コバルト：構造、特性、用途 - 化学 - 2025

コバルトは、周期表のVIIIB族に属する遷移金属であり、その化学記号有限である固体青 - 灰色（不純物に依存する）は、地球全体に見出さの、クラスト その濃度は25 ppmまたはその0.001％を表すことはほとんどありませんが。

この金属は反すう動物の栄養に不可欠な微量元素です。また、赤血球の成熟に必要なビタミンB _12の核の一部でもあります。ビタミンB ₁₂は、ヘモグロビンのヘムグループの構造に似ています。しかし信仰の代わりに共同で。

金属コバルトのサンプル。出典：化学元素の高解像度画像

自然界では、コバルトは通常、純粋ではありませんが、コバルト鉱、スクッテルダイト、エリスライトなどの複雑な鉱物マトリックス内にあります。これらの鉱物では、コバルトは通常、ニッケル、鉄、またはヒ素と組み合わされます。

「コバルト」という名前はドイツのコバルトに由来し、これは鉱山労働者が青い染料を生産し、彼らが知っている金属がほとんどない鉱石に付けられた名前であるコボルトに由来します。鉱石、それは言及する価値があり、中毒を引き起こしました。

コバルトは、他の金属の中でも、ニッケル、鉄、銅とともに鉱石に含まれています。したがって、純粋に入手することはできず、実際に使用できるようになるまで精製するための精錬作業が必要です。

1730年から1740年の間にスウェーデンの化学者ゲオルク・ブラントによって発見されました。これは先史時代以来最初に発見された金属でした。ブラントは、コバルトはセラミックとガラスの青い色合いの原因であると指摘しました。それまで信じられていたビスマスではありません。

コバルトには29の同位体があります。⁵⁹ Coが安定であり、コバルトの同位体のほぼ100％を表します。残りの28は放射性同位元素です。これらには、癌の治療に使用される⁶⁰ Coが含まれます。それは磁気要素であり、高温でその磁性を維持します。この特性により、スピーカー、マイク、ラジオホーンなどで使用される、いわゆるAlincoなどの合金を形成できます。

歴史

古代

コバルトは紀元前2000年から3,000年までさかのぼって使用され、エジプト、ペルシャ、中国の王朝が彫刻や陶器の製造に使用していました。それは芸術作品や使用品で非常に高く評価されている青い色を提供しました。

エジプト人（紀元前1550年-1292年）はおそらくコバルトを使用してガラスに青色を与える最初の人々だった。

コバルトは鉱石では分離されませんが、ニッケル、銅、ヒ素を含む鉱物の存在下では分離されます。

銅をニッケルで溶かそうとすると、鉱山労働者が被った中毒の原因となる非常に有毒なガスである酸化ヒ素が生成されました。

発見

コバルトは、およそ1735年にスウェーデンの化学者Georg Brandtによって発見されました。

それは古代以来発見された最初の金属でした。この頃から、人は鉄、銅、銀、錫、金などの多くの金属を使用しました。多くの場合、それらが使用され始めた時期は不明です。

鉱業生産

世界で最初のコバルトの採掘はヨーロッパで始まり、ノルウェーが最初のコバルトブルーの生産国となりました。セラミックと塗料の顔料として使用される、アルミナとコバルトの化合物、およびエナメル（粉末コバルトガラス）。

コバルトの生産における優勢は、それらの国での堆積物の発見により、オンタリオ州のニューカレドニア（1864）とカナダ（1904）に移りました。

その後、現在のコンゴ民主共和国（1913年）は、カタンガ地域で大規模な鉱床が発見されたため、コバルトの世界有数の生産国となりました。現在、この国は、カナダおよびオーストラリアとともに、主要なコバルト生産国の1つです。

一方、ROCは精製コバルトの世界有数の生産国であり、コンゴ民主共和国から金属を輸入して精製しています。

1938年に、ジョンリビングルードとグレンシーボーグは⁶⁰ Co 原子炉で生産を達成しました。がんの治療に医学で使用される放射性同位元素。

コバルトの構造と電子配置

コバルトは、他の金属と同様に、金属結合を介して原子を結合します。力と圧縮は、それらが金属結晶を確立するようなものであり、そこでは、それらの電気的および熱的伝導性を説明する電子と伝導帯の潮汐があります。

コバルト結晶を顕微鏡で分析すると、コンパクトな六角形構造を持っていることがわかります。ABAB …層に配置されたCo原子の三角形があり、交互に並んだ層を持つ三角柱を形成します。これは、六角形の6分の1を表します。

この構造は、450ºC未満の温度でほとんどのコバルトサンプルに存在します。ただし、温度が上昇すると、2つの結晶相、すなわちコンパクトな六角形（hcp）と面心立方（fcc、英語での頭字語：面心立方）の間の遷移が始まります。

転移が遅いため、すべての六角形の結晶が立方体になるわけではありません。したがって、コバルトは高温で両方の結晶構造を示すことがあります。そして、その特性はすべての金属に対してもはや均一ではありません。

クリスタルビーズサイズ

結晶構造は完全ではありません。さまざまなサイズの結晶粒を定義する不規則性を隠蔽することができます。小さいほど、金属やスポンジのように軽くなります。一方、結晶粒が大きいと、金属はどんどん固くなります。

コバルトの詳細は、粒子だけでなく金属の外観も変化させることです。その結晶構造も変化します。450℃未満では、hcp構造が優勢になるはずです。しかし、海綿状コバルトのように粒子が小さい場合、支配的な構造はfccです。

逆のことが起こるのは、粒子が大きい場合です。fcc構造がhcpよりも支配的です。大きな穀物は重く、お互いに大きな圧力をかけるため、理にかなっています。より高い圧力では、Co原子はよりコンパクトになり、hcp構造の採用を選択します。

高温（T>1000ºC）では、上記の転移が発生します。しかし、海綿状コバルトの場合、その結晶のごく一部が六角形になり、ほとんどは引き続き立方体です。

安定したhcpナノクリスタル

スペインの研究（PeñaO'shea V. et al。、2009）では、fcc相への遷移を経ることなく、700℃近くの温度に耐えることができる六角形のコバルトナノ結晶を合成できることが実証されました。

これを行うために、研究者らはCOとH ₂で酸化コバルトのサンプルを減らし、hcpナノ結晶の安定性はカーボンナノファイバーのコーティングが原因であることを発見しました。

電子構成と酸化状態

コバルトの電子配置は次のとおりです。

3d ⁷ 4s ²

したがって、理論的にはその価電子殻から最大9個の電子を失う可能性があります。しかし、これは起こりません（少なくとも通常の条件下では）。また、Co ⁹⁺カチオンは^形成されません。

その酸化状態は、-3、-1、+ 1、+ 2、+ 3、+ 4、+ 5で、+ 2と+3が主なものです。

プロパティ

外見

固体、光沢、青灰色の金属。磨かれたコバルトは青みがかった色合いの銀白色です。

原子量

58.933 g / mol。

原子番号

27。

周期表

これは、グループ9（VIIIB）、期間4に属する遷移金属です。

融点

1,768 K（1,495°C、2,723°F）。

沸点

3,200 K（2,927°C、5,301°F）。

室温での密度

8.90 g / cm ³。

融合熱

16.06 kJ / mol。

気化熱

377 kJ / mol。

モルカロリー容量

24.81 J / mol K

音の速さ

4,720 m / s（金属棒で測定）。

硬度

Mohsスケールで5.0。

磁気

これは、室温での3つの強磁性要素の1つです。コバルト磁石は、1,121ºC（2,050ºF）の高温でも磁性を維持します。

電気陰性

ポーリングスケールで1.88。

イオン化エネルギー

イオン化の最初のレベル：740.4 kJ / mol。

2番目のイオン化レベル：1,648 kJ / mol。

イオン化の3番目のレベル：3,232 kJ / mol。

原子ラジオ

125 pm。

原子量

6.7 cm ³ / mol。

反応

コバルトは希薄な鉱酸にゆっくり溶解します。水素や窒素とは直接結合しませんが、加熱により炭素、リン、硫黄と結合します。高温で水蒸気中に存在する酸素に結合します。

15 M硝酸と激しく反応し、硝酸コバルトCo（NO ₃）_{2を形成し}ます。塩酸と弱く反応して、塩化コバルトCoCl ₂を形成します。コバルトは水素化物を形成しません。

Co ⁺²とCo ^+3の両方が多数の配位錯体を形成し、これらの錯体の数が最も多い金属の1つと見なされています。

用途

合金

コバルト合金は、ジェットエンジンやガスタービンエンジンの製造に使用されます。アルインコと呼ばれるアルミニウム、ニッケル、コバルトの合金は、強い磁気特性を持っています。アルインコの磁石は補聴器、コンパス、マイクに使用されています。

いわゆる切削工具は、コバルト、クロム、タングステンで作られたステライト合金で作られています。超合金はコバルトに近い融点を持ち、硬度が高いのが特徴で、低膨張工具の製造に使用されています。

陶器、彫刻、ガラス

コバルト入りメガネグラス。出典：Pxhere。

古くから、コバルトは多くの文化で芸術や装飾作品に青みを与えるために使用されてきました。この意味で、酸化物が使用されてきた：コバルト、CoO、およびコバルト、Co ₃ O ₄。

セラミック、ガラス、エナメルの製造におけるそれらの使用に加えて、酸化コバルトは触媒の調製に使用されます。

医師

コバルト60（⁶⁰ Co）、ベータ（β）およびガンマ（γ）放射線を放出する放射性同位元素は、がんの治療に使用されます。Γ放射線は電磁放射線であるため、組織に浸透し、がん細胞に到達する能力があるため、がん細胞を根絶することができます。

がん細胞は急速に分裂する細胞であり、そのため、核に衝突する電離放射線の影響を受けやすくなり、遺伝物質に損傷を与えます。

⁶⁰ Coが、他の放射性同位体のような、医療行為に使用される材料の殺菌に使用されます。

同様に、コバルトは整形外科用インプラントの製造にチタンとステンレス鋼とともに使用されています。股関節置換の大部分は、コバルトクロム大腿骨ステムを採用しています。

代替エネルギー

コバルトは、充電式電池の性能を向上させるために使用され、ハイブリッド車で有用な役割を果たします。

電気めっき

コバルトは、金属表面を酸化から保護する良好な仕上げを提供するために使用されます。硫酸コバルト、例えばCoSO ₄は、これに関して使用される主要なコバルト化合物である。

ラボで

塩化コバルトCoCl ₂ .6H ₂ Oは、デシケーターの水分インジケーターとして使用されます。水和すると青色に変わるピンク色の固体です。

生物学的役割

コバルトは、赤血球の成熟に関与するビタミンB ₁₂（シアノコバラミン）の活性部位の一部です。その欠如は、巨赤芽球として知られる大きな赤血球の血液循環における出現を特徴とする貧血を引き起こします。

どこにありますか

地殻

コバルトは地球の地殻全体に広く分布しています。その濃度は非常に低いですが、地球の地殻の25 ppmを構成すると推定しています。一方、太陽系全体では、相対濃度は4 ppmです。

ニッケルと鉄の複合体に少量含まれており、地球や隕石に固有です。また、湖、川、海、植物、動物のその他の要素と組み合わせて見られます。

ビタミンB

さらに、反すう動物の栄養に不可欠な要素であり、赤血球の成熟に必要なビタミンB ₁₂に含まれています。コバルトは通常、自然界では分離されていませんが、他の元素と組み合わせてさまざまな鉱物に含まれています。

ミネラル

コバルト鉱物には次のものがあります。ヒ素および硫黄と組み合わせたコバルト鉱。ヒ素と水和コバルトで形成されたエリスライト。コバルト、鉄、ヒ素および硫黄によって形成された緑点群。コバルト、ニッケル、ヒ素からなるスクッテルダイト。

さらに、リンネライト、エナメル、ヘテロジェナイトのコバルトミネラルが追加されています。コバルトには、主にニッケル、ヒ素、鉄がミネラルに含まれています。

ほとんどの場合、コバルトはそれを含む鉱石から抽出されませんが、ニッケル、鉄、ヒ素、銅、マンガン、銀の採掘の副産物です。これらの鉱物からコバルトを抽出して分離するには、複雑なプロセスが必要です。

参考文献

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