一种化学元素 ,化学符号 Co , 原子序数 27 ,原子量58.9332,属周期系Ⅷ族。1735年瑞典G.布兰特从辉钴矿中还原出金属钴 ,其英文名称来源于德文 Kobalt ,含义是妖魔,这是因为辉钴矿中含有砷,损害了矿工的健康。钴在地壳中的含量为0.0023%,主要矿物有辉钴矿(CoAsS)、方钴矿(CoAs3)、砷钴矿(CoAs2)、钴土矿(CoO•2MnO2•4H2O)、菱钴矿(CoCO3)、钴华(3CoO•As2O5•8H2O)、硫铜钴矿(CuCo2S4)、硫钴矿(Co3S4),海底的锰结核中钴的储量很大,是钴的重要远景资源 。钴有两种同位素 :钴 59 为稳定同位素,钴60为放射性同位素。

        钴是银灰色有光泽的金属,熔点1495℃,沸点2870℃ ,相对密度8.9。有延展性和铁磁性 ,常温下 ,致密的金属钴在空气中稳定,高于300℃时 ,钴被氧化 ,极细的粉末状钴会自燃。室温下钴不和水作用,赤热的钴能分解水,并放出氢气。钴溶于稀盐酸、稀硫酸和稀硝酸,在发烟硝酸中,金属钴的表面被钝化。钴还能缓慢地与氢氟酸、氨水和氢氧化钠溶液作用。在加热时,钴与硫、氯、溴发生剧烈反应。钴的氧化态+1、+2、+3、+4 。

       在简单化合物中以+2价最稳定,简单的+3价钴离子是强氧化剂 ,容易被还原 。钴有三种氧化物:CoO、Co2O3 、Co3O4 。氢氧化钴〔Co(OH)2〕是两性氢氧化物,不溶于水,溶于酸,也溶于浓的强碱溶液 。钴也是一种成矾元素 ,硫酸钴(CoSO4) 能与碱金属硫酸盐形成矾[Co(SO4)2]•6H2O(M1为碱金属离子 )。+2和+3价钴离子都容易形成稳定的配位化合物,如 en为乙二胺)、 Coedta2-(edta为乙二胺四乙酸 )。 由于水合作用 、 溶剂化作用和配位作用,钴盐在水溶液中呈现多种颜色变化。在加压下,金属钴粉与一氧化碳化合成八羰基二钴[Co2(CO)8],它也是一种配位化合物.

        钴矿物的存在状态较复杂,矿石品位也低,所以提取工艺也很烦琐。砷钴矿可先与焦炭、石灰石放在鼓风炉内熔炼,得粗金属,然后经除杂质和氧化,得氢氧化钴,加热成氧化钴,用木炭加热还原成金属钴。氧化钴矿可先与焦炭、石灰石混合在电炉中熔炼,生成含钴合金,再经硫酸溶解和除杂质,得氢氧化钴后制成金属钴。大量钴用于生产钴与稀土金属的永磁合金,磁性很强。钴与镍、铬、钼、钨的合金在高温下强度高、耐热性能好,用于喷气飞机和燃气轮机。钴60是应用广泛的放射源,用于辐射育种和防治虫害,食品辐照保鲜,测定厚度以及放射治疗等。

       已知的含钴矿物约100种。主要的钴矿物为:硫钴矿(Co3S4)、纤维柱石(CuCo2S4)、辉砷钴矿(CoAsS)、砷钴矿(CoAs2)、钴华(3CoO•As2O5•8H2O)等。世界上的主要钴矿有四种类型:①铜钴矿,以扎伊尔、赞比亚储量为最大,扎伊尔的产钴量占全世界产量的一半以上;②镍钴矿,包括硫化矿和氧化矿;③砷钴矿;④含钴黄铁矿。这些钴矿含钴均较低。海底锰结核是钴的重要远景资源。从含钴废料中回收钴也日益受到人们的重视。

       中国已探明的钴储量最大的是甘肃金川硫化镍矿中伴生的钴。云南的硅酸镍矿以及四川、山东、湖北、山西、广东等地的黄铁矿中也含有钴。

       性质和用途

       在常温下,致密金属钴在空气和水中稳定,高于300℃时,钴在空气中开始氧化。赤热的钴能分解水放出氢。氢还原法制备的细金属钴粉在空气中能自燃生成氧化钴。

       含钴高温合金在 900~1000℃下仍有很高的强度和抗蠕变性能,多用于制作喷气发动机的耐高温部件。钴能提高铁基、铝镍基和稀土金属合金的磁饱和强度和居里点,使其具有高矫顽力,是电气工业中的优良磁性材料。钴是硬质合金的粘合剂。金属部件用钴合金涂层和表面硬化后,其机械性能显著提高。钴的氧化物是陶瓷制品的脱色剂和颜料;搪瓷中的含钴釉料可使搪瓷同钢更好地粘结在一起。钴的有机化合物在油漆中作催干剂。钴还在化工生产中用于碳氢化合物的水合、脱硫、氧化、还原等方面。60Co是γ射线源,用于物理、化学、生物研究和医疗部门。

       自然界中已知含钴矿物有近百种,大多伴生于镍、铜、铁、铅、锌等矿床中,常见的用于提取钴的矿物有辉砷钴矿、砷钴矿、硫钴矿、硫镍钴矿、含钴黄铁矿、硫铜钴矿、钴华、方硫镍钴矿等。钴矿物的赋存状态复杂,矿石品位低,所以提取工艺比较复杂且回收率低。一般先用火法将砷钴精矿、含钴硫化镍精矿、铜钴矿、钴硫精矿中的钴富集或转化为可溶性状态,然后再用湿法使钴进一步富集和提纯,最后得到钴化合物或金属钴。 
 
       金属钴主要用于制造合金。钴基合金是钴和铬、钨、铁、镍中的一种或几种制成的合金的总称。含钴工具钢可以显著地提高钢的耐磨性和切削性能,含钴50%以上的司太立特硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度。航空航天技术中应用最广泛的合金是镍基合金,也可以使用钴基合金。
含钛和铝的镍基合金强度高是因为形成组成为NiAl(Ti)的相强化剂,当运行温度高时,相强化剂颗粒就转入固溶体,这时合金很快失去强度。钴基合金的耐热性是因为形成了难熔的碳化物,这些碳化物不易转为固体溶体,扩散活动性小,温度在1038℃以上时,钴基合金的优越性就显示无遗,它可用于制造高效率的高温发动机。在航空涡轮机的结构材料使用含20%-27%铬的钴基合金,可以不要保护覆层就能使材料达高抗氧化性。钴是磁化一次就能保持磁性的少数金属之一,在热作用下失去磁性的温度叫居里点,铁的居里点为769℃,镍为358℃,钴可达1150℃。

       含有60%钴的磁性钢比一般磁性钢的矫顽磁力提高2.5倍。在振动下,一般磁性钢失去差不多1/3的磁性,而钴钢仅失去2%-3.5%的磁性。因而钴在磁性材料上的优势就很明显。钴在电镀、玻璃、染色、医药医疗等方面也有广泛应用。 
 

       我国钴矿资源主要分布在甘肃、山东、云南、河北、青海和山西,其保有储量占全国保有储量的百分比依次为30.5%、10.4%、8.5%、7.3%、7.1%、6%,这六个省的储量之和占全国总储量的70%,其余30%的储量分布在新疆、四川、湖北、西藏、海南、安徽等省区。

       我国已探明的钴矿床绝大多数是伴生矿,品位较低,钴主要作为副产品加以回收。根据对全国钴储量大于1000吨的50多个矿床的统计分析得知,钴的平均品位仅为0.02%,因而生产过程中金属回收率低,工艺复杂,生产成本高。可利用的钴资源主要伴生在铜镍矿床中,其钴资源探明储量占全国总储量的50%左右。已开发的铜镍矿床有甘肃金川的白家嘴子、吉林磐石的红旗岭、新疆的喀拉通克等矿,甘肃金川为我国主要钴生产地。可利用的钴资源其次伴生在铜铁矿床中,目前已经开发的有山西中条山铜矿、湖北大冶铁矿、山东金岭铁矿、四川拉拉厂铜矿和海南石碌铁铜矿等。由于受资源条件限制,国内钴产量增长缓慢,不能满足国内市场需求,需通过进口弥补不足。

       钴的发现与命名

       15世纪,人们在萨克森(民主德国)富银矿石中发现了类似于钢的闪光的矿石,呈灰白色晶体,但并没有从中熔炼出金属,原因是银矿或铜矿所含的这种矿石杂质影响了金属的熔炼。很显然,这是由于含砷的钴矿物(辉钴矿CoAsS,或者硫化方钴矿,斜方砷钴矿或者砷钴矿)所致。
焙烧含砷钴矿物时会挥发出有毒的氧化砷,矿工们便将含这种矿物的矿石称之为“科博利特”山神(德国神话中的精灵),古代的挪威人认为熔炼银时发生的熔炼工中毒就是由于这种“恶魔”在耍诡计。恶魔的名字大概来自希腊的“科博洛斯”—意指幻影或烟雾,希腊人是将这个词语用来形容那些好说谎的人。

       1735年,瑞典矿物学家布兰特(G.Brandt)从这种矿物中分离出一种此前并不为人们熟知的金属,他依据“科博利特”谐音便将其称之为钴。他同时还查明,含钴的化合物可以把玻璃涂成兰色,其实这种属性早在古代的亚述国和巴比伦国己被采用。1780年,瑞典化学家伯格曼(T.Bergman)确定钴为元素。

       资源状况

       钴在地球上分布广泛,但含量很低,其在地壳中含量为0.0023%(质量),自然界中钴的赋存状态主要有3种:以独立钴矿物形式存在、以类质同像或包裹体形式存在和以吸附形式存在,其中以第2种形式最普遍。到目前为止,已发现钴矿物和含钴矿物百余种,主要为硫化物、硒化物、砷化物、硫砷化物、碳酸盐、硫酸盐和砷酸盐等,主要的钴矿石矿物有硫钴矿、硫铜钴矿、含钴黄铁矿、方钴矿、斜方砷钴矿、辉砷钴矿和钴华等。我国的钴资源紧缺,已探明钴金属估有储量约数十万吨。
分布于全国24个省(区)。国外钴资源丰富,储量约为520万吨,但绝大部分产在风化型红土镍矿、岩浆型硫化铜镍矿和沉积型砂岩铜矿之中,且95%以上集中分布在民主刚果、澳大利亚、古巴、赞比亚、新喀里多尼亚和俄罗斯等少数国家。

       钴的制备

       钴矿物的赋存状态复杂,矿石品位低,所以提取方法很多而且工艺复杂,回收率低。一般先用火法将砷钴精矿、含钴硫化镍精矿、铜钴矿、钴硫精矿中的钴富集或转化为可溶性状态,然后再用湿法使钴进一步富集和提纯,最后得到钴化合物或金属钴。

       在我国,硫化铜镍矿是回收钴的重要资源。金川集团公司的钴回收包括从镍电解系统净化钴渣中生产电解钴和氧化钴,从转炉渣提钴流程产出的富钴冰铜中生产氧化钴两部分。目前,金川集团公司的钴产量已占全国总产量的70%以上,成为我国钴生产的重要基地。

       用途

       钴作为重要的战略金属,由于其具有优良的物理、化学和机械性能,是生产耐高温、耐腐蚀、高强度和强磁性等材料的重要原料,因此,在全球范围内应用十分广泛。

       纯钴的使用很少,但钴是合金与特殊钢的主要添加元素。例如,固体磁性材料便是由稀土元素(主要是钐和铒)与钴结合而成,是一种具有强磁场的永久磁铁。同样,热强合金、超硬质耐蚀合金中也加入有钴。在许多情况下,钴通常用于电镀,因为钴镀层较之铬、镍镀层的耐弱酸性要稳定的多。

       钴基合金是钴和铬、钨、铁、镍组中的一种或几种制成的合金的总称。含一定量钴的刀具钢可以显著地提高钢的耐磨性和切削性能。含钴50%以上的司太立特硬质合金即使加热到1000℃也不会失去其原有的硬度,如今这种硬质合金已成为含金切削工具和铝间用的最重要材料。

       在这种材料中,钴将合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起,使合金具更高的韧性,并减少对冲击的敏感性能,这种合金熔焊在零件表面,可使零件的寿命提高3-7倍。航空航天技术中应用最广泛的合金是镍基合金,也可以使用钴基合金,但两种合金的“强度机制”不同。含钛和铝的镍基合金强度高是因为形成组成为NiAl(Ti)的相强化剂,当运行温度高时,相强化剂颗粒就转入固溶体,这时合金很快失去强度。

        钴基合金的耐热性是因为形成了难熔的碳化物,这些碳化物不易转为固体溶体,扩散活动性小,在温度在1038℃以上时,钴基合金的优越性就显示无遗。这对于制造高效率的高温发动机,钴基合金就恰到好处。 在航空涡轮机的结构材料使用含20%-27%铬的钴基合金,可以不要保护覆层就能使材料达高抗氧化性。核反应堆供热汞作使热介质的涡轮发电机可以不检修而连续运转一年以上。据报道美国试验用的发电机的锅炉就是用钴合金制造的。钴是磁化一次就能保持磁性的少数金属之一。

        在热作用下,失去磁性的温度叫居里点,铁的居里点为769℃,镍为358℃,钴可达1150℃。含有60%钴的磁性钢比一般磁性钢的矫顽磁力提高2.5倍。在振动下,一般磁性钢失去差不多1/3的磁性,而钴钢仅失去2%~3.5%的磁性。因而钴在磁性材料上的优势就很明显。

       氧化钴主要用于生产硬质合金及陶搪瓷颜釉料等;硫酸钴主要用于陶瓷、颜釉料、油漆催干剂和电镀等行业。氯化钴主要用于制造气压计、比重计和用于陶瓷业。萘酸钴主要用于油漆及油墨的催干剂、着色剂、橡胶增粘剂及玻璃钢行业。异辛酸钴主要用于油漆、玻璃钢及橡胶子午轮胎等方面。

       钴的最大应用领域是二次电池。钴在电池领域应用有较大增长。主要是锂离子电池发展的结果。在当今世界信息与通信产业、以及环保和节能领域中,锂离子电池是最新一代的电池,它的比能量、充放电寿命均高于Ni/MH电池。锂二次电池的研究开发竞争十分激烈,世界发达国家都把合成电化学性能优越与安全性能良好的锂离子二次电池用正极材料作为研究开发的重点。开发的正极材料有钴酸锂或氧化锂镍钴或氧化锂钴锰。氧化亚钴应用于镍氢电池。

        由于钴的优良性质,在制造耐高温、耐腐蚀合金方面很难被其他金属代替,因此钴在超级合金领域用途仍然很坚挺,目前超级合金是钴的第二大应用领域。

        钴在高温下、低温下与许多金属有良好的湿润性,因而钴粉被广泛的用做黏结剂,几乎成为金刚石工具、硬质合金不可替代的胎体黏结剂。中国硬质合金产量居世界第一,金刚石工具的产量也居世界前列。

        钴基合金粉末广泛用于热喷涂,用于内燃机排气阀密封面、阀座,舰艇用大型轴承内、外环,大型水轮机转子叶片,榨油机推进器等的喷焊或喷涂。用于各种螺旋推进器部件、密练机部件、泵叶等的喷焊或喷涂。

        磁性材料是重要的功能材料,在电子工业和其他高科技领域起着非常重要的作用。钴在磁性材料领域应用分布如下:70%用于Alnico 永磁合金,20%用于Smco合金,10%用于其他稀土永磁材料。

        钴催化剂主要用于聚酯化纤材料的生产上。钛酸钴是主要的原油脱硫催化剂。Co-Mo-N 和Ni-Mo-N合金是合成氨催化剂。

        磺化酞菁钴、聚酞菁钴都是脱除累质油中硫醇硫的高效催化剂。

       氧化钴可替代铂铑作为生产硝酸的催化剂,可大幅度降低催化剂费用。环烷酸钴和异辛酸钴用作催干剂,比其它同类产品催干速度快,广泛应用于油漆、油墨行业中,也用作不饱和树脂的优良促进剂。固体环烷酸钴、硬脂酸钴、硼酰化钴和新癸酸钴广泛应用于钢丝子午胎、输送带和钢丝编织胶管中,不仅粘合强度高,而且具有耐热、耐温和化学缓蚀的特征。

       高纯钴靶材用于半导体物理气相沉积过程。据国内有关报道讲,钴在蓄电池行业、金刚石工具行业和催化剂行业的应用还将进一步扩大,从而对金属钴的需求呈上升趋势。

       补充
       元素名称:钴
       元素原子量:58.93
       元素类型:金属
       发现人:布朗特 发现年代:1735年
        发现过程:
        1735年,瑞典的布朗特在煅烧钴矿时得到钴。

       元素描述:
       金属钴呈银白色,密度8.9克/厘米3。熔点1495℃,沸点2870℃。化合价2和3。电离能为7.86电子伏特。性硬,具有延展性,其硬度和延展性都比铁强,但磁性较差。与钐、镍、铝等共熔可得良好得磁性钢。同水和空气不发生作用,但能迅速地为盐酸、硫酸和硝酸所侵蚀,还会缓慢地被氢氟酸、氨水和氢氧化钠所侵蚀,同所有过度元素一样表现变价,并生成铬离子和有色地化合物。用来制造超硬耐热合金、磁性合金、碳化钨的基体或粘合剂。钴的合金在高温下仍能保持其原有的强度和其他有价值的性质。

       元素来源:
       砷钴矿和辉砷钴矿是自然界中的主要钴矿。把辉砷钴矿或砷钴灼烧成氧化物后用铝还原制得。钴-60通常以中子轰击金属钴制取。
元素用途:

        广泛用于喷气式飞机、燃气轮机和其他在高温下运转的装置。其他化合物可用作催化剂和瓷器釉彩等。60Co是一种放射源,可以代替X射线和镭用以检查物体内部的结构,探测物体内部存在的裂缝和异物。也可用来治疗癌症,在生物学和工业上用作示踪物。

        元素辅助资料:
        钴在地壳中含量不小,大于常见金属铅、锡等,但明显比铁少得多,而且钴和铁的熔点不相上下,因此注定它比铁发现得晚。钴有着很多用途,比如超合金,抗腐蚀合金,高速工具钢,磁体,烧结碳化物,染料,充电电池和化学催化剂。

        关于钴,古代希腊人和罗马人曾利用它的化合物制造有色玻璃,生成美丽的深蓝色。我国唐朝彩色瓷器上的蓝色也是由于有钴的化合物存在。这些都说明古代劳动人民也早已利用钴的化合物了。

        含钴的蓝色矿石辉钴矿CoAsS,中世纪在欧洲被称为kobalt,首先出现在16世纪居住在捷克的德国矿物学家阿格里科拉的著作里。这一词在德文中原意是“妖魔”。这可能是当时认为这种矿石是无用的,而且由于其中含砷,妨害工人的身体健康才使用的。今天钴的拉丁名称cobaltum和元素符号Co正是德文中“妖魔”一词而来。

        1742年瑞典化学教授布兰特研究辉钴矿时,发现了一种不知名的金属(也就是钴),他把这种金属列为半金属。1780年柏格曼制得纯钴。钴被确立为一种元素,1789年拉瓦锡首次把它列入元素表中。