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鈷是一種被冤枉的金屬。

為什么這么說(shuō)呢？

這就要提到鈷的英文名稱cobalt，這個(gè)詞來(lái)源于德文，是妖魔的意思。鈷會(huì)被賦予這樣一個(gè)名字，背后有著一個(gè)故事：礦工在采集以及提煉鈷礦石的過(guò)程中，常常因?yàn)槲肫渲挟a(chǎn)生的氣體，導(dǎo)致生病甚至中毒。

其實(shí)這種氣體是砷礦物引起的，而當(dāng)時(shí)人們并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，所以妖魔的名號(hào)就給了鈷。這個(gè)黑鍋鈷一直背了幾百年，直到砷礦物被發(fā)現(xiàn)。

今天就來(lái)認(rèn)識(shí)一下這個(gè)“倒霉”的金屬。

鈷元素

元素鈷在化學(xué)周期表中排27號(hào)，是一種金屬元素，質(zhì)地硬而脆。其熔點(diǎn)達(dá)到1500攝氏度左右，沸點(diǎn)約3100攝氏度，相對(duì)密度8.9，摩氏硬度5～5.5。

鈷有很多特性，其在高溫下能夠保持較高的強(qiáng)度，并且具有較低的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及較強(qiáng)的鐵磁性。

鈷的本“色”

自然界含鈷的礦物大約有100多種，重要礦物有硫鈷礦、輝砷鈷礦、砷鈷礦、鈷華等。其中鈷華（化學(xué)成分為砷酸鈷）是一種桃紅色的美麗礦物，被加熱時(shí)可以變?yōu)樗{(lán)色。

鈷華

方鈷礦

而這兩種顏色與鈷還有很深的關(guān)系。

鈷作為一種雜質(zhì)元素混入礦物或者寶石當(dāng)中時(shí)，可以形成一些特殊的色彩。比如藍(lán)寶石含鈷會(huì)呈現(xiàn)藍(lán)色或藍(lán)綠色；巴西maxixe礦出產(chǎn)的海藍(lán)寶石因含鈷而呈現(xiàn)天然的鈷藍(lán)色；斯里蘭卡出產(chǎn)的鈷尖晶石，因?yàn)闈庥舳髁恋乃{(lán)色而更顯珍貴。

而對(duì)于方解石或者白云石來(lái)說(shuō)，含有一定量的鈷則表現(xiàn)出不同的結(jié)果，它們會(huì)表現(xiàn)為美麗的粉紅色或玫瑰紅色，非常誘人。

這么多含有鈷的礦物是藍(lán)色系的，為什么方解石含鈷卻會(huì)表現(xiàn)為紅色呢？其實(shí)彩色礦物或?qū)毷念伾粌H僅跟特定的致色元素比如鈷、鉻等的種類(lèi)和含量有關(guān)，還受礦物本身的晶體結(jié)構(gòu)中原子或離子的排列方式影響。

鈷方解石

這種現(xiàn)象在其他致色離子的礦物中也有類(lèi)似的表現(xiàn)，比如紅寶石含有鉻時(shí)會(huì)呈現(xiàn)紅色調(diào)，而祖母綠含鉻時(shí)卻呈現(xiàn)綠色調(diào)。

對(duì)于鈷尖晶石來(lái)說(shuō)，其結(jié)構(gòu)中不僅含有鈷，還含有鐵和鋅等元素，其獨(dú)特的鈷藍(lán)色可能為三種以上元素共同作用而形成的結(jié)果。

鈷還被用于處理顏色凈度較差的寶石，比如利用鈷擴(kuò)散處理方法，可以將暗藍(lán)色的寶石變?yōu)轷r艷的天藍(lán)色。還有就是利用放射性同位素鈷-60產(chǎn)生的伽瑪射線作輻射源，輻照一定時(shí)間，就會(huì)使得原本無(wú)色或色彩暗淡污濁的礦物呈現(xiàn)為靚麗的藍(lán)色，而且射線的強(qiáng)度越大，輻照的時(shí)間越長(zhǎng)，改色的效果也會(huì)越好，顏色也會(huì)越深。比如無(wú)色黃玉經(jīng)過(guò)鈷-60輻照處理后，在經(jīng)過(guò)中溫加熱退火處理后可以轉(zhuǎn)變?yōu)樗{(lán)色黃玉。

尖晶石

鈷的用處

古代的人們?cè)缫寻l(fā)現(xiàn)鈷與藍(lán)色的秘密，鈷被用作顏料的歷史在西方可以追溯到古埃及時(shí)期。在埃及法老圖坦卡蒙的墓穴中有一小塊玻璃器物，后來(lái)檢測(cè)其深藍(lán)色是因?yàn)榇嬖阝挼木壒?。古希臘人和古羅馬人曾利用鈷化合物制造有色玻璃，這種玻璃會(huì)表現(xiàn)出美麗的深藍(lán)色。

而在中國(guó)，鈷及其化合物也有悠久的顏料使用史。唐朝著名的唐三彩，元代的青花瓷，明代的景泰藍(lán)無(wú)不與含鈷的釉料有關(guān)，而這種鈷顏料制造出的藍(lán)色不僅著色率強(qiáng)、發(fā)色鮮艷而且呈色穩(wěn)定、歷久彌新。

中國(guó)景泰藍(lán)瓷器

這些歷史事實(shí)都說(shuō)明，鈷作為顏料，早在古代已被人們發(fā)現(xiàn)和使用。前面提到的鈷作為顏料主要為藍(lán)色，其實(shí)鈷還有其他兩種顏料：鈷紫顏料和鈷黑顏料。

鈷藍(lán)化學(xué)成分為鋁酸鈷，是鋁和氧化鈷反應(yīng)生成的一種顏料，表現(xiàn)為藍(lán)色或藍(lán)綠色調(diào)。這種顏料有著鮮明的色澤，高強(qiáng)度的著色能力，極強(qiáng)的耐酸堿性，較高耐熱程度，被大量作為陶瓷、琺瑯、玻璃等許多材料的著色劑使用。日常生活中見(jiàn)到的食品用硅膠干燥劑中就加入了氧化鈷，無(wú)水時(shí)表現(xiàn)為藍(lán)色，在吸取空氣中的水后變?yōu)榉奂t色。

水鈷礦

鈷紫顏料也常被用于陶瓷、玻璃等的顏料，其成分為磷酸鈷，為一種特殊的紫色顏料。

鈷黑顏料有鐵鈷黑和鐵鈷鉻黑兩種，主要用于陶瓷坯體和釉料的著色，是由多種金屬氧化物經(jīng)過(guò)高溫固相反應(yīng)而生成的高性能無(wú)機(jī)顏料，具有環(huán)保無(wú)毒的優(yōu)點(diǎn)。

鈷的本領(lǐng)

除了被用于顏料外，鈷在制作電池材料、超級(jí)合金、硬質(zhì)合金、磁性材料中也有廣泛應(yīng)用。鈷-60作為一種廣為使用的放射性材料用于醫(yī)學(xué)放射檢查與治療。現(xiàn)在，鈷及其合金在機(jī)械、化工、航空航天等行業(yè)也都得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為一種重要的戰(zhàn)略金屬。

制造電池設(shè)備是目前鈷最重要的用途，使用量占到全部鈷使用量的40%。鈷主要用來(lái)制作鋰離子電池的鈷酸鋰，鎳氫電池的氧化亞鈷等。含鈷材料是目前最好也是最為穩(wěn)定的鋰電池正極材料，是電池的核心之一，具有能量密度高和環(huán)保安全性高的特點(diǎn)。

含鈷材料是目前最好也是最為穩(wěn)定的鋰電池正極材料

三元鋰電池是指使用鎳鈷錳或者鎳鈷鋁酸鹽等三元材料為電池正極的鋰電池。相對(duì)于傳統(tǒng)鋰電池，三元鋰電池具有綜合性能和低成本的雙重優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為現(xiàn)今最被關(guān)注和認(rèn)同的產(chǎn)品。

一方面由于鈷是電池材料中最昂貴的金屬材料之一，價(jià)格高居不下，另一方面鈷作為稀缺資源，高度集中于個(gè)別國(guó)家，價(jià)格波動(dòng)較大，影響新能源趨勢(shì)的發(fā)展，所以現(xiàn)在已經(jīng)有許多廠商在研究無(wú)鈷電池。

鈷常被添加到鋼或者其他合金當(dāng)中，可以明顯提高合金的堅(jiān)硬程度、耐磨程度、抗沖擊性能和韌性。

鈷是一種被磁化之后就能長(zhǎng)期保持磁性的金屬。鈷的這種優(yōu)越磁性，使之被大量應(yīng)用于制造高性能磁性材料。這種用途的鈷使用量大概占到總使用量的5%左右。高鈷含量的磁性鋼比一般磁性鋼的磁力密度更高，而且在高溫條件下這種磁性也不會(huì)輕易喪失。大型的永久磁體大多為含鈷合金，其中常用的是一種叫作阿爾尼克的合金材料，它是由鈷、鎳、鋁制造的堅(jiān)硬合金。

鈷在醫(yī)療領(lǐng)域也有多方面的應(yīng)用，鈷-60放射性同位素被用來(lái)治療人體的皮膚病和惡性腫瘤；維生素B12（鈷胺素）中鈷的含量更是高達(dá)4.5%；

維生素B12是一類(lèi)含鈷的復(fù)雜有機(jī)化合物

鈷被用于制造人工髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)以及牙料填充劑。具有放射性的鈷同位素還被廣泛應(yīng)用于輻照食品加工行業(yè)，通過(guò)這種輻照技術(shù)可以殺死有害的細(xì)菌。

鈷的來(lái)源

鈷礦床的成因大致可以分為巖漿型、熱液型、沉積型、風(fēng)化殼型等四大類(lèi)。以巖漿型為主，占鈷礦總量的65%以上。巖漿礦床是巖漿在上升冷卻過(guò)程中，通過(guò)結(jié)晶作用與分異作用，使含鈷礦物聚集在一起而形成的礦床。

鈷白云石

熱液礦床是指含礦熱水溶液在與周?chē)鷰r石混合的過(guò)程中，遇到合適的地層或構(gòu)造縫隙時(shí)冷卻凝固形成的鈷礦床。

沉積礦床為在地表環(huán)境中，含礦物質(zhì)被自然環(huán)境中的營(yíng)力包括流水、風(fēng)、冰川等作用風(fēng)化剝蝕，并在恰當(dāng)?shù)牡胤骄奂纬傻牡V床。

風(fēng)化殼礦床是一種殘留礦床，指巖石受到長(zhǎng)期風(fēng)化作用的剝蝕，不穩(wěn)定的物質(zhì)大多被搬運(yùn)到別處，剩下的成礦物質(zhì)相對(duì)富集形成的礦床。

鈷礦在全球有著重要地位，但是陸地上的鈷資源分布非常不均衡，陸地鈷礦探明總儲(chǔ)量的80%以上都分布在剛果（金）、澳大利亞、古巴、贊比亞、菲律賓等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家。其中剛果（金）是全球鈷礦資源儲(chǔ)量最豐富的國(guó)家，大約占到全世界總儲(chǔ)量一半，澳大利亞和古巴則分列二三位，前三個(gè)國(guó)家的占比達(dá)到四分之三。

中國(guó)鈷礦資源缺乏，少有獨(dú)立成礦，多與鐵、鎳、銅等礦床伴生，且品類(lèi)較低。我國(guó)伴生鈷的回收效率低，工藝手段較落后，使得鈷成為一種需要長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的原材料。要解決這一依賴性較強(qiáng)的資源劣勢(shì)，一方面是要從海洋中尋找和提煉鈷資源，另一方面是提高鈷礦的利用率和鈷材料回收的技術(shù)手段。

本文轉(zhuǎn)載自《地球》2021年第6期，侵刪！