COBALT: STRUCTURE, PROPRIÉTÉS, APPLICATIONS - CHIMIE - 2025

Le cobalt est un métal de transition appartenant au groupe VIIIB du tableau périodique et dont le symbole chimique est Co. est un solide bleu - gris (dépendant des impuretés) trouvé dans toute la croûte terrestre; bien que sa concentration en représente à peine 25 ppm ou 0,001%.

Ce métal est un oligo-élément essentiel dans la nutrition des ruminants. Il fait également partie du noyau de la vitamine B ₁₂, nécessaire à la maturation des érythrocytes. La vitamine B ₁₂ a une structure similaire à celle du groupe hème de l'hémoglobine; mais avec Co au lieu de Faith.

Échantillon de cobalt métallique. Source: Images haute résolution d'éléments chimiques

Dans la nature, le cobalt ne se trouve généralement pas pur, mais dans des matrices minérales complexes telles que: cobaltite, skutterudite, érythrite, etc. Dans ces minéraux, le cobalt est généralement combiné avec du nickel, du fer ou de l'arsenic.

Le nom «cobalt» vient du kobalt allemand, qui à son tour dérivé de kobolt, un nom que les mineurs ont donné aux minerais qui produisaient des colorants bleus et avaient peu de métaux qu'ils connaissaient; Les minerais qui, il convient de le mentionner, leur ont causé des empoisonnements.

Le cobalt se trouve dans les minerais avec le nickel, le fer et le cuivre, entre autres métaux. Par conséquent, il ne peut pas être obtenu pur et nécessite un travail de raffinage intense pour le purifier jusqu'à ce que son utilisation soit pratique.

Il a été découvert par le chimiste suédois Georg Brandt, entre 1730 et 1740. C'était le premier métal découvert depuis la préhistoire. Brandt a souligné que le cobalt était responsable de la teinte bleue de la céramique et du verre; et non le bismuth, comme on le croyait jusque-là.

Le cobalt a 29 isotopes. Le ⁵⁹ Co est stable et représente presque 100% des isotopes du cobalt; les 28 autres sont des radio-isotopes. Il s'agit notamment du ⁶⁰ Co, utilisé dans le traitement du cancer. C'est un élément magnétique, conservant son magnétisme à des températures élevées. Cette propriété lui a permis de former des alliages tels que le soi-disant Alinco, utilisé dans les haut-parleurs, les microphones, les cornes de radio, etc.

L'histoire

Antiquité

Le cobalt a été utilisé aussi loin que 2000 à 3000 ans avant JC Les dynasties égyptiennes, perses et chinoises l'ont utilisé dans la fabrication de leurs sculptures et céramiques. Il a fourni la coloration bleue si appréciée dans les œuvres d'art et les objets d'usage.

Les Egyptiens (1550 - 1292 avant JC) furent probablement les premiers à utiliser le cobalt pour donner au verre sa couleur bleue.

Le cobalt n'est pas isolé dans les minerais, mais en présence de minéraux avec le nickel, le cuivre et l'arsenic.

En essayant de faire fondre le cuivre avec du nickel, de l'oxyde d'arsenic a été produit, un gaz très toxique qui était la cause de l'empoisonnement subi par les mineurs.

Découverte

Le cobalt a été découvert, vers 1735, par le chimiste suédois Georg Brandt, qui s'est rendu compte que le cobalt, précisément, était le métal qui contribuait à la coloration bleue de la céramique et du verre.

C'était le premier métal découvert depuis l'Antiquité. Depuis cette époque, l'homme a utilisé de nombreux métaux tels que le fer, le cuivre, l'argent, l'étain, l'or, etc. Dans de nombreux cas, on ne sait pas quand ils ont commencé à être utilisés.

Production minière

La première extraction de cobalt au monde a commencé en Europe, la Norvège étant le premier producteur de bleu de cobalt; un composé d'alumine et de cobalt, ainsi que d'émail (verre de cobalt en poudre), utilisé comme pigment dans la céramique et la peinture.

La prépondérance dans la production de cobalt s'est déplacée vers la Nouvelle-Calédonie (1864) et le Canada (1904), dans la région de l'Ontario en raison de la découverte de gisements dans ces pays.

Plus tard, l'actuelle République démocratique du Congo (1913) est devenue le premier producteur mondial de cobalt en raison de la découverte de grands gisements dans la région du Katanga. Actuellement, ce pays, avec le Canada et l'Australie, est l'un des principaux producteurs de cobalt.

Pendant ce temps, le ROC est le premier producteur mondial de cobalt raffiné, important le métal de la République démocratique du Congo pour le raffiner.

En 1938, John Livinglood et Glenn Seaborg ont réalisé la production dans un réacteur atomique de ⁶⁰ Co; Isotope radioactif utilisé en médecine pour traiter le cancer.

Structure et configuration électronique du cobalt

Le cobalt, comme d'autres métaux, maintient ses atomes ensemble grâce à la liaison métallique. La force et la compression sont telles qu'elles établissent un cristal métallique, où il y a une marée d'électrons et de bandes de conduction qui expliquent leurs conductivités électriques et thermiques.

En analysant au microscope les cristaux de cobalt, on découvrira qu'ils ont une structure hexagonale compacte; il y a des triangles d'atomes de Co disposés en couches ABAB…, formant des prismes triangulaires avec des couches intercalées, qui à leur tour, représentent la sixième partie d'un hexagone.

Cette structure est présente pour la plupart des échantillons de cobalt à des températures inférieures à 450 ° C. Cependant, lorsque la température monte, une transition commence entre deux phases cristallographiques: l'hexagonale compacte (hcp) et la cubique face centrée (fcc).

La transition est lente, donc tous les cristaux hexagonaux ne deviennent pas cubiques. Ainsi, à des températures élevées, le cobalt peut présenter les deux structures cristallines; puis ses propriétés ne sont plus homogènes pour tous les métaux.

Taille des perles de cristal

La structure cristalline n'est pas complètement parfaite; il peut contenir des irrégularités qui définissent des grains cristallins de différentes tailles. Plus ils sont petits, plus le métal ou l'éponge est léger. Par contre, lorsque les grains sont gros, le métal deviendra solide et solide.

Le détail avec le cobalt est que non seulement les grains modifient l'aspect extérieur du métal, mais aussi sa structure cristalline. Au-dessous de 450 ° C, la structure hcp devrait prédominer; mais lorsque les grains sont petits, comme dans le cobalt spongieux, la structure dominante est le fcc.

Le contraire se produit lorsque les grains sont gros: la structure fcc domine le hcp. Cela a du sens car les gros grains sont plus lourds et exercent une plus grande pression les uns sur les autres. À des pressions plus élevées, les atomes de Co se compactent davantage et choisissent d'adopter la structure hcp.

À des températures élevées (T> 1000 ° C), les transitions qui viennent d'être décrites se produisent; mais dans le cas du cobalt spongieux, une petite partie de ses cristaux devient hexagonale, tandis que la plupart restent cubiques.

Nanocristaux HCP stables

Dans un travail de recherche espagnol (Peña O'shea V. et al., 2009), il a été démontré qu'il était possible de synthétiser des nanocristaux hexagonaux de cobalt capables de résister à des températures proches de 700 ° C sans subir de transitions vers la phase fcc.

Pour ce faire, les chercheurs ont réduit les échantillons d'oxydes de cobalt avec CO et H ₂, constatant que les nanocristaux hcp devaient leur stabilité à un revêtement de nanofibres de carbone.

Configuration électronique et états d'oxydation

La configuration électronique du cobalt est:

3d ⁷ 4s ²

Il peut donc théoriquement perdre jusqu'à neuf électrons de sa couche de valence; mais cela ne se produit pas (du moins dans des conditions normales), et le cation Co ^{9+ ne se forme pas non plus}.

Ses états d'oxydation sont: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, avec +2 et +3 étant les principaux.

Propriétés

Apparence physique

Métal solide et brillant bleu-gris. Le cobalt poli est blanc argenté avec une teinte bleuâtre.

Poids atomique

58,933 g / mol.

Numéro atomique

27.

Table périodique

C'est un métal de transition qui appartient au groupe 9 (VIIIB), période 4.

Point de fusion

1 768 K (1 495 ° C, 2 723 ° F).

Point d'ébullition

3 200 K (2 927 ° C, 5 301 ° F).

Densité à température ambiante

8,90 g / cm ³.

Température de fusion

16,06 kJ / mol.

Chaleur de vaporisation

377 kJ / mol.

Capacité calorique molaire

24,81 J / mol K

Vitesse du son

4720 m / s (mesuré sur une tige métallique).

Dureté

5,0 sur l'échelle de Mohs.

Magnétisme

C'est l'un des trois éléments ferromagnétiques à température ambiante. Les aimants au cobalt conservent leur magnétisme à des températures aussi élevées que 1 121 ° C (2 050 ° F).

Electronégativité

1,88 sur l'échelle de Pauling.

Énergie d'ionisation

Premier niveau d'ionisation: 740,4 kJ / mol.

Deuxième niveau d'ionisation: 1 648 kJ / mol.

Troisième niveau d'ionisation: 3 232 kJ / mol.

Radio atomique

125 h.

Volume atomique

6,7 cm ³ / mol.

Réactions

Le cobalt se dissout lentement dans les acides minéraux dilués. Il ne se combine pas directement avec l'hydrogène ou l'azote, mais il se combine avec le carbone, le phosphore et le soufre par chauffage. Il se lie à l'oxygène présent dans la vapeur d'eau à haute température.

Réagit vigoureusement avec l'acide nitrique 15 M, formant du nitrate de cobalt, Co (NO ₃) ₂. Réagit faiblement avec l'acide chlorhydrique pour former du chlorure de cobalt, CoCl ₂. Le cobalt ne forme pas d'hydrures.

Le Co ⁺² et le Co ⁺³ forment tous deux de nombreux complexes de coordination, étant considérés comme l'un des métaux avec le plus grand nombre de ces complexes.

Applications

Alliages

Les alliages de cobalt sont utilisés dans la fabrication de moteurs à réaction et de turbines à gaz. Un alliage appelé Alinco, composé d'aluminium, de nickel et de cobalt, possède de fortes propriétés magnétiques. Les aimants Alinco sont utilisés dans les appareils auditifs, les boussoles et les microphones.

Les soi-disant outils de coupe sont fabriqués avec des alliages de stellite, en cobalt, chrome et tungstène. Les superalliages ont un point de fusion proche de celui du cobalt, et se caractérisent par leur grande dureté, étant utilisés dans la fabrication d'outils à faible expansion.

Céramiques, sculptures et verre

Lunettes verres au cobalt. Source: Pxhere.

Depuis l'Antiquité, le cobalt a été utilisé par de nombreuses cultures pour donner à leurs œuvres d'art et de décoration une teinte bleue. En ce sens, des oxydes ont été utilisés: cobalt, CoO et cobalt, Co ₃ O ₄.

Outre leur utilisation dans la fabrication de céramiques, verres et émaux, les oxydes de cobalt sont utilisés dans la préparation de catalyseurs.

Médecins

Le cobalt-60 (⁶⁰ Co), un isotope radioactif qui émet des rayonnements bêta (β) et gamma (γ), est utilisé dans le traitement du cancer. Γ le rayonnement est un rayonnement électromagnétique, il a donc la capacité de pénétrer les tissus et d'atteindre les cellules cancéreuses, permettant ainsi leur éradication.

Les cellules cancéreuses sont des cellules qui se divisent rapidement, ce qui les rend plus sensibles aux rayonnements ionisants qui frappent leur noyau, endommageant le matériel génétique.

Le ⁶⁰ Co, comme d'autres radio-isotopes, est utilisé dans la stérilisation de matériaux utilisés dans la pratique médicale.

De même, le cobalt est utilisé dans la fabrication d'implants orthopédiques, avec le titane et l'acier inoxydable. Une grande partie des prothèses de hanche utilisent des tiges fémorales au chrome-cobalt.

Énergie alternative

Le cobalt est utilisé pour améliorer les performances des batteries rechargeables, jouant un rôle utile dans les véhicules hybrides.

Galvanoplastie

Le cobalt est utilisé pour donner aux surfaces métalliques une bonne finition qui les protège de l'oxydation. Le sulfate de cobalt, CoSO ₄, par exemple, est le principal composé de cobalt utilisé à cet égard.

Dans les laboratoires

Le chlorure de cobalt, CoCl ₂.6H ₂ O, est utilisé comme indicateur d'humidité dans les dessiccateurs. C'est un solide rose qui prend une couleur bleue en s'hydratant.

Rôle biologique

Le cobalt fait partie du site actif de la vitamine B ₁₂ (cyanocobalamine) impliquée dans la maturation des érythrocytes. Son absence provoque une anémie caractérisée par l'apparition dans la circulation sanguine de gros érythrocytes appelés mégaloblastes.

Où est-il situé

croûte terrestre

Le cobalt est largement distribué dans toute la croûte terrestre; bien que sa concentration soit très faible, estimant qu'il constitue 25 ppm de la croûte terrestre. Pendant ce temps, dans le système solaire dans son ensemble, sa concentration relative est de 4 ppm.

Il se trouve en petites quantités dans les complexes nickel-fer, étant originaire de la Terre et des météorites. On le trouve également en combinaison avec d'autres éléments dans les lacs, les rivières, les mers, les plantes et les animaux.

Vitamine B

De plus, c'est un élément essentiel pour la nutrition des ruminants et est présent dans la vitamine B ₁₂, nécessaire à la maturation des érythrocytes. Le cobalt n'est généralement pas isolé dans la nature, mais se trouve dans différents minéraux combinés à d'autres éléments.

Les minéraux

Les minéraux de cobalt comprennent les éléments suivants: la cobaltite, en combinaison avec l'arsenic et le soufre; l'érythrite, formé par l'arsenic et le cobalt hydraté; le glaucodot formé par le cobalt, le fer, l'arsenic et le soufre; et la skutterudite formée par le cobalt, le nickel et l'arsenic.

De plus, les minéraux de cobalt supplémentaires suivants peuvent être notés: linnaélite, émail et hétérogénite. Le cobalt est accompagné dans les minéraux principalement de nickel, d'arsenic et de fer.

La plupart du temps, le cobalt n'est pas extrait des minerais qui le contiennent, mais est un sous-produit de l'extraction du nickel, du fer, de l'arsenic, du cuivre, du manganèse et de l'argent. Un processus complexe est nécessaire pour extraire et isoler le cobalt de ces minéraux.

Références

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