Cobalt là gì?

Cobalt là một nguyên tố hóa học, ký hiệu Co, có số hiệu nguyên tử là 27. Giống như niken, Cobalt chỉ được tìm thấy trong lớp vỏ Trái Đất ở dạng hợp chất hóa học, ngoại trừ các mỏ nhỏ được tìm thấy trong hợp kim của sắt thiên thạch tự nhiên. Nguyên tố tự do của cobalt được tạo ra bằng phương pháp nấu chảy khử. Đây là một kim loại màu xám, cứng, sáng bóng, hơi giòn.

Bảng thông tin nguyên tố Cobalt (Co)

Đặc tính của Cobalt

Cobalt là một kim loại sắt từ với trọng lượng riêng là 8,9. Nhiệt độ Curie là 1.115 °C (2.039 °F) và mômen từ là 1,6–1,7 magneton Bohr trên mỗi nguyên tử. Cobalt có độ từ thẩm tương đối bằng hai phần ba so với sắt.

Cobalt kim loại tồn tại dưới hai cấu trúc tinh thể: hcp và fcc. Nhiệt độ chuyển tiếp lý tưởng giữa cấu trúc hcp và fcc là 450 °C (842 °F), nhưng trên thực tế, chênh lệch năng lượng giữa chúng rất nhỏ nên sự xen kẽ ngẫu nhiên của hai cấu trúc này là phổ biến.

Hợp chất

Các trạng thái oxi hóa phổ biến của cobalt bao gồm +2 và +3, mặc dù các hợp chất có trạng thái oxi hóa trong khoảng từ -3 đến +5 cũng được biết đến.

Trạng thái oxi hóa phổ biến của các hợp chất đơn giản là +2 (cobalt(II)). Các muối này tạo thành phức kim loại màu hồng [Co(H₂O)₆]²⁺ trong nước.

Việc thêm clorua tạo ra [CoCl₄]²⁻ màu xanh lam đậm. Trong phép thử ngọn lửa hạt borax, cobalt cho màu xanh lam đậm trong cả ngọn lửa oxi hóa và ngọn lửa khử.

Các hợp chất oxi và chalcogen

Một số oxit của cobalt đã được biết đến: Cobalt(II) oxit (CoO) màu xanh lục có cấu trúc muối mỏ. Nó dễ dàng bị oxi hóa với nước và oxi thành cobalt(III) hydroxit nâu (Co(OH)₃).

Ở nhiệt độ 600–700 °C, CoO bị oxi hóa thành cobalt(II,III) oxit xanh lam (Co₃O₄), có cấu trúc spinel.

Cobalt(III) oxit đen (Co₂O₃) cũng được biết đến. Oxit cobalt có tính phản sắt từ ở nhiệt độ thấp: CoO (nhiệt độ Néel 291 K) và Co₃O₄ (nhiệt độ Néel: 40 K), tương tự như magnetit (Fe₃O₄), với hỗn hợp trạng thái oxi hóa +2 và +3.

Halide

Có bốn dihalide của cobalt(II): cobalt(II) florua (CoF₂, màu hồng), cobalt(II) clorua (CoCl₂, màu xanh lam), cobalt(II) bromua (CoBr₂, màu xanh lục), cobalt(II) iodua (CoI₂, màu xanh lam đen).

Các halogenua này tồn tại ở dạng khan và dạng ngậm nước. Trong khi dichloride khan có màu xanh lam, dạng ngậm nước có màu đỏ.

Hợp chất hữu cơ kim loại

Cobaltocene là một chất tương tự về mặt cấu trúc của ferrocene, với cobalt thay thế cho sắt. Cobaltocene nhạy cảm với quá trình oxy hóa hơn nhiều so với ferrocene.

Cobalt cacbonyl (Co₂(CO)₈) là chất xúc tác trong các phản ứng cacbonyl hóa và hydrosilylation. Vitamin B12 là một hợp chất hữu cơ kim loại được tìm thấy trong tự nhiên và là vitamin duy nhất chứa một nguyên tử kim loại.

Đồng vị

⁵⁹Co là đồng vị cobalt ổn định duy nhất và là đồng vị duy nhất tồn tại tự nhiên trên Trái Đất.

Có 22 đồng vị phóng xạ đã được xác định:

• Đồng vị ổn định nhất là ⁶⁰Co có chu kỳ bán rã là 5,2714 năm
• ⁵⁷Co có chu kỳ bán rã là 271,81 ngày
• ⁵⁶Co có chu kỳ bán rã là 77,24 ngày
• ⁵⁸Co có chu kỳ bán rã là 70,84 ngày.

Tất cả các đồng vị phóng xạ khác của cobalt đều có chu kỳ bán rã ngắn hơn 18 giờ và trong hầu hết các trường hợp ngắn hơn 1 giây. Nguyên tố này cũng có 4 trạng thái meta, tất cả đều có chu kỳ bán rã ngắn hơn 15 phút.

Từ nguyên

Nhiều câu chuyện khác nhau về nguồn gốc của từ “cobalt” đã được đưa ra. Một phiên bản cho rằng nguyên tố cobalt được đặt theo tên “kobelt”, cái tên mà những người thợ mỏ bạc người Đức vào thế kỷ 16 đã đặt cho một loại quặng gây hại, có tính ăn mòn và sinh ra khí độc.

Xuất hiện của cobalt trên trái đất

Dạng cobalt ổn định được tạo ra trong các siêu tân tinh thông qua quá trình r. Nó chiếm 0,0029% vỏ Trái Đất. Ngoại trừ dạng sắt thiên thạch mới được tìm thấy gần đây, cobalt tự do (kim loại bản địa) không được tìm thấy trên bề mặt Trái Đất do xu hướng phản ứng với oxy trong khí quyển.

Một lượng nhỏ các hợp chất cobalt được tìm thấy trong hầu hết các loại đá, đất, thực vật và động vật. Trong đại dương, cobalt thường phản ứng với clo.

Sản xuất cobalt

Các loại quặng cobalt chính gồm: cobaltit, erythrit, glaucodot và skutterudit, nhưng phần lớn cobalt được khai thác bằng cách khử các sản phẩm phụ cobalt trong quá trình khai thác và luyện niken, đồng.

Vì cobalt thường được sản xuất như một sản phẩm phụ, nên nguồn cung cobalt phụ thuộc phần lớn vào tính khả thi về mặt kinh tế của việc khai thác đồng và niken trên một thị trường nhất định. Nhu cầu cobalt được dự báo tăng 6% trong năm 2017.

Khai thác cobalt trên thế giới

Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ ước tính trữ lượng cobalt trên thế giới là 11.000.000 tấn. Cộng hòa Dân chủ Congo (DRC) hiện sản xuất 63% sản lượng cobalt toàn cầu.

Thị phần này có thể đạt 73% vào năm 2025 nếu các kế hoạch mở rộng của các nhà sản xuất khai thác như Glencore Plc diễn ra như dự kiến.

Bloomberg New Energy Finance ước tính rằng đến năm 2030, nhu cầu cobalt toàn cầu có thể cao gấp 47 lần so với năm 2017.

Cộng hòa Dân chủ Congo

Những thay đổi mà Congo thực hiện đối với luật khai thác mỏ vào năm 2002 đã thu hút các khoản đầu tư mới vào các dự án đồng và cobalt tại Congo.

Năm 2005, nơi sản xuất cobalt hàng đầu là các mỏ đồng ở tỉnh Katanga của Cộng hòa Dân chủ Congo. Trước đây là tỉnh Shaba, khu vực này chiếm gần 40% trữ lượng toàn cầu, theo báo cáo của Cục Khảo sát Địa chất Anh năm 2009.

Canada

Năm 2017, một số công ty thăm dò đã lên kế hoạch khảo sát các mỏ bạc và Cobalt cũ ở khu vực Cobalt, Ontario, nơi được cho là có trữ lượng đáng kể.

Cobalt được khai thác ở Canada là sản phẩm phụ của hoạt động khai thác niken. Tuy nhiên, trong 2023, đất nước đã sản xuất hơn 5.000 tấn Cobalt. Tổng kim ngạch xuất khẩu cobalt và các sản phẩm từ cobalt đạt 568 triệu đô la vào năm 2023.

Cuba

Công ty Sherritt International của Canada xử lý quặng Cobalt trong các mỏ niken từ các mỏ Moa ở Cuba. ngoài ra, quốc đảo này còn có một số mỏ khác ở Mayarí, Camagüey và Pinar del Río.

Việc Sherritt International tiếp tục đầu tư vào sản xuất niken và Cobalt của Cuba, đồng thời mua lại quyền khai thác trong 17–20 năm, đã đưa quốc gia cộng sản này trở thành quốc gia có trữ lượng cobalt lớn thứ ba thế giới vào năm 2019, trước cả Canada.

Indonesia

Bắt đầu từ sản lượng nhỏ hơn vào năm 2021, Indonesia đã bắt đầu sản xuất Cobalt như một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất niken.

Đến năm 2022, Indonesia đã trở thành quốc gia sản xuất Cobalt lớn thứ hai thế giới, với dự báo của Benchmark Mineral Intelligence cho biết sản lượng của Indonesia sẽ chiếm 20% sản lượng toàn cầu vào năm 2030.

Ứng dụng của Cobalt

Năm 2016, 116.000 tấn Cobalt đã được sử dụng. Cobalt đã được sử dụng trong sản xuất hợp kim hiệu suất cao. Nó cũng được sử dụng trong một số loại pin sạc.

Hợp kim

Các siêu hợp kim gốc Cobalt trước đây đã tiêu thụ phần lớn lượng Cobaltđược sản xuất.

Độ ổn định nhiệt độ của các hợp kim này khiến chúng phù hợp để làm cánh tuabin cho tuabin khí và động cơ phản lực máy bay, mặc dù các hợp kim đơn tinh thể gốc niken có hiệu suất vượt trội hơn.

Pin

Lithium Cobalt oxit (LiCoO₂, hay còn gọi là “LCO”), được Sony bán ra thị trường lần đầu tiên vào năm 1991, đã được sử dụng rộng rãi trong catốt pin lithium-ion cho đến những năm 2010.

Chất xúc tác

Chất xúc tác điển hình là Cobalt carboxylate (còn gọi là xà phòng cobalt). Chúng cũng được sử dụng trong sơn, vecni và mực in như “chất làm khô” thông qua quá trình oxi hóa dầu khô.

Sắc tố và chất tạo màu

Trước thế kỷ 19, Cobalt chủ yếu được sử dụng làm sắc tố. Nó đã được sử dụng từ thời Trung cổ để sản xuất smalt – một loại thủy tinh màu xanh lam.

Smalt được sản xuất bằng cách nung chảy hỗn hợp khoáng chất smaltite rang, thạch anh và kali cacbonat, tạo ra thủy tinh silicat màu xanh lam đậm, được nghiền mịn sau khi sản xuất. Smalt được sử dụng rộng rãi để tạo màu thủy tinh và làm chất màu cho tranh vẽ.

Vật liệu từ tính

Cobalt được sử dụng để chế tạo nam châm vĩnh cửu như nam châm Alnico, nổi tiếng với tính chất từ ​​tính mạnh được sử dụng trong động cơ điện, cảm biến và máy MRI.

Các ứng dụng khác

Cobalt được dùng trong mạ điện nhờ vẻ ngoài đẹp, cứng và khả năng chống oxi hóa. Nó cũng được sử dụng làm lớp sơn lót cho men sứ.