Кобальт и его характеристики

Общая характеристика кобальта

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кобальт – двадцать седьмой элемент Периодической таблицы. Обозначение – Co от латинского «cobaltum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 247.

В природе кобальт мало распространен: содержание в земной коре составляет около 0,004% (масс.). Чаще всего кобальт встречается в соединении с мышьяком в виде минералов кобальтовый шпейс CoAs₂ и кобальтовый блеск CoAs.

Кобальт – твердый, тягучий, похожий на железо блестящий металл (рис. 1). Как и железо, он обладает магнитными свойствами. Вода и воздух на него не действуют. В разбавленных кислотах растворяется значительно труднее, чем железо.

Кобальт. Внешний вид и его характеристики

Рис. 1. Кобальт. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса кобальта

Относительной молекулярная масса вещества (M_r) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A_r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии кобальт существует в виде одноатомных молекул Co, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 58,9332.

Аллотропия и аллотропные модификации кобальта

Кобальт имеет две модификации. До 430^oС устойчив α-кобальт (гексагональная плотноупакованная решетка); выше 430^oС — b-кобальт (гранецентрированная кубическая решетка).

Изотопы кобальта

Известно, что в природе кобальт может находиться в виде единственного стабильного изотопа ⁵⁹Co. Массовое число равно 59, ядро атома содержит двадцать семь протонов и тридцать два нейтрона.

Существуют искусственные нестабильные изотопы кобальта с массовыми числами от 45-ти до 75-ти и одиннадцати мета стабильных состояний, среди которых наиболее долгоживущим является ⁶⁰Co с периодом полураспада равным 5,2714 лет.

Ионы кобальта

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов кобальта выглядит следующим образом:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s².

В результате химического взаимодействия кобальт отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Cо ⁰ -2e → Cо ²⁺;

Cо ⁰ -3e → Cо ³⁺;

Cо ⁰ -4e → Cо ⁴⁺.

Молекула и атом кобальта

В свободном состоянии кобальт существует в виде одноатомных молекул Cо. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу кобальта:

Энергия ионизации атома, эВ	7,86
Относительная электроотрицательность	1,88
Радиус атома, нм	0,116

Сплавы кобальта

Кобальт применяется главным образом в сплавах, которые используются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов. Жаропрочный и жаростойкий сплав виталлиум содержит 65% кобальта, 28% хрома, 3% вольфрама и 4% молибдена. Этот сплав сохраняет высокую прочность и не подается коррозии при температурах до 800-850^oС.

Твердые сплавы стеллиты, содержащие 40-60% кобальта, 20-35% хрома, 5-20: вольфрама и 1-2% углерода, применяются для изготовления режущего инструмента. Кобальт входит также в состав керамикометаллических твердых сплавов – керметов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Кобальт массой 2,95 г растворили в соляной кислоте, при этом образовалась соль кобальта (II), через полученный раствор пропустили сероводород. Определите массу образовавшегося осадка.

Решение

Запишем уравнения реакций, о которых говорится в условии задачи:

Co + 2HCl_dilute = CoCl₂ + H₂↑ (1);

CoCl₂ + H₂S = CoS↓ + 2HCl (2).

Найдем количество вещества кобальта, вступившего в реакцию (молярная масса – 59 г/моль):

n = m / M;

n (Co) = m (Co) / M (Co);

n (Co) = 2,95 / 59 = 0,044 моль.

Согласно уравнению (1) n (Co) : n (CoCl₂) = 1:1, следовательно, n (Co) = n (CoCl₂) = 0,044 моль. Тогда, количество моль сульфида кобальта (II) (осадок) также будет равно 0,044 моль, поскольку n (CoCl₂) : n (CoS) = 1:1. Масса сульфида кобальта (II) равна (молярная масса – 91 г/моль):

m = n×M;

m (CoS)= n (CoS)×M (CoS);

m (CoS)= 0,044 × 91 = 4,004 г.

Ответ

Масса сульфида кобальта (II) равна 4,004 г

ПРИМЕР 2

Задание

Стандартный электродный потенциал никеля больше, чем кобальта (E^o_{Co²⁺/Co⁰} = -0,27 В, E^o_{Ni²⁺/Ni⁰} = -0,25 В). Изменится ли это соотношение, если измерить потенциал никеля в растворе его ионов с концентрацией 0,001 моль/дм ³, а потенциал кобальта – в растворе с концентрацией 0,1 моль/дм ³?

Решение

Определим электродные потенциалы кобальта и никеля в заданных условиях используя уравнение Нернста:

E^’_Ni²⁺_{/ Ni}⁰ = E^o_Ni²⁺_{/ Ni}⁰ – 0,059/n × lg (a_Ni²⁺/ a_Ni⁰);

E^’_Ni²⁺_{/ Ni}⁰ = -0,25 + (0,059/2) × lg10^-3;

E^’_Ni²⁺_{/ Ni}⁰ = -0,339 В.

E^’_Co²⁺_/Co^o = E^o_Co²⁺_/Co^o – 0,059/n × lg (a_Co²⁺/ a_Co^o);

E^’_Co²⁺_/Co^o = -0,27 + (0,059/2) × lg10^-1;

E^’_Co²⁺_/Co^o = -0,307 В.