Cobalt

Eigenschaften
[Ar] 3d7 4s2 27 Co Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Cobalt, Co, 27
Serie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	9, 4, d
Aussehen	metallisch mit einem bläulich-gräulichen Farbton
CAS-Nummer	7440-48-4
Massenanteil an der Erdhülle	37 ppm[1]
Atomar [2]
Atommasse	58,93320 u
Atomradius (berechnet)	135 (152) pm
Kovalenter Radius	low-spin: 126 pm, high-spin: 150 pm
Elektronenkonfiguration	[Ar] 3d7 4s2
Austrittsarbeit	5,0 eV[3]
1. Ionisierungsenergie	760,4 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1648 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	3232 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	4950 kJ/mol
Physikalisch [2]
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	2
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	8,90 g/cm3 (20 °C)[4]
Mohshärte	5,0
Magnetismus	ferromagnetisch
Schmelzpunkt	1768 K (1495 °C)
Siedepunkt	3173 K[5] (2900 °C)
Molares Volumen	6,67 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	390 kJ/mol[5]
Schmelzwärme	16,2 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	4720 m/s
Spezifische Wärmekapazität	421[1] J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit	16,7 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	100 W/(m · K)
Chemisch [2]
Oxidationszustände	2, 3
Oxide (Basizität)	amphoter (neutral)
Normalpotential	−0,28 V (Co2+ + 2 e− → Co)
Elektronegativität	1,88 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 55Co {syn.} 17,53 h ε 3,451 55Fe 56Co {syn.} 77,27 d ε 4,566 56Fe 57Co {syn.} 271,79 d ε 0,836 57Fe 58Co {syn.} 70,86 d ε 2,307 58Fe 59Co 100 % Stabil 60Co {syn.} 5,2714 a β−, γ, γ 0,31+1,17+1,33 60Ni 61Co {syn.} 1,850 h β− 1,322 61Ni
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin γ in rad·T−1·s−1 Er(1H) fL bei B = 4,7 T in MHz 59Co 7/2 6,332 · 107 0,278 23,7
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [6] Gefahr H- und P-Sätze H: 334​‐​317​‐​413 P: 261​‐​280​‐​342+311 [7] Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [6] Gesundheits- schädlich (Xn) R- und S-Sätze R: 42/43-53 S: (2)-22-24-37-61
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Cobalt (chemische Fachsprache; standardsprachlich Kobalt; von lateinisch cobaltum „Kobold“) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Co und der Ordnungszahl 27. Cobalt ist ein ferromagnetisches Übergangsmetall aus der 9. Gruppe oder Cobaltgruppe des Periodensystems. In der älteren Zählweise zählt es zur 8. Nebengruppe oder Eisen-Platin-Gruppe. 1735 entdeckte der schwedische Chemiker Georg Brandt das bis dahin unbekannte Element und gab ihm den heutigen Namen.

Eine Besonderheit stellt die Atommasse des natürlich vorkommenden Cobalts dar, sie ist mit 58,93 größer als die mittlere Atommasse von Nickel mit 58,69, dem nächsten Element im Periodensystem. Diese Besonderheit gibt es auch zwischen Argon (39,95) und Kalium (39,10) sowie zwischen Tellur (127,60) und Iod (126,90).

Geschichte

Cobalterze und Cobaltverbindungen sind schon seit sehr langer Zeit bekannt und wurden vorwiegend zum Färben von Glas und Keramik verwendet (Cobaltblau). Im Mittelalter wurden sie häufig für wertvolle Silber- und Kupfererze gehalten. Da sie sich aber nicht verarbeiten ließen und wegen des Arsengehalts beim Erhitzen schlechte Gerüche abgaben, wurden sie als verhext angesehen. Angeblich hätten Kobolde das kostbare Silber aufgefressen und an seiner Stelle wertlosere silberfarbene Erze ausgeschieden. Neben Cobalt waren dies auch Wolfram- und Nickelerze. Diese Erze wurden von den Bergleuten dann mit Spottnamen wie Nickel, Wolfram (etwa „Wolfsspucke“, lat. lupi spuma) und eben Kobolderz, also Cobalt belegt.^[8]

Erstmals dargestellt wurde Cobalt 1735 vom schwedischen Chemiker Georg Brandt.

Vorkommen

Skutterudit aus Marokko.

Cobalt ist ein seltenes Element mit einer Häufigkeit in der Erdkruste von ca. 0,003 %.^[9] Damit steht es in der Liste der nach Häufigkeit geordneten Elemente an 30. Stelle.^[4] Elementar kommt es nur äußerst selten in Meteoriten sowie im Erdkern vor. In vielen Mineralen ist Cobalt vertreten, kommt jedoch meist nur in geringen Mengen vor. Das Element ist stets mit Nickel, häufig auch mit Kupfer, Silber, Eisen oder Uran vergesellschaftet. Nickel ist dabei etwa drei- bis viermal so häufig wie Cobalt. Beide Metalle zählen zu den siderophilen Elementen und sind für basische und ultrabasische Magmatite charakteristisch.

Es gibt eine Reihe Cobalterze, in denen sich das Cobalt durch Verwitterung oder andere Prozesse angereichert hat. Die wichtigsten sind: Cobaltit (veraltet Kobaltglanz; CoAsS), Linneit und Siegenit (veraltet und irreführend Kobaltnickelkies ^[10]), (Co,Ni)₃S₄), Erythrin (veraltet Kobaltblüte), Asbolan (veraltet Erdkobalt), Skutterudit (Speiskobalt, Smaltin, CoAs₃) und Heterogenit (CoOOH).

Der Cobaltgehalt der sulfidischen Erze ist aber gering (meist nur 0,1–0,3 %^[9]). Wichtige Erzlagerstätten befinden sich in Kanada, Sambia, Marokko, Demokratische Republik Kongo, Kuba, Russland, Australien und in den USA.

Cobalt findet sich als Spurenelement in den meisten Böden.

Die Staaten mit der größten Förderung

Zeitliche Entwicklung der Cobaltförderung

Cobaltproduzenten

Vielfach wird Cobalt nicht in den Ländern raffiniert, in denen Cobalterze gefördert werden. Die folgende Tabelle des Cobalt Development Instituts - CDI^[12] listet die Produzenten von metallischem Cobalt sowie Cobaltsalzen und deren Produktionsmengen auf^[13]:

Anmerkungen A:

Gewinnung und Darstellung

Elektrolytkobalt, Reinheit 99,9 %

Cobalt wird überwiegend aus Kupfer- und Nickelerzen gewonnen. Die genaue Gewinnungsart ist von der Zusammensetzung des Ausgangserzes abhängig. Zunächst wird ein Teil des vorhandenen Eisensulfids durch Rösten in Eisenoxid umgewandelt und mit Siliciumdioxid als Eisensilicat verschlackt. Es entsteht der sogenannte Rohstein, der neben Cobalt noch Nickel, Kupfer und weiteres Eisen als Sulfid oder Arsenid enthält. Durch weiteres Abrösten mit Natriumcarbonat und Natriumnitrat wird weiterer Schwefel entfernt. Dabei bildet sich aus einem Teil des Schwefels und Arsens Sulfate und Arsenate, die mit Wasser ausgelaugt werden. Es bleiben die entsprechenden Metalloxide zurück, die mit Schwefel- oder Salzsäure behandelt werden. Dabei löst sich nur Kupfer nicht, während Nickel, Cobalt und Eisen in Lösung gehen. Mit Chlorkalk kann anschließend selektiv Cobalt als Cobalthydroxid ausgefällt und damit abgetrennt werden. Durch Erhitzen wird dieses in Cobalt(II,III)-oxid (Co₃O₄) umgewandelt und anschließend mit Koks oder Aluminiumpulver zu Cobalt reduziert:

$ \mathrm {Co_{3}O_{4}+2\ C\longrightarrow 3\ Co+2\ CO_{2}} $

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Kristallstruktur von α-Co, a = 250,7 pm, c = 406,9 pm^[14]

Cobalt ist ein stahlgraues, sehr zähes Schwermetall mit einer Dichte von 8,89 g/cm³.^[15] Es ist ferromagnetisch mit einer Curie-Temperatur von 1150 °C^[15]. Cobalt tritt in zwei Modifikationen, α-Cobalt und β-Cobalt auf. Unterhalb von 400 °C ist α-Cobalt stabiler, das in einer hexagonal-dichtesten Kristallstruktur in der Raumgruppe 6/mmm mit den Gitterparametern a = 250,7 pm und c = 406,9 pm sowie zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle kristallisiert. Bei 400 °C wandelt es sich in die kubisch-flächenzentrierte β-Form mit dem Gitterparameter a = 354,4 pm um.^[14]

Als typisches Metall leitet es Wärme und Strom gut (elektrische Leitfähigkeit 26 % von der des Kupfers^[9]).

Chemische Eigenschaften

Im chemischen Verhalten ist es dem Eisen und Nickel ähnlich, an der Luft durch Passivierung beständig; es wird nur von oxidierend wirkenden Säuren gelöst. Cobalt zählt mit einem Normalpotential von −0,277 V zu den unedlen Elementen. In Verbindungen kommt es vorwiegend in den Oxidationsstufen +II und +III vor. Es sind jedoch folgende Oxidationsstufen –I, 0, +I, +II, +III, +IV und +V in Verbindungen vertreten. Cobalt bildet eine Vielzahl von meist farbigen Komplexen. Darin ist, im Gegensatz zu kovalenten Verbindungen, die Oxidationsstufe +III häufiger und stabiler als +II.

Isotope

Es sind insgesamt 28 Isotope und 10 weitere Kernisomere zwischen ⁴⁷Co und ⁷⁵Co bekannt. Natürliches Cobalt besteht dabei zu 100 % aus dem Isotop ⁵⁹Co. Das Element ist daher eines der 22 Reinelemente.^[16] Dieses Isotop lässt sich durch die NMR-Spektroskopie untersuchen.

Das Nuklid ⁵⁷Co zerfällt über Elektroneneinfang zu ⁵⁷Fe. Die beim Übergang in den Grundzustand des Tochterkerns emittierte Gammastrahlung hat eine Energie von 122,06 keV (85,6%) und 14,4 keV (9,16%)^[17]. Hauptanwendung von ⁵⁷Co ist die Mößbauerspektroskopie zur Unterscheidung von zweiwertigem und dreiwertigem Eisen.

Zerfallsschema von ⁶⁰Co.

Das langlebigste der instabilen Isotope ist ⁶⁰Co (Cobalt-60, Spin 5⁺), das mit einer Halbwertszeit von 5,27 Jahren unter Betazerfall zunächst in einen angeregten Zustand von ⁶⁰Ni (Spin 4⁺) und anschließend unter Aussendung von Gammastrahlung (zwei Gammaquanten der Energie 1,17 und 1,33 MeV^[18]) in den Grundzustand (Spin 0⁺) dieses Nuklids zerfällt. Aus diesem Grund wird ⁶⁰Co als Gammastrahlungsquelle zur Sterilisierung oder Konservierung von Lebensmitteln, zur Materialuntersuchung (Durchstrahlungsprüfung) und in der Krebstherapie („Kobaltkanone“) verwendet.^[19] In der Medizin können auch andere Isotope wie ⁵⁷Co oder ⁵⁸Co als Tracer verwendet werden.^[20]

Aufgrund der - geologisch - relativ kurzen Halbwertszeit gibt es keine natürlichen Vorkommen von ⁶⁰Co. Die Gewinnung erfolgt durch Neutronenaktivierung aus ⁵⁹Co. Als Neutronenquelle für die Herstellung kleinerer Mengen dienen Spontanspaltungsquellen wie ²⁵²Cf, zur Herstellung größerer Mengen werden ⁵⁹Co-Pellets dem Neutronenfluss in Kernreaktoren ausgesetzt.

Die Entstehung von ⁶⁰Co aus ⁵⁹Co unter Neutronenstrahlung könnte potentiell auch zur Verstärkung der Wirkung von Kernwaffen benutzt werden, bei denen Neutronenstrahlung entsteht, indem diese mit Cobalt ummantelt würden (Cobaltbombe). Bei der Detonation würde dann der starke Gammastrahler gebildet, durch den die Umgebung stärker kontaminiert würde als durch die Kernexplosion allein.^[21] Wird ⁶⁰Co nicht sachgerecht entsorgt, sondern mit anderem Cobalt eingeschmolzen und zu Stahl verarbeitet, kann es passieren, dass daraus gefertigte Stahlteile radioaktiv sind.^[22][23]

Mit ⁶⁰Co wurde das Wu-Experiment durchgeführt, mit dem die Paritätsverletzung der schwachen Wechselwirkung entdeckt wurde.^[24]

Verwendung

Kobaltblaue Glasgegenstände aus Bristol

Als Legierungsbestandteil zur Erhöhung der Verschleiß- und Warmfestigkeit von legierten und hochlegierten Stählen und Superlegierungen, als Binderphase in Hartmetall-Sinterwerkstoffen und Diamantwerkzeugen, als Oxid, Sulfat, Hydroxid oder Carbonat in hitzefesten Farben und Pigmenten (z. B. für die Bemalung von Porzellan und Keramik), als Bestandteil von magnetischen Legierungen, als Acetat als Trockner (Sikkativ) für Farben und Lacke, als Katalysator (Entschwefelung/Hydrierung), als Hydroxid oder Lithium-Cobalt-Dioxid (LiCoO₂) in Batterien, in korrosions- bzw. verschleißfesten Legierungen und als Spurenelement für Medizin und Landwirtschaft. Seine Verwendung als Legierungselement und in Cobaltverbindungen macht es zu einem strategisch wichtigen Metall. (Siehe Vitallium: Implantate, Turbinenschaufel, Chemische Apparate).

Physiologie

Cobalt ist Bestandteil von Vitamin B₁₂ (Cobalamin), welches für den Menschen überlebensnotwendig ist. Beim gesunden Menschen kann besagtes Vitamin möglicherweise von Darmbakterien direkt aus Cobaltionen gebildet werden. Allerdings muss Cobalamin von dem im Magen produzierten Intrinsic Factor gebunden werden, um im Ileum aufgenommen werden zu können.^[25] Da der Produktionsort des vom Menschen hergestellten Cobalamin jedoch im Dickdarm liegt,^[26] ist eine Resorption nach aktuellem Wissensstand nicht möglich. Es wird dennoch eine tägliche Zufuhr von 0,1 μg Cobalt als Spurenelement für den täglichen Bedarf (Erwachsener) angegeben. Eine Mangel an Vitamin B₁₂ kann zu einer gestörten Erythropoese und damit zu Anämie (Blutarmut) führen.^[27] Während kleine Überdosen von Cobalt-Verbindungen für den Menschen nur wenig giftig sind, führen größere Dosen (ab etwa 25 bis 30 mg pro Tag) zu Haut-, Lungen-, Magenerkrankungen, Leber-, Herz-, Nierenschäden und Krebsgeschwüren.

Mitte der 1960er Jahre kam es in Kanada und den USA zu einer Reihe von Fällen einer Cobalt-induzierten Kardiomyopathie (Cobalt-Kardiomyopathie). In Quebec wurden 49, in Omaha 64 Patienten registriert. Die Symptome umfassten unter anderem Magenschmerzen, Gewichtsverlust, Übelkeit, Atemnot und Husten. Die Letalitätsrate betrug ca. 40 %. Autopsien ergaben schwere Schädigungen an Herzmuskel und Leber. Alle Patienten waren starke Biertrinker (1,5 bis 3 Liter/Tag). Sie konsumierten bevorzugt Sorten von lokalen Brauereien, die etwa einen Monat zuvor angefangen hatten dem Bier Cobalt(II)-sulfat als Schaumstabilisator beizumischen.^[28] Die Grenzwerte für Cobalt in Lebensmitteln waren nicht überschritten worden. Das Auftreten der Krankheitsfälle kam unmittelbar zum Stillstand, nachdem die Brauereien die Cobalt-Sulfat-Beimischungen einstellten.^[29][30]

Cobalt(II)-Salze aktivieren die Hypoxie induzierbaren Transkriptionsfaktoren (HIF) und steigern die Expression HIF-abhängiger Gene. Hierzu gehört das Gen für Erythropoietin (EPO). Cobalt(II)-Salze könnten von Sportlern missbraucht werden, um die Bildung roter Blutzellen zu fördern.^[31]

Nachweis

Kobalt(II)-thiocyanat aus Cobalt(II)-chlorid und Kaliumthiocyanat (oben in Aceton, unten in Wasser)

Eine relativ aussagekräftige Vorprobe für Cobalt ist die Phosphorsalzperle, die von Cobaltionen intensiv blau gefärbt wird. Im Kationentrennungsgang kann es neben Nickel mit Thiocyanat und Amylalkohol nachgewiesen werden, es bildet beim Lösen im Amylalkohol blaues Co(SCN)₂. Das in Wasser rotviolette Cobalt(II)-thiocyanat wird beim Versetzen mit Aceton ebenfalls blau.^[32]

Quantitativ kann Cobalt mit EDTA in einer komplexometrischen Titration gegen Murexid als Indikator bestimmt werden.^[33]

Verbindungen

Cobalt tritt in seinen Verbindungen meist zwei- oder dreiwertig auf; diese Verbindungen besitzen oft kräftige Farben (Kategorie: Cobaltverbindung).

Wichtige Cobaltverbindungen:

• Cobalt(II)-chlorid
• Cobaltoxide, wie Cobalt(II)-oxid oder Cobalt(II,III)-oxid
• Cobalt(II)-nitrat
• Cobalt(II)-sulfat
• Cobalt(II)-thiocyanat
• Cobalt(II)-acetat
• Cobaltgelb
• Thénards Blau
• Rinmans-Grün

Cobaltkomplexe

Ammincobalt(III)-komplexe: Hexaammincobalt(III)-chlorid und Aquapentaammincobalt(III)-chlorid

Aus einer Cobalt(II)-chloridlösung fällt bei Zugabe von Ammoniaklösung zunächst ein Niederschlag von Cobalt(II)-hydroxid aus, der sich im Überschuss von Ammoniaklösung und Ammoniumchlorid bei Gegenwart von Luftsauerstoff als Oxidationsmittel unter Bildung von unterschiedlichen Ammincobalt(III)-komplexen auflöst. Hierbei entstehen insbesondere das orangegelbe Hexaammincobalt(III)-chlorid und das rote Aquapentaammincobal(III)-chlorid.

$ \mathrm {2\ CoCl_{2}+2\ NH_{4}Cl+10\ NH_{3}+1/2\ O_{2}\longrightarrow 2\ [Co(NH_{3})_{6}]Cl_{3}+H_{2}O} $

$ \mathrm {2\ CoCl_{2}+2\ NH_{4}Cl+8\ NH_{3}+1/2\ O_{2}\longrightarrow 2\ [Co(H_{2}O)(NH_{3})_{5}]Cl_{3}} $

Daneben können sich auch verschiedene Chloroammincobalt(III)-komplexe bilden, wie Chloropentaammincobalt(III)-chlorid oder Dichlorotetraammincobalt(III)-chlorid. Teilweise fallen diese Verbindungen aus der Lösung aus. Daneben existieren auch Amminkomplexe von Cobalt(II)-salzen, wie das Hexaammincobalt(II)-sulfat, das durch Überleiten von Ammoniakgas über wasserfreies Cobalt(II)-sulfat hergestellt werden kann.

$ \mathrm {CoSO_{4}+6\ NH_{3}\longrightarrow [Co(NH_{3})_{6}]SO_{4}} $

Neben den Amminkomplexen existieren eine Vielzahl von Verbindungen mit unterschiedlichen Liganden. Beispiele sind das Kaliumhexacyanocobaltat(II) (K₄[Co(CN)₆]), das Kaliumtetrathiocyanatocobaltat(II) (K₂[Co(SCN)₄]), das Kaliumhexanitritocobaltat(III) (Fischers Salz, Cobaltgelb), sowie Komplexe mit organischen Liganden wie Ethylendiamin oder dem Oxalation.^[34]

Siehe auch

• Blaufarbenwerk

Literatur

• Nils Wiberg, Egon Wiberg, Arnold Fr. Holleman: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, Berlin 2007, de Gruyter Berlin, ISBN 978-3-11-017770-1.
• M. Binnewies: Allgemeine und Anorganische Chemie (1.Auflage). Spektrum Verlag., Heidelberg 2004, ISBN 3-8274-0208-5.
• Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente - das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.

Weblinks

Wiktionary: Cobalt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Cobalt – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Cobalt – Lern- und Lehrmaterialien

Wikisource: Ueber die chemische Zusammensetzung der Producte der freiwilligen Zersetzung der Kobalt- und Nickelerze – Quellen und Volltexte

• Mineralienatlas:Kobalt (Wiki)
• The Cobalt Development Institute

Einzelnachweise

Periodensystem der Elemente

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

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Sc

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V

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Mn

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Mt

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Rg

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

Alkalimetalle

Erdalkalimetalle

Lanthanoide

Actinoide

Übergangsmetalle

Metalle

Halbmetalle

Nichtmetalle

Halogene

Edelgase

unbekannt