Cobalt

Cobalt (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp) là nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn có ký hiệu Co và số nguyên tử 27.

Thuộc tính
Cobalt là kim loại màu trắng bạc, có từ tính mạnh, nhiệt độ Curie vào khoảng 1388K. Cobalt và nickel là hai thành phần đặc trưng trong thép thiên thạch. Trong cơ thể động vật tồn tại một lượng nhỏ các muối cobalt. Đồng vị phóng xạ nhân tạo Cobalt-60 được sử dụng làm tác nhân kiểm tra phóng xạ và điều trị ung thư. Độ thấm từ của cobalt bằng \frac{2}{3} của sắt. Cobalt kim loại thông thường biểu hiện ở dạng hỗn hợp của hai cấu trúc trục tinh thể là xếp chặt sáu cạnh (hcp) và lập phương tâm mặt (fcc) với nhiệt độ chuyển tiếp từ hcp→fcc vào khoảng 722°K. Trạng thái oxy hóa phổ biến của nó là +2 và +3, rất ít hợp chất trong đó cobalt có hóa trị +1 tồn tại.

Ứng dụng
Hợp kim, như là:
Siêu hợp kim: cho những bộ phận trong tuabin khí của động cơ máy bay.
Hợp kim chịu mài mòn, ăn mòn.
Thép dùng trong ngành vận tải cao tốc.
Carbide hàn (còn gọi là các kim loại cứng), dụng cụ bằng kim cương.
Nam châm và lưu trữ từ tính (magnetic recording media):
Nam châm alnico
Chất xúc tác cho công nghiệp dầu khí và hóa chất.
Dùng trong kỹ thuật mã điện vì cobalt có độ cứng, có màu trắng bạc, và khả năng chống oxy hóa.
Tác nhân làm khô cho sơn, véc ni, mực.
Dùng làm lớp phủ bề mặt cho gốm sứ, men, thủy tinh.
Thuốc nhuộm (cobalt xanh dương Co(AlO2)2 và cobalt xanh lục CoZnO2).
Điện cực trong pin điện.
Đồng vị cobalt-60 dùng làm nguồn tạo tia gamma:
Dùng trong xạ trị.
Tiệt trùng thực phẩm theo phương pháp Pasteur.
Dùng trong công nghiệp hạt nhân để tìm sai sót kết cấu trong những bộ phận bằng kim loại.
Tạo cho thủy tinh có màu xanh dương.
Hợp chất của cobalt và gadolini là chất siêu làm lạnh.

Điều chế
Dùng H2 khử cobalt(II) oxide hoặc các oxide khác: CoO + H2 → Co + H2O
Điện phân dung dịch CoSO4 trong nước với cực dương bằng thép không gỉ đã được xử lý bề mặt và cực âm là 1 tấm chì tinh khiết. Sản phẩm thu được là 1 hỗn hợp gồm 99,1-99,2% còn lại là tạp chất nickel: 2CoSO4 + 2H2O → 2Co + O2 + 2H2SO4
Đốt cháy cobaltin (CoAsS) để chuyển hóa thành As2O3 & SO2. Chế hóa các oxide kim loại thành dạng chloride với HCl. Tăng độ pH dd chloride còn lại và thêm chloride vôi vào để oxy hóa cobalt(II) oxide: 2Co(OH)2 + CaOCl2 → 2Co(OH)3 + CaCl2. Nung kết tủa thành oxide rồi dùng carbon khử: Co3O4 + 4C → 3Co + 4CO↑

Đồng vị Co-60 được dùng làm nguồn tạo tia gamma vì nó có thể tạo ra một số lượng rất lớn, chỉ đơn giản bằng cách đặt cobalt tự nhiên dưới các neutron trong lò phản ứng với một khoảng thời gian nhất định.

Ứng dụng trong y học
Đồng vị Co-60 (Co60) là đồng vị phóng xạ dùng trong xạ trị. Nó tạo ra hai tia gamma với năng lượng lần lượt là: 1,17 MeV và 1,33 MeV. Nguồn Co-60 có đường kính khoảng 2&nbsp;cm và được tạo ra bằng cách tạo một vùng nửa tối, làm cho góc của vùng bức xạ bị mờ đi. Kim loại này có đặc tính tạo ra bụi mịn, gây ra vấn đề về bảo vệ bức xạ. Nguồn Co-60 hữu dụng trong vòng khoảng 5 năm, nhưng ngay cả sau thời điểm này, mức độ phóng xạ vẫn rất cao. Vì vậy máy móc dùng cobalt đã không còn được sử dụng rộng rãi ở các nước phương Tây. Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến máy gia tốc hạt tuyến tính thay cho máy móc dùng cobalt trước đây.

Lịch sử
Cobalt đã được biết đến từ thời cổ đại thông qua những hợp chất tạo cho thủy tinh có màu xanh dương đậm.

Georg Brandt (1694-1768) là nhà khoa học đã phát hiện ra cobalt. Thời điểm phát hiện vào khoảng thời gian 1730 - 1737. Ông đã chứng minh rằng cobalt là nguồn gốc tạo ra màu xanh dương trong thủy tinh, mà trước đây được người ta cho là do bismuth (Bismuth) (được phát hiện cùng với cobalt).

Trong suốt thế kỷ XIX, cobalt xanh dương được sản xuất tại nhà máy Blaafarveværket (Na Uy), sản lượng cobalt sản xuất tại đấy chiếm 70-80% sản lượng thế giới.

Vào năm 1938, John Livingood và Glenn Seaborg đã phát hiện đồng vị Co-60.

Tên gọi Cobalt (cobalt) có xuất xứ từ tiếng Đức kobalt hoặc kobold, nghĩa là linh hồn của quỷ dữ. Tên này do những người thợ mỏ đặt ra vì nó mang tính độc hại, gây ô nhiễm môi trường, và làm giảm giá trị những kim loại khác, như nickel. Những nguồn khác thì lại cho rằng tên gọi phát sinh từ những người thợ mỏ bạc vì họ tin rằng cobalt được đặt ra bởi kobolds là những người đã từng đánh cắp bạc. Một vài nguồn khác cho rằng tên gọi có xuất xứ từ tiếng Hy Lạp kobalos, nghĩa là 'mỏ', và có thể có nguồn gốc chung với kobold, goblin, và cobalt.

Vai trò sinh học

Nhiều sinh vật sống (kể cả người) phải cần đến một lượng nhỏ cobalt trong cơ thể để tồn tại. Cho vào đất một lượng nhỏ cobalt từ 0,13-0,30&nbsp;mg/kg sẽ làm tăng sức khỏe của những động vật ăn cỏ. Cobalt là một thành phần trung tâm của vitamin cobalamin, hoặc vitamin B-12.

Phổ biến

Cobalt không thể tìm thấy như là một kim loại tự do, mà nói chung là ở trong các dạng quặng. Người ta luôn luôn không khai thác cobalt riêng rẽ, và có xu hướng được dùng làm sản phẩm phụ trong hoạt động khai thác nickel và đồng. Những quặng cobalt chính là cobaltite, erythrite, glaucodot, và skutterudite. Những quốc gia sản xuất nhiều cobalt nhất thế giới là Cộng hòa dân chủ Congo, Trung Quốc, Zambia, Nga, và Úc. Cobalt còn được tìm thấy ở Phần Lan, Azerbaijan, và Kazakhstan. Nó còn được sản xuất ở thành phố Cobalt, tỉnh Ontario, ở Canada ở dạng sản phẩm phụ của hoạt động khai thác bạc.

Các hợp chất
Do có nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau, nên số lượng hợp chất cobalt khá phong phú. Các oxide không có từ tính ở nhiệt độ thấp như CoO (nhiệt độ Neel là 291 K), và Co3O4 (nhiệt độ Neel là 40 K). Các hợp chất cobalt(II) được dùng làm mực đỏ. Tuy nhiên màu bị chuyển thành xanh dương khi bị nung nóng đến nhiệt độ sôi. Thêm quá nhiều chloride cũng sẽ làm đổi màu từ màu hồng sang màu xanh dương, do sự tạo thành ion phức [CoCl4]2-.

Trạng thái oxy hóa +3 ít ổn định hơn. Trạng thái +4 ít gặp.

Trạng thái oxy hóa +5 cũng được biết đến, trong kali hypocobaltat K3CoO4. Trạng thái +6 cũng xuất hiện, trong kali cobaltat K2CoO4.

Đồng vị
Cobalt trong tự nhiên bao gồm 1 đồng vị ổn định là 59Co. Cobalt có 22 đồng vị phóng xạ. Những đồng vị phóng xạ ổn định nhất là 60Co có chu kỳ bán rã là 5,2714 năm, 57Co có chu kỳ bán rã là 271,79 ngày, 56Co có chu kỳ bán rã là 77,27 ngày, và 58Co có chu kỳ bán rã 70,86 ngày. Tất cả đồng vị phóng xạ còn lại có chu kỳ bán rã ít hơn 18 giờ và phần lớn những đồng vị này có chu kỳ bán rã ít hơn 1 giây. Nguyên tố này cũng có 4 đồng phân phóng xạ, tất cả các đồng phân này đều có chu kỳ bán rã ít hơn 15 phút.

Các đồng vị của cobalt có trọng lượng nguyên tử từ 50 amu (50Co) đến 73 amu.

Cảnh báo
Bột kim loại cobalt dễ bùng cháy khi tiếp xúc với lửa. Các hợp chất của cobalt phải được xử lý cẩn thận do có độc tính nhẹ.

60Co là nguồn phát ra tia gamma mạnh nên tiếp xúc với nó sẽ dẫn đến nguy cơ ung thư. Nuốt 60Co sẽ khiến cobalt thâm nhập vào mô tế bào và quá trình thải ra rất chậm chạp.60Co là yếu tố rủi ro gây tranh cãi về vấn đề hạt nhân vì nguồn neutron sẽ chuyển hóa 59Co thành đồng vị này. Một số mô hình vũ khí hạt nhân có chủ ý gia tăng lượng 60Co phát tán dưới hình thức bụi phóng xạ nguyên tử – nên có khi người ta gọi đó là bom bẩn hoặc bom cobalt. Một nhà khoa học hàng đầu đã dự đoán rằng loại bom này có khả năng hủy diệt tất cả sự sống trên Trái Đất. Nếu nguyên nhân bắt nguồn không phải là một cuộc chiến tranh hạt nhân, thì cũng do việc xử lý không phù hợp (hoặc trộm cắp) các bộ phận của máy xạ trị y học. Tuy nhiên, tia gamma phát ra từ 60Co hiện đang được sử dụng để diệt vi khuẩn và tăng sức đề kháng trên rau quả.

Tham khảo