Cobalto

Il cobalto è l'elemento chimico di numero atomico 27 e il suo simbolo è Co. È il primo elemento del gruppo 9 del sistema periodico, facente parte del blocco d, ed è quindi un elemento di transizione. Nella vecchia nomenclatura ha costituito, insieme al ferro, l'elemento precedente, e al nichel, il successivo, la triade del gruppo VIII del sistema periodico, detto anche gruppo del ferro;^[1][2] allo stato metallico condivide con essi il ferromagnetismo, sebbene meno spiccato che nel ferro.

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Cobalto
27 Co                                                                                                                                                                                                                                               ferro ← cobalto → nichel
Aspetto
Aspetto dell'elemento metallo grigio
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	cobalto, Co, 27
Serie	metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco	9, 4, d
Densità	8900 kg/m³
Durezza	5,0
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	4F9/2
Proprietà atomiche
Massa atomica	58,933195 u
Raggio atomico (calc.)	135(152) pm
Raggio covalente	126 pm
Configurazione elettronica	[Ar]3d74s2
e− per livello energetico	2, 8, 15, 2
Stati di ossidazione	2, 3 (anfotero)
Struttura cristallina	esagonale
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido (ferromagnetico)
Punto di fusione	1 768 K (1 495 °C)
Punto di ebollizione	3 200 K (2 930 °C)
Volume molare	6,67×10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	376,5 kJ/mol
Calore di fusione	16,19 kJ/mol
Tensione di vapore	175 Pa a 1768 K
Velocità del suono	4720 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-48-4
Elettronegatività	1,88 (Scala di Pauling)
Calore specifico	420 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	17,2×106/(m·Ω)
Conducibilità termica	100 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	760,4 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 648 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	3 232 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	4 950 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 56Co sintetico 77,27 giorni ε 4,566 56Fe 57Co sintetico 271,79 giorni ε 0,836 57Fe 58Co sintetico 70,86 giorni ε 2,307 58Fe 59Co 100% Co è stabile con 32 neutroni 60Co sintetico 5,2714 anni β− 2,824 60Ni
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Il nome cobalto deriva probabilmente dal greco kobalos, traducibile con folletto (ma vedi anche coboldo), "kobolt" in tedesco, dato dai minatori tedeschi che incolpavano i folletti di far loro trovare un metallo inutile anziché l'argento^[3].

Caratteristiche

È un elemento bianco argento o anche blu in casi estremi, ferromagnetico e molto duro. Il cobalto metallico è solitamente una miscela di due diverse strutture cristallografiche: hcp e fcc, con una temperatura di transizione da hcp a fcc di 722 K. La configurazione termodinamicamente stabile è pertanto quella esagonale, anche se tecnologicamente risulta facile ottenere l'allotropo cubico (ad esempio realizzando film sottili di cobalto). È associato spesso con il nichel, ed entrambi sono componenti caratteristici del ferro meteorico. La sua temperatura di Curie è 1233 K con 1,6~1,7 magnetoni di Bohr per atomo. Il cobalto ha una permeabilità magnetica relativa pari a due terzi di quella del ferro.

Il cobalto è chimicamente inerte; a temperatura ambiente risulta stabile nei confronti dell'aria e dell'acqua; viene lentamente attaccato dagli acidi cloridrico (HCl) e solforico (H₂SO₄). Gli stati di ossidazione che il cobalto può assumere sono +2, +3 e (raramente) +1.

Il ⁶⁰Co, un isotopo radioattivo artificiale emettitore di raggi gamma, è impiegato nel trattamento di molti tipi di tumori.

I mammiferi hanno bisogno di piccole quantità di sali di cobalto nella dieta.

Applicazioni

Lo stesso argomento in dettaglio: Telecobaltoterapia.

Il cobalto ed i suoi sali trovano impiego in numerosi settori ed applicazioni.

• Leghe metalliche, quali ad esempio
  • quelle impiegate nella realizzazione di turbine per motori d'aereo;
  • leghe ad alta resistenza alla corrosione e all'usura;
  • leghe per la produzione di gioielli in oro;
  • acciai per utensili ad alta velocità;
  • utensili in metallo duro (detti anche "come il diamante" o Widia);
  • cromo cobalto utilizzato per protesi ortopediche
• Legante per la sinterizzazione
  • utensili diamantati ottenuti inglobando particelle di diamante in una matrice metallica mediante sinterizzazione. In questo modo si ottiene una placchetta di metallo, detta settore diamantato, capace di tagliare materiali lapidei duri quali il granito. È possibile tagliare anche materiali teneri come il marmo ma si preferisce utilizzare utensili ottenuti per deposizione elettrolitica dove il diamante viene bloccato sul supporto inglobandolo nel nichel che si deposita sul corpo dell'utensile.
• Magneti e supporti magnetici per registrazioni, in lega con Fe (CoFe, materiale magneticamente duro a bassa rimanenza) ed in lega con Al e Ni (Alnico, materiale magneticamente duro ad alta rimanenza)
• Catalizzatori per le industrie petrolchimica e chimica
• Materiale di rivestimento per elettrodeposizione (galvanostegia), per il suo aspetto, la sua resistenza e la sua durezza.
• Composti disidratanti per vernici, lacche ed inchiostri
• Polveri per il rivestimento di porcellane e smalti
• Pigmenti: blu cobalto e verde cobalto
• Elettrodi per batterie d'auto
• Per la costruzione dei catodi di particolari valvole termoioniche destinate ad usi HiFi di altissimo livello. Queste valvole (molto costose) hanno la particolarità unica di emettere una luce verdognola, invece del solito arancione da incandescenza tipico degli altri tipi di valvole "normali".
• È stata teorizzata la creazione della cosiddetta bomba al cobalto in cui, al momento dell'esplosione, i neutroni veloci prodotti dalla fusione termonucleare bombardano il cobalto trasmutandolo in radioattivo e disperdendolo poi nel fallout.

Il cobalto-60, radioattivo, trova impiego come sorgente di raggi gamma

• si usa nella radioterapia
• si usa per la sterilizzazione dei cibi tramite radiazione (pastorizzazione a freddo)
• si usa nella radiografia industriale per il rilevamento di anomalie strutturali in manufatti in metallo.
• si usa per misurare il livello di acciaio liquido in lingottiera nel processo di colata continua abbinato a uno scintillatore

Il suo uso come tracciante radioattivo è molto diffuso perché è facile da produrre; si ottiene infatti esponendo cobalto naturale ai neutroni prodotti da un reattore nucleare.

• 
  Oggetti in vetro al cobalto (da cui la colorazione blu)
• 
  Blu cobalto
• 
  Verde cobalto
• 
  Cobalto-60

Biologia

Il Cobalto si trova in molti organismi viventi, esseri umani compresi. Un contenuto di cobalto da 0,13 a 0,30 parti per milione nel suolo migliora nettamente la salute degli animali da cortile. Il Cobalto è un elemento fondamentale nella vitamina B12.

Storia

Il cobalto era noto fin dall'antichità per i suoi composti che davano al vetro la tipica colorazione blu. Georg Brandt (1694-1768) è considerato lo scopritore del cobalto: la data della scoperta varia a seconda della fonte, ma è tra il 1730 e il 1737.

Etimologia

La parola cobalto deriva dal tedesco kobalt o kobold, cioè spirito diabolico (i minatori chiamarono così il minerale di cobalto perché è velenoso e può contaminare altri minerali, come quelli di nichel). Secondo altri può derivare dal greco kobalos, che significa folletto: è possibile che le parole kobold, goblin e cobalt abbiano tutte lo stesso etimo.

Disponibilità

Il cobalto non si trova allo stato puro metallico, ma solo come minerale, e non viene estratto da solo ma come sottoprodotto dell'estrazione di rame o nichel. I più importanti minerali di cobalto sono la Heterogenite,^[4] la cobaltite, l'eritrite, il glaucodoto e la skutterudite.

I maggiori paesi produttori al mondo di cobalto sono la Repubblica Democratica del Congo^[4] - da cui al 2023 proviene il 60% del cobalto mondiale^[5] in una filiera alimentata da più di 100.000 senza diritti^[6] -, la Cina, lo Zambia, la Russia e l'Australia. Un quadro diverso emerge analizzando le aziende che gestiscono miniere di cobalto. Secondo un reportage pubblicato dalla rivista specializzata illuminem, i principali produttori sono aziende incorporate nel Regno Unito (Glencore e Eurasian Natural Resources) e in Cina (China Molybdenum e Metorex)^[7]. Azionisti cinesi controllano a loro volta le due aziende che rappresentano il 13,8% della produzione mondiale e circa il 24% della produzione prodotta da grandi aziende conosciute e attive. Le imprese incorporate nella Repubblica Democratica del Congo controllano invece solo il 3,5 per cento della produzione globale^[7].

I maggiori produttori di cobalto nel 2019[8]
Posizione	Paese	Produzione (tonnellate)
1	RD del Congo	100.000
2	Russia	6.300
3	Australia	5.740
4	Filippine	5.100
5	Cuba	3.800
6	Madagascar	3.400
7	Canada	3.340
8	Papua Nuova Guinea	2.910
9	Cina	2.500
10	Marocco	2.300

Composti

Dati i molti stati di ossidazione, esistono in natura molti composti del cobalto. Gli ossidi sono antiferromagnetici a bassa temperatura: CoO (temperatura di Néel: 291 K) e Co₃O₄ (temperatura di Néel: 40 K).

Isotopi

Il cobalto naturale è composto di un solo isotopo stabile, ⁵⁹Co. Sono stati catalogati 22 radioisotopi del cobalto, di cui i più stabili sono ⁶⁰Co con una emivita di 5,2714 anni, ⁵⁷Co con 271,79 giorni, ⁵⁶Co con 77,27 giorni e ⁵⁸Co con 70,86 giorni. Tutti gli altri hanno tempi di dimezzamento di meno di 18 ore, e la maggior parte di meno di un secondo. Il cobalto ha anche 4 stati metastabili, tutti con emivite di meno di 15 minuti.

Il numero di massa degli isotopi di cobalto conosciuti varia da 50 (⁵⁰Co) a 73 (⁷³Co). Il modo di decadimento principale prima dell'isotopo stabile più abbondante, ⁵⁹Co, è la cattura elettronica, mentre oltre il ⁵⁹Co il modo di decadimento più frequente è il decadimento beta. Il prodotto di decadimento più frequente prima del ⁵⁹Co sono isotopi di ferro, mentre dopo di esso il decadimento dà isotopi di nichel.

Precauzioni

Simboli di rischio chimico
pericolo
frasi H	334 - 317 - 413 [9]
frasi R	R 42/43-53
consigli P	261 - 280 - 342+311 [10]
frasi S	S 2-22-24-37-61
Le sostanze chimiche vanno manipolate con cautela
Avvertenze

Il cobalto metallico in polvere può infiammarsi spontaneamente all'aria. I composti del cobalto vanno maneggiati con cautela, data la loro lieve tossicità.

Il ⁶⁰Co, radioattivo, è un potente emettitore di raggi gamma, pertanto l'esposizione ad esso aumenta il rischio di cancro. Ingerito, viene eliminato dai tessuti solo lentamente. Il ⁶⁰Co può prodursi a partire dal nichel e dagli isotopi stabili del cobalto per effetto dell'irraggiamento neutronico sia entro i reattori nucleari, sia in caso di utilizzo di armi nucleari per i neutroni emessi da queste. Esistono (a livello prettamente teorico) armi nucleari appositamente progettate per aumentare la quantità di ⁶⁰Co dispersa nell'ambiente attraverso il fall-out.