Grupul Scolar “Atanasie Marienescu”

Kovacs Timea-Melinda

Clasa a IX-a A

Starea naturala si metodele de obtinere

Cobaltul face parte dintre metalele care desi sunt relativ putin raspandite in natura au un rol foarte important in tehnica. Importanta cobaltului se datoreaza in primul rand valorii sale, drept component al asa-numitelor aliaje dure: aliaje metaloceramice si aliaje de turnare de tipul stelitilor, cum si aliaje cu proprietati specifice deosebite, magnetice, refractare si antiacide.

Cobaltul se intalneste foarte rar in stare nativa; in majoritatea cazurilor se gaseste in natura sub forma unor combinatii chimice - mineralele: arseniuri (smaltina, skutterudit etc.), sulfuri (linneit, cobaltipirita etc.), cobaltina; efluorescente cobaltice etc. Aceste minerale se gasesc adeseori impreuna cu minereurile de argint; avand aceeasi culoare ele sunt greu de deosebit. La reducerea argintului are loc concomitent si reducerea cobaltului, astfel ca inainte nu se putea prin metode tehnice simple sa se separe aceste metale. In Evul Mediu acest fenomen era pus pe seama unor spirite supranaturale - “Kobold” - de unde si numele minereului, iar apoi si al metalului.

Cobaltul a fost obtinut pentru prima oara in 1735. Dificultatile care se ivesc la obtinerea cobaltului se datoresc faptului ca se gaseste de obicei in concentratii foarte mici in minereuri; oxidul de cobalt trebuie obtinut prin topire, urmand apoi sa se purifice, si sa se reduca oxidul pur cu carbune, hidrogen, oxid de carbon, aluminiu etc., sau sa se dizolve oxidul de cobalt in acid si sa se separe cobaltul prin electroliza. In laborator cobaltul se poatye obtine prin reducerea oxidului de cobalt sau clorurii de cobalt cu hidrogen la 2508C; prin descompunerea oxalatului in hidrogen sau prin precipitarea cobaltului din solutii apoase de saruri ale acizilor slabi cu magneziu metalic, zinc etc. Cobaltul tehnic se obtine de obicei in cuptoare electrice, prin reducerea oxidului de cobalt cu cocs sau cu carbune de lemn, in prezenta de carbonat de calciu care se adauga pentru a lega sulful. Cobaltul obtinut prin aceasta metoda contine pana la 12% carbon. La obtinerea cobaltului prin reducerea oxidului cu aluminiu sau cu alt metal, reducatorul impurifica cobaltul. 35116fxo64fys5i

Cobaltul metalic se mai poate obtine prin electroliza solutiilor sarurilor sale. Cele mai bune rezulatate s-au obtinut la electroliza solutiilor de clorura de cobalt in prezenta de acid fosforic si monosolfat de sodiu.Metalul obtinut prin electroliza este impurificat cu hidrogen, uneori si cu sulf.

Metalul cu cea mai inalta puritate a fost obtinut prin reducerea oxizilor de cobalt cu hidrogen. In aceste conditii se obtine prin reducerea la 5008C un metal de puritate 99,86%.

Productia mondiala de cobalt (cu exceptia U.R.S.S), in 1938 - 39, era de 4500 t, iar in 1945 - dupa date din strainatate - 6000 t.

Proprietatile fizice

Alotropia. Datorita dificultatilor care se ivesc la obtinerea cobaltului de inalta puritate si din cauza prezentei unor transformari alotropice, cunostintele despre proprietatile fizice ale acestui metal sunt contradictorii. In cazul cobaltului s-a stabilit cu precizie existenta a doua varietati, dintre care una (Co-;) cu structura hexagonala cu aranjament compact este stabila dupa diferiti cercetatori pana la 360 - 4928C, iar cealalta (Co-b) cu retea cubica centrata in spatiu este stabila peste aceste temperaturi. xy116f5364fyys

Diferenta neta care exista intre diferitii cercetatori care au determinat temperaturile de transformare ale cobaltului se datoreste influentei apreciabile pe care o exercita prezenta in metal chiar a unor cantitati foarte mici de impuritati.

In literatura exista de asemenea indicatii ca trecerea formei Co-; in Co-b se efectueaza la temperaturi mult mai inalte. Datele communicate de diferitii cercetatori, care au determinat temperaturile de transformare alotropice ale cobaltului sunt rezumate in tabela urmatoare.

Caldura latenta de transformare a formei Co-a in Co-b (temperatura de transformare 4458C) este egala cu -1,5/cal/g iar caldura latenta de transformare a formei Co-b feromagnetic in cobaltul paramagnetic ( temperatura de transformare 11208C) este egala cu +1,6 cal/g.

Temperatura de transformare a cobaltului este in functie de marimea cristalelor sale. In cazul metalului cu structura foarte fina s-au obtinut temperaturi mai mari. Cercetandu-se transformarile alotropice ale cobaltului prin metoda analizei roentgenografice s-a confirmat existenta a doua modificatii ale cobaltului in stare solida, o modificatie cubica Co-b si una hexagonala cu aranjament compact Co-a. Prima modificatie (Co-b) este stabila peste 5008C, dar la racirea pulberii de cobalt se mentine pana la 3008C, temperatura la care apare o mica cantitate din modificatie cu structura hexagonala. Tinuta un timp mai indelungat la 3008C, cantitatea din faza cu structura hexagonala (Co-a) nu creste. Aceasta crestere are loc numai la coborarea temperaturii sub 3008C; la temperatura camerei, pulberea de cobalt este alcatuita din parti egale din ambele modificatii ale acestui metal. La incalzirea acestei pulberi de cobalt, modificatiile care exista nu se schimba pana la ~5008C, cand intreaga cantitate trece in Co-b cu structura cubica.

Intr-o bara de cobalt, transformarea formei Co-b in Co-a incepe la 4008C, si se termina aproape in intregime la 3008C. dar si in acest caz transformarea prin incalzire in Co-b se produce numai la 5008C. in cursul acestei cercetari, s-a stabilit de asemenea, ca la temperaturi peste 12008C, cobaltul sufera o transformare magnetica.

Densitatea. Densitatea cobaltului a cu structura hexagonala, determinata de diferiti cercetatori pe cale roentgenografica, variaza intre 8,65 - 8,79 g/cm³, in timp ce densitatea determinata direct prin metoda picnometrica a dat, in cateva cazuri, valori mai mari. S-a gasit astfel, ca densitatea unui cobalt laminat de puritate 99,8% este egala cu 8,9253 si 8,83 g/cm³. Densiatatea cobaltului electrolitic sub forma unei foite este 7,9678 g/cm³.

Proprietatile mecanice si capacitatea de a fi prelucrat prin presiune. Cobaltul are proprietati mecanice superioare. Rezistenta de rupere a cobaltului laminat si recopt este egala cu 50 kg/mm² la o alungire de 5%. Sarma de cobalt are valori mai mari ale rezistentei, rezistenta de rupere fiind in acest caz egala cu 70 kg/mm². Rexistenta de rupere a cobaltului turnat este egala cu 24,2 - 26,0 kg/ mm². Duritatea Brinell a cobaltului recopt este egala cu 132 kg/mm², iar a metalului ecruisat ajunge pana la 280 kg/mm². Modulul de elasticitate al cobaltului are valori intre 20000 - 21280 kg/mm², iar modulul de lunecare unghiulara 4710 - 7630 kg/mm².

Cobaltul retopit poate fi prelucrat sub presiune numai daca nu contine impuritati, oxizi si gaze dizolvate. Capacitatea cobaltului de a fi prelucrat sub presiune se amelioreaza printr-un adaos de 0,1% Mg, sau de litiu, care faciliteaza dezoxidarea cobaltului si fac inofensiva influenta sulfului.

Punctul de topire si caldura latenta de topire. Manualele moderne admit, ca punctul de topire al cobaltului este egal cu 14808C, temperatura care a fost gasita in cazul unui metal foarte pur. Caldura latenta de topire a cobaltului este egala cu 67 cal/g.

Temperatura de fierbere. Temperatura de fierbere a cobaltului se gaseste intre 2900 - 31358C, in timp ce datele referitoare la tensiunea de vapori a acestiu metal la diferite temperaturi nu sunt suficient verificate. Se considera, ca cobaltul este intr-o oarecare masura mai putin volatil decat fierul.

In vid cobaltul incepe sa se vaporizeze vizibil la 6408C si fierbe la 24158C. ultima cifra s-a obtinut intr-un vid de 30 mm col mercur.

Cifrele care caracterizeaza variatia temperaturii de fierbere a cobaltului, in functie de presiunile gasite prin calcul sunt urmatoarele:

Caldura specifica. Dupa diferiti cercetatori caldura specifica a cobaltului in intervalul de temperatura 15 - 1008C este 0,093 - 0,1056 cal/g8C.

Valorile numerice care caracterizeaza variatia caldurii specifice a cobaltului in functie de temperatura sunt urmatoarele:

Peste 12008C, caldura specifica a cobaltului solid este aproximativ constanta si rgala cu 0,167 cal/g, iar a cobaltului lichid este 0,265 cal/g si nu este in functie de temperatura.

S-a stabilit prin cercetarea influentei structurii cristaline a cobaltului asupra caldurii sale specifice, ca aceasta este cu atat mai mica, cu cat structura cristalina a cobaltului este mai fina.

Conductivitatea termica. Comunicarile din literatura asupra valorii conductivitatii termice a cobaltului sunt foarte putine si foarte diferite. In timp ce dupa unii cercetatori, conductivitatea termica a cobaltului la temperaturile 0 si 208c este 0,170 respectiv 0,1653, dupa alti cercetatori, conductivitatea termica la 208C este egala cu numai 0,1299 cal/cm∙s∙8C.

Conductivitatea, rezistivitatea si coeficientul de temperatura al rezistivitatii. Conductivitatea cobaltului la 08 este 17,22% din conductivitatea argintului.

Rezistivitatea cobaltului, cu diferite grade de puritate variaza intre 5,06 - 14.10^-6 ohmi∙cm. O valoare mai mica a rezistivitatii s-a obtinut in cazul unui cobalt retopit in vid. Coeficientul de temperatura al rezistivitatii electrice a acestui metal in intervalul de temperatura 0 - 1008C este egal cu 6,58.10 ^-5 .Rezistivitatea cobaltului de puritate 99,95% la 208C este egala cu 6,448.10^-6ohmi.cm.

Coeficientul de temperatura al rezistivitatii cobaltului creste treptat prin ridicarea temperaturii de la 0 la 4208C; in intervalul de temperatura 420 - 4408C scade brusc, dupa care creste din nou continuu pana la 11208C. la 11208C coeficientul de temperatura al rezistivitatii scade din nou si ramane constant pana la 13008C.

Raportul dintre rezistivitatea cobaltului la temperaturi inalte (R_t) si rezistivitatea lui la 08 (R₀) se exprima prin urmatoarele cifre.

Rezistivitatea cobaltului scade la marirea presiunii.

Proprietatile chimice

Activitatea chimica. Cobaltul este un metal putin activ din punct de vedere chimic. La temperatura obisnuita este stabil la actiunea apei, aerului umed, alcaliilor si acizilor organici. Cobaltul se pasiveaza in acid azotic concentrat si se dizolva in acid azotic formand Co(No₃)₂. Cobaltul se dizolva cu incetul in acid sulfuric si clorhidric diluati. La temperaturi inalte, cobaltul se combina cu metaloizii si oxigenul. Cobaltul fin divizat, obtinut prin reducerea oxizilor la 2508C, este piroforic.

Cobaltul si hidrogenul. Capacitatea cobaltului de a absorbi hidrogen este in functie de o serie intreaga de factoriI temperatura, conditiile in care s-a obtinut metalul etc.; astfel, cobaltul redus din bromura nu absoarbe hidrogen, in timp ce metalul obtinut prin reducere din oxizi contine cantitati diferite de gaz. Cobaltul redus la 4008C contine de aproximativ 100 ori volumul de hidrogen, care poate fi extras prin incalzire la 2008C in vid. O oxidare repetata, micsoreaza capacitatea cobaltului de a oclude hidrogen la reducere.

Cobaltul si hidrogenul. Cobaltul metalic se oxideaza foarte putin la temperatura obisnuita, chiar in aer foarte umed; incalzit insa la 3008C incepe sa se acopere cu o pelicula subtire de oxid. Reactia de oxidare a cobaltului se accelereaza apreciabil la 9008C. pulberea de cobalt metalic obtinut prin reducerea oxidului de cobalt cu hidrogen la 2508C, se autoaprinde in aer si arde cu o flacara stralucitoare. Pulberea de cobalt metalic, obtinut prin reducerea oxidului de cobalt cu hidrogen la 7008C, nu are proprietati piroforice.

Se cunosc patru combinatii oxigenate ale cobaltului:CoO,Co₂O₃,Co₃O₄ si CoO₂.

Combinatia oxigenata inferioara a cobaltului - oxidul cobaltos CoO este o pulbere cristalina nemagnetica cu structura cubica, de culoare verde-inchisa.

Reactia de oxidare a cobaltului la oxid cobaltos este insotita de degajarea unei cantitati de caldura de 57,49 kcal/mol. Oxidul cobaltos este stabil la aer, dar incalzit in incandescenta, trece in oxidul superior. Oxidul cobaltos se topeste la 19358C.

Oxidul cobaltos poate fi obtinut prin reducerea oxidului cobaltic la temperaturi mici ( pana la 3508C) in hidrogen sau prin incalzire in reductori slabi, de exemplu, amoniac gazos. Aceasta combinatie se mai poate obtine prin descompunerea carbonatului de cobalt sau oxidului cobaltic rosu in atmosfera de azot sau bioxid de carbon. Densitatea oxidului cobaltos este egala cu 5,68 g/cm³ in cazul celui obtinut prin descompunerea oxizilor superiori si 6,7 g/cm³ in cazul celui obtinut prin calcinarea sulfatului de cobalt la 1250 - 1300º C. Hidrogenul reduce oxidul cobaltos la cobalt metalic, la temperaturi peste 250ºC, iar oxidul de carbon il reduce peste 450ºC.

In industrie se utilizeaza pe scara larga proprietatea oxidului cobaltos de a da solutii solide cu alti oxizi metalici, formand oxizi complecsi de obicei cu culori vii care se intrebuinteaza la emailuri; aceste solutii solide se obtin prin calcinarea oxidului cobaltos la 1100ºC cu alumina, acid stanic, oxid de crom etc. Unii dintre acesti pigmenti au devenit foarte cunoscuti, cum este, de exemplu, albastru de cobalt, care se mai numeste albastrul lui Thenard sau ultramarin. Acest pigment se obtine prin amestecarea alaunului, sulfatului de cobalt si unei mici cantitai de sulfat de zinc. Exista de asemenea si un ‘verde turcesc’ obtinut prin incalzirea unui amestec de oxid de zinc si oxid cobaltos. Se obtine, de asemenea, un pigment rosu prin incalzirea oxidului de magneziu cu oxid cobaltos sau cu carbonat de cobalt.

Preparatul tehnic comun de cobalt utilizat la obtinerea emailurilor este oxidul cobalto-cobaltic Co₃O₄, obtinut prin calcinarea in aer a altor oxizi sau a azotatului de cobalt. Sub acest aspect el este o pulbere aproape neagra cu nuante profunde albastre sau verzi. Oxidul cobalto-cobaltic obtinut prin incalzirea clorurii de cobalt sau a unui amestec de oxid cobaltos cu clorura de amoniu la aer sau in oxigen se obtine sub forma unor octaedri microscopici, cu luciu metalic. Incalzit peste 1200ºC, Co₃O₄ se descpmpune si formeaza oxidul cobaltos CoO. Incalzit puternic in flacara unui bec de hidrogen, cat si prin incalzire la 900ºC in amestec cu carbune sau negru de fum, Co₃O₄ trece in cobalt metalic. Densitatea acestei combinatii este egala cu 5,8 - 6,3 g/cm³, iar reactia de formare din elemente are loc cu degajarea unei cantitati de caldura de 196,5 kcal/mol.

Hidrogenul reduce oxidul cobalto-cobaltic, incepand de la 190-2008C, iar reactia are loc energic inca de la 2508C. Intre 500 - 7008C, hidrogenul reduce mai mult decat 90% Co₃O₄, dar reducerea ultimilor 10% are loc incet. Reactia de reducere a oxidului Co₃O₄ cu hidrogen se termina in intregime si repede la 11008C.

Oxidul de carbon reduce repede oxidul cobalto-cobaltic la 9008C intre 350 - 4508C reactia are loc in cateva etape; la inceput se reduc oxizii, zpoi pulberea metalica descompune oxidul de carbon conform reactiei: Co + 2Co = Co + C + CO₂. La aproximativ 6008C, oxidul de carbon reduce oxidul cobalto-cobaltic la CoO.

Oxidul cobaltic Co₂O₃ se formeaza la incalzirea azotatului de cobalt la 1808C. Densitatea acestei combinatii sub forma unei pulberi negre amorfe este egala cu 5,18 g/cm³; hidrogenul il reduce la 1258C in oxid cobalto-cobaltic, la 2008C in oxid cobaltos, iar la 2508C in cobalt metalic. Oxidul cobaltic Co₂O₃ se decompune la 8958C.

In afara acestor trei oxizi descrisi s-a mai obtinut un bioxid de cobalt CoO_2, prin precipitarea solutiilor de saruri de cobalt cu hidroxid de sodiu; acest oxid este insa atat de instabil, incat la spalare se descompune partial, iar prin incalzire la 1008C se descompune complet.

Solubilitatea oxigenului in cobalt solid se caracterizeaza la diferite temperaturi prin urmatoarele cifre: