Cobalt

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Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Cobalt, Co, 27
Elementkategorie
Gruppe, Periode, Block 9, 4, d
Aussehen metallisch mit einem
bläulich-gräulichen Farbton
CAS-Nummer

7440-48-4

Massenanteil an der Erdhülle 0,003
Atomar
Atommasse 58,93320 u
Atomradius (berechnet) 135 (152) pm
Kovalenter Radius 126 pm
Elektronenkonfiguration [Ar]3d74s2
1. Ionisierungsenergie 760,4
2. Ionisierungsenergie 1648
3. Ionisierungsenergie 3232
4. Ionisierungsenergie 4950
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen 2 (α/β-Cobalt)
Kristallstruktur hexagonal beziehungsweise kubisch
(Übergangstemp. hcp->fcc: ~421 °C)
Dichte 8,9 g/cm3
Mohshärte 5,0
Magnetismus ferromagnetisch
Schmelzpunkt 1768 K (1495 °C)
Siedepunkt 3200 (2927 °C)
Molares Volumen 6,67 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 376,5
Schmelzenthalpie 16,19 kJ·mol−1
Dampfdruck 175 Pa bei 1768 K
Schallgeschwindigkeit 4720 m·s−1 bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 420 J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit 5,0
Elektrische Leitfähigkeit 17,2 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 100 W·m−1·K−1
Chemisch
Oxidationszustände 2, 3
Normalpotential −0,277 V (Co2+ + 2e− → 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-
Quanten-
zahl I 		γ in
rad·T−1·s−1 		Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
59Co 7/2 6,317 · 107 0,277 47,2
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung{{{GHS-Piktogramme}}}
H- und P-Sätze H: {{{H}}}
EUH: {{{EUH}}}
P: {{{P}}}
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 Symbol Co und der Ordnungszahl 27. Cobalt ist ein ferromagnetisches Schwermetall aus der 9. Gruppe (früher 8. Nebengruppe) des Periodensystems der Elemente. Es zählt zu den Übergangsmetallen. 1735 entdeckte der schwedische Chemiker Georg Brandt das bis dahin unbekannte Element und gab ihm den heutigen Namen.

Eine Besonderheit stellt die molare Masse von Cobalt dar, sie ist mit 58,93 größer als die 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

Cobaltverbindungen sind schon seit sehr langer Zeit bekannt und wurden vorwiegend zum Färben von Glas und Keramik verwendet (Cobaltblau).

Cobalterze sind schon seit langer Zeit bekannt. 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.[1]

Erstmals dargestellt wurde Cobalt 1735 vom schwedischen Chemiker Georg Brandt.

Vorkommen

Kobalterz

Cobalt ist ein seltenes Element mit einer Häufigkeit in der Erdkruste von ca. 0,003 %.[2] Damit steht es in der Liste der nach Häufigkeit geordneten Elemente an 30. Stelle.[3] 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 Elemente sind chalkophil (schwefelliebend) und 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 [4]), (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 %[2]). 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

Die Staaten mit der größten Förderung von Cobalt (2006)[5]
Rang Land Fördermengen
(in Tonnen pro Jahr) 		Fördermengen
(in Prozent)
1 Demokratische Republik Kongo 22000 38,3
2 Sambia 8600 15,0
3 Australien 6000 10,4
4 Kanada 5600 9,7
5 Russische Föd. 5100 8,9
6 Kuba 4000 7,0
7 Marokko 1500 2,6
8 China 1400 2,4
9 Neukaledonien 1100 1,9
10 Brasilien 1000 1,7
10 Andere Länder 1200 2,1
10 Gesamt 57500 100,0
Zeitliche Entwicklung der Cobaltförderung

Vorlage:Absatz-L

Gewinnung und Darstellung

Datei:Co1263g g.jpg
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:

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Cobalt ist ein stahlgraues, sehr zähes Schwermetall mit einer Dichte von 8,9 g/cm3.[6] Es ist ferromagnetisch mit einer Curie-Temperatur von 1150 °C[6]. Cobalt tritt in zwei Modifikationen, α-Cobalt mit einem hexagonal-dichtesten und β-Cobalt in einer kubisch-flächenzentrierten Kugelpackung, auf. Als typisches Metall leitet es Wärme und Strom (elektrische Leitfähigkeit 26 % von der des Kupfers[2]).

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.[7] 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 nur 14,4 keV. Hauptanwendung von 57Co ist die Mößbauerspektroskopie zur Unterscheidung von zweiwertigem und dreiwertigem Eisen.

Cobalt60 Gammaspektrum

Cobalt-60 (60Co) ist ein radioaktives Isotop von Cobalt mit einer Halbwertszeit von 5.27 Jahren. 60Co zerfällt über einen negativen Betazerfall in einen angeregten Zustand des stabilen Nuklids Nickel-60. Dabei sendet es mit einer Häufigkeit von 99.88% ein Elektron mit einer maximalen kinetischen Energie von 0,315 MeV aus. Beim Übergang in den Grundzustand emittiert der Nickelkern zwei Gammaquanten mit der Energie von 1,17 und 1,33 MeV.

Datenblatt
Datenblatt Co-60
Halbwertszeit 5.27a
Strahlung Gammastrahlung, 1.1732 MeV, 1.3325 MeV; Beta- Strahlung <=0.31 MeV
Vorkommen in der Natur -
Jahresproduktion ca. 500g / 20 PBq (geschätzt)
Äquivalentdosisleistungskonstante 0,35 mSv/(GBq h)
Gefahrgutklasse ADR 7
ADR 7 Transportmenge max 400 GBq
Oberflächenkontamination max 1 Bq/m²
Nichtüberwachte Weiterverarbeitung max 600 Bq/kg (Metallschrot)

Zerfallsschema

Zerfallsschema von 60Co

Das Diagramm zeigt ein vereinfachtes Zerfallsschema von Co-60. Zusätzlich gibt es ein weiteres Energieniveau, das mit 2,158 MeV zwischen den beiden eingezeichneten liegt. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 0.0022% wird es über einen 665.26 keV (max) β--Zerfall bevölkert. Übergänge zwischen diesen drei Energieniveaus sind für die 6 beobachteten Gammalinien verantwortlich.[8] Der Spin und die Parität des Ni-Grundniveaus betragen J=0+, die der angeregten 2+, 2+ und 4+.

Co60m ist ein Isomer von Co60. Sein angeregter Zustand liegt um 58,59 keV über dem von Co60. Seine Halbwertszeit beträgt 10,467 Minuten:

Co60m(IT)Co60

Gleichzeitig unterliegt auch Co60m dem Betazerfall und kann die Hauptlinien des Ni60 bevölkern.[9] Spin und Parität des angeregten Niveaus haben den Wert 2+, der Grundzustand von Co60 5+.

Die Gammastrahlung durch Innere Konversion liegen deutlich unterhalb der Hauptlinien.

Strahlungsstärke

Ein Gramm 60Co strahlt mit einer Intensität von ca. 42 TBq (1130 Curie). Zerfallsenergien und Zerfallszeit bestimmen die Dosisleistungskonstante. Bei Co-60 beträgt sie 0,35 mSv/(GBq h).

Beispielsweise erzeugt eine Strahlungsquelle von 2.8 GBq, das entspricht einer Menge von ca. 60µg reinem 60Co , innerhalb einer Stunde in 1m Entferung eine Strahlungsbelastung von 1mSv. Zum Vergleich: die natürliche Strahlungsbelastung beträgt in Deutschland 2mSv pro Jahr, entsprechend 0,2µSv pro Stunde. Bei 1mm Abstand (Verschlucken) reduziert sich die Zeit auf weniger als 1s.

60Co Testpräparate, wie sie für Schulversuche eingesezt werden, strahlen mit weniger als 100 kBq. Apparaturen für Durchstrahlungsprüfungen haben Zerfallsraten von 1 TBq und mehr.

Anwendungen

60Co wird als Gammaquelle (Kobaltkanone) in der Materialforschung und Medizin eingesetzt. Als radioaktiver Marker ersetzt es stabile Co-Atome in Cobalaminen (Vitamin B12), wodurch sich Stoffwechselprozesse in Lebewesen verfolgen lassen.

Vorkommen

Wegen der relativ kurzen Halbwertszeit kommt 60Co in der Natur nicht vor. Man gewinnt es durch Neutronenaktivierung aus Cobalt-59:

Co59(n,γ)Co60

Spontaner Zerfall von Cf-252 erzeugt Neutronen, die zur Herstellung von Kleinstmengen von Co-60 ausreichen. Um Co-60 Strahlungsquellen in größeren Mengen herzustellen, werden Co-59 Pellets von wenigen Millimetern Größe dem Neutronenfluss in Kernreaktoren ausgesetzt. Eine Quelle ist beispielsweise der Advanced Test Reactor[10] in den USA. Ein weiterer Lieferant ist China. Die Produktionsmenge beider Staaten liegt bei ca. 20 PBq (0.5MCi) pro Jahr.

Kontaminationen

Cobalt-59 ist ein Legierungselement von Stahl. Immer wieder passiert es, dass Cobalt-60 aus medizinischer Anwendung nicht sachgerecht entsorgt, sondern unter Stahlschrott gemischt wird.[11][12] In Deutschland informiert das Umweltbundesministerium über bekanntgewordene Vorfälle.[13]

Siehe auch

Verweise

  1. ↑ Brockhaus!, "Was so nicht im Lexikon steht", S. 255–256, ISBN 3-7653-1551-6.
  2. ↑ a b c dtv-Atlas Chemie, Band 1, dtv-Verlag (2000).
  3. ↑ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH Verlagsgesellschaft, 1988.
  4. ↑ Mineralienatlas:Kobaltnickelkies (Wiki).
  5. ↑ Cobalt bei USGS Mineral Resources.
  6. ↑ a b Holleman, Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 91.–100. Auflage,de Gruyter, Berlin 1985, ISBN 3-11-007511-3, S. 1146–1152.
  7. ↑ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties, in: Nuclear Physics, 2003, Bd. A 729, S. 3–128.
  8. ↑ detailed Co-60 Spectrum
  9. ↑ detailed Co60m Spectrum
  10. ↑ ATR
  11. ↑ radioactive contamination of steel, 1983. Kontamination ca. 30kBq/g
  12. ↑ Co-60 kontaminierter Stahlschrott in Deutschland (2009)
  13. ↑ Co-60 Kontaminationen 2008/2009


In der Medizin können auch andere Isotope wie 57Co oder 58Co als Tracer verwendet werden.[1]

Da 60Co unter Neutronenstrahlung aus 59Co entsteht, können Kernwaffen, bei diesen Neutronenstrahlung entsteht, mit Cobalt ummantelt werden (Cobaltbombe), um die Wirkung zu verstärken. Bei der Detonation bildet sich dann der starke Gammastrahler, durch den die Umgebung stärker kontaminiert wird als durch die Kernexplosion allein.[2] Wird 60Co nicht sachgerecht entsorgt, sondern mit anderem Cobalt eingeschmolzen und zu Stahl verarbeitet, kann es passieren, dass daraus gefertigte Stahlteile radioaktiv sind.[3]

→ Liste der Cobalt-Isotope

Anwendungen

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 in Trocknern für Farben und Lacke, als Katalysator (Entschwefelung/Hydrierung), als Hydroxid oder Lithium-Cobalt-Oxid (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 für die menschliche Ernährung ein essentielles Spurenelement als Bestandteil von Vitamin B12 (Cobalamin), welches beim gesunden Menschen von den Darmbakterien direkt aus Cobaltionen gebildet werden kann. Die benötigte Cobaltmenge ist extrem gering, nur etwa 0,2 Mikrogramm pro Tag. Während kleine Überdosen von Co-Verbindungen für den Menschen nur wenig giftig sind, führen größere Überdosen (ab etwa 25–30 Milligramm pro Tag) zu Haut-, Lungen-, Magenerkrankungen, Leber-, Herz-, Nierenschäden und Krebsgeschwüren. Als man in Kanada früher Biere zur Schaumstabilisierung mit Cobalt anreicherte, stieg die Mortalitätsrate bei starken Biertrinkern auf annähernd 50 % an – bedingt durch Herzmuskelschwäche („kanadisches Biertrinkerherz“). Heute wird dem Bier jedoch kein Cobalt mehr zugesetzt.[4]

Nachweis

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.

Quantitativ kann Cobalt mit EDTA in einer komplexometrischen Titration gegen Murexid als Indikator bestimmt werden.[5]

Verbindungen

Cobalt tritt in seinen Verbindungen meist zwei- oder dreiwertig auf; diese Verbindungen besitzen oft kräftige Farben.

Wichtige Cobaltverbindungen:

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. ↑ Arnold F. Holleman, Nils Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1681.
  2. ↑ Cobalt bei rutherford-online - Lexikon der Elemente 2006.
  3. ↑ Christian Schwägerl: Strahlenschrott wurde über ganz Deutschland verteilt. Spiegel online, 17. Februar 2009.
  4. ↑ Expert Group on Vitamins and Minerals, 2002.
  5. ↑ Komplexometrische Bestimmungen mit Titriplex (Hrsg. von E. Merck, Darmstadt).

Literatur

  • Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie (91.–100. Auflage). de Gruyter, Berlin, 1985, ISBN 3-11-007511-3.
  • Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie (1. Band, 9. Auflage), dtv, München 2000, ISBN 3-423-03217-0.
  • 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.
Wiktionary: Cobalt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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