Кобальт - Cobalt

Кобальт,  27 Co
кобальтовая стружка
Кобальт
Произношение / К б ɒ л т / ( слушать )Об этом звуке
Появление твердый блестящий голубовато-серый металл
Стандартный атомный вес A r, std (Co) 58,933 194 (3)
Кобальт в периодической таблице
Водород Гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титана Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебряный Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод Ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести Висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Беркелиум Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Бориум Калий Мейтнерий Дармштадтиум Рентгений Копернициум Нихоний Флеровий Московиум Ливерморий Tennessine Оганессон
-

Co

Rh
железокобальтникель
Атомный номер ( Z ) 27
Группа группа 9
Период период 4
Блокировать   d-блок
Электронная конфигурация [ Ar ] 3d 7 4s 2
Электронов на оболочку 2, 8, 15, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 1768  К (1495 ° С, 2723 ° F)
Точка кипения 3200 К (2927 ° C, 5301 ° F)
Плотность (около  rt ) 8,90 г / см 3
в жидком состоянии (при  т. пл. ) 8,86 г / см 3
Теплота плавления 16,06  кДж / моль
Теплота испарения 377 кДж / моль
Молярная теплоемкость 24,81 Дж / (моль · К)
Давление газа
P  (Па) 1 10 100 1 к 10 тыс. 100 тыс.
при  T  (K) 1790 1960 г. 2165 2423 2755 3198
Атомные свойства
Состояния окисления −3, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4, +5 (  амфотерный оксид)
Электроотрицательность Шкала Полинга: 1,88
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 125  пм
Ковалентный радиус Низкий отжим: 126 ± 15 часов
Высокий отжим: 150 ± 19 часов
Цветные линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии кобальта
Прочие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура гексагональной плотной упаковкой (ГЦК)
Гексагональная плотноупакованная кристаллическая структура кобальта
Скорость звука тонкого стержня 4720 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение 13,0 мкм / (м⋅K) (при 25 ° C)
Теплопроводность 100 Вт / (м⋅К)
Удельное электрическое сопротивление 62,4 нОм⋅м (при 20 ° C)
Магнитный заказ ферромагнитный
Модуль для младших 209 ГПа
Модуль сдвига 75 ГПа
Объемный модуль 180 ГПа
коэффициент Пуассона 0,31
Твердость по шкале Мооса 5.0
Твердость по Виккерсу 1043 МПа
Твердость по Бринеллю 470–3000 МПа
Количество CAS 7440-48-4
История
Открытие и первая изоляция Георг Брандт (1735)
Основные изотопы кобальта
Изотоп Избыток Период полураспада ( t 1/2 ) Режим распада Продукт
56 Co син 77,27 г ε 56 Fe
57 Co син 271,74 г ε 57 Fe
58 Co син 70,86 г ε 58 Fe
59 Co 100% стабильный
60 Co син 5.2714 г. β - , γ 60 Ni
Категория Категория: Кобальт
| использованная литература

Кобальт - это химический элемент с символом Co и атомным номером 27. Как и никель , кобальт находится в земной коре только в химически комбинированной форме, за исключением небольших отложений, обнаруженных в сплавах природного метеоритного железа . Свободный элемент , произведенный путем восстановительных плавками , является жестким, блестящим, серебристо-серым металлом .

Синие пигменты на основе кобальта ( синий кобальт ) использовались с древних времен для изготовления украшений и красок, а также для придания стеклу характерного синего оттенка, но позже считалось, что этот цвет связан с известным металлическим висмутом . Горняки долгое время использовали название кобольд- руда (по-немецки гоблинская руда ) для некоторых минералов, производящих синий пигмент ; они были названы так потому, что были бедны известными металлами и при плавлении выделяли ядовитые пары, содержащие мышьяк . В 1735 году было обнаружено, что такие руды могут быть преобразованы в новый металл (первый обнаруженный с древних времен), и в конечном итоге он был назван в честь кобольда .

Сегодня кобальт получают из одной из руд с металлическим блеском, например из кобальтита (CoAsS). Однако этот элемент чаще всего производится как побочный продукт при добыче меди и никеля . Copperbelt в Демократической Республике Конго (ДРК) и Замбии дает большую часть мирового производства кобальта. Мировое производство в 2016 году составило 116 000 тонн (114 000 длинных тонн; 128 000 коротких тонн) (по данным Natural Resources Canada ), и только на ДРК приходилось более 50%.

Кобальт в основном используется в литий-ионных аккумуляторах , а также в производстве магнитных , износостойких и высокопрочных сплавов . Соединения силиката кобальта и алюмината кобальта (II) (CoAl 2 O 4 , синий кобальт) придают характерный темно-синий цвет стеклу , керамике , чернилам , краскам и лакам . Кобальт в природе встречается только в виде одного стабильного изотопа , кобальта-59. Кобальт-60 - это коммерчески важный радиоизотоп, используемый в качестве радиоактивного индикатора и для производства высокоэнергетических гамма-лучей .

Кобальт является активным центром группы коферментов, называемых кобаламинами . Витамин B 12 , наиболее известный пример этого типа, является незаменимым витамином для всех животных. Кобальт в неорганической форме также является питательным микроэлементом для бактерий , водорослей и грибов .

Характеристики

образец чистого коболта
Блок электролитически очищенного кобальта (чистота 99,9%), вырезанный из большой пластины

Кобальт - это ферромагнитный металл с удельным весом 8,9. Температура Кюри составляет 1115 ° C (2039 ° F), а магнитный момент составляет 1,6–1,7 магнетонов Бора на атом . Кобальт имеет относительную проницаемость в две трети от проницаемости железа . Металлический кобальт имеет две кристаллографические структуры : ГПУ и ГЦК . Идеальная температура перехода между ГПУ и ГЦК структурами составляет 450 ° C (842 ° F), но на практике разница в энергии между ними настолько мала, что их случайное срастание является обычным явлением.

Кобальт - это металл со слабым восстановлением, защищенный от окисления пассивирующей оксидной пленкой. На него воздействуют галогены и сера . При нагревании в кислороде образуется Co 3 O 4, который при 900 ° C (1650 ° F) теряет кислород с образованием моноксида CoO. Металл реагирует с фтором ( F 2 ) при 520 К с образованием CoF 3 ; с хлором ( Cl 2 ), бромом ( Br 2 ) и йодом ( I 2 ) с образованием эквивалентных бинарных галогенидов . Он не реагирует с газообразным водородом ( H 2 ) или азотом ( N 2 ) даже при нагревании, но он реагирует с бором , углеродом , фосфором , мышьяком и серой. При обычных температурах он медленно реагирует с минеральными кислотами и очень медленно с влажным, но не с сухим воздухом.

Соединения

Общие степени окисления кобальта включают +2 и +3, хотя также известны соединения со степенями окисления от -3 до +5 . Обычная степень окисления простых соединений +2 (кобальт (II)). Эти соли образуют водно-комплекс металла розового цвета [Co (H
2
O)
6
]2+
в воде. Добавление хлорида дает ярко-синий [CoCl
4
]2−
. В испытании пламенем буры из буры кобальт показывает темно-синий цвет как в окислительном, так и в восстановительном пламени.

Кислородные и халькогенные соединения

Известно несколько оксидов кобальта. Зеленый оксид кобальта (II) (CoO) имеет структуру каменной соли . Он легко окисляется водой и кислородом до коричневого гидроксида кобальта (III) (Co (OH) 3 ). При температурах 600–700 ° C CoO окисляется до синего оксида кобальта (II, III) (Co 3 O 4 ), имеющего структуру шпинели . Также известен оксид черного кобальта (III) (Co 2 O 3 ). Оксиды кобальта являются антиферромагнитными при низкой температуре : CoO ( температура Нееля 291 K) и Co 3 O 4 (температура Нееля: 40 K), который аналогичен магнетиту (Fe 3 O 4 ), со смесью окисления +2 и +3. состояния.

Основные халькогениды кобальта включают сульфиды черного кобальта (II) , CoS 2 , который принимает структуру, подобную пириту , и сульфид кобальта (III) (Co 2 S 3 ).

Галогениды

пурпурная куча силы гексагидрата хлорида кобальта (II)
Гексагидрат хлорида кобальта (II)

Известны четыре дигалогенида кобальта (II): фторид кобальта (II) (CoF 2 , розовый), хлорид кобальта (II) (CoCl 2 , синий), бромид кобальта (II) (CoBr 2 , зеленый), кобальт (II). йодид (CoI 2 , сине-черный). Эти галогениды существуют в безводной и гидратированной формах. В то время как безводный дихлорид синий, гидрат красный.

Восстановительный потенциал реакции Co3+
+ e -Co2+
составляет +1,92 В, сверх этого для хлора в хлорид, +1,36 В. Следовательно, кобальт (III) и хлорид приведут к восстановлению кобальта (III) до кобальта (II). Поскольку потенциал восстановления фтора до фторида очень высок, +2,87 В, фторид кобальта (III) является одним из немногих простых стабильных соединений кобальта (III). Фторид кобальта (III), который используется в некоторых реакциях фторирования, активно реагирует с водой.

Координационные соединения

Как и все металлы, молекулярные соединения и многоатомные ионы кобальта классифицируются как координационные комплексы , то есть молекулы или ионы, содержащие кобальт, связанный с несколькими лигандами . Принципы электроотрицательности и твердости-мягкости ряда лигандов могут быть использованы для объяснения обычного состояния окисления кобальта. Например, комплексы Co 3+ обычно содержат лиганды аммина . Поскольку фосфор мягче азота, фосфиновые лиганды обычно содержат более мягкие Co 2+ и Co + , например, хлорид трис (трифенилфосфин) кобальта (I) ( P (C
6
ЧАС
5
)
3
)
3
CoCl
). Более электроотрицательный (и более твердый) оксид и фторид могут стабилизировать производные Co 4+ и Co 5+ , например гексафторокобальтат цезия (Cs 2 CoF 6 ) и перкобальтат калия (K 3 CoO 4 ).

Альфред Вернер , лауреат Нобелевской премии в области координационной химии , работал с соединениями эмпирической формулы [Co (NH
3
)
6
]3+
. Одним из определенных изомеров был гексамминхлорид кобальта (III) . Этот координационный комплекс, типичный комплекс Вернеровского типа, состоит из центрального атома кобальта, координированного шестью амминовыми ортогональными лигандами и тремя противоанионами хлоридов . Использование хелатирующих этилендиаминовых лигандов вместо аммиака дает трис (этилендиамин) кобальт (III) ( [Co (en)
3
]3+
), который был одним из первых координационных комплексов, разделившихся на оптические изомеры . Комплекс существует в правосторонней и левосторонней формах «трехлопастный винт». Этот комплекс был впервые выделен Вернером в виде игольчатых кристаллов желто-золотого цвета.

Металлоорганические соединения

Строение тетракис (1-норборнил) кобальта (IV)

Кобальтоцена является структурным аналогом к ферроцену , кобальт вместо железа. Кобальтоцен гораздо более чувствителен к окислению, чем ферроцен. Карбонил кобальта ( Co 2 (CO) 8 ) является катализатором в реакциях карбонилирования и гидросилилирования . Витамин B 12 (см. Ниже ) - это металлорганическое соединение, встречающееся в природе, и единственный витамин , содержащий атом металла. Примером комплекса алкилкобальта в необычной степени окисления +4 кобальта является гомолептический комплекс тетракис (1-норборнил) кобальт (IV)  [ de ] (Co (1-norb) 4 ), комплекс переходный металл-алкил, который отличается устойчивостью к отщеплению β-водорода . Комплексы кобальта (III) и кобальта (V) [Li (THF)
4
]+
[Co (1-норб)
4
]-
и [Co (1-norb)
4
]+
[BF
4
]-
также известны.

Изотопы

59 Co - единственный стабильный изотоп кобальта и единственный изотоп, который существует в природе на Земле. Было охарактеризовано 22 радиоизотопа : самый стабильный, 60 Co , имеет период полураспада 5,2714 лет; 57 Co имеет период полураспада 271,8 дня; 56 Co имеет период полураспада 77,27 дней; и 58 Co имеет период полураспада 70,86 дня. Все другие радиоактивные изотопы кобальта имеют период полураспада менее 18 часов и в большинстве случаев менее 1 секунды. Этот элемент также имеет 4 мета-состояния , у каждого из которых период полураспада короче 15 минут.

Изотопы кобальта имеют атомный вес от 50 u ( 50 Co) до 73 u ( 73 Co). Первичной модой распада изотопов с атомными единицами массы меньше, чем у наиболее распространенного стабильного изотопа 59 Со, является захват электронов, а первичной формой распада изотопов с атомной массой более 59 атомных единиц массы является бета-распад . Основными продуктами распада ниже 59 Co являются изотопы элемента 26 ( железа ); выше продукты распада - изотопы элемента 28 (никель).

История

кобальтовый синий китайский фарфор
Ранний китайский синий и белый фарфор, изготовленный ок. 1335

Соединения кобальта веками использовались для придания насыщенного синего цвета стеклу , глазури и керамике . Кобальт был обнаружен в египетской скульптуре, персидских украшениях третьего тысячелетия до нашей эры, в руинах Помпеи , разрушенных в 79 году нашей эры, и в Китае, датируемых династией Тан (618–907 годы нашей эры) и династией Мин (1368–1644 годы). ОБЪЯВЛЕНИЕ).

Кобальт использовался для окрашивания стекла с бронзового века . При раскопках затонувшего корабля Улубурун был обнаружен слиток синего стекла, отлитый в XIV веке до нашей эры. Синее стекло из Египта было окрашено медью, железом или кобальтом. Самое старое стекло цвета кобальта относится к восемнадцатой династии Египта (1550–1292 гг. До н.э.). Источник кобальта, который использовали египтяне, неизвестен.

Слово кобальт происходит от немецкого Кобальт , от кобольдов смысл «гоблин», суеверного термин , используемый для руды кобальта шахтерами. Первые попытки переплавить эти руды на медь или серебро не увенчались успехом, и вместо них был получен просто порошок (оксид кобальта (II)). Поскольку первичные руды кобальта всегда содержат мышьяк, плавление руды окисляет мышьяк в высокотоксичный и летучий оксид мышьяка , что увеличивает известность руды.

Шведскому химику Георгу Брандту (1694–1768) приписывают открытие кобальта около 1735 года, показавшее, что это ранее неизвестный элемент, отличный от висмута и других традиционных металлов. Брандт назвал это новым «полуметаллом». Он показал, что соединения металлического кобальта были источником синего цвета в стекле, который ранее приписывался висмуту, обнаруженному с кобальтом. Кобальт стал первым металлом, обнаруженным с доисторических времен. Все другие известные металлы (железо, медь, серебро, золото, цинк, ртуть, олово, свинец и висмут) не имели зарегистрированных первооткрывателей.

В 19 веке значительная часть мирового производства синего кобальта (пигмента, состоящего из соединений кобальта и глинозема) и смальты ( порошка кобальтового стекла для использования в пигментных целях в керамике и живописи) осуществлялась на норвежском предприятии Blaafarveværket . Первые рудники по производству смальты в 16 веке были расположены в Норвегии, Швеции, Саксонии и Венгрии. С открытием кобальтовой руды в Новой Каледонии в 1864 году добыча кобальта в Европе снизилась. С открытием рудных месторождений в Онтарио , Канада в 1904 году и открытием еще более крупных месторождений в провинции Катанга в Конго в 1914 году, добыча полезных ископаемых снова изменилась. Когда в 1978 году начался конфликт Шаба , медные рудники провинции Катанга почти прекратили производство. Воздействие этого конфликта на мировую кобальтовую экономику было меньшим, чем ожидалось: кобальт - редкий металл, пигмент очень токсичен, и промышленность уже разработала эффективные способы утилизации кобальтовых материалов. В некоторых случаях промышленность смогла перейти на альтернативы без кобальта.

В 1938 году Джон Ливингуд и Гленн Т. Сиборг открыли радиоизотоп кобальт-60 . Этот изотоп был широко использован в Колумбийском университете в 1950-х годах для установления нарушения четности при радиоактивном бета-распаде .

После Второй мировой войны США хотели гарантировать поставки кобальтовой руды для использования в военных целях (как это делали немцы) и разыскивали кобальт в пределах границ США. Достаточное количество руды было найдено в Айдахо возле каньона Блэкберд на склоне горы. Фирма Calera Mining Company начала производство на площадке.

Утверждалось, что кобальт будет одним из основных объектов геополитической конкуренции в мире, работающем на возобновляемых источниках энергии и зависимом от батарей, но эта точка зрения также подвергалась критике за недооценку силы экономических стимулов для расширения производства.

Вхождение

Стабильная форма кобальта образуется в сверхновых посредством r-процесса . Он составляет 0,0029% земной коры . Свободный кобальт ( самородный металл ) не встречается на Земле из-за наличия кислорода в атмосфере и хлора в океане. И того и другого достаточно в верхних слоях земной коры, чтобы предотвратить образование самородного металлического кобальта. За исключением того, что недавно был доставлен в метеоритное железо, чистый кобальт в форме самородного металла неизвестен на Земле. Элемент имеет среднее содержание, но естественные соединения кобальта многочисленны, а небольшие количества соединений кобальта обнаружены в большинстве горных пород, почв, растений и животных.

В природе кобальт часто ассоциируется с никелем . Оба являются характерными компонентами метеорного железа , хотя кобальта гораздо меньше в железных метеоритах, чем никеля. Как и в случае с никелем, кобальт в сплавах метеорного железа, возможно, был достаточно хорошо защищен от кислорода и влаги, чтобы оставаться свободным (но легированным) металлом, хотя ни один элемент не встречается в такой форме в древней земной коре.

Кобальт в сложной форме встречается в минералах меди и никеля. Это основной металлический компонент, который сочетается с серой и мышьяком в минералах сульфидного кобальтита (CoAsS), сафлорита (CoAs 2 ), глаукодота ( (Co, Fe) AsS ) и скуттерудита ( CoAs 3 ). Минерал каттиерит похож на пирит и встречается вместе с везитом в медных месторождениях провинции Катанга . Когда он достигает атмосферы, происходит выветривание ; сульфидные минералы окисляются и образуют розовый эритрит («взгляд кобальта»: Co 3 (AsO 4 ) 2 · 8H 2 O ) и сферокобальтит (CoCO 3 ).

Кобальт также входит в состав табачного дыма . Растение табака легко поглощает и накапливает тяжелые металлы , как кобальт из окружающей почвы в листах. Впоследствии они вдыхаются во время курения табака .

В океане

Кобальт - это микроэлемент, участвующий в фотосинтезе и азотфиксации, обнаруженный в большинстве океанических бассейнов, и является лимитирующим микронутриентом для фитопланктона и цианобактерий. Co-содержащий комплексный кобаламин синтезируется только цианобактериями и некоторыми археями , поэтому концентрация растворенного кобальта в верхних слоях океана невысока. Подобно Mn и Fe, Co имеет гибридный профиль биологического поглощения фитопланктоном посредством фотосинтеза в верхних слоях океана и поглощения в глубинах океана, хотя большая часть поглощения ограничивается сложными органическими лигандами. Со рециркулируется в океане за счет разложения органических веществ, которые опускаются ниже верхних слоев океана, хотя большая часть улавливается окисляющими бактериями.

Источники кобальта для многих океанических тел включают реки и наземный сток с некоторым поступлением из гидротермальных источников. В глубинах океана источники кобальта находятся на вершинах подводных гор (которые могут быть большими или маленькими), где океанские течения охватывают дно океана, очищая отложения в течение миллионов лет, позволяя им образовываться в виде железомарганцевых корок. Хотя было выполнено ограниченное картирование морского дна, предварительное расследование показывает, что большое количество этих кобальтоносных корок расположено в зоне Кларион Клиппертон , районе, вызывающем растущий интерес для глубоководных горнодобывающих предприятий из-за богатой минералами окружающей среды. его домен. Антропогенное воздействие является неприродным источником, но в очень небольших количествах. Концентрация растворенного кобальта (dCo) в океанах контролируется в первую очередь водохранилищами, в которых концентрация растворенного кислорода низка. Сложный биохимический круговорот кобальта в океане все еще понимается неправильно, но образцы более высоких концентраций были обнаружены в областях с низким содержанием кислорода, таких как зона минимального содержания кислорода (OMZ) в южной части Атлантического океана.

Кобальт считается токсичным для морской среды в высоких концентрациях. Безопасные концентрации планктона, например диатомовых, в морских водах составляют около 18 мкг / л . На большинство уровней токсичности в прибрежной зоне влияет антропогенное воздействие, такое как сток сточных вод и сжигание ископаемого топлива. Высокие уровни Co и Se были зарегистрированы в морепродуктах, поступающих из прибрежных районов с более высокими уровнями следов металлов. Хотя ученые знают об угрозе токсичности, меньше внимания уделяется по сравнению с другими следами металлов, такими как ртуть и свинец, в загрязненных водных системах.

Производство

образец коболтовой руды
Кобальтовая руда
производство коболта в 1000 тонн в год
Мировой производственный тренд
Добыча кобальта на руднике (2017 г.) и запасы в тоннах по данным USGS
Страна Производство Резервы
 ДР Конго 64 000 3 500 000
 Россия 5600 250 000
 Австралия 5 000 1,200,000
 Канада 4 300 250 000
 Куба 4200 500 000
 Филиппины 4 000 280 000
 Мадагаскар 3 800 150 000
 Папуа - Новая Гвинея 3 200 51 000
 Замбия 2 900 270 000
 Новая Каледония 2 800 -
 Южная Африка 2,500 29 000
 Марокко 1,500
 Соединенные Штаты 650 23 000
Другие страны 5 900 560 000
Всего в мире 110 000 7 100 000

Основными рудами кобальта являются кобальтит , эритрит, глаукодот и скуттерудит (см. Выше), но большая часть кобальта получается путем восстановления побочных продуктов кобальта при добыче и плавке никеля и меди .

Поскольку кобальт обычно производится как побочный продукт, предложение кобальта в значительной степени зависит от экономической целесообразности добычи меди и никеля на данном рынке. Согласно прогнозам, в 2017 году спрос на кобальт вырастет на 6%.

Первичные месторождения кобальта встречаются редко, например, в гидротермальных отложениях , связанных с ультраосновными породами , типичными для района Бу-Аззер в Марокко . В таких местах добывается исключительно кобальтовая руда, хотя и с более низкой концентрацией, и, следовательно, для извлечения кобальта требуется более продолжительная переработка.

Существует несколько методов отделения кобальта от меди и никеля в зависимости от концентрации кобальта и точного состава используемой руды . Одним из методов является пенная флотация , при которой поверхностно-активные вещества связываются с компонентами руды, что приводит к обогащению кобальтовых руд. Последующий обжиг превращает руды в сульфат кобальта , а медь и железо окисляются до оксида. При выщелачивании водой сульфат извлекается вместе с арсенатами . Остатки дополнительно выщелачивают серной кислотой , получая раствор сульфата меди. Кобальт также можно выщелачивать из шлаков плавки меди.

Продукты вышеупомянутых процессов превращаются в оксид кобальта (Co 3 O 4 ). Этот оксид восстанавливается до металла в результате алюминотермической реакции или восстановления углеродом в доменной печи .

Добыча

Геологическая служба США оценивает мировые запасы кобальта на 7,100,000 метрических тонн. Демократическая Республика Конго (ДРК) в настоящее время производит 63% мирового кобальта. Эта доля рынка может достигнуть 73% к 2025 году, если запланированное расширение горнодобывающими компаниями, такими как Glencore Plc, состоится в соответствии с ожиданиями. Но к 2030 году мировой спрос может быть в 47 раз больше, чем был в 2017 году, по оценке Bloomberg New Energy Finance.

Изменения, внесенные Конго в законы о добыче полезных ископаемых в 2002 году, привлекли новые инвестиции в конголезские медные и кобальтовые проекты. В 2016 году на руднике Mutanda Mine компании Glencore было отгружено 24 500 тонн кобальта, что составляет 40% производства Конго в ДРК и почти четверть мирового производства. После переизбытка предложения Glencore закрыла Mutanda на два года в конце 2019 года. По данным Glencore, проект Glencore Katanga Mining также возобновляется и должен произвести к 2019 году 300 000 тонн меди и 20 000 тонн кобальта.

Цены на кобальт в феврале и марте 2021 г. (долл. США за тонну)
Цены на кобальт с 2016 по 2021 год, 5 лет (долл. США за тонну)

После достижения в начале 2018 года почти десятилетнего максимума, превысившего 100000 долларов США за тонну, цены на кобальт, используемый в глобальной цепочке поставок электрических аккумуляторов, упали на 45% в следующие 2 года. С ростом спроса на электромобили в течение 2020 года и в 2021 году цены на кобальт резко выросли в январе 2021 года. Индекс цен на кобальт за март 2021 года показывает, что цены на месяц росли до 54000 долларов США за тонну 19 марта 2021 года, что дает прирост на 35%. более 2 месяцев.

Кобальт считается важным минералом в США, Японии, Республике Корея, Великобритании и Европейском союзе.

Демократическая Республика Конго

В 2005 году крупнейший производитель кобальта были месторождения меди в Демократической Республике Конго «s провинции Катанга . По данным Британской геологической службы в 2009 году , на территории бывшей провинции Шаба находилось почти 40% мировых запасов . К 2015 году Демократическая Республика Конго (ДРК) обеспечивала 60% мирового производства кобальта, 32 000 тонн по цене от 20 000 до 26 000 долларов за тонну. Недавний рост производства может, по крайней мере, частично быть связан с тем, насколько низко производство горнодобывающей промышленности упало во время очень жестоких гражданских войн в ДРК Конго в начале 2000-х годов, или с изменениями, которые страна внесла в свой Горнодобывающий кодекс в 2002 году для поощрения иностранных и международных инвестиций, что и произошло. привлечь ряд инвесторов, в том числе Glencore .

Кустарная добыча обеспечивала от 17% до 40% продукции ДРК. Около 100 000 горняков кобальта в Конго, ДРК, используют ручные инструменты, чтобы копать сотни футов, с небольшим планированием и меньшими мерами безопасности, говорят рабочие, представители правительства и неправительственных организаций, а также наблюдения репортеров Washington Post при посещении изолированных шахт. Несоблюдение мер безопасности часто приводит к травмам или смерти. По словам представителей органов здравоохранения, горнодобывающая промышленность загрязняет окрестности и подвергает местную дикую природу и коренное население воздействию токсичных металлов, которые, как считается, вызывают врожденные дефекты и затруднения дыхания.

Правозащитники заявили, и журналистские расследования подтвердили, что детский труд используется при добыче кобальта на кустарных рудниках в Африке . Это открытие побудило производителя сотовых телефонов Apple Inc. 3 марта 2017 года прекратить покупать руду у таких поставщиков, как Zhejiang Huayou Cobalt, которые добывают на кустарных рудниках в ДРК, и начать использовать только тех поставщиков, которые проверены на соответствие стандартам на рабочем месте.

ЕС и основные производители автомобилей (OEM) стремятся во всем мире добиваться того, чтобы кобальт производился экологически устойчиво, ответственно и отслеживался в цепочке поставок. Горнодобывающие компании внедряют и практикуют инициативы ESG в соответствии с Руководством ОЭСР и внедряют доказательства нулевого или низкого углеродного следа в цепочке поставок при производстве литий-ионных аккумуляторов . Эти инициативы уже реализуются с крупными горнодобывающими компаниями, кустарными и маломасштабными горнодобывающими компаниями (ASM). Производители автомобилей и цепочки поставок производителей аккумуляторов Tesla, VW, BMW, BASF, Glencore участвуют в нескольких инициативах, таких как Responsible Cobalt Initiative и исследование Cobalt for Development. В 2018 году BMW Group в партнерстве с BASF, Samsung SDI и Samsung Electronics запустили пилотный проект в ДРК над одной пилотной шахтой, чтобы улучшить условия и решить проблемы для горняков-кустарей и близлежащих сообществ.

Политическая и этническая динамика региона в прошлом вызвала вспышки насилия и годы вооруженных конфликтов и перемещенных групп населения. Эта нестабильность повлияла на цену кобальта, а также создала извращенные стимулы для участников Первой и Второй войн в Конго продлевать боевые действия, поскольку доступ к алмазным рудникам и другим ценным ресурсам помогал финансировать их военные цели, которые часто равносильны геноциду, и обогатили и самих бойцов. Хотя в 2010-х годах ДР Конго не подвергалась вторжению со стороны соседних вооруженных сил, некоторые из богатейших месторождений полезных ископаемых примыкают к районам, где тутси и хуту все еще часто сталкиваются, беспорядки продолжаются, хотя и в меньшем масштабе, а беженцы по-прежнему спасаются от вспышек насилия.

Кобальт, добытый на небольших конголезских кустарных предприятиях по добыче полезных ископаемых в 2007 году, поставлялся одной китайской компании Congo DongFang International Mining. Компания Congo DongFang , дочерняя компания Zhejiang Huayou Cobalt , одного из крупнейших в мире производителей кобальта, поставляла кобальт некоторым из крупнейших в мире производителей аккумуляторов, которые производили аккумуляторы для повсеместных продуктов, таких как Apple iPhone . Из-за обвинений в нарушении трудовых норм и экологических проблем LG Chem впоследствии провела аудит Congo DongFang в соответствии с руководящими принципами ОЭСР . LG Chem, которая также производит материалы для аккумуляторов для автомобильных компаний, ввела кодекс поведения для всех проверяемых поставщиков.

Mukondo Горный проект, которым управляет Центрально - Африканская горно-геологическая компания (CAMEC) в провинции Катанга , может быть самым богатым запас кобальта в мире. В 2008 году компания произвела около одной трети от общего мирового производства кобальта. В июле 2009 года CAMEC объявила о долгосрочном соглашении о поставке всего годового производства кобальтового концентрата с горы Мукондо на завод Zhejiang Galico Cobalt & Nickel Materials в Китае.

В феврале 2018 года глобальная компания по управлению активами AllianceBernstein определила ДРК как экономически « Саудовскую Аравию эпохи электромобилей» из-за ее ресурсов кобальта, необходимых для литий-ионных аккумуляторов , используемых в электромобилях .

9 марта 2018 года президент Джозеф Кабила обновил горнодобывающий кодекс 2002 года, увеличив роялти и объявив кобальт и колтан «стратегическими металлами».

Кодекс майнинга 2002 г. был обновлен 4 декабря 2018 г.

В декабре 2019 года правозащитная неправительственная организация International Rights Advocates подала знаменательный иск против Apple , Tesla , Dell , Microsoft и компании Alphabet из Google за «сознательное извлечение выгоды из жестокого и жестокого использования маленьких детей, а также пособничество и подстрекательство к нему» при добыче кобальта. . Соответствующие компании отрицали свою причастность к детскому труду .

Канада

В 2017 году некоторые геологоразведочные компании планировали обследовать старые серебряные и кобальтовые рудники в районе Кобальта, Онтарио, где, как предполагается, находятся значительные залежи.

Канадская Sherritt International перерабатывает кобальтовые руды в никелевых месторождениях шахт Моа на Кубе , а на острове есть еще несколько шахт в Майари , Камагуэе и Пинар-дель-Рио . Продолжение инвестиций Sherritt International в кубинское производство никеля и кобальта при приобретении прав на добычу на 17–20 лет сделало коммунистическую страну третьей по запасам кобальта в 2019 году после самой Канады.

Приложения

В 2016 году было использовано 116 тысяч тонн кобальта. Кобальт используется в производстве сплавов с высокими эксплуатационными характеристиками. Его также можно использовать для производства аккумуляторных батарей, и появление электромобилей и их успех у потребителей, вероятно, во многом связаны с ростом производства в ДРК. Другими важными факторами были Горнодобывающий кодекс 2002 года, который поощрял инвестиции иностранных и транснациональных корпораций, таких как Glencore, а также окончание Первой и Второй войн в Конго.

Сплавы

Cobalt на основе жаропрочные исторически потребляли большую часть кобальта , полученного. Температурная стабильность этих сплавов делает их пригодными для изготовления лопаток газовых турбин и авиационных реактивных двигателей , хотя монокристаллические сплавы на основе никеля превосходят их по характеристикам. Сплавы на основе кобальта также устойчивы к коррозии и износу, что делает их, как и титан , полезными для изготовления ортопедических имплантатов, которые не изнашиваются с течением времени. Разработка износостойких кобальтовых сплавов началась в первом десятилетии 20-го века со стеллитовых сплавов, содержащих хром с различными количествами вольфрама и углерода. Сплавы с карбидами хрома и вольфрама очень твердые и износостойкие. Специальные кобальт-хром- молибденовые сплавы, такие как Vitallium , используются для протезных частей (замены тазобедренного и коленного суставов). Сплавы кобальта также используются для протезирования зубов в качестве полезного заменителя никеля, который может вызывать аллергию. Некоторые быстрорежущие стали также содержат кобальт для повышения термостойкости и износостойкости. В постоянных магнитах используются специальные сплавы алюминия, никеля, кобальта и железа, известные как алнико , а также самарий и кобальт ( самариево-кобальтовый магнит ) . Он также легирован 95% платиной для ювелирных изделий, что дает сплав, пригодный для точного литья, который также обладает слабым магнитным действием.

Аккумуляторы

Оксид лития-кобальта (LiCoO 2 ) широко используется в катодах литий-ионных аккумуляторов . Материал состоит из слоев оксида кобальта с интеркалированным литием . Во время разряда ( т. Е. Когда он не заряжается активно) литий выделяется в виде ионов лития. Никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH) батареи также содержат кобальт для улучшения окисления никеля в батарее. По оценке Transparency Market Research, мировой рынок литий-ионных аккумуляторов в 2015 году составил 30 миллиардов долларов США, а к 2024 году прогнозируется его увеличение до 75 миллиардов долларов США.

Хотя в 2018 году большая часть кобальта в батареях использовалась в мобильных устройствах, более поздним применением кобальта являются аккумуляторные батареи для электромобилей. В этой отрасли спрос на кобальт увеличился в пять раз, что требует срочного поиска нового сырья в более стабильных регионах мира. Ожидается, что спрос будет продолжаться или увеличиваться по мере увеличения распространенности электромобилей. Геологоразведочные работы в 2016–2017 годах включали территорию вокруг Кобальта, Онтарио , район, где многие серебряные рудники прекратили работу несколько десятилетий назад. Кобальт для электромобилей увеличился на 81% с первого полугодия 2018 года до 7200 тонн в первом полугодии 2019 года при емкости батареи 46,3 ГВтч. Будущее электромобилей может зависеть от глубоководной добычи полезных ископаемых, поскольку кобальт богат горными породами на морском дне.

Поскольку о детском и рабском труде неоднократно сообщалось при добыче кобальта, в первую очередь на кустарных рудниках Демократической Республики Конго, технологические компании, стремящиеся к этичной цепочке поставок, столкнулись с нехваткой этого сырья, и цена на металлический кобальт в октябре достигла девятилетнего максимума. 2017 г. - более 30 долларов США за фунт по сравнению с 10 долларами США в конце 2015 года. После избыточного предложения цена упала до более нормальных 15 долларов в 2019 году. В качестве реакции на проблемы с кустарной добычей кобальта в ДР Конго ряд поставщиков кобальта и их заказчики создали Fair Cobalt Alliance (FCA), цель которого - положить конец использованию детского труда и улучшить условия труда при добыче и переработке кобальта в ДР Конго. Членами FCA являются Zhejiang Huayou Cobalt , Sono Motors , The Responsible Cobalt Initiative , Fairphone , Glencore и Tesla, Inc.

Европейский Союз проводит исследования возможности устранения требований к кобальту при производстве литий-ионных аккумуляторов. С августа 2020 года производители аккумуляторов постепенно снизили содержание кобальта в катоде с 1/3 ( NMC 111) до 2/10 (NMC 442) до 1/10 (NMC 811), а также ввели в аккумулятор катод LFP без содержания кобальта. пакеты электромобилей, таких как Tesla Model 3 . В сентябре 2020 года Tesla изложила свои планы по созданию собственных аккумуляторных элементов без кобальта.

Катализаторы

Некоторые соединения кобальта являются катализаторами окисления. Ацетат кобальта используется для превращения ксилола в терефталевую кислоту , предшественник основного полимера полиэтилентерефталата . Типичными катализаторами являются карбоксилаты кобальта (известные как кобальтовые мыла). Они также используются в красках, лаках и чернилах в качестве «сушильных агентов» за счет окисления олифы . Те же карбоксилаты используются для улучшения адгезии между сталью и резиной в радиальных шинах со стальным поясом. Кроме того, они используются в качестве ускорителей в системах полиэфирных смол .

Катализаторы на основе кобальта используются в реакциях с участием монооксида углерода . Кобальт также является катализатором процесса Фишера-Тропша для гидрирования монооксида углерода в жидкое топливо. Гидроформилирование из алкенов часто использует кобальт октакарбонил в качестве катализатора, хотя оно часто заменяется более эффективным иридий и родий катализаторов на основе, например , в процессе Cativa .

Гидродесульфуризации из нефти используют катализатор , полученный из кобальта и молибдена. Этот процесс помогает очистить нефть от примесей серы, которые мешают переработке жидкого топлива.

Пигменты и окраска

полка с синей стеклянной посудой
Кобальтово-синее стекло
синяя стеклянная бутылка с горлышком
Стекло цвета кобальта

До XIX века кобальт преимущественно использовался в качестве пигмента. Со времен средневековья его использовали для изготовления смальты , стекла синего цвета. Смальту получают путем плавления смеси обожженного минерала смальтита , кварца и карбоната калия , в результате чего получается силикатное стекло темно-синего цвета, которое после производства тонко измельчается. Смальта широко использовалась для окраски стекла и в качестве пигмента для картин. В 1780 году Свен Ринман открыл зеленый кобальт , а в 1802 году Луи Жак Тенар обнаружил синий кобальт. Кобальтовые пигменты , такие как синий кобальт (алюминат кобальта), небесно - голубой (кобальт (II) , станнат), различные оттенки кобальта зеленого цвета (смесь кобальта (II) , оксид и оксид цинка ) и кобальт - фиолетовый ( кобальт фосфат ) используются в качестве пигменты художника из-за их превосходной хроматической стабильности. Ауреолин (желтый кобальт) в настоящее время в значительной степени заменен более светостойкими желтыми пигментами.

Радиоизотопы

Кобальт-60 (Co-60 или 60 Co) полезен в качестве источника гамма-излучения, потому что он может быть произведен в предсказуемых количествах с высокой активностью путем бомбардировки кобальта нейтронами . Он излучает гамма-лучи с энергиями 1,17 и 1,33  МэВ .

Кобальт используется в дистанционной лучевой терапии , стерилизации предметов медицинского назначения и медицинских отходов, лучевой обработке пищевых продуктов для стерилизации (холодная пастеризация ), промышленной радиографии (например, рентгенограммах целостности сварных швов), измерениях плотности (например, измерениях плотности бетона) и переключателях высоты заполнения резервуара. . К сожалению, этот металл выделяет мелкую пыль, что создает проблемы с радиационной защитой . Кобальт из аппаратов лучевой терапии представляет собой серьезную опасность, если его не утилизировать должным образом, и одна из самых серьезных аварий с радиационным загрязнением в Северной Америке произошла в 1984 году, когда выброшенная установка лучевой терапии, содержащая кобальт-60, была ошибочно разобрана на свалке в Хуаресе, Мексика.

Кобальт-60 имеет период полураспада радиоактивного вещества 5,27 года. Потеря потенции требует периодической замены источника в лучевой терапии и является одной из причин, по которой кобальтовые аппараты в значительной степени заменены линейными ускорителями в современной лучевой терапии. Кобальт-57 (Co-57 или 57 Co) - это радиоизотоп кобальта, который чаще всего используется в медицинских тестах в качестве радиоактивной метки для поглощения витамина B 12 и для теста Шиллинга . Кобальт-57 используется в качестве источника в мессбауэровской спектроскопии и является одним из нескольких возможных источников в устройствах рентгеновской флуоресценции .

Конструкции ядерного оружия могут намеренно включать 59 Co, некоторые из которых будут активированы при ядерном взрыве с образованием 60 Co. 60 Co, рассеянный в виде ядерных осадков , иногда называют кобальтовой бомбой .

Другое использование

Биологическая роль

Кобальт необходим для метаболизма всех животных . Это ключевой компонент кобаламина , также известного как витамин B 12 , основного биологического резервуара кобальта как ультра-следового элемента . Бактерии в желудках жвачных животных превращают соли кобальта в витамин B 12 , соединение, которое могут продуцировать только бактерии или археи . Таким образом, минимальное присутствие кобальта в почве заметно улучшает здоровье пастбищных животных, и рекомендуется потребление 0,20 мг / кг в день, потому что они не имеют другого источника витамина B 12 .

Белки на основе кобаламина используют коррин для удержания кобальта. Коэнзим B 12 имеет реактивную связь C-Co, которая участвует в реакциях. У человека B 12 имеет два типа алкильных лигандов : метил и аденозил. MeB 12 способствует переносу метильной (-CH 3 ) группы. Аденозильная версия B 12 катализирует перегруппировки, в которых атом водорода непосредственно переносится между двумя соседними атомами с одновременным обменом вторым заместителем X, который может быть атомом углерода с заместителями, атомом кислорода спирта или амином. Мутаза метилмалонил-кофермента А (MUT) превращает MM1-CoA в Su-CoA , что является важным этапом извлечения энергии из белков и жиров.

Хотя гораздо реже, чем другие металлопротеины (например, цинка и железа), кроме B 12 известны другие кобальтопротеины . Эти белки включают метионинаминопептидазу 2 , фермент, встречающийся у людей и других млекопитающих, который не использует корриновое кольцо B 12 , но напрямую связывает кобальт. Другой фермент кобальта, не являющийся коррином , - это нитрилгидратаза , бактериальный фермент, метаболизирующий нитрилы .

Дефицит кобальта

У людей потребление кобальтсодержащего витамина B 12 удовлетворяет все потребности в кобальте. Для крупного рогатого скота и овец, которые удовлетворяют потребности в витамине B 12 за счет синтеза резидентными бактериями в рубце, есть функция неорганического кобальта. В начале 20 века, во время развития земледелия на вулканическом плато Северного острова в Новой Зеландии, крупный рогатый скот страдал от так называемой «кустарниковой болезни». Было обнаружено, что вулканическим почвам не хватает солей кобальта, необходимых для пищевой цепи крупного рогатого скота. «Болезнь побережья» овец в Девяносто Mile пустыне на юго - востоке от Южной Австралии был обнаружен в 1930 - е годы берут свое начало в питательных дефицитов микроэлементов кобальта и меди. Дефицит кобальта был преодолен путем разработки «кобальтовых пуль», плотных гранул оксида кобальта, смешанных с глиной, которые вводились перорально для поселения в рубце животного .

Вопросы здравоохранения

Кобальт
Опасности
Пиктограммы GHS GHS08: Опасность для здоровья
Сигнальное слово GHS Опасность
H317 , H334 , H413
Р261 , P272 , P273 , P280 , P285 , P302 + 352 , Р304 + 341 , P333 + 313 , P342 + 311 , P363 , P405 , P501
NFPA 704 (огненный алмаз)
2
0
0

Значение LD 50 для растворимых солей кобальта оценивается в диапазоне от 150 до 500 мг / кг. В США Управление по охране труда (OSHA) определило допустимый предел воздействия (PEL) на рабочем месте как средневзвешенное по времени (TWA) 0,1 мг / м 3 . Национальный институт профессиональной безопасности и здоровья (NIOSH) установила предел рекомендуемой экспозиции (REL) 0,05 мг / м 3 , временное среднее значение. Значение IDLH (непосредственная опасность для жизни и здоровья) составляет 20 мг / м 3 .

Однако хроническое употребление кобальта в дозах, намного меньших смертельной, вызывает серьезные проблемы со здоровьем. В 1966 году добавление соединений кобальта для стабилизации пивной пены в Канаде привело к своеобразной форме вызванной токсинами кардиомиопатии , которая стала известна как кардиомиопатия пьющих пиво .

Кроме того, согласно монографиям Международного агентства по изучению рака (IARC) , металлический кобальт может вызывать рак (то есть, возможно, канцерогенный , группа 2B IARC). [PDF]

При вдыхании вызывает проблемы с дыханием. Он также вызывает проблемы с кожей при прикосновении; После никеля и хрома кобальт является основной причиной контактного дерматита . С этими рисками сталкиваются добытчики кобальта.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Харпер, EM; Кавлак, Г .; Graedel, TE (2012). «Отслеживание металла гоблинов: цикл использования кобальта». Наука об окружающей среде и технологии . 46 (2): 1079–86. Bibcode : 2012EnST ... 46.1079H . DOI : 10.1021 / es201874e . PMID  22142288 .
  • Narendrula, R .; Нконголо, KK; Беккет, П. (2012). «Сравнительный анализ металлов почвы в Садбери (Онтарио, Канада) и Лубумбаши (Катанга, Демократическая Республика Конго)». Бюллетень загрязнения окружающей среды и токсикологии . 88 (2): 187–92. DOI : 10.1007 / s00128-011-0485-7 . PMID  22139330 . S2CID  34070357 .
  • Pauwels, H .; Pettenati, M .; Греффи, К. (2010). «Комбинированный эффект заброшенных шахт и сельского хозяйства на химический состав подземных вод». Журнал гидрологии загрязнителей . 115 (1–4): 64–78. Bibcode : 2010JCHyd.115 ... 64P . DOI : 10.1016 / j.jconhyd.2010.04.003 . PMID  20466452 .
  • Булут, Г. (2006). «Извлечение меди и кобальта из древних шлаков». Управление отходами и исследования . 24 (2): 118–24. DOI : 10.1177 / 0734242X06063350 . PMID  16634226 . S2CID  24931095 .
  • Джефферсон, JA; Escudero, E .; Уртадо, Мэн; Pando, J .; Tapia, R .; Свенсон, ER; Prchal, J .; Schreiner, GF; Schoene, RB; Уртадо, А .; Джонсон, Р.Дж. (2002). «Чрезмерный эритроцитоз, хроническая горная болезнь и уровень кобальта в сыворотке». Ланцет . 359 (9304): 407–8. DOI : 10.1016 / s0140-6736 (02) 07594-3 . PMID  11844517 . S2CID  12319751 .
  • Лёвольд, ТВ; Haugsbø, L. (1999). «Кобальтовый завод - диагнозы 1822-32 гг.». Tidsskrift для den Norske Laegeforening . 119 (30): 4544–6. PMID  10827501 .
  • Bird, GA; Hesslein, RH; Миллс, KH; Schwartz, WJ; Тернер, Массачусетс (1998). «Биоаккумуляция радионуклидов в удобренных бассейнах озера Канадский щит». Наука об окружающей среде в целом . 218 (1): 67–83. Bibcode : 1998ScTEn.218 ... 67В . DOI : 10.1016 / s0048-9697 (98) 00179-X . PMID  9718743 .
  • Немери, Б. (1990). «Металлотоксичность и дыхательные пути». Европейский респираторный журнал . 3 (2): 202–19. PMID  2178966 .
  • Казанцис, Г. (1981). «Роль кобальта, железа, свинца, марганца, ртути, платины, селена и титана в канцерогенезе» . Перспективы гигиены окружающей среды . 40 : 143–61. DOI : 10.1289 / ehp.8140143 . PMC  1568837 . PMID  7023929 .
  • Kerfoot, EJ; Фредрик, WG; Домейер, Э. (1975). «Исследования вдыхания металлического кобальта на миниатюрных свиньях». Журнал Американской ассоциации промышленной гигиены . 36 (1): 17–25. DOI : 10.1080 / 0002889758507202 . PMID  1111264 .

внешние ссылки