Cobalto: estructura, propiedades, aplicaciones
El cobalto es un metal de transición que pertene al grupo VIIIB de la tabla periódica y cuyo símbolo químico es el Co. Es un sólido de color azul grisáceo (dependiendo de sus impurezas), encontrado en toda la corteza terrestre; aunque su concentración apenas representa 25 ppm o el 0,001 % de la misma.
Este metal es un oligoelemento esencial en la nutrición de los rumiantes. Asimismo forma parte del núcleo de la vitamina B12, necesaria para la maduración de lo eritrocitos. La vitamina B12 presenta una estructura semejante a la del grupo hemo de la hemoglobina; pero con Co en lugar de Fe.
En la naturaleza el cobalto no suele encontrarse puro, sino dentro de las matrices complejas de minerales tales como: la cobaltita, skutterudita, eritrita, etc. En estos minerales el cobalto está combinado, usualmente, con níquel, hierro o arsénico.
El nombre de ‘cobalto’ proviene del alemán kobalt, que a su vez derivaba de kobolt, nombre que le daban los mineros a las menas de minerales que producían colorantes azules y tenían pocos metales que ellos conocían; menas que, cabe mencionar, les causaban envenenamiento.
El cobalto se encuentra en menas junto con el níquel, hierro y cobre, entre otros metales. Por lo tanto, no puede obtenerse puro, y requiere de un intenso trabajo de refinación para purificarlo hasta que sea práctico su uso.
Fue descubierto por el químico sueco Georg Brandt, entre 1730 y 1740. Constituyó el primer metal descubierto desde la prehistoria. Brandt señaló que el cobalto era el responsable de la coloración azul de la cerámica y el vidrio; y no el bismuto, como se creía hasta entonces.
El cobalto tiene 29 isótopos. El 59Co es estable y representa casi el 100 % de los isótopos del cobalto; los 28 restantes son radioisótopos. Estos incluyen al 60Co, utilizado en el tratamiento del cáncer. Es un elemento magnético, conservando su magnetismo a altas temperatura. Esta propiedad le ha permitido formar aleaciones como la llamada Alinco, utilizada en altoparlantes, micrófonos, cornetas de radio, etc.
Índice del artículo
- 1 Historia
- 2 Estructura y configuración electrónica del cobalto
- 3 Propiedades
- 3.1 Apariencia física
- 3.2 Peso atómico
- 3.3 Número atómico
- 3.4 Tabla periódica
- 3.5 Punto de fusión
- 3.6 Punto de ebullición
- 3.7 Densidad a temperatura ambiente
- 3.8 Calor de fusión
- 3.9 Calor de vaporización
- 3.10 Capacidad calórica molar
- 3.11 Velocidad del sonido
- 3.12 Dureza
- 3.13 Magnetismo
- 3.14 Electronegatividad
- 3.15 Energía de ionización
- 3.16 Radio atómico
- 3.17 Volumen atómico
- 3.18 Reacciones
- 4 Aplicaciones
- 5 Dónde se encuentra
- 6 Referencias
El cobalto era usado en épocas tan remotas como 2.000 a 3.000 años a.C. Los egipcios, los persas y las dinastías chinas lo utilizaban en la elaboración de sus esculturas y cerámicas. Aportaba la coloración azul tan apreciada en las obras de arte y artículos de uso.
Probablemente los egipcios (1550 – 1292 a.C.) fueron el primer pueblo que empleó el cobalto para imprimirle al vidrio su color azul.
El cobalto no se encuentra aislado en las menas, sino en presencia de minerales con níquel, cobre y arsénico.
Al intentar fundir el cobre con el níquel, se producía el óxido de arsénico, un gas muy venenoso que era el causante del envenenamiento que sufrían los mineros.
El cobalto fue descubierto, aproximadamente, en el año 1735 por el químico sueco Georg Brandt, quien se dio cuenta de que el cobalto, precisamente, era el metal que aportaba la coloración azul de la cerámica y el vidrio.
Fue el primer metal descubierto desde la antigüedad. El hombre desde esta época utilizaba numerosos metales como el hierro, el cobre, la plata, el estaño, el oro, etc.. En muchos casos se desconoce cuándo se comenzaron a utilizar.
La primera explotación minera del cobalto en el mundo se inició en Europa, siendo Noruega el primer productor de azul de cobalto; un compuesto de alúmina y cobalto, además de esmalte (vidrio de cobalto en polvo), usado como pigmento en la cerámica y en la pintura.
La preponderancia en la producción de cobalto, se trasladó a Nueva Caledonia (1864) y Canadá (1904), en la región de Ontario por el descubrimiento de yacimientos en esos países.
Posteriormente, la actual República Democrática del Congo (1913) pasó a ser el primer productor mundial de cobalto por el descubrimiento de grandes yacimientos en la región de Katanga. Actualmente este país, junto a Canadá y Australia, es uno de los principales productores de cobalto.
Mientras, la República China es el primer productor mundial de cobalto refinado, ya que importa el metal desde la República Democrática del Congo para su refinación.
En 1938, John Livinglood y Glenn Seaborg lograron la producción en un reactor atómico del 60Co; isótopo radiactivo que se usa en medicina en el tratamiento del cáncer.
El cobalto, al igual que otros metales, mantiene unidos sus átomos mediante el enlace metálico. La fuerza y compresión es tal que establecen un cristal metálico, donde existe una marea de electrones y bandas de conducción que explican sus conductividades eléctricas y térmicas.
Analizando microscópicamente los cristales de cobalto, se hallará que poseen una estructura hexagonal compacta; hay triángulos de átomos de Co arreglados en capas ABAB…, formándose prismas triangulares con capas intercaladas, que a su vez, representan la sexta parte de un hexágono.
Esta estructura está presente para la mayoría de las muestras de cobalto a temperaturas inferiores de los 450ºC. Sin embargo, cuando la temperatura asciende empieza una transición entre dos fases cristalográficas: la hexagonal compacta (hcp) y la cúbica centrada en la cara (fcc, por sus siglas en inglés: face-centred cubic).
La transición es lenta, por lo que no todos los cristales hexagonales se tornan cúbicos. Así, a altas temperaturas el cobalto puede exhibir ambas estructuras cristalinas; y entonces, sus propiedades dejan de ser homogéneas para todo el metal.
La estructura cristalina no es completamente perfecta; puede albergar irregularidades, las cuales definen granos cristalinos de distintos tamaños. Cuanto más pequeños sean, el metal se mostrará más liviano o como si fuera una esponja. En cambio, cuando los granos son grandes, el metal se tornará macizo y sólido.
El detalle con el cobalto es que no solo los granos modifican el aspecto externo del metal: también su estructura cristalina. Por debajo de los 450ºC debería predominar la estructura hcp; pero cuando los granos son pequeños, como en el cobalto esponjoso, la estructura dominante es la fcc.
Lo contrario ocurre cuando los granos son grandes: domina la estructura fcc sobre la hcp. Tiene sentido ya que los granos grandes son más pesados y ejercen entre ellos mayores presiones. A mayores presiones, los átomos de Co se compactan más y optan por adoptar la estructura hcp.
A altas temperaturas (T > 1000ºC), ocurren las transiciones recién descritas; pero para el caso del cobalto esponjoso, una pequeña porción de sus cristales se tornan hexagonales, mientras que la mayoría continúan siendo cúbicos.
En un trabajo de investigación español (Peña O’shea V. y col., 2009), se demostró que se podía sintetizar nanocristales hexagonales de cobalto capaces de soportar temperaturas cercanas a los 700ºC sin sufrir transiciones a la fase fcc.
Para ello, los investigadores redujeron muestras de óxidos de cobalto con CO y H2, encontrando que los nanocristales hcp debían su estabilidad a un recubrimiento de nanofibras de carbono.
La configuración electrónica del cobalto es:
[Ar]3d74s2
Puede por tanto en teoría perder hasta nueve electrones de su capa de valencia; pero esto no ocurre (al menos en condiciones normales), ni se forma el catión Co9+.
Sus estados de oxidación son: -3, -1, +1, +2, +3, +4, +5, siendo +2 y +3 los principales.
Metal sólido, lustroso, azul grisáceo. El cobalto pulido es blanco plateado con una tonalidad azulosa.
58,933 g/mol.
27.
Es un metal de transición que pertenece al grupo 9 (VIIIB), período 4.
1.768 K (1.495 ºC, 2.723 ºF).
3.200 K (2.927 ºC, 5.301 ºF).
8,90 g/cm3.
16,06 kJ/mol.
377 kJ/mol.
24,81 J/mol·K
4.720 m/s (medido en una varilla del metal).
5,0 en la escala de Mohs.
Es uno de los tres elementos ferromagnéticos a temperatura ambiental. Los imanes de cobalto conservan su magnetismo a temperaturas tan elevadas como 1.121 ºC (2.050 ºF).
1,88 en la escala de Pauling.
Primer nivel de ionización: 740,4 kJ/mol.
Segundo nivel de ionización: 1.648 kJ/mol.
Tercer nivel de ionización: 3.232 kJ/mol.
125 pm.
6,7 cm3/mol.
El cobalto se disuelve lentamente en los ácidos minerales diluidos. No se combina directamente con el hidrógeno o el nitrógeno, pero sí con el carbono, el fósforo y el azufre mediante calentamiento. Se une al oxígeno presente en el vapor de agua a altas temperaturas.
Reacciona en forma vigorosa con el ácido nítrico 15 M, formando nitrato de cobalto, Co(NO3)2. Reacciona débilmente con el ácido clorhídrico para formar cloruro de cobalto, CoCl2. El cobalto no forma hidruros.
Tanto el Co+2 como el Co+3 forman numerosos complejos de coordinación, considerándose uno de los metales con mayor número de estos complejos.
Las aleaciones de cobalto se utilizan en la fabricación de motores a reacción y en motores de turbina a gas. Una aleación llamada Alinco, formada por aluminio, níquel y cobalto, tiene propiedades fuertemente magnéticas. Los imanes Alinco se utilizan en audífonos, brújulas y micrófonos.
Las llamadas herramientas de corte se hacen con aleaciones de estelitas, constituidas con cobalto, cromo y tungsteno. Las superaleaciones tienen un punto de fusión cercano al del cobalto, y se caracterizan por su gran dureza, usándose en la elaboración de herramientas de baja expansión.
Desde la antigüedad, el cobalto ha sido utilizado por numerosas culturas para darle una coloración azul a sus obras de arte y decorativas. En este sentido, se han empleado los óxidos: el cobaltoso, CoO, y el cobáltico, Co3O4.
Además de su uso en la fabricación de cerámica, vidrios y esmaltes, los óxidos de cobalto son usados en la preparación de catalizadores.
El cobalto-60 (60Co), un isótopo radiactivo que emite radiaciones beta (β) y gama (γ), es utilizado en el tratamiento del cáncer. La radiación γ es una radiación electromagnética, por lo que tiene la capacidad de penetrar los tejidos y alcanzar las células cancerosas, permitiendo así su erradicación.
Las células cancerosas son células que se dividen a gran velocidad, lo cual las hace más susceptibles a las radiaciones ionizantes que inciden sobre su núcleo, dañando el material genético.
El 60Co, al igual que otros radioisótopos, es utilizado en la esterilización de materiales que son usados en la práctica médica.
Asimismo, el cobalto es usado en la elaboración de implantes ortopédicos, junto con el titanio y el acero inoxidable. Una gran parte de los reemplazos de cadera, emplean tallos femorales de cromo-cobalto.
El cobalto es usado para mejorar el rendimiento de las baterías recargables, desempeñando una función útil en los vehículos híbridos.
El cobalto es utilizado para proporcionar a las superficies metálicas un buen acabado que las proteja contra la oxidación. El sulfato de cobalto, CoSO4, por ejemplo, es el principal compuesto de cobalto que se utiliza en este sentido.
El cloruro cobaltoso, CoCl2.6H2O, se utiliza como un indicador de humedad en los desecadores. Es un sólido rosa que cambia a color azul a medida que se hidrata.
El cobalto forma parte del sitio activo de la vitamina B12 (cianocobalamina) que interviene en la maduración de los eritrocitos. Su ausencia origina una anemia caracterizada por la aparición en la circulación sanguínea de grandes eritrocitos conocidos como megaloblastos.
El cobalto se encuentra ampliamente distribuido en toda la corteza terrestre; aunque su concentración es muy baja, estimándose que constituye 25 ppm de la corteza terrestre. Mientras, en el Sistema Solar en conjunto su concentración relativa es de 4 ppm.
Se encuentra en pequeñas cantidades en los complejos níquel-hierro, siendo nativo de la Tierra y de meteoritos. Asimismo, se halla en combinación con otros elementos en lagos, ríos, mares, plantas y animales.
Además, es un elemento esencial para la nutrición de los rumiantes y está presente en la vitamina B12, necesaria para la maduración de los eritrocitos. El cobalto no suele estar aislado en la naturaleza, sino que se encuentra en diferentes minerales combinado con otros elementos.
Entre los minerales de cobalto están los siguientes: la cobaltita, en combinación con arsénico y azufre; la eritrita, formada por arsénico y cobalto hidratado; el glaucodot formado por cobalto, hierro, arsénico y azufre; y la skutterudita formada por cobalto, níquel y arsénico.
Además, se pueden señalar los siguientes minerales adicionales de cobalto: linnaelita, esmaltita y heterogenita. El cobalto es acompañado en los minerales principalmente por níquel, arsénico y hierro.
En la mayor parte de las veces, el cobalto no se extrae de las menas que lo contienen en sí, sino que es un subproducto de la extracción minera de níquel, hierro, arsénico, cobre, manganeso y plata. Se requiere de un proceso complejo para extraer y aislar el cobalto de estos minerales.
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