Kim loại Cobalt

Cobalt (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp) là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Co và số nguyên tử 27.

Thuộc tính Cobalt

Cobalt là kim loại màu trắng bạc, có từ tính mạnh, nhiệt độ Curie vào khoảng 1388K. Cobalt và nickel là hai thành phần đặc trưng trong thép thiên thạch. Trong cơ thể động vật tồn tại một lượng nhỏ các muối cobalt. Đồng vị phóng xạ nhân tạo Cobalt-60 được sử dụng làm tác nhân kiểm tra phóng xạ và điều trị ung thư. Độ thấm từ của cobalt bằng 23 của sắt. Cobalt kim loại thông thường biểu hiện ở dạng hỗn hợp của hai cấu trúc trục tinh thể là xếp chặt sáu cạnh (hcp) và lập phương tâm mặt (fcc) với nhiệt độ chuyển tiếp từ hcp→fcc vào khoảng 722°K. Trạng thái oxy hóa phổ biến của nó là +2 và +3, rất ít hợp chất trong đó cobalt có hóa trị +1 tồn tại.

Ứng dụng cobalt

• Hợp kim, như là:
  • Siêu hợp kim: cho những bộ phận trong tuabin khí của động cơ máy bay.
  • Hợp kim chịu mài mòn, ăn mòn.
  • Thép dùng trong ngành vận tải cao tốc.
  • Carbide hàn (còn gọi là các kim loại cứng), dụng cụ bằng kim cương.
• Nam châm và lưu trữ từ tính (magnetic recording media):
  • Nam châm alnico
• Chất xúc tác cho công nghiệp dầu khí và hóa chất.
• Dùng trong kỹ thuật mã điện vì cobalt có độ cứng, có màu trắng bạc, và khả năng chống oxy hóa.
• Tác nhân làm khô cho sơn, véc ni, mực.
• Dùng làm lớp phủ bề mặt cho gốm sứ, men, thủy tinh.
• Thuốc nhuộm (cobalt xanh dương Co(AlO₂)₂ và cobalt xanh lục CoZnO₂).
• Điện cực trong pin điện.
• Đồng vị cobalt-60 dùng làm nguồn tạo tia gamma:
  • Dùng trong xạ trị.
  • Tiệt trùng thực phẩm theo phương pháp Pasteur.
  • Dùng trong công nghiệp hạt nhân để tìm sai sót kết cấu trong những bộ phận bằng kim loại.
  • Tạo cho thủy tinh có màu xanh dương.
  • Hợp chất của cobalt và gadolini là chất siêu làm lạnh.

Điều chế Cobalt

• Dùng H₂ khử cobalt(II) oxide hoặc các oxide khác: CoO + H₂ → Co + H₂O
• Điện phân dung dịch CoSO₄ trong nước với cực dương bằng thép không gỉ đã được xử lý bề mặt và cực âm là 1 tấm chì tinh khiết. Sản phẩm thu được là 1 hỗn hợp gồm 99,1-99,2% còn lại là tạp chất nickel: 2CoSO₄ + 2H₂O → 2Co + O₂ + 2H₂SO₄
• Đốt cháy cobaltin (CoAsS) để chuyển hóa thành As₂O₃ & SO₂. Chế hóa các oxide kim loại thành dạng chloride với HCl. Tăng độ pH dd chloride còn lại và thêm chloride vôi vào để oxy hóa cobalt(II) oxide: 2Co(OH)₂ + CaOCl₂ → 2Co(OH)₃ + CaCl₂. Nung kết tủa thành oxide rồi dùng carbon khử: Co₃O₄ + 4C → 3Co + 4CO↑

Đồng vị Co-60 được dùng làm nguồn tạo tia gamma vì nó có thể tạo ra một số lượng rất lớn, chỉ đơn giản bằng cách đặt cobalt tự nhiên dưới các neutron trong lò phản ứng với một khoảng thời gian nhất định.

Ứng dụng trong y học của Cobalt

Đồng vị Co-60 (Co⁶⁰) là đồng vị phóng xạ dùng trong xạ trị. Nó tạo ra hai tia gamma với năng lượng lần lượt là: 1,17 MeV và 1,33 MeV. Nguồn Co-60 có đường kính khoảng 2 cm và được tạo ra bằng cách tạo một vùng nửa tối, làm cho góc của vùng bức xạ bị mờ đi. Kim loại này có đặc tính tạo ra bụi mịn, gây ra vấn đề về bảo vệ bức xạ. Nguồn Co-60 hữu dụng trong vòng khoảng 5 năm, nhưng ngay cả sau thời điểm này, mức độ phóng xạ vẫn rất cao. Vì vậy máy móc dùng cobalt đã không còn được sử dụng rộng rãi ở các nước phương Tây. Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến máy gia tốc hạt tuyến tính thay cho máy móc dùng cobalt trước đây.

Vai trò sinh học

Nhiều sinh vật sống (kể cả người) phải cần đến một lượng nhỏ cobalt trong cơ thể để tồn tại. Cho vào đất một lượng nhỏ cobalt từ 0,13-0,30 mg/kg sẽ làm tăng sức khỏe của những động vật ăn cỏ. Cobalt là một thành phần trung tâm của vitamin cobalamin, hoặc vitamin B-12.

Phổ biến

Cobalt không thể tìm thấy như là một kim loại tự do, mà nói chung là ở trong các dạng quặng. Người ta luôn luôn không khai thác cobalt riêng rẽ, và có xu hướng được dùng làm sản phẩm phụ trong hoạt động khai thác nickel và đồng. Những quặng cobalt chính là cobaltite, erythrite, glaucodot, và skutterudite. Những quốc gia sản xuất nhiều cobalt nhất thế giới là Cộng hòa dân chủ Côngô, Trung Quốc, Zambia, Nga, và Úc. Cobalt còn được tìm thấy ở Phần Lan, Azerbaijan, và Kazakhstan. Nó còn được sản xuất ở thành phố Cobalt, tỉnh Ontario, ở Canada ở dạng sản phẩm phụ của hoạt động khai thác bạc.

Các hợp chất của Cobalt

Do có nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau, nên số lượng hợp chất cobalt khá phong phú. Các oxide không có từ tính ở nhiệt độ thấp như CoO (nhiệt độ Neel là 291 K), và Co₃O₄ (nhiệt độ Neel là 40 K). Các hợp chất cobalt(II) được dùng làm mực đỏ. Tuy nhiên màu bị chuyển thành xanh dương khi bị nung nóng đến nhiệt độ sôi. Thêm quá nhiều chloride cũng sẽ làm đổi màu từ màu hồng sang màu xanh dương, do sự tạo thành ion phức [CoCl₄]^2-.

Trạng thái oxy hóa +3 ít ổn định hơn. Trạng thái +4 ít gặp.

Trạng thái oxy hóa +5 cũng được biết đến, trong kali hypocobaltat K₃CoO₄. Trạng thái +6 cũng xuất hiện, trong kali cobaltat K₂CoO₄.

Đồng vị

Cobalt trong tự nhiên bao gồm 1 đồng vị ổn định là ⁵⁹Co. Cobalt có 22 đồng vị phóng xạ. Những đồng vị phóng xạ ổn định nhất là ⁶⁰Co có chu kỳ bán rã là 5,2714 năm, ⁵⁷Co có chu kỳ bán rã là 271,79 ngày, ⁵⁶Co có chu kỳ bán rã là 77,27 ngày, và ⁵⁸Co có chu kỳ bán rã 70,86 ngày. Tất cả đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã ít hơn 18 giờ và phần lớn những đồng vị này có chu kỳ bán rã ít hơn 1 giây. Nguyên tố này cũng có 4 đồng phân phóng xạ, tất cả các đồng phân này đều có chu kỳ bán rã ít hơn 15 phút.

Các đồng vị của cobalt có trọng lượng nguyên tử từ 50 amu (⁵⁰Co) đến 73 amu.

Cảnh báo

Bột kim loại cobalt dễ bùng cháy khi tiếp xúc với lửa. Các hợp chất của cobalt phải được xử lý cẩn thận do có độc tính nhẹ.

⁶⁰Co là nguồn phát ra tia gamma mạnh nên tiếp xúc với nó sẽ dẫn đến nguy cơ ung thư. Nuốt ⁶⁰Co sẽ khiến cobalt thâm nhập vào mô tế bào và quá trình thải ra rất chậm chạp.⁶⁰Co là yếu tố rủi ro gây tranh cãi về vấn đề hạt nhân vì nguồn neutron sẽ chuyển hóa ⁵⁹Co thành đồng vị này. Một số mô hình vũ khí hạt nhân có chủ ý gia tăng lượng ⁶⁰Co phát tán dưới hình thức bụi phóng xạ nguyên tử – nên có khi người ta gọi đó là bom bẩn hoặc bom cobalt. Một nhà khoa học hàng đầu đã dự đoán rằng loại bom này có khả năng hủy diệt tất cả sự sống trên Trái Đất. Nếu nguyên nhân bắt nguồn không phải là một cuộc chiến tranh hạt nhân, thì cũng do việc xử lý không phù hợp (hoặc trộm cắp) các bộ phận của máy xạ trị y học. Tuy nhiên, tia gamma phát ra từ ⁶⁰Co hiện đang được sử dụng để diệt vi khuẩn và tăng sức đề kháng trên rau quả.

 

Cobalt,  27Co
Các mảnh cobalt điện phân
Tính chất chung
Tên, ký hiệu	Cobalt, Co
Hình dạng	Ánh kim xám nhẹ
Cobalt trong bảng tuần hoàn
– ↑ Co ↓ Rh Sắt ← Cobalt → Nickel
Số nguyên tử (Z)	27
Khối lượng nguyên tử chuẩn (±) (Ar)	58,933195(5)
Phân loại	kim loại chuyển tiếp
Nhóm, phân lớp	9, d
Chu kỳ	Chu kỳ 4
Cấu hình electron	[Ar] 4s2 3d7
mỗi lớp	2, 8, 15, 2
Tính chất vật lý
Màu sắc	Ánh kim xám nhẹ
Trạng thái vật chất	Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy	1768 K ​(1495 °C, ​2723 °F)
Nhiệt độ sôi	3200 K ​(2927 °C, ​5301 °F)
Mật độ	8,90 g·cm−3 (ở 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng	ở nhiệt độ nóng chảy: 7,75 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy	16,06 kJ·mol−1
Nhiệt bay hơi	377 kJ·mol−1
Nhiệt dung	24,81 J·mol−1·K−1
Áp suất hơi P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k ở T (K) 1790 1960 2165 2423 2755 3198
Tính chất nguyên tử
Trạng thái ôxy hóa	6, 5, 4, 3, 2, 1, -1[1] ​lưỡng tính
Độ âm điện	1,88 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa	Thứ nhất: 760,4 kJ·mol−1 Thứ hai: 1648 kJ·mol−1 Thứ ba: 3232 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị	thực nghiệm: 125 pm
Bán kính liên kết cộng hóa trị	126±3 (low spin), 150±7 (high spin) pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể	​Lục phương
Vận tốc âm thanh	que mỏng: 4720 m·s−1 (ở 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt	13,0 µm·m−1·K−1 (ở 25 °C)
Độ dẫn nhiệt	100 W·m−1·K−1
Điện trở suất	ở 20 °C: 62,4 n Ω·m
Tính chất từ	Sắt từ
Mô đun Young	209 GPa
Mô đun cắt	75 GPa
Mô đun nén	180 GPa
Hệ số Poisson	0,31
Độ cứng theo thang Mohs	5,0
Độ cứng theo thang Vickers	1043 MPa
Độ cứng theo thang Brinell	700 MPa
Số đăng ký CAS	7440-48-4
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Cobalt
iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP 56Co Tổng hợp 77,27 ngày ε 4,566 56Fe 57Co Tổng hợp 271,79 ngày ε 0,836 57Fe 58Co Tổng hợp 70,86 ngày ε 2,307 58Fe 59Co 100% 59Co ổn định với 32 neutron 60Co Tổng hợp 5,2714 năm β−, γ, γ 2,824 60Ni