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钴元素的性质、用途与生产工艺

创作时间:

作者:

@小白创作中心

钴元素的性质、用途与生产工艺

引用

来源

https://m.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_CN_cb9408267.htm

钴是一种重要的过渡金属元素，在工业、医学和科研领域有着广泛的应用。本文将从钴的化学性质、物理性质、发现历史、来源、应用、制备方法、健康危害以及上下游产品信息等方面，全面介绍这种元素的特点和用途。

基本信息

英文名：Cobalt
中文名：钴
CBNumber：CB9408267
分子式：Co
分子量：58.93
MOL File：7440-48-4.mol

化学性质

熔点：1495°C
沸点：2900 °C (lit.)
堆积密度：850kg/m3
密度：8.9 g/mL at 25 °C (lit.)
蒸气压：0Pa at 20℃
储存条件：无特殊限制
溶解度：H2O: soluble
形态：wire
颜色：Pink to red to violet
比重：8.9
Flame Color：Silvery white
电阻率 (resistivity)：6.24 μΩ-cm, 20°C
水溶解性：insoluble
Merck：13,2452
暴露限值：
TLV-TWA 0.05 mg as Co/m3(ACGIH)
PEL-TWA: 0.05 mg as Co/m3(NIOSH, OSHA)
TLV-STEL 0.1 mg as Co/m3(ACGIH)
IDLH 20 mg as Co/m3(NIOSH)
稳定性：Stable, but pyrophoric in air when finely divided. Incompatible with acetylene, hydrazinium nitrate, oxidizing agents, acids.
CAS 数据库：7440-48-4(CAS DataBase Reference)
(IARC)致癌物分类：2B (Vol. 52) 1991, 2B (Vol. 86) 2006, 2A (Vol. 86) 2006
NIST化学物质信息：Cobalt(7440-48-4)
EPA化学物质信息：Cobalt (7440-48-4)

安全信息

危险品标志：T,Xn,F
危险类别码：45-23/24/25-34-53-42/43-40-36/37-36/38-17-11-15
安全说明：53-23-26-36/37/39-45-61-37-24-22-36/37-5-43
危险品运输编号：UN 3264 8/PG 3
职业暴露等级：D
职业暴露限值：TWA: 0.05 mg/m3
WGK Germany：3
RTECS号：GF8750000
TSCA：Yes
海关编码：8105 20 00
危险等级：4.1
包装类别：III
毒害物质数据：7440-48-4(Hazardous Substances Data)
毒性：LD50 orally in Rabbit: 6170 mg/kg
立即威胁生命和健康浓度：20 mg Co/m3

钴的性质、用途与生产工艺

简介

钴是一种银灰色的脆而硬的金属，在室温下没有气味，没有蒸汽压力，不溶于水，除了超细的可溶于水的钴粉。它在空气中稳定，但与稀酸发生化学反应，是一种非挥发性金属。钴需求量很小，对维持生命很重要。它是唯一在维生素中发现的金属，最重要的是作为维生素B12的一部分，是血液形成所必需的。钴是许多天然矿物的组成成分，如硫化物、水合物和氧化物。钴化合物可以以不同的氧化态(0，+1，+2，+3，+4)出现，但最常见的氧化态是+2和+3。

钴有33种同位素，范围从Co-48到Co-75，钴-60的半衰期从几纳秒到5.272年不等。钴-59是构成地球上几乎所有(大约100%)自然存在元素的唯一稳定同位素。所有其他的同位素都是放射性的，是在核反应堆或核爆炸中人工制造的。

物理性质

钴是一种浅蓝色的钢灰色金属，可以打磨得闪闪发亮。它易碎，除非与其他金属合金，否则不具有延展性。金属钴的烟尘无臭，呈黑色。不同的钴化合物有不同的外观和气味，粉尘和烟雾颜色也有所不同。钴有两种同素异形体，六角形和立方形，六角形在室温下比立方形更稳定。粉末形式的钴金属接触溴化戊氟醚时燃烧，与熔融的硝酸铵、硝酸氢锆及强氧化剂不相容，应避免使用。粉末钴在空气中自燃。钴溶于稀酸，在水中溶解成超细粉末。

发现历史

1735年勃兰特分离出这种金属，1780年伯格曼证实它是一种元素。钴在自然界中分布广泛，但浓度很小。它是植物和动物的基本元素(如维生素B12)。

来源

钴在自然界中分布广泛，但浓度很小。钴是地球上第32丰富的元素，尽管只占地壳浓度的0.0025%，在海水中的浓度约为0.02 g/L。钴不存在自由金属态，地球上发现的大多数钴都分布在火成岩中，最常见的两种矿石是钴酸盐(CoAsS) 红柱石[Co3(AsO4)2]。在陨石、太阳和其他恒星的大气层中也发现钴元素的存在。另外，钴也存在于煤和土壤，以及动物和植物的微量元素中，它是植物和动物的基本元素(如维生素B12)，在动物体内的缺失会导致生长迟缓、贫血和无角体的丧失。

应用

钴存在于钴矿、重晶石和赤铜矿中，常与镍、银、铅、铜和铁矿石联系在一起，是这些矿石的副产品。它也存在于陨石中。美国地质调查局(U.S. Geological Survey)宣布，在靠近夏威夷群岛和其他美国太平洋领土的较浅海域，北太平洋中部洋底可能有富含钴的矿藏。钴是一种易碎、坚硬的金属，外观与铁和镍非常相似。它的磁导率大约是铁的三分之二。它是由铁、镍和其他金属合金制成的，几个世纪以来，这种盐一直被用于制造瓷器、玻璃、陶器、瓷砖和珐琅器中鲜艳而永久的蓝色。它是 Sevre和Thenard蓝的主要成分。氯离子溶液(CoCl2·6H2O)用作交感油墨。令人感兴趣的是钴胺;氧化物和硝酸盐很重要。谨慎地以氯化物、硫酸盐、乙酸盐或硝酸盐的形式使用钴，已被发现对纠正动物体内的某种矿物质缺乏症有效。

制备

从矿石中提取钴的方法根据矿石的类型和矿床的位置而不同。砷化矿石通过手工分选、重力分离或泡沫浮选进行浓缩，然后在高炉中用焦炭和石灰石熔炼成黄渣(一种由铁、钴和砷化镍混合而成的不纯混合物)。先磨碎，用盐烤，然后用水过滤。浸出后剩余的不溶性氯化物用硫酸磨碎，洗涤，过滤，然后将洗涤物加入浸出步骤的液体中。混合溶液先被氧化，然后用石灰中和。碱性砷酸铁沉淀并被除去，留下含钴和镍的溶液。连续加入氢氧化钠和次氯酸钠使钴沉淀为氢氧化物，钴最初是纯净的，但最终与氢氧化镍混合。将钴沉淀干燥、磨碎并形成球团，用木炭加热还原为金属钴。

一般来说，钴的生产包含各种物理和化学过程，包括磁选(用于三硫化二砷矿石)、硫化物焙烧(用于硫化矿石)、氨浸出、催化还原和电解。

精细的钴粒子可用二氯化钴与萘酸锂在乙二醇中还原制得。

健康危害

钴是必不可少的元素, 缺乏会导致恶性贫血,过量摄入该元素可能会导致红细胞增多症或红血球过多和心脏病变。接触粉尘可引起咳嗽和呼吸道刺激。长期吸入其粉尘或烟雾会影响肺功能，并可能引起弥漫性结节性纤维化和其他肺部疾病。皮肤接触可能会引起皮肤过敏反应，产生过敏型皮炎。

据报道，Co（II）离子在体外和体内均具有遗传毒性，并具有致癌性（De Boeck等人，2003年）。职业性接触硬金属（硬质合金）粉尘会增加患肺癌的风险。

用途

主要用于制造电碳制品、摩擦材料、含油轴承及粉末冶金结构材料等

用途

用于制超硬耐热合金和磁性合金、钴化合物、催化剂等

生产方法

主要钴矿有辉钴矿、砷钴矿。先将钴矿转化为氧化钴,然后用铝还原制取钴。将粉末状氧化钴放置于平置的石英管中,管外用管式电炉加热,先用氢气将管内空气排除,然后在不断通入氢气的情况下开始升温,还原反应在约150℃时即可发生,在温度为450～500℃时进行还原反应,可制得稳定的粉末状钴。而在250℃进行反应生成的钴粉具有自燃性,在900～1000℃则得到的是海绵状钴。也可用铝热法来制备块状钴,四氧化三钴与铝粉按下列反应方程式进行。称取30～50gCo3O4和反应所需的铝粉,混合均匀后置于坩埚中,以镁条引燃反应,反应进行得很剧烈。反应完成后除去上部的氧化铝渣即可得到块状钴。