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Cobalt

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Dieser Artikel behandelt das chemische Element. Zu weiteren Bedeutungen sieheCobalt (Begriffsklärung).
Eigenschaften
Allgemein
Name,Symbol,OrdnungszahlCobalt, Co, 27
ElementkategorieÜbergangsmetalle
Gruppe,Periode,Block9,4,d
Aussehenstahlgrauer metallisch glänzender Feststoff[1]
CAS-Nummer

7440-48-4

EG-Nummer231-158-0
ECHA-InfoCard100.028.325
Massenanteil an derErdhülle37 ppm (29. Rang)[2]
Atomar[3]
Atommasse58,933194(3)[4]u
Atomradius (berechnet)135 (152)pm
Kovalenter Radiuslow-spin: 126 pm, high-spin: 150 pm
Elektronenkonfiguration[Ar] 3d7 4s2
1.Ionisierungsenergie7.88101(12)eV[5]760.4kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie17.0844(12) eV[5]1648.39 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie33.50(6) eV[5]3232.3 kJ/mol[6]
4. Ionisierungsenergie51.27(10) eV[5]4947 kJ/mol[6]
5. Ionisierungsenergie79.50(20) eV[5]7671 kJ/mol[6]
Physikalisch[3]
Aggregatzustandfest
Modifikationen2
Kristallstrukturhexagonal
Dichte8,90 g/cm³ (20°C)[7]
Mohshärte5,0
Magnetismusferromagnetisch
Schmelzpunkt1768K (1495 °C)
Siedepunkt3173 K[8] (2900 °C)
Molares Volumen6,67 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie390 kJ·mol−1[8]
Schmelzenthalpie17,2[9] kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit4720 m·s−1
Spezifische Wärmekapazität421[2] J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit5,0eV[10]
Elektrische Leitfähigkeit16,7 · 106S·m−1
Wärmeleitfähigkeit100W·m−1·K−1
Chemisch[3]
Oxidationszustände0, +1,+2, +3, +4, +5[11]
Normalpotential−0,28V (Co2+ + 2 e → Co)
Elektronegativität1,88 (Pauling-Skala)
Isotope
IsotopNHt1/2ZAZE (MeV)ZP
55Co
{syn.}17,53hε3,45155Fe
56Co
{syn.}77,27dε4,56656Fe
57Co
{syn.}271,79dε0,83657Fe
58Co
{syn.}70,86dε2,30758Fe
59Co
100 %Stabil
60Co
{syn.}5,2714aβγγ0,31+1,17+1,3360Ni
61Co
{syn.}1,850hβ1,32261Ni
Weitere Isotope sieheListe der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspinγ in
rad·T−1·s−1
Er (1H)fL bei
B = 4,7T
inMHz
59Co7/20+6,332 · 1070,278047,36
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[13] ggf. erweitert[12]

Pulver

GefahrensymbolGefahrensymbolGefahrensymbolGefahrensymbol

Gefahr

H- und P-SätzeH:228​‐​302​‐​330​‐​319​‐​317​‐​334​‐​341​‐​350​‐​360Fd​‐​410
P:280​‐​284​‐​308+313​‐​304+340​‐​342+311​‐​501[12]
Toxikologische Daten

6171 mg⋅kg−1 (LD50Ratteoral)[12]

Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen.

Cobalt (chemische Fachsprache; lateinischcobaltum, standardsprachlichKobalt; vom ErstbeschreiberGeorg Brandt (1694–1768) nach dem Kobalterz als AusgangsmaterialCobalt Rex benannt[14][15]) ist einchemisches Element mit demElementsymbol Co und derOrdnungszahl 27. Es steht in der 9. Gruppe bzw.Cobaltgruppe desPeriodensystems. In der älteren Zählweise zählt es zur 8. Nebengruppe oderEisen-Platin-Gruppe.

Cobalt ist einsilbergraues, hartes und eher sprödes Metall, welches bereits seit 1739 bekannt ist. Es wird inAkkumulatoren,Katalysatoren, blauen Pigmenten (die u. a. benutzt werden, umKobaltglas herzustellen) sowie inLegierungen verwendet. Als Bestandteil vonVitamin B12 ist Cobalt zudem für alles menschliche und tierische Leben essenziell. Darüber hinaus ist Cobalt wie seine NachbarnEisen undNickelferromagnetisch.

Geschichte

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Cobaltpigmente mit ihrer blauen Farbe sind schon seit langer Zeit bekannt. Diese wurden für das Färben von Glas (Cobaltglas), Keramiklasuren und alsPorzellanfarbe genutzt. InEridu (Mesopotamien) wurde ein 2000 v. Chr. entstandenes cobalthaltiges blaues Glasstück gefunden.[16] ImAlten Ägypten begann die größere Produktion von Cobaltglas in der18. Dynastie (etwa 1550 v. Chr.) Hierfür wurde wahrscheinlich cobalthaltigerAlaun genutzt, der inDachla undCharga gefunden wurde.[17] Eine weitere, schon seit dem Altertum genutzte Mine für Cobalterze, liegt inQamsar in der Nähe vonKashan (Persien, heuteIran). Hier wurden vor allemCobaltit undErythrin abgebaut.[18] InChina sind cobalthaltige Pigmente erstmals in derSancai-Glasurtechnik aus derTang-Dynastie im 7. Jahrhundert bekannt. Später, vor allem während derYuan- undMing-Dynastie wurden cobalthaltige Pigmente alsUnterglasurfarbe fürBlau-Weiß-Porzellan verwendet.[19] Anfangs wurden Cobalterze aus Persien importiert, später auch lokale Lagerstätten genutzt.[20]

Wann die Cobaltlagerstätten imErzgebirge erstmals zur Gewinnung von Erzen genutzt wurden, ist nicht geklärt. Die 1684 erschienene ChronikChristian Meltzers nenntPeter Weidenhammer, der angeblich um 1520 inSchneeberg erstmals blaue Farbe hergestellt und nachVenedig verkauft habe. Es gibt aber auch Hinweise darauf, dass schon seit dem 12. Jahrhundert Cobaltpigmente im Erzgebirge produziert und beispielsweise nach Italien exportiert wurden. Um 1540 entwickelte Christoph Schürer gemäßChristian Lehmann in derEulenhütte angeblich das PigmentSmalte und begründete damit dieBlaufarbenwerkeBöhmens undSachsens.[21][22]Georgius Agricola nennt im 1530 entstandenenBermannuscobaltum als ein Cobalt- oder Arsenhaltiges Mineral.[23]

1735 konnteGeorg Brandt aus Smalte, den er ausLinneit hergestellt hatte, ein unbekanntes Metall gewinnen, dass ercobaltregulus nannte. Er klassifizierte es alsHalbmetall, um es von denschmiedbaren „richtigen“ Metallen zu unterscheiden.[24] Nachdem andere Forscher seine Entdeckung zunächst in Zweifel gezogen hatten, bestätigte schließlich 1780Torbern Bergman, dass es sich bei Cobalt um ein eigenständiges Metall handelt.[25]

Der NameCobalt oderKobalt leitet sich vomBerggeistKobold ab. Dies beruht darauf, dass dieBergleute bei der Suche nachSilber Kobalterze für wertlos hielten und glaubten, dass ein Kobold das Silber gestohlen und ihnen dann das wertlose Cobalterz untergeschoben hätten.[22][26] Im Deutschen wurde lange ZeitKobalt als Name des Elements verwendet. Die offizielle Schreibweise wurde 1975 von einer Kommission derGesellschaft Deutscher Chemiker, derSchweizerischen Chemischen Gesellschaft und derGesellschaft Österreichischer Chemiker geändert und an die international übliche SchreibweiseCobalt angepasst.[27]

Vorkommen

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Cobaltit auf Chalcopyrit

Cobalt ist mit einem Gehalt von 25 ppm in derkontinentalen Erdkruste[28] ein zwar verbreitetes, aber nicht sehr häufiges Element. Wird dagegen die gesamte Erde betrachtet, ist Cobalt mit einem Gehalt von 900 ppm deutlich häufiger. Dies liegt daran, dass Cobalt einsiderophiles (eisenliebendes) Element ist, weswegen sich die größte Menge Cobalt imErdkern undErdmantel befindet. So besteht der Erdkern zu etwa 0,255 % aus Cobalt.[29] Dementsprechend sind auchultramafische Gesteine wieDunit oderSerpentinit besonders cobaltreich.[30] Der durchschnittliche Cobaltgehalt von ultramafischem Gestein beträgt 110 ppm.[31]

In der Erdkruste ist Cobalt sowohl lithophil (gesteinsliebend) als auch chalcophil (schwefelliebend) und besitzt einen ähnlichenIonenradius wie Eisen, Nickel und Mangan. Dadurch wird Cobalt bei der Kristallisation vonLava häufig in gesteinsbildene Eisen-Mangan-Minerale eingebaut. Es bildet nur wenige eigenständige Minerale, sondern findet sich überwiegend als Nebenbestandteil in eisen- oder nickelhaltigen Gesteinen.[30]

Erze mit einem höheren Cobaltgehalt können sich auf mehrere Arten bilden. Zum einen enthält vulkanische Lava Cobalt, so dass magmatische Lagerstätten wieSudbury inKanada oderNorilsk inRussland neben Nickel und Kupfer auch Cobalt enthalten, das als Nebenprodukt abgebaut werden kann. Typischerweise enthalten diese Lagerstätten 0,04 bis 0,08 % Cobalt.[32] DurchVerwitterung insbesondere von ultramafischen Gesteinen kann sich Cobalt anreichern. Dies geschieht etwa bei der Bildung von Nickel-Cobalt-Lateriten unter subtropischen Bedingungen. Hierbei entstehen Erze mit einem durchschnittlichen Cobaltgehalt von 0,08 %. Zum dritten kann sich Cobalt überhydrothermale Prozesse anreichern und Adern mit einem durchschnittlichen Cobaltgehalt von bis zu 0,92 % bilden.[30] Auch Cobaltminerale wieCobaltit bilden sich hydrothermal.[33] Durch Verwitterung undMetamorphose von Gesteinen, die reich an hydrothermal entstandenen Cobalterzen waren, entstanden die besonders cobaltreichen Erze desCopperbelts imLufilian-Bogen in derDemokratischen Republik Kongo undSambia.[32]

Erythin

Cobalt kommt auch inManganknollen derTiefsee mit einem Gehalt von 0,3 bis 1,2 % vor.[34] Eine mögliche Erklärung für den Gehalt von Cobalt in Manganknollen ist, dass das in geringen Mengen als Co2+ im Meerwasser gelöste Cobalt durch festes Mangan (Mn4+) in einerRedoxreaktion zu Co3+ oxidiert wird und anschließend Eisen (Fe3+) in den Mineralen der Manganknollen substituiert.[31]

Das Element bildet vor allem mit Schwefel und Arsen verschiedene Minerale wieCobaltit CoAsS,Skutterudit CoAs3,Safflorit (Co,Ni,Fe)As2,Carrollit CuCo2S4,Cattierit CoS2 undLinneit Co2+Co3+2S4. Wichtigstes oxidisches Cobaltmineral istHeterogenit Co3+O(OH), daneben ist noch das CobaltarsenatErythrin Co3(AsO4)2 · 8 H2O häufig. Insgesamt sind 2025 67 verschiedene Cobaltminerale anerkannt.[35] Die sulfidischen und arsenidischen Minerale sind dabei überwiegend hydrothermal entstandene primäre Minerale, während Arsenate oder Oxide als Sekundärminerale durch Verwitterung und Oxidation entstanden sind. Wichtige Fundorte von Cobalt-Mineralen sindSchneeberg undJáchymov im Erzgebirge, in Deutschland dazuWittichen, dasSiegerland undRichelsdorfer Gebirge,Tunaberg undFilipstad inSchweden,Lavrio inGriechenland,Bou-Azzer inMarokko, der Copperbelt in der Demokratischen Republik Kongo und Sambia,Timiskaming District inKanada undMount Isa inAustralien.[36]

Gediegenes Cobalt wurde durchLuna 24 imMare Crisium auf demMond[37] sowie in 9,63 km Tiefe derKola-Bohrung[38] gefunden. Es ist jedoch nicht als Mineral anerkannt.[39] Anerkannt ist die Cobalt-Eisen-LegierungWeirauit mit etwa 50 % Cobalt.[40]

Die größten Reserven an Cobalterz liegen in der Demokratischen Republik Kongo, sie werden auf 6 Millionen Tonnen (von 11 Millionen Tonnen weltweit) geschätzt. Im Kongo wird auch ein Großteil des Cobalts abgebaut, 2024 175.000 Tonnen, was etwa 76 % des gesamten weltweiten Cobaltabbaus entspricht. Weitere größere Mengen stammen aus den Nickelminen in Indonesien, den Philippinen, Australien, Russland und Kanada.[41] Das einzige Bergwerk, bei dem gezielt Cobalterz abgebaut wird, ist die Bou-Azzer-Mine in Marokko, die das Erz mit dem weltweit höchsten bekannten Cobaltgehalt von etwa 1 % ausbeutet.[42]

Gewinnung und Darstellung

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Cobalterz
Elektrolytkobalt, Reinheit 99,9 %

Cobalt wird überwiegend ausKupfer- undNickelerzen gewonnen. Die genaue Gewinnungsart ist von der Zusammensetzung des Ausgangserzes abhängig. Zunächst wird ein Teil der vorhandenen Eisensulfide (FeS undFeS2) durchRösten inEisenoxid umgewandelt und mitSiliciumdioxid alsEisensilicatverschlackt. Es entsteht der sogenannteRohstein, der neben Cobalt noch Nickel, Kupfer und weiteres Eisen alsSulfid oderArsenid enthält. Durch weiteresAbrösten mitNatriumcarbonat undNatriumnitrat wird weitererSchwefel entfernt. Dabei bilden sich aus einem Teil des Schwefels und ArsensSulfate undArsenate, die mit Wasser ausgelaugt werden. Es bleiben die entsprechendenMetalloxide zurück, die mitSchwefel- oderSalzsäure behandelt werden. Dabei löst sich nur Kupfer nicht, während Nickel, Cobalt und Eisen in Lösung gehen. MitChlorkalk kann anschließend selektiv Cobalt alsCobalthydroxid ausgefällt und damit abgetrennt werden. Durch Erhitzen wird dieses inCobalt(II,III)-oxid (Co3O4) umgewandelt und anschließend mitKoks oderAluminiumpulver zu Cobalt reduziert:

Co3O4+C3CoO+CO{\displaystyle {\ce {Co3O4 + C -> 3 CoO + CO}}}
CoO+CCo+CO{\displaystyle {\ce {CoO + C -> Co + CO}}}

Der größte Teil von Cobalt wird durchReduktion der Cobalt-Nebenprodukte des Nickel- und Kupferabbaus und derSchmelze gewonnen.[43][44] Weil Cobalt in der Regel als Nebenprodukt anfällt, hängt die Cobaltversorgung in hohem Maße von der wirtschaftlichen Durchführbarkeit des Kupfer- und Nickelabbaus in einem bestimmten Markt ab.[45]

Es gibt verschiedene Methoden, um Cobalt von Kupfer und Nickel zu trennen, abhängig von der Cobaltkonzentration und der genauen Zusammensetzung des verwendetenErzes. Eine Methode ist die Schaumflotation, bei derTenside an verschiedene Erzbestandteile binden, was zu einer Anreicherung von Cobalterzen führt. Durch anschließendesRösten werden die Erze inCobalt(II)-sulfat umgewandelt und Kupfer und Eisenoxidiert. DurchAuswaschen mit Wasser wird dasSulfat zusammen mit denArsenaten extrahiert. Die Rückstände werden weiter mit Schwefelsäureausgelaugt, was eineKupfersulfatlösung ergibt. Cobalt kann auch aus der Kupferschmelze ausgelaugt werden.[46]

Aufgrund der Bedeutung von Cobalt bei der Herstellung von elektronischen Geräten könnte es in den kommenden Jahren zu einer Verknappung des Angebots kommen.[47] So wurden im Dezember 2020 Bestrebungen von den UnternehmenLockheed Martin, Deep Green undDEME bekannt, sich Zugriff auf Rohstoffe der Tiefsee, darunter auch Cobalt, zu verschaffen, deren Abbaurechte bei kleinen Inselstaaten im Südpazifik liegen. Problematisch ist, dass für den Tiefseebergbau noch keine globalen Umweltregeln bestehen.[48]

Förderung

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Staaten mit der größten Fördermenge

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Zeitliche Entwicklung der Cobalt-Förderung (blau) und -Produktion (rot)

DieDemokratische Republik Kongo ist der größte Produzent von Kobalt. Laut einer Reportage des Fachmagazins „Illuminem“ sind die Hauptproduzenten Unternehmen mit Sitz inGroßbritannien (Eurasian Natural Resources) und China (China Molybdenum und Metorex). Die chinesischen Anteilseigner wiederum kontrollieren die beiden Unternehmen, auf die 13,8 % der weltweiten Produktion und etwa 24 % der Produktion großer, bekannter und aktiver Unternehmen entfallen. Unternehmen mit Sitz in der Demokratischen Republik Kongo kontrollieren dagegen nur 3,5 % der weltweiten Produktion.[49]

Cobalt-Förderung nach Staaten in Tonnen
Land2006[50]2013[51]2016[52]2019[53]2020[54]2022[55]
Kongo Demokratische Republik Demokratische Republik Kongo22.00054.00066.000100.00098.000144.000
China Volksrepublik Volksrepublik China1.4007.2007.7002.5002.200
Kanada Kanada5.6006.9207.3003.3403.6903.060
Russland Russland5.1006.3006.2006.3009.0009.200
Brasilien Brasilien1.0003.0005.800
Australien Australien6.0006.4005.1005.7405.6305.790
Sambia Sambia8.6005.2004.600
Kuba Kuba4.0004.2004.2003.8003.8003.700
Philippinen Philippinen3.0003.5005.1004.5003.900
Neukaledonien Neukaledonien1.1003.1903.3002.000
Sudafrika Südafrika3.0003.0002.100
Marokko Marokko1.5001.7002.3002.300
Madagaskar Madagaskar3.4008503.500
Papua-Neuguinea Papua-Neuguinea2.9102.9402.990
Indonesien Indonesien1.1009.600
Vereinigte Staaten Vereinigte Staaten500600500
Turkei Türkei3.4008502.100
restliche Länder1200800083006.3207.6406.600
Gesamt57.500110.000123.000144.000142.000197.000

Cobaltproduzenten

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Vielfach wird Cobalt nicht in den Ländern raffiniert, in denen Cobalterze gefördert werden. Die folgende Tabelle des Cobalt Development Instituts (CDI)[56] listet die Produzenten von metallischem Cobalt sowie Cobaltsalzen und deren Produktionsmengen in Tonnen auf:[57][58][59]

NameLand20032004200520062007200820092010201120122013201420152016
CDI-
Mit-
glieder
AmbatovyMadagaskar00000000002083291534643273
BHPB/QNPL[A 1]Australien1800190014001600180016001700214126312369
CTTMarokko14311593161314051591171116001545178813141353139117221568
ErametFrankreich181199280256305311368302354326308219133119
Freeport Cobalt, früherOMGFinnland7990789381708580910089508850929910441105471001011452858211187
GécaminesDR Kongo1200735600550606300[A 2]415745650870700500400400
Glencore[A 3],KatangaDR Kongo280029000
Glencore, MinaraAustralien290033003200
Glencore,Mopani CopperSambia000
Glencore, früherXstrataNorwegen45564670502149273939371935103208306729693400360031003500
ICCIKanada31413225339133123573342837213706385337923319321037333693
RubaminIndien[A 4]051757920045
SumitomoJapan3794294719201084107113321935200725422747365442594305
Umicore[A 5]Belgien17042947329828402825302021502600318742005415585063066329
Vale IncoKanada1000156215631711203322001193940207018902240205118581851
Chambishi MetalsSambia4570376936483227263525912353934485654355000431729974725
Gesamt CDI27.95228.92229.45529.32829.49128.90125.07430.87235.48336.45436.62044.85942.75444.150
Nicht-
CDI-
Mit-
glieder
China[A 6]4576800012700127001324518239254435929349692978436062392924871945046
Indien[A 7]25554512201184980858[A 2]1001670720600250100150100
Glencore[A 3],KatangaDR Kongo0000074925353437243321292300
KaseseUganda0457638674698663673624661556376000
Glencore[A 3], MinaraAustralien20391979175020961884201823501976209124002700
Glencore[A 3],Mopani Copper[A 2]Sambia2050202217741438170014501300109211002300
Norilsk Nickel[A 8]Russland46544524474847593587250223522460233721862368230220403092
QNPL[A 1]Australien2281251918500
Südafrika28530021425730724423683384011001294133213001101
VotorantimBrasilien10971155113690211489941012136916131750165313501300400
DLA[A 9]USA198716321199294617203180−8000000
Gesamt Nicht-CDI16.94320.61425.37924.30424.16627.92037.18348.3824676440.73549.28446.89555.35949.739
Gesamt[A 10]44.89549.53654.83453.63253.65756.82159.85179.25282.24777.18985.90491.75498.11393.889

Anmerkungen A:

  1. abseit 2013 kein CDI-Mitglied mehr
  2. abcgeschätzt
  3. abcdseit 2014 CDI-Mitglied
  4. von 2009 bis 2013 CDI Mitglied
  5. inklusive Umicore China
  6. ohne Umicore China
  7. inklusive Nicomet und Rubamin (nicht 2009 bis 2013)
  8. seit 2009 kein CDI-Mitglied mehr
  9. Defence Logistic Agency: Cobaltverkauf aus den strategischen Reserven der USA
  10. beinhaltet keine Mengen von Herstellern, die ihre Produktion nicht veröffentlichen

Arbeitsbedingungen

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Wie bei vielen anderen Erzen erfolgt der Abbau teils unterprekären Bedingungen (insbesondere Kinderarbeit in den oft ungesicherten Minen im Kongo).[60][61][62] So wird geschätzt, dass im Kongo, wo gut die Hälfte des globalen Cobalts gefördert wird, etwa 20 % des Cobalts per Hand geschürft werden.[63]

BMW kauft Cobalt (undLithium) seit 2020 direkt selbst bei Minenin Australien undin Marokko (Bou Azzer Mine) ein;[60]Mercedes äußerte im Jahr 2020, Cobalt (und Lithium) künftig nur aus zertifiziertem Abbau kaufen zu wollen.[62]

Eigenschaften

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Physikalische Eigenschaften

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Magnetisierungskurven von 9ferromagnetischen Materialien. 1.Stahlblech, 2.Elektroblech, 3.Gussstahl, 4.Wolframstahl, 5.Magnetstahl, 6.Gusseisen, 7.Nickel, 8. Cobalt, 9.Magnetit[64]
Kristallstruktur von α-Co, a = 250,7 pm, c = 406,9 pm[65]

Cobalt ist ein stahlgraues, sehr zähesSchwermetall mit einerDichte von 8,89 g/cm³.[66] Es istferromagnetisch mit einerCurie-Temperatur von 1150 °C.[66] Cobalt tritt in zweiModifikationen auf: einerhexagonal-dichtesten (hcp) Kristallstruktur in derRaumgruppeP63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 mit denGitterparametern a = 250,7 pm und c = 406,9 pm sowie zweiFormeleinheiten proElementarzelle und einerkubisch-flächenzentrierten Form (fcc) mit dem Gitterparameter a = 354,4 pm.[65] Diefcc-Modifikation ist dabei dieduktilere, diehcp-Modifikation die sprödere Form.[67] Diehcp-Modifikation (α-Cobalt, historisch ε-Cobalt[15]) ist bei tieferen Temperaturen stabil und wandelt sich bei ca. 450 °C in diefcc-Modifikation (β-Cobalt, historisch α-Cobalt[15]) um.[68] In sehr kleinen Kristallen ist auch bei einer Temperatur unter 450 °C diefcc-Modifikation die stabilere Form.[69]

Als typischesMetall leitet es Wärme und elektrischen Strom gut, dieelektrische Leitfähigkeit liegt bei 26 Prozent von der desKupfers.[70] Nicht passiviertes Cobaltmetallpulver ist dunkelgrau und kann sich auch selbst entzünden. Das Metall in kompakter Form ist nicht brennbar.[12]

Eine Besonderheit stellt dieAtommasse des natürlich vorkommenden Cobalts dar; sie ist mit 58,93 größer als die mittlere Atommasse vonNickel mit 58,69, dem nächstenElement imPeriodensystem. Diese Besonderheit gibt es auch beiArgon undKalium sowie beiTellur undIod.

Chemische Eigenschaften

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Imchemischen Verhalten ist es demEisen undNickel ähnlich, an der Luft durchPassivierung beständig; es wird nur vonoxidierend wirkendenSäuren gelöst. Cobalt zählt mit einemNormalpotential von −0,277 V zu den unedlenElementen. InVerbindungen kommt es vorwiegend in denOxidationsstufen +II und +III vor. Es sind jedoch auch die Oxidationsstufen −I, 0, +I, +II, +III, +IV und +V in Verbindungen vertreten. Cobalt bildet eine Vielzahl von meist farbigenKomplexen. Darin ist, im Gegensatz zukovalenten Verbindungen, die Oxidationsstufe +III häufiger und stabiler als +II.

Isotope

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Es sind insgesamt 30 Isotope und 18 weitereKernisomere zwischen47Co und77Co bekannt. Natürliches Cobalt besteht dabei vollständig aus dem Isotop59Co. Das Element ist daher eines der 22 Reinelemente.[71] Dieses Isotop lässt sich durch dieNMR-Spektroskopie untersuchen.

Das Nuklid57Co zerfällt überElektroneneinfang zu57Fe. 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 %).[72] Hauptanwendung von57Co ist dieMößbauerspektroskopie, z B. zum Nachweis kleinster Energie- oder Frequenzverschiebungen wie etwa zur Unterscheidung von zweiwertigem und dreiwertigem Eisen.

Cobalt-60

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Zerfallsschema von60Co.

Das langlebigste der instabilen Isotope ist60Co (Cobalt-60,Spin 5+), das mit einer Halbwertszeit von 5,27 Jahren durchBetazerfall zunächst in einenangeregten Zustand von60Ni (Spin 4+) und anschließend unter Aussendung vonGammastrahlung (zwei Gammaquanten der Energie 1,17 und 1,33 MeV[73]) in den Grundzustand (Spin 0+) dieses Nuklids zerfällt. Aus diesem Grund wird60Co als Gammastrahlungsquelle zurSterilisierung oderKonservierung von Lebensmitteln, zur Materialuntersuchung (Durchstrahlungsprüfung) und in der Krebstherapie („Kobaltkanone“) verwendet.[74] In der Medizin können auch andere Isotope wie57Co oder58Co alsTracer verwendet werden.[75]60Co wird ausschließlich künstlich durchNeutronenaktivierung aus59Co gewonnen. AlsNeutronenquelle für die Herstellung kleinerer Mengen dienenSpontanspaltungsquellen wie252Cf; zur Herstellung größerer Mengen werden59Co-Pellets dem Neutronenfluss in Kernreaktoren ausgesetzt. Größter Produzent ist Kanada, dessenSchwerwasserreaktoren vom TypCANDU exzellent für die Produktion von Cobalt-60 geeignet sind.[76][77] Aufgrund der – gerade im Licht derCOVID-19-Pandemie – weiter steigenden Nachfrage wird auch in Rumänien (Kernkraftwerk Cernavodă)[78] sowie in China (Kernkraftwerk Qinshan)[79] in dortigen CANDUs über eine Produktionsaufnahme nachgedacht bzw. ist diese erfolgt. Auch in anderen Reaktortypen wird oder soll Cobalt-60 produziert werden: 2018 nahm Russland amKernkraftwerk Kursk (TypRBMK) die Produktion von Cobalt-60 auf.[80] Des Weiteren arbeiten die Hersteller Framatome (EPR)[81] und Westinghouse (AP1000)[82] daran, in bestehenden oder noch zu bauendenDruckwasserreaktoren Cobalt-60 zu produzieren. DaLeichtwasserreaktoren deutlich häufiger und in mehr Ländern gebaut wurden als Reaktoren des CANDU-Typs, könnte eine erfolgreiche Produktion von Cobalt-60 in diesen Reaktoren helfen, die Versorgung zu verbessern.

Die Entstehung von60Co aus59Co unterNeutronenstrahlung 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 stärkerkontaminiert würde als durch die Kernexplosion allein.[83] Wird60Co nicht sachgerecht entsorgt, sondern mit anderem Cobalt eingeschmolzen und zuStahl verarbeitet, können daraus gefertigte Stahlteile in schädlichem Maß radioaktiv sein.[84][85] DaReaktordruckbehälter beständig dem Neutronenfluss ausgesetzt sind, kann sich – je nach Zusammensetzung des Stahls – in ihnen Cobalt-60 bilden.[86] Da der größte Teil des Eisens56Fe ist und somit drei aufeinander folgende Neutroneneinfänge zur Erzeugung von59Co und dann einen weiteren Neutroneneinfang im gebildeten59Co benötigen würde, ist der Effekt in cobaltfreien Stählen allerdings sehr gering.[87]

Mit60Co wurde 1956 dasWu-Experiment vorgenommen, durch das dieParitätsverletzung derschwachen Wechselwirkung entdeckt wurde.[88]

Siehe auch:Liste der Cobalt-Isotope

Verwendung

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Kobaltblaue Glasgegenstände aus Bristol

Cobalt wurde in Form vonOxiden,Sulfaten,Hydroxiden oderCarbonaten als Erstes für hitzefesteFarben undPigmente, z. B. für die Bemalung vonPorzellan undKeramik verwendet (siehe auchSmalte sowieBlaufarbenwerke). Danach folgte die wohl bekannteste dekorative Anwendung in Form des blauenKobaltglases. Nach 1800 wurde dasCobaltaluminat (CoAl2O4) als farbkräftiges Pigment industriell hergestellt.

Als Legierungsbestandteil

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Cobalt dient heute alsLegierungsbestandteil zur Erhöhung derWarmfestigkeit legierter und hochlegierterStähle, insbesondereSchnellarbeitsstahl undSuperlegierungen, als Binderphase inHartmetallen undDiamantwerkzeugen (siehe:Widia). Seine Verwendung als Legierungselement und in Cobaltverbindungen macht es zu einem strategisch wichtigen Metall. (SieheVitallium:Implantate,Turbinenschaufel, chemische Apparate.) Eingesetzt werden Cobaltstähle z. B. für hochbelastete Werkteile, die hohe Temperaturen aushalten müssen, wie z. B. Ventilsitzringe inVerbrennungsmotoren oderLeitschaufeln inGasturbinen.[89]

Superlegierungen auf Cobaltbasis haben in der Vergangenheit den größten Teil des erzeugten Cobalts verbraucht.[43][44] DieTemperaturstabilität dieser Legierungen macht sie für Turbinenschaufeln von Gasturbinen undFlugzeugtriebwerken geeignet, obwohl Einkristalllegierungen auf Nickelbasis ihre Leistung übertreffen.[90] Cobaltbasierte Legierungen sind auchkorrosions- undverschleißfest, sodass sie wieTitan zur Herstellung vonorthopädischen Implantaten verwendet werden können, die sich mit der Zeit nicht abnutzen. Die Entwicklung verschleißfester Cobaltlegierungen begann im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts mit denStellitlegierungen, dieChrom mit unterschiedlichen Anteilen anWolfram undKohlenstoff enthielten. Legierungen mitChrom- undWolframcarbiden sind sehrhart und verschleißfest.[91] Spezielle Cobalt-Chrom-Molybdän-Legierungen wieVitallium werden fürProthesenteile verwendet.[92] Cobaltlegierungen werden auch fürZahnersatz als nützlicher Ersatz fürNickel verwendet, das möglicherweiseallergen ist.[93] EinigeSchnellarbeitsstähle enthalten auch Cobalt, um dieWärme- und Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Die speziellen Legierungen vonAluminium, Nickel, Cobalt undEisen, bekannt alsAlnico, sowie vonSamarium und Cobalt (Samarium-Cobalt-Magnet) werden inDauermagneten verwendet.[94]

Cobalt ist Bestandteil vonmagnetischen Legierungen, als Trockner (Sikkativ) fürFarben undLacke, alsKatalysator zurEntschwefelung undHydrierung, alsHydroxid oderLithium-Cobalt-Dioxid (LiCoO2) inBatterien, inkorrosions- bzw.verschleißfesten Legierungen und alsSpurenelement fürMedizin undLandwirtschaft. Cobalt wird ebenfalls in der Produktion magnetischerDatenträger wieTonband- undVideokassetten verwendet, wo es durchDotierung die magnetischen Eigenschaften verbessert. Seit geraumer Zeit dient Cobalt als Legierungsbestandteil fürGitarrensaiten.

Lithium-Ionen-Akkumulator in Flachbauweise

In Akkumulatoren

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Nissan Leaf, bis 2019 weltweit meistverkauftesElektroauto, enthält kein Cobalt, sondernLMO vonAESC

SeitLithium-Ionen-Akkumulatoren in den 1990er-Jahren auf den Markt kamen, wird Cobalt fürAkkumulatoren vor allem für mobile Anwendungen eingesetzt, da derLithium-Cobaltoxid-Akkumulator eine besonders hoheEnergiedichte aufweist. Der erste kommerziell erhältlicheLithium-Ionen-Akku kam alsLithium-Cobaltdioxid-Akkumulator vonSony im Jahr 1991 auf den Markt.Lithium-Cobalt(III)-oxid wird häufig in Lithium-Ionenbatterie-Kathoden verwendet. Das Material besteht aus Cobaltoxidschichten mit eingelagertemLithium. Während der Entladung wird das Lithium als Lithiumionen freigesetzt.[95]Nickel-Cadmium-Batterien undNickel-Metallhydrid-Akkumulatoren enthalten auch Cobalt, um dieOxidation vonNickel im Akku zu verbessern.[96][97]

Durch den Nachfrageanstieg beiElektroautos stieg dieNachfrage nach Cobalt an. Auch wenn der Cobaltanteil neuer Batterien rückläufig ist, wird die Nachfrage die nächsten Jahre voraussichtlich zunehmen, wenn die Verbreitung vonElektrofahrzeugen zunimmt. 2017 entfielen 8,2 % des globalen Cobaltverbrauchs auf die Elektromobilität; inklusive aller weiteren Anwendungsbereiche war die Batterieproduktion für rund 46 % des Cobaltverbauchs verantwortlich.[98]

Moderne Batterien enthielten mit Stand 2019 aufgrund besserer Zellkonstruktionen nur noch einen Bruchteil früherer Konstruktionen. Bestanden die Kathoden ursprünglich zu etwa einem Drittel aus Cobalt, sind es mit Stand 2023 nur noch 3 bis 6,5 %.[99]LiFePO4-Batterien (LFP), wie sie etwa fürBatteriespeicher verwendet werden, benötigen hingegen wie die RezepturenLMO undLTO überhaupt kein Cobalt.[100] Die etwas schwereren und billigeren LFP-Zellen werden seit 2020 auch im in China produzierten Tesla Model 3 SR+ eingesetzt.[101] Mit Stand 2023 lag der Marktanteil von kobaltfreien LPF-Akkus bei mehr als 30 %, Tendenz stark steigend.[99] Im Jahr 2021 begann die FirmaSVolt mit der Produktion von cobaltfreiem Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien, das auf Nickel und Mangan basiert.[102] Als sehr interessant gilt zudem der Umstieg aufNatrium-Ionen-Akkumulatoren, die ebenfalls kobaltfrei sind und gegenüber Lithium-Ionen-Akkus deutlich günstigere Kosten erwarten lassen.[99]

In einer Studie von 2021 wurde der Verbrauch von Cobalt und anderen Ressourcen durch deutsche PKW für die Zukunft bis ins Jahr 2035 abgeschätzt: unter der Annahme, dass dann nur noch elektrische Fahrzeuge zugelassen werden, ergibt sich ein stark erhöhter Bedarf an Kupfer, Nickel, Cobalt, Lithium und Seltenen Erden.[103]

Als Katalysator

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Katalysatoren auf Cobaltbasis werden beiReaktionen mitKohlenstoffmonoxid eingesetzt. Cobalt ist auch ein Katalysator imFischer-Tropsch-Verfahren zurHydrierung von Kohlenstoffmonoxid zuflüssigenBrennstoffen.[104] Bei derHydroformylierung vonAlkenen wird häufigCobaltoctacarbonyl als Katalysator verwendet, obwohl es häufig durch effizientere Katalysatoren aufIridium- undRhodiumbasis ersetzt wird, z. B. denCativa-Prozess.[105]

Bei derHydrodesulfurierung vonErdöl wird ein Katalysator verwendet, der von Cobalt undMolybdän abgeleitet ist. DiesesVerfahren hilft, das Erdöl von Schwefelverunreinigungen zu reinigen, die dieRaffination flüssiger Brennstoffe beeinträchtigen.[106]

Im Bereich der organischen Synthese spielt die [2+2+2]-Cobalt-Zyklisierung eine bedeutsame Rolle beim schnellen Aufbau komplexer Molekülstrukturen. Hierbei kann Ethin als grundlegender Baustein in Verbindung mit funktionalisiertenIndolen unter Normaldruckbedingungen und η5-Cyclopentadienylbisethylenecobalt(I) direkt zuCarbazol-Derivaten umgesetzt und zur totalsynthetischen Darstellung, z. B. vonStrychnin, verwendet werden.[107]

Ethin in einer [2+2+2]-Cobalt-Cycloaddition

Radionuklide

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Zerfallsspektrum von60Co – deutlich zu erkennen die Spitzen bei 1,17MeV und 1,3 MeV

60Co ist bei weitem das bedeutendste Radionuklid des Cobalts und eines der wichtigsten künstlichen Radionuklide überhaupt. Gründe dafür sind neben der vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten derGammastrahlung, welche beim Zerfall von Cobalt-60 anfällt, die Einfachheit der Herstellung und die relative chemische und physikalische Beständigkeit von Cobalt. Trotz der relativ hohen Zerfallsenergie ist dieHalbwertszeit von60Co mit 5,27 Jahren verhältnismäßig hoch, so dass entsprechende Quellen relativ lange „halten“ – ein weiterer Vorteil des60Co.

Cobalt-60 wird überwiegend inKernreaktoren hergestellt, dabei – im Gegensatz zu manch anderem industriell oder medizinisch genutzten Radionuklid –nicht vornehmlich inForschungsreaktoren, sondern in kommerziellenSchwerwasserreaktoren vom TypCANDU.[108] Bei der Herstellung erweisen sich zwei Eigenschaften natürlichen Cobalts als sehr vorteilhaft: zum einen ist das Elementmononuklidisch, besteht also ausschließlich aus dem stabilen Isotop59Co. Zum anderen ist derWirkungsquerschnitt für denNeutroneneinfang bei Cobalt-59 relativ hoch. Wird natürliches Cobalt alsoNeutronenstrahlung, wie sie im Inneren eines laufenden Kernreaktors anfällt, ausgesetzt, so wird nach und nach ein Teil des stabilen natürlichen Cobalts durch Einfang eines Neutrons zu radioaktiven60Co umgewandelt.

Durch die besondere Bauform und Funktionsweise dermit natürlichem Uran betriebenen CANDU Reaktoren eignen sich diese besonders zur Produktion von60Co. Zum Beispiel ist die Geschwindigkeit der Neutronen im Durchschnitt geringer als beiLeichtwasserreaktoren, wodurch Einfänge wahrscheinlicher werden. Dazu kommt die Fähigkeit, bei laufendem Betrieb Teile des Reaktorkerns auszutauschen, was es erlaubt, je nach Bedarf Cobalt- oder „herkömmliche“Kontrollstäbe zur Verringerung desNeutronenflusses einzusetzen und „fertiges“60Co aus dem Reaktorkern zu entfernen auch wenn der Brennstoff noch nicht „abgebrannt“ ist.[109]

Cobalt-60 findet Anwendung vor allem in der nicht-thermischen Desinfektion von medizinischen Geräten – sensible Instrumente, die die Hitze imAutoklav nicht überstehen, können so sicher und ohne die Gefahr chemischer Rückstände sterilisiert werden. Auch beimBestrahlen von Nahrungsmitteln zur Haltbarmachung wird60Co angewandt. Vorteilhaft auch gegenüber anderen Formen der Bestrahlung ist dabei auch die große Eindringtiefe der Gammastrahlung, die es erlaubt Lebensmittel bzw. medizinische Geräte auch in der Verpackung zu bestrahlen. Rund 40 % der weltweit im Einsatz befindlichen medizinischen Geräte zum einmaligen Gebrauch werden mit Cobalt-60 aus nur einem einzigen Kernkraftwerksstandort sterilisiert –Bruce amHuronsee in Kanada.[110]

Prinzipiell denkbar wäre auch der Einsatz von60Co alsRadionuklidbatterie. Mit einer spezifischen Leistung von 13,6 W/g ist die Leistungsdichte sogar deutlich höher als beiStrontium-90 oderPlutonium-238, jedoch ist der hohe Anteil dieser Leistung, der in Form von Gammastrahlung frei wird, ebenso problematisch wie die – verglichen mit90Sr oder238Pu – deutlich geringere Halbwertszeit.

Physiologie

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Strukturformel vonCoenzym B12
Methylcobalamin

Cobalt ist Bestandteil vonVitamin B12, demCobalamin, das für den Menschenlebensnotwendig ist. Beim gesunden Menschen kann diesesVitamin möglicherweise vonDarmbakterien direkt aus Cobaltionen gebildet werden. Allerdings mussCobalamin von dem im Magen produziertenIntrinsic Factor gebunden werden, um imIleum aufgenommen werden zu können.[111] Da der Produktionsort des vom Menschen hergestelltenCobalamins jedoch imDickdarm liegt,[112] ist eineResorption nach aktuellem Wissensstand nicht möglich. Das Vitamin muss also zwingend durch die Nahrung aufgenommen werden. Es wird dennoch eine tägliche Zufuhr von 0,1 μg Cobalt alsSpurenelement für den täglichen Bedarf für Erwachsene angegeben. Der Mangel an Vitamin B12 kann zu einer gestörtenErythropoese und damit zuBlutarmut führen.[113] BeiWiederkäuern beruht ein solcher Mangel überwiegend auf unzureichender Cobaltzufuhr[114], die daraus resultierende Erkrankung wird als „Semper“, „Hinsch“ oder „Dörre“ bezeichnet und war vor allem im Schwarzwald häufig.[115] In der Tierproduktion wird dem Futter in Spuren Cobalt hinzugefügt, falls die Tiere von cobaltarmen Weideflächen ernährt werden müssen. Hierüber sollWachstums- undLaktationsstörungen,Blutarmut undAppetitlosigkeit entgegengewirkt werden.[116] Cobalt und seine Verbindungen werden seit einiger Zeit zur Leistungssteigerung alsDopingmittel imLeistungs- undPferdesport eingesetzt.[117][118] Daher gewinnen Verfahren zum sicheren Nachweis der Cobaltverbindungen an Bedeutung.[119]Bakterien im Magen von Wiederkäuern wandeln Cobaltsalze inVitamin B12 um, eineVerbindung, die nur von Bakterien oderArchaeen produziert werden kann. Eine minimale Anwesenheit von Cobalt in Böden verbessert daher die Gesundheit weidender Tiere erheblich.[120]

AufCobalamin basierendeProteine verwendenCorrin, um das Cobalt zu halten.Coenzym B12 weist eine reaktive C-Co-Bindung auf, die an denReaktionen beteiligt ist.[121] Beim Menschen hat B12 zwei Arten von Alkylliganden:Methyl undAdenosyl.Methylcobalamin fördert den Transfer vonMethylgruppen. DieAdenosylversion von B12katalysiertUmlagerungen, bei denen einWasserstoffatom unter gleichzeitigem Austausch des zweitenSubstituenten X, der einKohlenstoffatom mit Substituenten, einSauerstoffatom einesAlkohols oder einAmin sein kann, direkt zwischen zwei benachbartenAtomen übertragen wird.Methylmalonyl-CoA-Mutase wandeltMethylmalonyl-CoA inSuccinyl-CoA um, ein wichtiger Schritt bei derEnergiegewinnung aus Proteinen undFetten.[122]

Obwohl weitaus seltener als andereMetalloproteine (z. B.Zink undEisen), sind neben B12 auch andere Cobaltoproteine bekannt. DieseProteine umfassen Methionin-Aminopeptidase 2, einEnzym, das beim Menschen und anderenSäugetieren vorkommt und denCorrin-Ring von B12 nicht verwendet, sondern Cobalt direkt bindet. Ein weiteres nichtkorriniertes Cobaltenzym ist die Nitrilhydratase, ein Enzym inBakterien, dasNitrilemetabolisiert.[123]

Mitte der 1960er Jahre kam es in Kanada und den USA zu einer Reihe von Fällen einer cobalt-induziertenKardiomyopathie (Cobalt-Kardiomyopathie). In Quebec wurden 49, in Omaha 64 Patienten registriert. Die Symptome umfassten unter anderem Magenschmerzen, Gewichtsverlust, Übelkeit, Atemnot und Husten. DieLetalitäts­rate betrug 40 Prozent. Autopsien ergaben schwere Schädigungen anHerzmuskel undLeber. Alle Patienten waren starke Biertrinker mit einem Konsum von 1,5 bis 3 Liter pro Tag. Sie konsumierten bevorzugt Sorten von lokalen Brauereien, die etwa einen Monat zuvor angefangen hatten, dem BierCobalt(II)-sulfat alsSchaum­stabilisator beizumischen.[124] Die Grenzwerte für Cobalt in Lebensmitteln wurden hierbei nicht überschritten. Das Auftreten der Krankheitsfälle kam unmittelbar zum Stillstand, nachdem die Brauereien die Cobalt(II)-sulfat-Beimischungen eingestellt hatten.[125][126]

Cobalt(II)-Salze aktivieren diehypoxie-induzierbarenTranskriptionsfaktoren (HIF) und steigern die ExpressionHIF-abhängigerGene. Hierzu gehört das Gen fürErythropoietin (EPO). Cobalt(II)-Salze könnten von Sportlern missbraucht werden, um die Bildungroter Blutzellen zu fördern.[127] Das Unternehmen Cassella Farbwerke Mainkur hatte in den 1950er Jahren ein die zur Vitamin B-12-Gruppe gehörende Kobaltverbindung Methylcobalamin enthaltendes Präparat namensCobaltin forte als Arzneimittel „bei Anämien verschiedenster Genese“ angeboten.[128][129]

Gelegentlich tretenCobaltvergiftungen durch schadhafte Metallimplantate auf.[130][131]

Toxikologie

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Kontakt mit kobalthaltigen Materialien kann beim Menschen zu Hautrötungen, juckenden Hautausschlägen oder Akne führen. Außerdem kann Kobalt wieNickel eine allergischeKontakt-Dermatitis (Hautentzündung mit Ekzem) verursachen.[132]

Im Tierversuch zeigen anorganische Cobaltsalze, sofern das Anion nicht einen zusätzlichen Beitrag liefert (z. B.Fluorid), ähnliche Daten bei der akuten oralenToxizität bezogen auf den Cobaltgehalt.[133]

Akute orale Toxizität von Cobaltsalzen in Wistar-Ratten.[133]
SubstanzFormelMolmasseLD50-Wert in mg/kg Körpergewicht
Testsubstanzber. auf wasser-
freie Substanz
ber. auf den
Co-Gehalt
Cobalt(II)-fluoridCoF296,9315015091
Cobalt(II)-oxidCoO74,93202202159
Cobalt(II)-phosphatCo3(PO4)2·8 H2O511,0539387187
Cobalt(II)-bromidCoBr2218,74406406109
Cobalt(II)-chloridCoCl2·6 H2O237,93766418190
Cobalt(II)-sulfatCoSO4·7 H2O281,10768424161
Cobalt(II)-nitratCo(NO3)2·6 H2O291,04691434140
Cobalt(II)-acetatCo(CH3CO2)2·4 H2O249,08708503168

Nachweis

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Cobalt(II)-thiocyanat ausCobalt(II)-chlorid undKaliumthiocyanat, oben inAceton, unten inWasser

Eine relativ aussagekräftige Vorprobe für Cobalt ist diePhosphorsalzperle, die von Cobaltionen intensiv blau gefärbt wird. ImKationentrennungsgang kann es neben Nickel mitThiocyanat undAmylalkohol nachgewiesen werden, es bildet beim Lösen im Amylalkohol blaues Co(SCN)2. Das in Wasser rotviolette Cobalt(II)-thiocyanat wird beim Versetzen mitAceton ebenfalls blau.[134]

Quantitativ kann Cobalt mitEDTA in einerkomplexometrischenTitration gegenMurexid alsIndikator bestimmt werden.[135]

Verbindungen

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Cobalt tritt in seinenVerbindungen meist zwei- oder dreiwertig auf. Diese Verbindungen besitzen oft kräftige Farben. Wichtige Cobaltverbindungen sind:

Oxide

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Cobalt(II)-oxid ist ein olivgrünes, in Wasser unlöslichesSalz. Es bildet eineNatriumchlorid-Struktur derRaumgruppeFm3m (Raumgruppen-Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225. Cobalt(II)-oxid wird alsRohstoff für die Herstellung vonPigmenten verwendet, insbesondere zur Herstellung des PigmentsSmalte, das auch in derKeramikindustrie verwendet wird. Außerdem kann es zur Herstellung vonKobaltglas sowie vonThénards Blau verwendet werden.Cobalt(II,III)-oxid ist ein schwarzerFeststoff und zählt zur Gruppe derSpinelle.[136]

Cobalt(II,III)-oxid ist ein wichtigesZwischenprodukt bei der Gewinnung vonmetallischen Cobalt. DurchRösten undAuslaugen wird aus verschiedenen Cobalterzen (meistSulfiden oderArseniden) zunächst Cobalt(II,III)-oxid gewonnen. Dieses kann nun mit Kohlenstoff oderaluminothermisch zumElement reduziert werden.[136]

Cobalt(III)-oxid ist ein grau-schwarzerFeststoff, welcher praktisch unlöslich in Wasser ist. Bei einer Temperatur über 895 °C spaltet esSauerstoff ab, wobei sich Cobaltoxide wie Co3O4 und CoO bilden.

Halogenide

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Cobalt(II)-chlorid (wasserfrei)
Cobalt(II)-chlorid-Hexahydrat

Cobalt(II)-chlorid ist ein im wasserfreien Zustand blaues, alsHexahydrat rosafarbenesSalz. Es hat einetrigonale Kristallstruktur vomCadmium(II)-hydroxid-Typ mit derRaumgruppeP3m1 (Raumgruppen-Nr. 164)Vorlage:Raumgruppe/164. Wasserfreies Cobalt(II)-chlorid ist sehrhygroskopisch und nimmt leicht Wasser auf. Dabei ändert es sehr charakteristisch seine Farbe von blau nach rosa. Der entgegengesetzte Farbwechsel von rosa auf blau ist ebenfalls möglich, indem man dasHexahydrat auf Temperaturen oberhalb 35 °C erhitzt.[137] Wegen des typischenFarbwechsels diente es alsFeuchtigkeits-Indikator inTrockenmitteln wie etwaKieselgel. Mit Hilfe von Cobalt(II)-chlorid lässt sich Wasser auch in anderenLösungen nachweisen. Auch wird es als sogenannteGeheimtinte benutzt, da es als Hexahydrat inwässriger Lösung auf demPapier kaum sichtbar ist, wenn es aber erhitzt wird, tritt tiefblaue Schrift hervor.

Cobalt(II)-bromid ist ein grünerhygroskopischerFeststoff, der an derLuft in das roteHexahydrat übergeht. In Wasser ist es mit roter Farbe leicht löslich.[138]Cobalt(II)-iodid ist eine schwarzegraphitähnliche hygroskopische Masse, die an Luft langsam schwarzgrün anläuft. Sie istlöslich in Wasser, wobei die verdünnteLösungen rot aussehen, konzentrierteLösungen bei niedriger Temperatur rot, bei höherer Temperatur alle Nuancen von braun bis olivgrün annehmen. Cobalt(II)-bromid und Cobalt(II)-iodid besitzen einehexagonaleCadmiumiodid-Kristallstruktur derRaumgruppeP63mc (Raumgruppen-Nr. 186)Vorlage:Raumgruppe/186.[139]

Weitere Verbindungen

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Cobalt(II)-nitrat ist einSalz derSalpetersäure, gebildet aus dem Cobaltkation und demNitratanion. Das braunrote undhygroskopische Salz liegt in der Regel alsHexahydrat vor und bildetmonokline Kristalle, die in Wasser,Ethanol und anderenorganischenLösemitteln gutlöslich sind.

Cobalt(II)-oxalat ist ein brennbarer, schwer entzündbarer, kristalliner, rosaFeststoff, der praktisch unlöslich in Wasser ist. Er zersetzt sich bei Erhitzung über 300 °C. Es kommt in zweiallotropen Kristallstrukturen vor. Eine besitzt einemonokline Kristallstruktur mit derRaumgruppeC2/c (Raumgruppen-Nr. 15)Vorlage:Raumgruppe/15, die andere eineorthorhombische Kristallstruktur mit derRaumgruppeCccm (Raumgruppen-Nr. 66)Vorlage:Raumgruppe/66.[140] Cobalt(II)-oxalat wird hauptsächlich zur Herstellung von Cobaltpulver verwendet.[141] Das gelblich-rosaTetrahydrat wird bei der Herstellung vonKatalysatoren verwendet.[142]

Cobalt(II)-sulfat ist im wasserfreien Zustand ein violettstichig-rotes,hygroskopischesSalz. Cobalt(II)-sulfat wird zur Herstellung vonPigmenten,Glasuren, in derPorzellanmalerei, zurTonung von Papieren (Fotografie), in Bädern fürCobalt-Electroplating und zur Spurenelementsupplementierung in derAquaristik u. a. verwendet.[143]

Cobaltgelb ist ein feines, leichteskristallines Pulver und wird als Pigment fürÖl- undAquarellmalerei verwendet.

Thénards Blau ist ein blaues Pigment, das durch Sintern vonCobalt(II)-oxid mitAluminiumoxid bei 1200 °C hergestellt wird. Es ist äußerst stabil und wurde in der Vergangenheit alsFarbstoff fürKeramik (insbesondere chinesisches Porzellan), Schmuck undFarben verwendet.TransparenteGläser werden mit dem Kobaltpigment-Smalt aufSiliciumdioxidbasis getönt.[144]

Das PigmentRinmans Grün ist eintürkisgrünes Pulver und wird vor allem fürÖlfarben undZementfarben verwendet. Rinmans Grün ist ein beliebterNachweis fürZink.Zinkoxid oderZinkhydroxid wird auf einerMagnesiarinne mit einer geringen Menge einer stark verdünntenCobaltnitratlösung versetzt. Beim schwachenGlühen in deroxidierendenFlamme entsteht Rinmans Grün.[145]

Cobaltkomplexe

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

Aus einerCobalt(II)-chloridlösung fällt bei Zugabe vonAmmoniaklösung zunächst ein Niederschlag vonCobalt(II)-hydroxid aus, der sich im Überschuss vonAmmoniaklösung undAmmoniumchlorid bei Gegenwart vonLuftsauerstoff alsOxidationsmittel unter Bildung von unterschiedlichen Ammincobalt(III)-komplexen auflöst. Hierbei entstehen insbesondere das orangegelbeHexaammincobalt(III)-chlorid und das rote Aquapentaammincobalt(III)-chlorid.

2CoCl2+2NH4Cl+10NH3+12O22[Co(NH3)6]Cl3+H2O{\displaystyle {\ce {2 CoCl2 + 2 NH4Cl + 10 NH3 + 1/2 O2 -> 2 [Co(NH3)6]Cl3 + H2O}}}
2CoCl2+2NH4Cl+8NH3+12O22[Co(H2O)(NH3)5]Cl3{\displaystyle {\ce {2 CoCl2 + 2 NH4Cl + 8 NH3 + 1/2 O2 -> 2 [Co(H2O)(NH3)5]Cl3}}}

Daneben können sich auch verschiedene Chloroammincobalt(III)-komplexe bilden, wie Chloropentaammincobalt(III)-chlorid oder Dichlorotetraammincobalt(III)-chlorid. Teilweise fallen dieseVerbindungen aus derLösung aus. Daneben existieren auch Amminkomplexe von Cobalt(II)-salzen, wie das Hexaammincobalt(II)-sulfat, das durch Überleiten vonAmmoniakgas über wasserfreiesCobalt(II)-sulfat hergestellt werden kann.

CoSO4+6NH3[Co(NH3)6]SO4{\displaystyle {\ce {CoSO4 + 6 NH3 -> [Co(NH3)6]SO4}}}

Neben den Amminkomplexen existieren eine Vielzahl von Verbindungen mit unterschiedlichenLiganden. 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 wieEthylendiamin oder demOxalation.[134]

Bemerkenswert ist eine Eigenschaft von [Co(NH3)5(NO2)]Cl(NO3). Bei Bestrahlung mitUV-Licht springen die mikrometer- bis millimetergroßen Kristalle in dieser Cobalt-Koordinationsverbindung und legen dabei Distanzen zurück, die dem tausendfachen ihrer Größe entsprechen. Ursache dafür sind Isomerisierungen des Nitrit-Ligands (NO2), was zuSpannungen im Kristall führt. Diese Umwandlung vonLicht- inmechanische Energie wurde von Wissenschaftlern der Vereinigten Arabischen Emirate und Russlands untersucht.[146]

Siehe auch

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Literatur

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Weblinks

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Commons: Cobalt – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Cobalt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wiktionary: Kobalt – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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

Einzelnachweise

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  1. Hermann Sicius:Cobaltgruppe: Elemente der neunten Nebengruppe. Springer Fachmedien Wiesbaden, 2016 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  2. abHarry H. Binder:Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999,ISBN 3-7776-0736-3.
  3. Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, auswww.webelements.com (Cobalt) entnommen.
  4. IUPAC Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights:Standard Atomic Weights of 14 Chemical Elements Revised. In:Chemistry International. 40, 2018, S. 23,doi:10.1515/ci-2018-0409.
  5. abcdeEintrag zucobalt in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019):NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.:National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD.doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd).  Abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. abcdeEintrag zucobalt beiWebElements,www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
  7. N. N. Greenwood und A. Earnshaw:Chemie der Elemente, 1. Auflage, VCH, Weinheim 1988,ISBN 3-527-26169-9, S. 1427.
  8. abYiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang:Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In:Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337,doi:10.1021/je1011086.
  9. John Dallas Donaldson, Detmar Beyersmann:Cobalt and Cobalt Compounds. In:Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2005,doi:10.1002/14356007.a07_281.pub2 (Zugang über subskribierte Institutionen).
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  135. E. Merck:Komplexometrische Bestimmungen mit Titriplex. Darmstadt.
  136. abJean D’Ans,Ellen Lax:Taschenbuch für Chemiker und Physiker. 3. Elemente, anorganische Verbindungen und Materialien, Minerale, Band 3. 4. Auflage, Springer, 1997,ISBN 978-3-540-60035-0, S. 386 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  137. A. F. Holleman,E. Wiberg,N. Wiberg:Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007,ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1685.
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  139. D. Nicholls:The Chemistry of Iron, Cobalt and Nickel: Comprehensive Inorganic Chemistry. Elsevier, 2013,ISBN 978-1-4831-4643-0,S. 1070 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  140. E. Romero, M. E. Mendoza, R. Escudero:Weak ferromagnetism in cobalt oxalate crystals. In:physica status solidi. 248, 2011, S. 1519,doi:10.1002/pssb.201046402.
  141. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. John Wiley & Sons, 2003,ISBN 3-527-30385-5,S. 785 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  142. D. Nicholls:The Chemistry of Iron, Cobalt and Nickel Comprehensive Inorganic Chemistry. Elsevier, 2013,ISBN 978-1-4831-4643-0,S. 1072 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche). 
  143. C. Thomas:Spezielle Pathologie. Schattauer Verlag, 1996,ISBN 3-7945-2110-2, S. 179 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  144. A.F. Gehlen:Ueber die Bereitung einer blauen Farbe aus Kobalt, die eben so schön ist wie Ultramarin. Vom Bürger Thenard. In:Neues allgemeines Journal der Chemie, Band 2. 1803 (books.google.com (Memento desOriginals vom 10. Februar 2018 imInternet Archive)). 
  145. Jander/Blasius:Einführung in das anorganisch-chemische Praktikum. 14. Aufl. 1995.
  146. Panče Naumov, Subash Chandra Sahoo u. a.:Dynamic Single Crystals: Kinematic Analysis of Photoinduced Crystal Jumping (The Photosalient Effect). In:Angewandte Chemie. 125, 2013, S. 10174–10179,doi:10.1002/ange.201303757.
Periodensystem derElemente
HHe
LiBeBCNOFNe
NaMgAlSiPSClAr
KCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKr
RbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXe
CsBaLaCePrNdPmSmEuGdTbDyHoErTmYbLuHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRn
FrRaAcThPaUNpPuAmCmBkCfEsFmMdNoLrRfDbSgBhHsMtDsRgCnNhFlMcLvTsOg
AlkalimetalleErdalkalimetalleLanthanoideActinoideÜbergangsmetalleMetalleHalbmetalleNichtmetalleHalogeneEdelgaseChemie unbekannt
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