голямо финансиране

Производители на кобалт

В много случаи кобалтът не се рафинира в страните, в които се добиват кобалтови руди. Следващата таблица на Институт за развитие на кобалт - CDI [12] изброява производителите на метален кобалт и кобалтови соли и техните производствени количества [13]:

Извличане и представяне

Кобалтът се добива главно от медни и никелови руди. Точният метод на добив зависи от състава на първоначалната руда. Първо, част от присъстващия железен сулфид се превръща в железен оксид чрез изпичане и се шлакира със силициев диоксид като железен силикат. Така нареченият Груб камък, който освен кобалт съдържа още никел, мед и друго желязо като сулфид или арсенид. По-нататък сярата се отстранява чрез изпичане с натриев карбонат и натриев нитрат. Сулфатите и арсенатите се образуват от част от сярата и арсена, които се излугват с вода. Съответните метални оксиди остават и се обработват със сярна или солна киселина. Само медта не се разтваря, докато никелът, кобалтът и желязото се разтварят. След това с хлорирана вар кобалтът може селективно да се утаи като кобалтов хидроксид и по този начин да се отдели. Това се превръща в кобалтов (II, III) оксид (Co3O4) чрез нагряване и след това се редуцира до кобалт с кокс или алуминиев прах:

характеристики

Физически свойства

Кобалтът е стоманеносив, много жилав тежък метал с плътност 8,89 g/cm 3. [15] Той е феромагнитен с температура на Кюри 1150 ° C [15]. Кобалтът се среща в две модификации, α-кобалт и β-кобалт. Под 400 ° C, α-кобалтът е по-стабилен и кристализира в хексагонална, най-плътна кристална структура в пространствената група 6/mmm с параметри на решетката a = 250,7 pm и c = 406,9 pm и две формулни единици на единица клетка. При 400 ° C тя се превръща в лицево центрирана кубична β-форма с параметър на решетката a = 354,4 pm. [14]

Като типичен метал, той провежда добре топлина и електричество (електрическа проводимост 26% от тази на медта [9]).

Химични свойства

Химичното му поведение е подобно на това на желязото и никела и е устойчиво на въздух чрез пасивиране; той се разтваря само от киселини с окислително действие. С нормален потенциал от -0,277 V, кобалтът е един от основните елементи. В съединенията се среща главно в степента на окисление + II и + III. В съединенията обаче са представени следните степени на окисление - I, 0, + I, + II, + III, + IV и + V. Кобалтът образува множество предимно цветни комплекси. За разлика от ковалентните съединения, степента на окисление + III е по-често и по-стабилно от + II.

Изотопи

Известни са общо 28 изотопа и 10 допълнителни ядра изомери между 47 Co и 75 Co. Естественият кобалт се състои на 100% от изотопа 59 Ко. Следователно елементът е един от 22-те чисти елемента. [16] Този изотоп може да бъде изследван с помощта на ЯМР спектроскопия.

Нуклидът 57 Co се разпада до 57 Fe чрез улавяне на електрони. Гама-лъчението, излъчено по време на прехода в основното състояние на дъщерното ядро, има енергия от 122,06 keV (85,6%) и 14,4 keV (9,16%) [17]. Основното приложение на 57 Co е Mössbauer спектроскопия за разграничаване между двувалентно и тривалентно желязо.

Най-дълго живеещият от нестабилните изотопи е 60 Ко (Кобалт-60, Спин 5+), който с период на полуразпад 5.27 години с бета разпадане първоначално в възбудено състояние от 60 Ni (спин 4+) и след това с излъчване на гама-лъчение (два гама-кванта на енергия 1.17 и 1.33 MeV [18 ]) се разпада в основно състояние (спин 0 +) на този нуклид. Поради тази причина 60 Co се използва като източник на гама-лъчение за стерилизация или консервиране на храна, за анализ на материали (рентгенографско изследване) и при терапия на рак („кобалтово оръдие“). [19] В медицината други изотопи като 57 Co или 58 Co също могат да се използват като проследяващи вещества. [20]

Поради - геологично - относително краткия полуживот, няма естествени прояви на 60 Ко. Той се получава чрез неутронно активиране от 59 Ко. Спонтанните източници на делене като 252 Cf се използват като източник на неутрони за производството на по-малки количества, 59 Ко-пелети се използват в неутронния поток за производството на по-големи количества изложени в ядрени реактори.

Образуването на 60 Co от 59 Co под неутронно лъчение може потенциално да се използва и за засилване на ефекта от ядрените оръжия, при които неутронното лъчение се генерира чрез покритие с кобалт (кобалтова бомба). В случай на детонация тогава ще се образува силен гама-излъчвател, който ще замърси околната среда в по-голяма степен, отколкото само експлозията на ядрото. [21] Ако 60 Co не се изхвърля правилно, а се стопява с друг кобалт и се преработва в стомана, стоманените части, направени от него, могат да бъдат радиоактивни. [22] [23]

Експериментът на Wu е извършен с 60 Co, с което е открито нарушение на паритета на слабото взаимодействие. [24]

използване

Като компонент от сплав за увеличаване на устойчивостта на износване и топлина на легирани и високолегирани стомани и суперсплави, като свързваща фаза в твърди метални синтеровани материали и диамантени инструменти, като оксид, сулфат, хидроксид или карбонат в топлоустойчиви бои и пигменти (например за боядисване на порцелан и Керамика), като компонент на магнитни сплави, като ацетат като сушилня (сикатив) за бои и лакове, като катализатор (десулфуризация/хидрогениране), като хидроксид или литиев кобалтов диоксид (LiCoO2) в батерии, в устойчиви на корозия или износване сплави и като микроелемент за медицината и селското стопанство. Използването му като легиращ елемент и в кобалтови съединения го прави стратегически важен метал. (Вижте Vitallium: импланти, лопатки на турбини, химически устройства).

физиология

Кобалтът е част от витамин В12 (кобаламин), който е от съществено значение за оцеляването на човека. При здрави хора споменатият витамин може да се образува директно от кобалтови йони от чревни бактерии. Кобаламинът обаче трябва да бъде свързан с вътрешния фактор, произведен в стомаха, за да може да се абсорбира в илеума. [25] Въпреки това, тъй като мястото на производство на изкуствен кобаламин е в дебелото черво [26], абсорбцията не е възможна въз основа на настоящите познания. Независимо от това, дневният прием на 0,1 μg кобалт е посочен като микроелемент за ежедневни нужди (възрастни). Недостигът на витамин В12 може да доведе до нарушена еритропоеза и по този начин до анемия (анемия). [27] Докато малките свръхдози на кобалтови съединения са само леко токсични за хората, по-големите дози (от около 25 до 30 mg на ден) водят до заболявания на кожата, белите дробове и стомаха, увреждане на черния дроб, сърцето и бъбреците и ракови язви.

Редица случаи на индуцирана от кобалт кардиомиопатия (кобалтова кардиомиопатия) са се появили в Канада и САЩ в средата на 60-те години. 49 пациенти са регистрирани в Квебек и 64 в Омаха. Симптомите включват болка в стомаха, загуба на тегло, гадене, задух и кашлица. Смъртността е около 40%. Аутопсиите разкриват тежко увреждане на сърдечния мускул и черния дроб. Всички пациенти пиеха тежко бира (1,5 до 3 литра/ден). Те предпочитат да консумират сортове от местни пивоварни, които са започнали да добавят кобалт (II) сулфат към бирата като стабилизатор на пяна около месец по-рано. [28] Граничните стойности за кобалт в храната не са надвишени. Честотата на заболяването спря, веднага след като пивоварните прекратиха добавките на кобалтов сулфат. [29] [30]

Солите на кобалт (II) активират индуцируемите с хипоксия транскрипционни фактори (HIF) и увеличават експресията на HIF-зависими гени. Това включва гена за еритропоетин (ЕРО). Солите на кобалт (II) могат да бъдат злоупотребявани от спортисти, за да се насърчи образуването на червени кръвни клетки. [31]

доказателство

Сравнително информативна предварителна проба за кобалт е перлата от фосфорна сол, която е оцветена в интензивно синьо от кобалтови йони. В процеса на разделяне на катиони той може да бъде открит в допълнение към никел с тиоцианат и амилов алкохол; когато се разтвори в амилов алкохол, той образува син Co (SCN) 2. Червено-виолетовият кобалтов (II) тиоцианат във вода също става син, когато се смеси с ацетон. [32]

Кобалтът може да бъде количествено определен с EDTA в комплексометрично титруване срещу мурексид като индикатор. [33]

връзки

Кобалтът се среща предимно бивалентен или тривалентен в неговите съединения; тези съединения често имат силни цветове (категория: кобалтово съединение).

• Кобалтов (II) хлорид
• Кобалтови оксиди, като кобалтов (II) оксид или кобалтов (II, III) оксид
• Кобалтов (II) нитрат
• Кобалт (II) сулфат
• Кобалтов (II) тиоцианат
• Кобалт (II) ацетат
• Кобалтово жълто
• Тенарди синьо
• Rinmans зелено

Кобалтови комплекси

Когато се добави разтвор на амоняк, разтворът на кобалтов (II) хлорид първоначално образува утайка от кобалтов (II) хидроксид, който се разтваря в излишък от амонячен разтвор и амониев хлорид в присъствието на атмосферен кислород като окислител за образуване на различни комплекси амин-кобалт (III) . По-специално се образуват оранжево-жълтият хексааминов кобалтов (III) хлорид и червеният аквапентааминов кобалтов (III) хлорид.

Освен това могат да се образуват и различни хлороаминови кобалтови (III) комплекси, като хлоропентааминов кобалтов (III) хлорид или дихлоротетрааминов кобалтов (III) хлорид. Някои от тези съединения изпадат от разтвора. Освен това има и аминови комплекси от соли на кобалт (II), като хексаамин кобалт (II) сулфат, които могат да се получат чрез преминаване на амонячен газ върху безводен кобалтов (II) сулфат.

В допълнение към аминните комплекси има многобройни съединения с различни лиганди. Примери за това са калиев хексацианокобалтат (II) (K4 [Co (CN) 6]), калиев тетратиоцианатокобалтат (II) (K2 [Co (SCN) 4]), калиев хексанитритокобалтат (III) (сол на Fischer, кобалтово жълто) и комплекси с органични съединения Лиганди като етилендиамин или оксалатен йон. [34]