Использование: для получения солей кобальта II применяемых в промышленности для производства красок и эмалей, катализаторов, аккумуляторов. Сущность изобретения: соли кобальта получают путем обработки технического оксида кобальта II, III или твердых отходов кобальтпотребляющих производств активированным углем при 400-600°С с последующим растворением продукта в соответствующей минеральной кислоте при молярном отношении Co(II):H + =1:(1,4-1,8), введением в полученный раствор гидроксида кобальта из расчета (1,0 1,2) моль Co(OH) 3 на 1 моль Fe в растворе и фильтрацией суспензии. Способ позволяет расширить сырьевую базу производства при использовании в качестве сырья технического оксида кобальта II, III и отходов кобальтпотребляющих производств, что позволит снизить себестоимость продукции. 1 з. п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области получения химических реактивов технологического назначения, а именно солей кобальта, применяемых в промышленности для производства красок и эмалей, катализаторов, аккумуляторов. Известны способы получения солей кобальта путем растворения металлического кобальта или его окисла в соответствующей минеральной кислоте: в Н 2 SO 4 или НCl в НNO 3 в присутствии восстановителя Недостатки указанных способов выделение агрессивных и взрывоопасных газов, дефицит и дороговизна сырья. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения солей кобальта, включающий обработку технического гидроксида Со(III) кристаллической щавелевой кислотой, в качестве восстановителя вводимой в пульпу Со(ОН) 3 до образования твердого продукта, с последующим его растворением в соответствующей минеральной кислоте. При этом обеспечивается очистка раствора получаемой соли от примесей цветных, щелочных и других металлов Недостатком способа является высокая себестоимость продукции вследствие, с одной стороны, невозможности получения соли кобальта реактивной квалификации с высокой степенью извлечения продукта при использовании в качестве исходного сырья кобальтсодержащих отходов промышленных производств (в том числе производства органических веществ), а с другой, дефицитности используемого восстановителя щавелевой кислоты. Предлагается способ получения солей кобальта (II), включающий обработку кобальтсодержащего сырья восстановителем с последующим растворением продукта в минеральной кислоте, где в качестве исходного сырья используют технический оксид кобальта (II, III) или твердые отходы кобальтпотребляющих производств. Восстановление ведут активированным углем при t (400-600) о С. Растворение продукта в минеральной кислоте осуществляют при мольном отношении Со II 1 (1,4-1,8) с последующим введением в полученный раствор гидроксида Со(III) и фильтрацией суспензии. Гидроксид кобальта (III) вводят из расчета (1,0-1,2) моль на 1 моль Fe в растворе. Использование активированного угля и предлагаемая температура обеспечивают восстановление трехвалентных соединений кобальта и разложение органических примесей. Создаваемое в процессе растворения продукта рН среды (3-4) способствует адсорбции примесей металлов на поверхности нерастворившегося оксида Со и не полностью выгоревшего в заявляемых условиях (t 400-600 о С) активированного угля, как на коллекторах и, таким образом, эффективной очистки раствора соли Со уже на стадии растворения исходного сырья. Введение гидроксида Со(III) обеспечивает дополнительную очистку раствора от Fe II , переводимого в осадок в виде гидроксида железа (III). Образовавшуюся суспензию фильтруют, твердый остаток направляют в голову процесса. Заявляемая совокупность признаков обеспечивает комплексную очистку продукта от примесей металлов, органических и др. нерастворимых примесей и получение солей Со (II) реактивной квалификации. По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволит: исключить применение дефицитного восстановителя (щавелевой кислоты); значительно расширить сырьевую базу производства при использовании в качестве сырья технических оксидов Со (II, III) или различных твердых отходов кобальтпотребляющих производств, что позволит снизить себестоимость продукции; обеспечить возможность создания замкнутого цикла производства. П р и м е р 1. Готовят смесь 40 г кобальтового кека с содержанием 43 мас. Со 3+ и 1,8 г активированного угля. Смесь усредняют и нагревают до 550 о С. После охлаждения восстановленный оксид кобальта (II), взятый в виде суспензии, растворяют в 23 мл концентрированной серной кислоты ( 1,83 г/см 3) (Со 2+ H + 1 1,5) с последующим введением в реакционную смесь 0,13 г Со(ОН) 3 . Суспензию перемешивают и фильтруют. Нерастворимый остаток возвращают на растворение, а фильтрат упаривают, кристаллизуют и выделяют готовый продукт СоSO 4 7H 2 O, в котором определяют содержание примесей. Последующие примеры выполнялись аналогично, менялись исходное сырье (табл.1) и параметры проведения процесса. Данные опытов приведены в табл.2. Выход за оптимальные значения температуры восстановления, а также изменение соотношения Со 2+ Н + в сторону увеличения количества Со 2+ приводят к снижению степени извлечения продукта. Кроме того, повышение содержания исходного кобальта сверх заявляемого количества приводит к образованию плохо фильтруемой суспензии. Изменение мольного соотношения Со 2+ H + в сторону уменьшения количества кобальта Со(П) приводит к ухудшению качества продукта за счет неполной очистки от примесей. Введение оксида кобальта (III) осуществляют в оптимальном количестве, необходимом для восстановления Fe III , содержащегося в суспензии (1-1,2 М на 1 М Fe). Уменьшение количества кобальта (III) приводит к загрязнению продукта примесями, увеличение количества Со(III) сверх оптимального нецелесообразно. При этом использование в качестве кобальтсодержащего компонента технического оксида кобальта (II, III) или твердых отходов кобальтпотребляющих производств в предлагаемых режимах позволит снизить себестоимость продукции.
Формула изобретения
1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СОЛИ КОБАЛЬТА (II), включающий обработку кобальтсодержащего сырья восстановителем и последующее растворение продукта в соответствующей минеральной кислоте, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют технический оксид кобальта (II,III) или твердые отходы кобальтпотребляющих производств, в качестве восстановителя - активированный уголь, причем обработку ведут при 400-600 o С, а растворение продукта в минеральной кислоте осуществляют при молярном соотношении СО(II):Н + =1:(1,4-1,8) с последующим введением в полученную суспензию гидроксида кобальта (III) и фильтрацией ее. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что гидроксид кобальта в суспензию вводят в количестве 1,0-1,2 моля на 1 моль содержащегося в растворе железа.
Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии получения основных углекислых солей меди, цинка, никеля и кобальта и их оксидов, которые могут быть использованы в качестве сырья и полупродуктов в производстве катализаторов и поглотителей в химической и нефтехимической промышленности
Изобретение относится к химии и позволяет получить закись кобальта высокого качества путем углетермического восстановления закиси-окиси кобальта Соз04 в условиях вибрации при ускорении вибрации 2 К 4 и двухступенчатом нагреве при 600-650°С и 750-800°С
Обычный человек, не связанный с химией и медициной, как правило, смутно представляет значение кобальта для своей жизнедеятельности и здоровья. Еще одна причина, по которой мы затрудняемся объяснить, что такое кобальт, - это его скудное распространение в природе. Всего 0,004% - таково содержание его в земной коре. Однако металл и его соединения активно применяют в металлургии, сельском хозяйстве и медицине. В нашей статье мы расширим представления о роли кобальта в промышленности, а также остановимся на его функциях в организме человека.
Место элемента в периодической системе
Какое же место в периодической системе занимает кобальт? Свойства химических элементов, в том числе и рассматриваемого нами металла, зависят от их положения в таблице Д. И. Менделеева. Он расположен в VIII б группе (в короткой форме таблицы - в триаде железа VIII группы). Как у железа и никеля, в его атоме на последнем энергетическом уровне находятся два электрона, что свидетельствует о принадлежности металла к d-элементам и обуславливает его основные характеристики. Металл имеет две валентности - II и III. Для него также характерно явление аллотропии, модификации металла могут иметь кубическую или гексагональную структуру.
Что такое кобальт?
Каковы же физические свойства элемента? По внешнему виду обладающий высокой твердостью и магнитными свойствами. Серебристый блеск, тягучесть и термическая устойчивость - вот еще некоторые физические признаки элемента, присущие также и двум другим его соседям по периодической системе - никелю и железу. Ни кислород, ни вода не действуют на кобальт при обычной температуре. Его соединения, например, смальта, известны с давних времен, как вещества, применяемые для получения синего витражного стекла и окрашивания керамических изделий.
Кобальт - это типичный металл, похожий своими химическими свойствами на железо. Каковы же особенности его оксидов, оснований и солей?
Соединения двухвалентного и трехвалентного кобальта
Способность образовывать комплексные соли - главный отличительный признак атомов Со (III). малоустойчивы, координационное число кобальта в них всегда равно шести. Они имеют высокую окислительную способность. Средние соли, например, CoCL 3 или Co 2 (SO 4) 3 легко переходят в соли, в которых кобальт - это уже двухвалентный металл. Безводные его соединения имеют синюю окраску, а кристаллогидраты и растворы - розовую. В отличие от других оснований, гидроксид трехвалентного кобальта при взаимодействии с хлоридной кислотой образует не соль и воду, а выделяет из нее свободный хлор. Основание двухвалентного металла в виде синего осадка получают прямой реакцией соответствующей соли со щелочью. Приведем характеристику свойств кобальта, входящего в состав твердых растворов металлов друг в друге - сплавов.
Он придает материалу исключительные технические параметры устойчивости к высоким температурам, твердости, стойкости к истиранию и коррозии. Сплавы, содержащие кобальт, применяются в оборонной промышленности, ракетостроении и в химических технологиях замкнутого цикла. В производстве инструментальных сортов стали, материалов с магнитными свойствами, как легирующую добавку, также используют кобальт. Характеристика свойств таких сплавов железа сильно отличается от обычных сортов нержавеющей стали, содержащих только хром или никель.
Применение кобальта в технике
Около трети всего получаемого в мире металла идет на производство керметов - искусственных композиционных материалов. Твердой основой в них служит карбид вольфрама, а связующим и закрепляющим компонентом выступает кобальт. Он также является стратегическим сырьем для производства турбин двигателей в самолетостроении.
В чистом виде металл практически не используется, зато применение кобальта в смеси с другими элементами (железом, медью, вольфрамом и хромом) широко распространено в различных отраслях. Сплав стеллит, содержащий до 60% кобальта, отличается повышенной жаропрочностью и твердостью, он является незаменимым материалом для изготовления резцов и сверл в инструментальном производстве. Такие как вольфрам и молибден, усиливают его характеристики. Сплав виталиум, обладающий высоким сопротивлением к пластической деформации, также содержит кобальт. соединения такова: жаропрочное и кислотоустойчивое, применяется в изготовлении химического оборудования: колонн синтеза, ректификационных аппаратов. Велика роль сплавов в противодействии различным видам коррозии, например детали и механизмы, сделанные из стеллита, противостоят разрушению при колебательных и трущихся движениях механических поверхностей в двигателях внутреннего сгорания.
Способы получения кобальта
Различные отрасли экономики требуют применения материалов, содержащих кобальт. Это способствует увеличению добычи руд и минералов, а именно: кобальтового шпейса и блеска. В состав этих горных пород входит еще и мышьяк, это вынуждает применять повышенные меры безопасности в процессах выплавки металла. Основной метод получения кобальта - пирометаллургия, используется также способ обработки руды сульфатной кислотой. Наиболее перспективными считаются залежи силикатно-оксидных руд, пирита и пентландита в Китае, России (на Кольском полуострове, в республике Тува и Красноярском крае), а также в Канаде.
Применение металла в сельском хозяйстве и медицине
Определенные важные свойства, которыми обладает микроэлемент кобальт, способствуют его применению, например, в растениеводстве для повышения вегетативной массы растений. У люцерны, люпина, клевера и других ценных кормовых трав семейства Бобовые, он включается в ферментативные реакции азотофиксации, происходящие с помощью клубеньковых бактерий. Недостаток микроэлемента проявляется такими симптомами, как обесцвечивание листовых пластинок и потеря ними способности к фотосинтезу, замедлением ростовых процессов и нарушением всего цикла развития растения. Избыточное содержание кобальта возможно вследствие нарушения норм внесения микроудобрений. Так как его соединения хорошо растворимы в воде, они сразу же поступают в ксилему и по проводящим элементам (сосудисто-волокнистым пучкам) попадают в мезофилл листа, вызывая их обесцвечивание и увядание. Наиболее чувствительны к избытку микроэлемента злаковые культуры: овес, ячмень, рис.
Биохимия о роли соединений кобальта
Отрасль биологии, изучающая живую материю на молекулярном и клеточном уровне, установила важную функцию данного химического элемента. Он входит в состав небелковой части биологически активных веществ - ферментов и гормонов. Например, кобальт в организме человека находится молекулах тироксина, вырабатываемых щитовидной железой и контролирующих процессы метаболизма. Еще один жизненно важный гормон, регулирующий уровень глюкозы в плазме крови, - инсулин. Он выделяется β-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы и также содержит соединения кобальта. Недостаточное поступление элемента в клетки и органы человека наблюдается во время перехода от смешанного питания к вегетарианству, при глистных инвазиях и заболеваниях пищеварительной системы. Как видим, кобальт - это микроэлемент, серьезно влияющий на уровень гомеостаза в человеческом организме.
Значение химического элемента в обмене веществ
Кроветворение, осуществляемое красным костным мозгом, происходит при участии кобальтсодержащих веществ - активаторов соответствующих ферментов. Один из главных витаминов группы В - цианкоболамин (В 12), участвуя в образовании эритроцитов в кроветворных органах, предохраняет организм от анемии. Правильное и сбалансированное питание, содержащее печень, говядину, морепродукты, курагу, свеклу, обеспечит необходимый уровень кобальта в организме человека (около 40 мг в сутки) и убережет его от заболеваний иммунной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем.
(Cobaltum; от нем. Ко-bold - домовой, гном), Со - хим. элемент VIII группы периодической системы элементов; ат. н. 27, ат. м. 58,9332. Тяжелый металл серебристого цвета с синеватым отливом. В соединениях проявляет степени окисления 0, +2 и +3. Природный К. состоит в основном из стабильного изотопа 59Со. Важнейший из искусственных радиоактивных - изотоп Со с периодом полураспада 5,24 года. Металлический К. впервые получил в 1735 швед, химик Ю. Брандт. Пром. использование К. относится к началу 20 в. (1907), когда был создан твердый сплав стеллит.
Содержание К. в земной коре 3 х 10-3%. Кобальт содержится в метеоритах, в микроколичествах обнаружен в морской воде, минер, источниках, в почве, в растительных и животных организмах. Значительное его количество (до 0,5%) найдено на дне океана (в «конкрециях»), В сульфидных ко-бальтсодержащих рудах встречаются : каттиерит CoS2, Co3S4, карролит CuS-Co2S3 и зигенит (Со, Ni)3S4. В мышьяковых кобальт-содержащих рудах есть (кобальтовый блеск) CoAsS, скутте-рудит CoAs3 и саффлорит (Со, Fe) As2. В окисленных (силикатных) рудах встречаются: гетерогенит СоО х 2Со2С03, асболан Со203 СоО X рМn02 gFe203 nH20, сфероко-бальтит СоС03.
Металлический кобальт существует в двух модификациях: при низкой т-ре и до т-ры 450° С стойка альфа-модификация с гексагональной плотноупакованной решеткой и периодами а = 2,5071 А и с = 4,0864 А. При т-ре 450° С К. переходит в бета-модификацию с кубической гранецентрировавной решеткой и периодом а = 3,5480 А (при т-ре 20дС в закаленном состоянии). Плотность (т-ра 20° С) 8,90 г/см3; tпл 1493Р С; tкип 3185°С; температурный коэфф. линейного расширения 12,08-10 град-1; коэфф. теплопроводности (т-pa 20е С) 0,165 кал/ см-сек-град; удельная теплоемкость (т-ра 20° С) 0,0989 кал/г х град; удельное электрическое сопротивление (т-ра 20° С) 5,68 х 10-6 ом х см. К. ферромагнитен, т-ра 1121° С.
Механические свойства К. (т-ра 20° С): предел прочности на растяжение 26 кгс/мм2; относительное удлинение 5%; модуль норм. упругости 20 750 кгс/мм2; НВ = 124. В разбавленных кислотах (соляной, серной, азотной) кобальт медленно растворяется, плавиковая к-та на него не действует, дымящая азотная к-та пассивирует металл. «Царская водка» и щавелевая к-та растворяют К. при комнатной т-ре, расплавленные щелочи реагируют с ним при т-ре красного каления. Компактный кобальт при обычной т-ре на воздухе не окисляется, при т-ре 300° С начинает покрываться тонкой окисной пленкой. С кислородом образует СоО, Со304 и Go203. Тонкодиспергированный кобальт пирофорен. С окисью углерода образует карбонил. , и взаимодействуют с кобальт уже при т-ре 209 С, образуя . , и реагируют при нагревании с образованием сульфидов, селенидов, фосфидов, арсенидов и антимонидов.
Кобальт сплавляется с бором и кремнием, образуя соответственно бориды и силициды. Растворяет (от 0,9 см3/100 г при т-ре 600РС (до 5,46 см3/Ш г при т-ре 1200 е С) и (1% при т-ре 1300е С и 3,5% при т-ре 1500° С). К. не реагирует с газообразным азотом. Практически не взаимодействует с серебром, ртутью, индием, свинцом и таллием. Образует непрерывные ряды твердых растворов (бета-модификацию) с железом, иридием, марганцем, никелем, палладием, платиной и родием; образует обширные, но ограниченные области твердых растворов с золотом, хромом, осмием, рением и рутением. Мн. образуют с К. интерметаллические соединения. Кобальт получают попутно с никелем из окисленных никелевых и сульфидных медноникелевых руд, подвергая кобальтсодержащее сырье пиро- и гидрометаллургической переработке.
Пирометаллургическая стадия включает получение и переработку конверторных шлаков никелевого произ-ва перемешиванием их со штейном рудной плавки, в результате чего получается масса, обогащенная кобальтом. Перерабатывают также жидкие конверторные шлаки меднонике-левого произ-ва со штейном рудной плавки при наличии восстановителя, получая обогащенный кобальтом штейн. В дальнейшем штейн конвертируют, и кобальт переходит в шлак, к-рый восстанавливают, получая богатый по содержанию кобальта сплав никеля и железа. В основе гидрометаллургической переработки сырья лежит перевод К. в раствор в виде сульфатных соединений или аммиачных комплексов. Различают процесс выщелачивания, применимый к рудам и концентратам и электрохим. растворение - для кобальтсодержащих полупродуктов (сплавов). Получают развитие экстракционные и сорбционные методы разделения никеля и кобальта.
Металлический кобальт получают электролитическим осаждением из растворов на катоде, а также восстановлением товарной окиси К. (смеси СоО + Со304 + Со208) углем в электр. печах. Выпускают К. марок КО (99,98% Со), К1А (99,30% Со), К1 (99,25% Со), К2 (98,0% Со) и КЗ (97,0% Со). К. марки КО поставляют в виде катодных листов или пластин, нарезанных из катодов; кобальт марок К1А, K1, К2 и КЗ - в виде слитков массой не более 25 кг или катодных пластин. Макс, размер пластины 500 X 500, миним.- 20Х20 мм. Электролитическим методом получают кобальтовый порошок марок ПК-1 (99,2% Со) и ПК-2 (98,2% Со), используемый для произ-ва спеченных изделий.
Осн. количество металлического К. идет на произ-во сплавов с особыми физ. св-вами, высококоэрцитивных магнитов, быстрорежущей и кобальтовой стали, жаропрочных и твердых сплавов. На основе кобальта получены катализаторы для органического синтеза. Из соединений К. изготовляют стойкие эмали и краски. Радиоактивный изотоп 60Со применяют как источник гамма-излучения в технике и медицине («кобальтовая пушка»). Перспективно использование К. в произ-ве газотурбинных двигателей, пост, магнитов новых типов, в устройствах каталитич. дожигания выхлопных газов автомоб. двигателей.
Природный кобальт — стабильный изотоп 59 Co (100%) . В качестве радиоактивного индикатора используют искусственный изотоп 60 Co (период полураспада 5,24 года) . В литосфере содержание кобальта приблизительно 0,002 масс. % .
Наиболее распространённые — арсенид (кобальтовый шпейс) CoAs 2 и сульфоарсенид (кобальтовый блеск) CoAsS .
Чистый кобальт похож на : блестящий, вязкий металл плотностью 8,84 г/см ³ , тугоплавок, обладает магнитными свойствами, устойчив к действию воды и воздуха. Кобальт менее активен, чем , труднее растворяется в разбавленных кислотах.
У кобальта два простых оксида: оксид кобальта (II) CoO и оксид кобальта (III) Co 2 O 3 , а также один смешанный оксид, в котором содержится кобальт II и III Co 3 O 4 (или CoO · Co 2 O 3 ) .
Гидроксид кобальта (II) Co(OH)2 получается при действии щелочей на растворы солей кобальта (II) . Сначала выпадает синий осадок гидроксохлорида кобальта:
CoCl 2 + NaOH = CoOHCl ↓ + NaCl
Под действием избытка едкого натра он переходит в розовый гидроксид кобальта (II) :
CoOHCl + NaOH = Co(OH) ↓ + NaCl
Воздуха (в присутствии воды) окисляет гидроксид кобальта (II) до тёмно — бурого гидроксида кобальта (III) :
4Co(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Co(OH) 3
Соли кобальта (II) в безводном состоянии синего, а в водных растворах (как и кристаллогидраты) розового цвета. Они достаточно устойчивы и разнообразны. Оксид кобальта (III) Co 2 O 3 соответствует гидроксид кобальта (III) Co(OH) 3 тёмно — коричневого цвета. Обычно соли кобальта (III) неустойчивы, но комплексные соединения прочны. Например, для него характерны хлорид гексаммино — кобальта (III) Cl 3 и гекса — нитро- (III) кобальт калия K3 .
В качестве комплексообразователя существует кобальт (II) , например, роданиды дают с ним комплексные ионы ² ⁻ синего цвета:
Co(NO 3 ) 2 + 4NH 4 SCN = (NH 4 ) 2 + 2NH 4 NO 3
Контрольная работа
Кобальт и синтез его соли
1. Литературный обзор
1 Кобальт. Общая характеристика элемента
2 Физические свойства кобальта
3 Химические свойства кобальта
4 Комплексные соединения Co(III)
Экспериментальная часть
1 Исходные вещества
2 Методика синтеза
2 Методика синтеза
2.3 Синтез
2.4 Анализ
Литература
Введение
Соединения кобальта представляют особый интерес, так как из трех основных ферримагнитных металлов: железа, никеля и кобальта. Последний обладает наиболее высокой точкой Кюри, т. е. той температурой, при которой металл утрачивает свойство быть магнитом. Если для никеля точка Кюри составляет всего 358°С, для железа 770°С, то для кобальта она достигает 1130°С. И так как магнитам приходится трудиться в самых разнообразных условиях, в том числе и при весьма высоких температурах, кобальту суждено было стать важнейшим компонентом магнитных сталей.
Использование кобальта довольно широко.
Кобальт играет важную роль в биологических процессах. Отсутствие кобальта в пище ведет к нарушению работы организма. Кобальт входит в состав витамина В12, в котором содержится 4,5 % кобальта. Это единственный витамин, в состав которого входит металл. Биологическая роль этого витамина очень велика. При отсутствии в организме витамина В12 развивается злокачественное малокровие. Витамин В12 потребляется и микробами, в том числе теми, которые живут в кишечнике человека.
Целью данной работы является синтез соли NO3
1. Литературный обзор
1.1 Кобальт. Общая характеристика элемента
Кобальт - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 27. Обозначается символом Co (лат. Cobaltum
).
Атомный номер - 27 Атомная масса - 58,933 Плотность, кг/м³ - 8900
Температура плавления, °С - 1495 Теплоемкость, кДж/(кг·°С) - 0,414 Электроотрицательность - 1,8 Ковалентный радиус, Å - 1,16
1-й ионизац. потенциал, эв - 7,86 История кобальта
Соединения кобальта (англ. Cobalt, франц. Cobalt, нем. Kobalt) были известны и применялись в глубокой древности. Сохранился египетский стеклянный кувшин, относящийся к ХV в. до н.э., окрашенный солями кобальта, а также голубые стекловидные кирпичи, содержащие кобальт. В древней Ассирии, а также в Вавилоне из кобальта изготовляли лазурит - голубую краску, которой обливали керамические изделия. Вероятно, исходным материалом для получения кобальтовых соединений служил тогда цаффер (Zaffer) - сапфир, содержащий висмут и кобальт; откуда, по-видимому, и произошли названия красок - сафлор, шафран и др. В средние века горняки находили вместе с другими рудами кобальтовую "землю", но не знали, что с ней делать. Иногда эта земля была похожа на серебряную руду, но не содержала никакого серебра. Примесь кобальтовой земли к другим рудам мешала выплавке металлов: с образующимся густым дымом (сульфидов и арсенидов) терялась часть выплавляемого металла. Кобальт упоминается у Бирингуччо, Василия Валентина, Парацельса и других авторов XV - XVII вв. В "Алхимическом лексиконе" Руланда (1612) о кобальте говорится: "Кобол кобальт (Koboltum, Kobaltum) или коллет (Colletum) - металлическая материя, чернее свинца и железа, растягивающаяся при нагревании. Кобальт - черная, немного похожая по цвету на золу материя, которую можно ковать и лить, но она не обладает металлическим блеском, и которая представляет собой вредную взвесь, уводящую (при плавке) вместе с дымом хорошую руду". Очевидно, здесь говорится о металлическом кобальте. Тем не менее в истории химии принято считать, что металлический кобальт был впервые описан в 1735 г. упсальским профессором Брандтом. В диссертации "О полуметаллах" Брандт указывает, в частности,что получаемый из руд металлический висмут не представляет собой чистого металла, а содержит "кобальтовый королек" (металлический кобальт). Он же выяснил,что соли кобальта окрашивают стекла в синий цвет. В чистом виде металлический кобальт был получен Верцелиусом. Нахождение кобальта в природе
Содержание Кобальт в литосфере 1,8·10-3% по массе. В земной коре он мигрирует в магмах, горячих и холодных водах. При магматической дифференциации кобальт накапливается главным образом в верхней мантии: его среднее содержание в ультраосновных породах 2·10-2% . С магматическими процессами связано образование так называемых ликвационных месторождений кобальтовых руд. Концентрируясь из горячих подземных вод, Кобальт образует гидротермальные месторождения; в них Со связан с Ni, As, S, Cu. Известно около 30 минералов Кобальт.
В биосфере Кобальт преимущественно рассеивается, однако на участках, где есть растения - концентраторы Кобальта, образуются кобальтовые месторождения. В верхней части земной коры наблюдается резкая дифференциация Кобальта - в глинах и сланцах в среднем содержится 2·10-3% Кобальта, в песчаниках 3·10-5, в известняках 1·10-5. Наиболее бедны Кобальтом песчаные почвы лесных районов. В поверхностных водах Кобальта мало, в Мировом океане его лишь 5·10-8% . Будучи слабым водным мигрантом, Кобальт легко переходит в осадки, адсорбируясь гидрооксидами марганца, глинами и других высокодисперсными минералами.
Кобальт входит в состав минералов: каролит CuCo2S4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтин CoAs2, скуттерудит (Co, Ni)As3 и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Кобальту сопутствуют железо, никель, марганец и медь. Содержание в морской воде приблизительно (1,7)·10−10%.
В природе кобальт всегда встречается вместе с никелем, главным образом в виде соединений с мышьяком. Важнейшими из минералов кобальта являются кобальтовый шпейс (смальтит) CoAs2 и кобальтовый блеск (кобальтит) CoAsS. Ничтожные количества кобальта имеются в морской воде (10-7%) и в воде минеральных источников. Кобальт входит в состав более 30 минералов. К ним относятся каролит CuCo2SO4, линнеит Co3S4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтит СоAs2 и другие. Как правило, кобальту в природе сопутствуют его соседи по 4-му периоду - никель, железо, медь и марганец.
1.2 Физические свойства кобальта
Кобальт - твердый металл, существующий в двух модификациях. При температурах от комнатной до 427 °C устойчива α-модификация. При температурах от 427 °C до температуры плавления (1494 °C) устойчива β-модификация кобальта (решётка кубическая гранецентрированная). Кобальт - ферромагнетик, точка Кюри 1121 °C.
Представляет собой блестящий металл, похожий на железо, с удельным весом 8,8. Температура его плавления несколько больше, чем у никеля. Кобальт очень тягуч. Он обладает большой твердостью и прочностью, чем сталь. Он ферромагнитен и только выше 10000 переходит в модификацию, не обладающую способностью намагничиваться. Желтоватый оттенок ему придает тонкий слой оксидов. При обычной температуре и до 417 °С кристаллическая решетка Кобальта гексагональная плотноупакованная (с периодами а = 2,5017Å, с = 4,614Å), выше этой температуры решетка Кобальта кубическая гранецентрированная (а = 3,5370Å). Атомный радиус 1,25Å, ионные радиусы Со2+0,78Å и Со3+0,64Å. Плотность 8,9 г/см3 (при 20 °С); tпл 1493°С, tкип3100°С. Теплоемкость 0,44 кдж/(кг·К), или 0,1056 кал/(г·°С); теплопроводность 69,08 вт/(м·К), или 165 кал/(см·сек·°С) при 0-100 °С. Удельное электросопротивление 5,68·10-8ом·м, или 5,68·10-6 ом·см (при О °С). Кобальт ферромагнитен, причем сохраняет ферромагнетизм от низких температур до точки Кюри, Θ = 1121 °С. Механические свойства Кобальта зависят от способа механической и термической обработки. Предел прочности при растяжении 500 Мн/м2 (или 50 кгс/мм2) для кованого и отожженного Кобальта; 242-260 Мн/м2для литого; 700 Мн/м2 для проволоки. Твердость по Бринеллю 2,8 Гн/м2 (или 280 кгс/мм2) для наклепанного металла, 3,0 Гн/м2для осажденного электролизом; 1,2-1,3 Гн/м2для отожженного.
1.3 Химические свойства кобальта
Конфигурация внешних электронных оболочек атома Кобальта 3d74s2. В соединениях Кобальт проявляет переменную валентность. В простых соединениях наиболее устойчив Со(П), в комплексных - Со(III). Для Со(I) и Co(IV) получены только немногочисленные комплексные соединения. При обыкновенной температуре компактный Кобальт стоек против действия воды и воздуха. Мелко раздробленный Кобальт, полученный восстановлением его оксида водородом при 250 °С (пирофорный Кобальт), на воздухе самовоспламеняется, превращаясь в СоО. Компактный Кобальт начинает окисляться на воздухе выше 300 °С; при красном калении он разлагает водяной пар: Со + Н2О = СоО + Н2. С галогенами Кобальт легко соединяется при нагревании, образуя галогениды СоХ2. При нагревании Кобальт взаимодействует с S, Se, P, As, Sb, С, Si, В, причем состав получающихся соединений иногда не удовлетворяет указанным выше валентным состояниям (например, Со2Р, Co2As, CoSb2, Со3С, CoSi3). В разбавленных соляной и серной кислотах Кобальт медленно растворяется с выделением водорода и образованием соответственно хлорида СоCl2 и сульфата CoSO4. Разбавленная азотная кислота растворяет Кобальт с выделением оксидов азота и образованием нитрата Co(NO3)2. Концентрированная HNO3 пассивирует Кобальт. Названные соли Со (II) хорошо растворимы в воде [при 25°С 100 г воды растворяют 52,4 г СоCl2, 39,3 г CoSO4, 136,4 г Co(NO3)2]. Едкие щелочи осаждают из растворов солей Со2+ синий гидрооксид Со(ОН)2, которая постепенно буреет вследствие окисления кислородом воздуха до Со(ОН)3. Нагревание в кислороде при 400-500 °С переводит СоО в черную закись-окись Со3О4, или СоО·Со2О3 - соединение типа шпинели. Соединение того же типа CoAl2О4 или СоО·Al2О3 синего цвета (тенарова синь, открытая в 1804 году Л. Ж. Тенаром) получается при прокаливании смеси СоО и Al2О3при температуре около 1000 °С
Из простых соединений Со (III) известны лишь немногие. При действии фтора на порошок Со или СоCl2 при 300-400 °С образуется коричневый фторид CoF3. Комплексные соединения Со (III) весьма устойчивы и получаются легко. Например, KNO2 осаждает из растворов солей Со (II), содержащих СН3СООН, желтый труднорастворимый гексанитрокобальтат (III) калия K3. Весьма многочисленны кобальтаммины (прежнее название кобальтиаки) - комплексные соединения Со (III), содержащие аммиак или некоторые органических амины.
Вода и воздух при обычной температуре не оказывают действия на компактный кобальт, но в мелкораздробленном состоянии он обладает пирофорными свойствами. В разбавленных кислотах, например в соляной или серной, кобальт растворяется значительно труднее, что соответствует его положению в электрохимическом ряду напряжений справа от железа (его нормальный потенциал равен -0,28 в). Разбавленная азотная кислота легко растворяет кобальт, а при действии концентрированной HNO3 он пассивируется. Образует соединения чаще всего в степени окисления +2, реже - в степени окисления +3 и очень редко в степенях окисления +1, +4 и +5. При нагревании на воздухе Со окисляется, а при температуре белого каления сгорает до Сo3O4. При нагревании кобальт соединяется со многими другими веществами, причем реакция его с S, P, As, Sb, Sn и Zn нередко сопровождается воспламенением. При сплавлении с кремнием Со образует целый ряд соединений. При высокой температуре он соединяется также с бором, но не реагирует с азотом. Кобальт легко образует соединения с галогенами. С железом и никелем, а также с хромом и марганцем он образует твердые растворы в любых соотношениях. По отношению к углероду кобальт ведет себя так же, как железо; однако при охлаждении углеродсодержащих расплавов никогда не выделяется карбид Со3С (хотя, по данным Руффа, существование его в расплаве является вероятным); если содержание углерода превышает пределы существования твердого раствора, избыток углерода всегда выделяется в виде графита. При действии СН4 или СО на тонкоизмельченный металлический кобальт при слабом нагревании (ниже 225°), по данным Бара, образуется соединение Со2С, разлагающееся при более высоких температурах. Каталитическое разложение СH4 и СО под действием кобальта происходит лишь при таких температурах, когда карбид становится неустойчивым
Co + 2HCl(разб.)+t= CoCl2 + H2
Co + H2SO4(разб.)+t= CoSO4+ H2
3Co + 8HNO4(разб.)+t= 3Co(NO3)2+ 2NO + 4H2O
Co + 4NaOH + 3O2+t= 4NaCoO2 + 2H2O
2Co + O2 +t=2CoO
Получение
Кобальт - относительно редкий металл, и богатые им месторождения в настоящее время практически исчерпаны. Поэтому кобальтсодержащее сырье (часто это никелевые руды, содержащие кобальт как примесь) сначала обогащают, получают из него концентрат. Этот сплав затем выщелачивают серной кислотой. Иногда для извлечения кобальта проводят сернокислотное «кучное» выщелачивание исходной руды (измельченную руду размещают в высоких кучах на специальных бетонных площадках и сверху поливают эти кучи выщелачивающим раствором). Для очистки кобальта от сопутствующих примесей все более широко применяют экстракцию. Наиболее сложная задача при очистке кобальта от примесей - это отделение кобальта от наиболее близкого к нему по химическим свойствам никеля. 2СоСl2+ NaClO + 4NaOH + H2O = 2Co(OH)3↓ + 5NaCl
Чёрный осадок Co(OH)3 прокаливают для удаления воды, а полученный оксид Со3O4 восстанавливают водородом или углеродом. Металлический кобальт, содержащий до 2-3% примесей (никель, железо, медь), может быть очищен электролизом.
Образование соединений кобальта
·При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором. 2Co + 3F2 → CoF3, но, Co + Cl2 → CoCl2
·С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую α-форму (при сплавлении порошков) и чёрную β-форму (выпадает в осадок из растворов).
·При нагревании CoS в атмосфере сероводорода получается сложный сульфид Со9S8
·С другими окисляющими элементами, такими как углерод, фосфор, азот, селен, кремний, бор. кобальт тоже образует сложные соединения, являющиеся смесями где присутствует кобальт со степенями окисления 1, 2, 3.
·Кобальт способен растворять водород, не образуя химических соединений. Косвенным путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН2 и СоН.
·Кобальт создаёт комплексные соединения. Чаще всего на основе аммиака.
Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли С12 грязно-желтого цвета.
Основная соль кобальта CoOHCl растворяется в избытке NH4OH с образованием аммиачно-комплекс-ных ионов [ Со (МН3) б ], окрашивающих раствор в коричнево-желтый цвет.
К осадку (I) основной соли кобальта CoOHCl и хлорида меркураммония [ HgNH2 ] C1 прибавьте 5 - 6 капель разбавленной серной кислоты и тщательно перемешайте палочкой, при этом CoOHCl растворяется, а хлорид меркураммония HgNH2l C1 остается в осадке.
Карбонат калия или натрия образует красноватый осадок основных солей кобальта переменного состава.
Соли аммония понижают свойства аммиака как основания и выпадение осадка основной соли кобальта не происходит.
Соли аммония поникают свойства аммиака как основания, и выпадение осадка основной соли кобальта не происходит.
Соли аммония поникает свойства аммиака как основания, и выпадение осадка основной соли кобальта не происходит.
Если первичный осадок - основная соль типа солей Фейтк-нехта (например, основные соли кобальта, никеля, свинца), имеющая не собственную, а лишь деформированную кристаллическую решетку соответствующего гидроксида, то кристаллическая решетка не разрушается, а совершенствуется или еще более деформируется в зависимости от характера вторичных межфазовых реакций.
Нафтенаты кобальта, необходимые для проведения процесса карбонилирования, могут вновь образовываться взаимодействием этих растворов, однако очень важно, чтобы при этом избыток щелочи или кислоты был нейтрализован, так как в случае избытка щелочи образуются основные соли кобальта, не растворимые ни в воде, ни в органических жидкостях; в случае же избытка кислоты часть кобальта (соответствующая количеству свободной кислоты) остается в водном растворе в виде сульфата. В обоих случаях происходят потери кобальта. Для предотвращения этого необходимо в стадии получения раствора нафтенатов кобальта в сырье поддерживать нейтральную реакцию.
Осадок на фильтре обрабатывают раствором соляной или серной кислоты. При этом основная соль кобальта растворяется и переходит в фильтрат, меркураммоний остается на фильтре. В фильтрате обнаруживают Со2 реакцией с тиоцианатом аммония или с тетрароданомеркуриатом аммония.
С NaOH, КОН и NH4OH Со - ионы образуют синий осадок основной соли кобальта, который при нагревании переходит в розовый Со (ОН) 2 (см. § 23, стр. Соц образуют розовый осадок оксикарбоната кобальта Со2 (ОН) 2СО3 (см. § 28, стр. Со дают фиолетовый осадок Со3 (РО4) 2 (см. § 25, стр.
С NaOH, КОН и NH4OH Со - ионы образуют синий осадок основной соли кобальта, который при нагревании переходит в розовый Со (ОН), (см. § 23, стр. Со образуют розовый осадок оксикарбоната кобальта Со2 (ОН) 2СО3 (см. § 28, стр. Со - т дают фиолетовый осадок Со3 (РО4), (см. § 25, стр.
С NaOH, КОН и NH4OH Со - ионы образуют синий осадок основной соли кобальта, который при нагревании переходит в розовый Со (ОН) 2 (см. § 23, стр. Со дают фиолетовый осадок Со3 (РО4) 2 (см. § 25, стр.
Внесите в две пробирки по 2 - 3 капли раствора соли кобальта и добавляйте по каплям раствор едкой щелочи. Сначала появляется синий осадок основной соли кобальта, который затем меняет цвет на розовый вследствие образования дигидроксида кобальта.