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钴的特性

 

 

钴是一种被冤枉的金属。为什么这么说呢？这就要提到钴的英文名称cobalt，这个词来源于德文，是妖魔的意思。钴会被赋予这样一个名字，背后有着一个故事：矿工在采集以及提炼钴矿石的过程中，常常因为吸入其中产生的气体，导致生病甚至中毒。其实这种气体是砷矿物引起的，而当时人们并没有认识到这一点，所以妖魔的名号就给了钴。这个黑锅钴一直背了几百年，直到砷矿物被发现。现在让我们来了解钴元素吧！

 

钴（Cobalt），元素符号Co，在化学周期表中排27号，相对原子质量约为58.933，钴位于周期表的第四周期第Ⅷ族。具有密排六方晶体结构，常见的化合价为+2和+3。

 

物理性质：

钴是一种银灰色、有光泽、硬而较脆的金属，其熔点较高，达到1500℃左右，沸点约3100℃，相对密度8.9g/cm³，属于较重的金属之一。摩氏硬度5-5.5。钴有很多特性，其在高温下能够保持较高的强度，并且具有较低的导热性和导电性以及较强的铁磁性，加热到1150℃时磁性消失。钴具有良好的延展性，它可以被拉伸成细丝或展成薄片，而不会轻易断裂。但是有杂质（硫含量超过0.005%）时，钴的延展性会大大降低。

 

化学性质：

 

钴是一种化学性质较为稳定的金属，通常不与水发生反应，在潮湿的空气中也很稳定。但在高于300℃时，钴在空气中开始氧化，加热条件下可以与氯、氧、硫等元素发生反应，生成氧化钴、硫酸钴、氢氧化钴、碳酸钴、草酸钴等钴盐产品。在浓硝酸中，钴会形成氧化膜而被钝化。此外，钴能溶于稀酸中，被硫酸、盐酸、硝酸溶解形成二价的钴盐。钴会缓慢地被氢氟 酸，氨水和氢氧化钠浸蚀。钴是两性金属。

 

钴位于铁族元素铁镍的中间，具有中等的活性。在稀酸中，钴的溶解性较铁难，但较镍易。对于简单的钴离子，二价钴离子是稳定的，而三价钴离子则不稳定。但在钴络合物中，三价钴离子却是稳定的。

 

钴具有多种重要的化合物，如氧化物和氢氧化物、氯化物、碳酸盐以及草酸盐等。其中，钴的氧化物有CoO、Co3O4和Co2O3，而CoO和Co3O4是稳定的氧化物，但Co2O3只能在低于300℃下存在。

 

 

 

储存运输：

 

应按照（GB13690-1992）易燃易爆危险品规定办理，夏季应早晚运输，防止阳光曝晒，搬运中不得过度撞击、震荡、不得与固化剂同车运输。储存于密闭容器内，存放在阴凉、通风的库房。应与氧化剂、酸类分开存放，切忌混储。

 

 

钴的发现及发展

 

 

 

瑞典化学家-布兰特

 

13世纪：中国在元朝已懂得用钴土矿作颜料烧制釉下彩青花瓷器的技艺。

 

1450年：埃及人和巴比伦人制造的陶器中用到钴颜料。钴盐可使陶瓷釉染上蓝色，与镍、铬或锰化合物混配，可以调配出由蓝至绿的所有色调。

 

1735年：瑞典化学家布兰特（Brandt）首次从辉钴矿中分离出钴，这一发现被认为是钴元素的首次明确记录。随后，在1753年，他再次成功地从辉钴矿中分离出纯度较高的金属钴。

 

1780年：瑞典化学家伯格曼（Bergman）制得纯钴，详细研究了钴元素的性质，将钴确定为一种独立的金属元素。这标志着钴元素在化学领域中的正式确立。

 

1789年：拉瓦锡首次把它列入元素周期表中。

 

19世纪中叶：开始出现把钴电镀到金属上的工作。

1874年，新喀里多尼亚的氧化钴矿开始被开采。

 

1903年：加拿大安大略北部的银钴矿和砷钴矿开始生产，使得钴的世界产量大幅增加。

 

20世纪初：把钴应用于制合金钢和其它合金等方面的工作兴起。

 

1917年：Honda宣布发现了含钴的永磁合金。

 

1935年：永磁合金进一步得到发展，衍生出一系列铝镍钴永磁材料（含Al，Ni，Fe，Co），后来又合成出新型的钐钴永磁合金，钴已成为一种重要的战略金属。

 

至今：钴在电机、机械、化工、航空航天等工业部门得到广泛应用，特别是在制造锂电池正极材料方面，钴的重要性不断凸显。此外，钴还被誉为“工业维生素”，其合金材料具有耐高温和耐腐蚀的优良特性，因此在各个领域都有所应用。

 

钴为英语cobalt的音译，德文原型为Kobalt，源出希腊语cobalos，意为矿山。其德文词汇系指一个善于恶作剧的幽灵（gnomes和goblins），在Saxony地方的德国矿工把这个术语应用于称谓某些能伤害矿工手足的矿石，此术语便曾在欧洲广为使用。这类矿物后来被发现是砷钴矿。

 

 

钴的来源

 

 

 

钴矿

 

钴在地壳中的平均含量为0.001%（质量），海洋中钴总量约23亿吨，世界已探明钴金属储量148万吨，中国已探明钴金属储量仅47万吨。自然界已知含钴矿物近百种，但没有单独的钴矿物，大多伴生于镍、铜、铁、铅、锌、银、锰、等硫化物矿床中，且含钴量较低。重要矿物有硫钴矿、辉砷钴矿、砷钴矿、钴华等。其中钴华（化学成分为砷酸钴）是一种桃红色的美丽矿物，被加热时可以变为蓝色。

 

 

 

 

 

 

 

钴华

 

 

钴白云石

 

 

 

 

 

 

 

 

钴方解石

 

 

水钴矿

 

 

钴矿床的成因大致可以分为岩浆型、热液型、沉积型、风化壳型等四大类。以岩浆型为主，占钴矿总量的65%以上。岩浆矿床是岩浆在上升冷却过程中，通过结晶作用与分异作用，使含钴矿物聚集在一起而形成的矿床。

 

钴矿在全球有着重要地位，但是陆地上的钴资源分布非常不均衡，陆地钴矿探明总储量的80%以上都分布在刚果（金）、澳大利亚、古巴、赞比亚、菲律宾等少数几个国家。其中刚果（金）是全球钴矿资源储量最丰富的国家，大约占到全世界总储量一半，澳大利亚和古巴则分列二三位，前三个国家的占比达到四分之三。

 

 

 

中国钴矿资源缺乏，其中主要有甘肃、青海、山东、云南、湖北、青海、河北和山西。这七个省的合计储量占全国总保有储量的71%，其中以甘肃储量最多，占全国的28%。少有独立成矿，多与铁、镍、铜等矿床伴生，且品类较低。我国伴生钴的回收效率低，工艺手段较落后，使得钴成为一种需要长期依赖进口的原材料。要解决这一依赖性较强的资源劣势，一方面是要从海洋中寻找和提炼钴资源，另一方面是提高钴矿的利用率和钴材料回收的技术手段。

 

 

钴的应用

 

 

钴

钴是一种重要的战略金属，具有广泛的应用领域。以下是一些钴的主要应用：

 

 

 

电池材料：钴是制造锂电池的重要原料，制造电池设备是钴最重要的用途，使用量占到全部钴使用量的40%。钴主要用来制作锂离子电池的钴酸锂，镍氢电池的氧化亚钴等，特别是用于电动汽车和移动设备。钴可以提高电池的能量密度和循环寿命，使得电池能够存储更多的电能并更持久地使用。

 

超耐热合金和硬质合金：钴常被添加到钢或者其他合金当中，可以明显提高合金的坚硬程度、耐磨程度、抗冲击性能和韧性。该合金常常被熔焊到其他材料的表面，能够明显延长零件的使用寿命。大约有20%的钴被用来制造这种超级合金。含钴合金常被用来制造喷气式飞机涡轮发动机的风扇扇叶，火箭和燃气机轮等设备的耐热部件等。生活中的含钴钢刀的耐磨性和切割性能也更加突出。

 

这些合金在航空、航天、机械制造等领域有广泛应用，用于制造高温工作部件、切削工具和耐磨部件等。

 

磁性材料：钴是一种被磁化之后就能长期保持磁性的金属。钴的这种优越磁性，使之被大量应用于制造高性能磁性材料。这种用途的钴使用量大概占到总使用量的5%左右。高钴含量的磁性钢比一般磁性钢的磁力密度更高，而且在高温条件下这种磁性也不会轻易丧失。大型的永 久磁体大多为含钴合金，其中常用的是一种叫作阿尔尼克的合金材料，是由钴、镍、铝制造的坚硬合金。广泛应用于电机、传感器、音响设备等领域。

 

催化剂：钴及其化合物可用作催化剂，在化工生产中促进各种化学反应的进行。例如，在石油炼制和合成氨等工业过程中，钴催化剂发挥着重要作用。

 

 

 

颜料和染料：钴化合物具有鲜艳的颜色，可用于制造各种颜料和染料。这些颜料和染料广泛应用于陶瓷、玻璃、油漆、涂料等行业，为产品增添色彩。

 

钴蓝化学成分为铝酸钴，是铝和氧化钴反应生成的一种颜料，表现为蓝色或蓝绿色调，被大量作为陶瓷、珐琅、玻璃等许多材料的着色剂使用。日常生活中见到的食品用硅胶干燥剂中就加入了氧化钴，无水时表现为蓝色，在吸取空气中的水后变为粉红色。

 

钴紫颜料也常被用于陶瓷、玻璃等的颜料，其成分为磷酸钴，为一种特殊的紫色颜料。

 

钴黑颜料有铁钴黑和铁钴铬黑两种，主要用于陶瓷坯体和釉料的着色，是由多种金属氧化物经过高温固相反应而生成的高性能无机颜料，具有环保无毒的优点。

 

医学领域：钴在医疗领域也有多方面的应用，钴-60放射 性同位素被用来治疗人体的皮肤病和恶性肿瘤；维生素B12（钴胺素）中钴的含量更是高达4.5%；

 

钴被用于制造人工髋关节和膝关节以及牙料填充剂。具有放射 性的钴同位素还被广泛应用于辐照食品加工行业，通过这种辐照技术可以杀死有害的细菌。

 

钴还可以促进造血功能，对贫血等疾病有一定的治疗作用。

 

其他：除了以上几个主要应用领域外，钴还在其他领域发挥着重要作用，如电子电气、化工、陶瓷等工业领域。随着科技的进步和新能源、新材料等领域的快速发展，钴的应用前景将更加广阔。

 

 

钴与人体健康的关系

 

 

 

钴的生理功能

 

少量的钴盐对许多种类的生命体都是必须的，在土壤中缺乏钴的地区，食草动物会发育不良。

 

钴可经消化道和呼吸道进入人体，主要通过尿液排泄，少量通过肠道、汗腺、头发等途径排泄。一般成年人体内含钴量为1.1—1.5mg。在血浆中无机钴附着在白蛋白上，它最初贮存于肝和肾，然后贮存于骨、脾、胰、小肠以及其它组织。体内钴14%分布于骨骼，43%分布于肌肉组织，43%分布于其它软组织中。钴作为必需微量元素中最为神秘的一种，人们对它的生理功能知之甚少，现在比较明确的为以下几种：

 

促进红细胞的生成：钴是维生素 B12 的重要组成部分，而维生素 B12 对于红细胞的生成和维持具有重要作用。缺乏维生素 B12 会导致贫血，因此，钴对于维持血液健康至关重要。

 

参与蛋白质和脂肪的代谢：钴参与蛋白质和脂肪的代谢过程，对于维持身体正常的生理功能具有重要作用。例如，钴可以促进脂肪酸的合成和分解，从而维持脂肪的正常代谢。

增强免疫力：钴可以促进免疫细胞的增殖和分化，增强机体的免疫力。此外，钴还可以促进抗体的生成，提高机体对病原体的抵抗力。

 

保护神经系统：钴对于神经系统的发育和功能具有重要作用。它可以促进神经递质的合成和释放，维持神经系统的正常功能。此外，钴还可以保护神经细胞免受氧化损伤。

 

其他生理功能：有研究报道，参与脱氧胸腺嘧啶核苷酸的合成；参与体内一碳单位的代谢。钴还与锌、铜、锰等元素有协同作用，能够促进锌的吸收并改善锌的生物活性，从而促进生长发育。

 

 

 

钴缺乏的危害

 

贫血：钴是合成维生素 B12 的必需元素，缺乏维生素 B12 会导致贫血。贫血的症状包括乏力、头晕、心慌、气短等。

 

神经系统症状：缺乏钴元素会影响神经系统的正常功能，出现记忆力减退、注意力不集中、情绪波动等症状。

 

消化系统症状：缺乏钴元素会影响消化系统的正常功能，出现食欲不振、口腔炎、舌炎等症状。

 

皮肤症状：缺乏钴元素会影响皮肤的正常代谢，出现皮肤干燥、粗糙、脱屑等症状。

 

 

含维生素B12（即含钴）丰富的食物

 

含钴的食物

 

动物性食物：动物肝脏、瘦肉、鱼类等是钴的良好来源，其中牛肝、猪肾、鸡肝、羊肝等含钴量较高。例如，100 克牛肝中含有约 11.2 毫克的钴，100 克猪肾中含有约 3.5 毫克的钴。

 

奶制品：牛奶、酸奶、奶酪等奶制品中也含有一定量的钴，但含量相对较低。例如，100 毫升牛奶中含有约 0.03 毫克的钴，100 克酸奶中含有约 0.02 毫克的钴。

海鲜：一些海鲜中也含有一定量的钴，如虾、蟹、贝类等。例如，100 克虾中含有约 0.5 毫克的钴，100克蟹肉中含有约 0.1 毫克的钴。

 

坚果和种子：一些坚果和种子中也含有少量的钴，如杏仁、核桃、花生、南瓜子等。例如，100 克杏仁中含有约 0.2 毫克的钴，100 克南瓜子中含有约 0.1 毫克的钴。

 

 

 

钴过量的危害

 

中毒：过量摄入钴元素会导致中毒，出现恶心、呕吐、腹泻、腹痛等症状，严重者可导致肝损伤、肾损伤甚至死亡。

 

影响其他微量元素的吸收：过量摄入钴元素会影响其他微量元素的吸收，如铁、锌、铜等，从而导致缺乏这些微量元素。

 

影响甲状腺功能：过量摄入钴元素会影响甲状腺功能，导致甲状腺功能亢进或减退。

 

影响免疫系统功能：过量摄入钴元素会影响免疫系统功能，导致免疫力下降，容易感染疾病。

 

但是不必担心，在食物中的钴主要经人体消化道和呼吸道吸收，通过尿与粪便迅速排出钴，故人类因钴过量导致的中毒现象极少。

 

建议钴元素的摄入量

 

成年男性每天摄入钴的推荐量为 3.5 毫克，成年女性每天摄入钴的推荐量为 3 毫克。孕妇和哺乳期妇女每天摄入钴的推荐量分别为 4 毫克和 5 毫克。

 

 

钴的危害

 

 

 

健康危害

 

钴尘可引起“硬质合金病”（"硬金属病"），表现为过敏性哮喘，呼吸困难、干咳、偶有化学性肺炎（间质性肺炎），肺水肿。脱离接触后症状缓解。CoO也可引起哮喘。

 

钴对皮肤的影响主要为过敏性或刺激性皮炎。外露皮肤出现红斑，有轻微搔痒，常见于手、腕、前臂等部位和皮肤皱折处，多于夏季发病，患者多为接触钴的新工人，在上述皮肤病患者中，皮试阳性可证明对钴过敏。

 

吸入醋酸钴粉尘可引起急性化学性胃炎症状，有恶心、呕吐、上腹部剧痛，后可有呕血及便血。

 

 

 

危害防治

 

误服钴盐，应洗胃；溶液溅入眼，用清水或生理盐水冲洗至少15分钟。

 

CaNa₂-EDTA、CaDTPA、半胱氨酸可降低钴毒性，可试用。皮炎可用乙酸和尿素霜软膏涂抹局部。化学性肺炎和肺水肿患者应采用糖皮质激素治疗。

 

 

 

毒理资料

 

经常注射钴制剂或暴露于过量的原始钴环境中，可引起钴中毒。儿童对钴的毒性敏感，应避免使用每千克体重超过1mg的剂量。在缺乏维生素B12和蛋白质以及摄入酒精时，毒性会增加，这在酗酒者中常见。有些钴化合物可能会致癌。

 

2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单初步整理参考，钴和钴化合物在2B类致癌物清单中。

 

 

结语

 

钴的发现和应用历史可以追溯到古代，但真正意义上钴元素的发现和确认是在18世纪。钴元素不仅是人体必需的微量元素，在工业上也有重要作用。随着科技的进步，鉴于钴具有高硬度、高熔点、良好的延展性和强磁性等，使得钴在航空航天、机械制造、电子电气、化工和陶瓷等工业领域具有广泛的应用前景。