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文章轉載自“Chem-Station化學空間”

鈷元素是一種非常重要的金屬元素，它在電鍍、玻璃、染色、醫(yī)藥醫(yī)療等方面有著廣泛的用途。鈷元素被稱為“工業(yè)的維生素”，很多重要合金都含有鈷；而鈷酸鋰是目前最為重要正極材料；此外鈷藍則是一種重要的染料；鈷胺素則作為輔酶，在生物體的代謝活動中發(fā)揮著重要的用途……

鈷的基本物理性質

鈷的發(fā)現(xiàn)

鈷是一種使用歷史非常悠久的元素，古代希臘人和羅馬人曾用鈷的化合物來制造深藍色的玻璃，中國唐代的彩瓷上鮮艷的藍色也來源于鈷的化合物，人們稱這種美麗、神奇的染料為鈷藍。在埃及，圖坦卡蒙的墓中也發(fā)現(xiàn)了含鈷的藍色玻璃，這些都證明了人們早在很久以前就開始使用鈷的化合物了。

鈷元素的發(fā)現(xiàn)得追溯到數(shù)百年之前，在德國的薩克森州，有一個規(guī)模很大的金屬礦，在這里，礦工們發(fā)現(xiàn)了一種外表很像銀的礦石，他們認為這是一種非常有價值的礦石，于是大量開采冶煉。但是在冶煉過程中，經(jīng)常會發(fā)生二氧化硫、砷毒氣中毒等事故，他們認為這是惡魔作祟，于是便在教堂里誦讀祈禱文，替工人解脫惡魔迫害。這個“惡魔”的源頭其實是輝鈷礦，因為這個緣故，于是鈷元素便無辜的獲得了“kobalt”這個“惡魔”意思的名字，并沿用至今。[1]

1753年，瑞典化學家格?布蘭特(G.Brandt)從輝鈷礦中分離出淺玫色的灰色金屬，這是第一次制得純度較高的金屬鈷。之后，在1780年，瑞典化學家伯格曼(T.Bergman)又制得了純鈷，并確定鈷是一種新的金屬元素。1789年，拉瓦錫將這種元素首次列入了元素周期表。

鈷單質

顏料中的鈷

鈷元素的許多化合物都具有非常鮮艷的色彩，如粉紅的氯化鈷，玫紅的硫酸鈷，淺紅的草酸鈷……鈷元素不僅僅是制造合金的“工業(yè)維生素”，同時也是制備各種高級顏料的重要原材料。鈷藍是最為著名的藍色顏料，鈷藍的化學組成是CoO?Al2O3即鋁酸鈷，礦物組成是Co?Al2O4，即鈷鋁尖晶石。鈷藍顏料有鮮明的色澤，著色強度很高，還有極強的耐熱性、耐酸堿性，它被廣泛用于陶瓷、玻璃等飾品的上色。在中世紀時，威尼斯的能工巧匠們曾用鈷藍染料制作了精美絕倫的藍色玻璃杯，風靡世界各國。在中國，明代年間生產的景泰藍使用的也是鈷藍染料，這種美麗的瓷器也遠銷海外，在世界范圍內都有著美好的聲譽。鈷藍染料的成分一度是一個謎，威尼斯工匠為了防止鈷藍的配方泄露，甚至還將整個玻璃生產工廠搬遷到了一個孤零零的小島上，來杜絕情報泄露。根據(jù)17世紀保存下來的文件記載，沙俄為了購買昂貴的鈷藍顏料曾花費了巨額資金，俄國人稱這種顏料為“戈盧貝茨”，“藍色”之意?？死锬妨謱m的大廳和安眠大教堂等許多宏偉大廈的墻壁都涂有這種美麗的藍色染料。[2]

除了鈷藍顏料，鈷的化合物也被用來制作其他顏色的顏料，如CoLiPO4鈷紫顏料以及(Fe, Co)Fe2O4和(Co, Fe)(Fe, Cr)2O4兩種鈷黑顏料。[3]

此外，鈷元素還有一些化合物，它們在不同狀態(tài)和溫度時，會具有變化莫測的顏色。據(jù)記載，16世紀著名的醫(yī)生帕拉塞爾薩斯常愛表演他的拿手戲法，每次都博得看客的熱烈掌聲。他先把一幅上面畫有覆蓋著積雪的樹木和小山的冬季風景的油畫拿給觀眾看，待他們欣賞夠了之后，他就在眾目睽暌之下把油畫中的冬天“變成”了夏天：樹上的積雪一下不見了，變成了成簇的綠葉；白色積雪的山丘則變成了長滿綠草的山坡。觀眾無不贊嘆，可就是不知其中的奧秘。其實，這只是利用氯化鈷變的一個魔術。在室溫下，氯化鈷可以制成一種白色的溶液（溶液中含有一定數(shù)量的鎳和鐵），帕拉塞爾薩斯就用這種溶液作畫，在畫干了后，只要稍微加熱，氯化鈷就會變成非常漂亮的綠色。帕拉塞爾薩斯表演時，先把氯化鈷溶液涂在他的魔畫上，然后趁觀眾欣賞畫面而沒有注意他的瞬間，麻利地將一支蠟燭悄悄地放在油畫背后加熱它，于是，氯化鈷受熱后就變成綠色，使人目瞪口呆的季節(jié)變化也就發(fā)生了。[4]

鈷藍、鈷紫、鈷黑染料；鈷藍玻璃；景泰藍；鈷藍玻璃杯

重要的正極材料——鈷酸鋰

目前，鈷酸鋰是使用范圍最廣，消耗量最大的鋰電池正極材料，鈷酸鋰是是一種具有層狀結構的材料，它的層狀結構主體由[CoO6]八面體組成，[CoO6]八面體層與層之間具有Li離子的位點，Li離子全滿時占據(jù)了六方密排面的所有位點，六方結構的a,b軸長度為2.8138 ?，c軸為14.0516?，屬于R-3m空間群SG166。當發(fā)生充放電時，鋰離子發(fā)生可逆的嵌入/脫嵌反應：

充電：LiCoO2——>xLi++Li1-xCoO2+xe–

放電：Li1-xCoO2+xe–+xLi+——>LiCoO2

目前以鈷酸鋰為正極的的鋰離子電池具有開路電壓高，比能量高（理論比能量1068kW?h，理論容量274mAh?g-1）循環(huán)壽命長、能快速充放電的特點，但由于鈷價格較高，所以成本較為高昂。鈷酸鋰具有三種不同的相，分別是層狀結構、尖晶石結構和巖鹽結構，鋰離子電池中應用最多的是層狀結構的鈷酸鋰。

LiCoO2結構示意圖[5]

用途廣泛的鈷合金

鈷單質是一種非常神奇的金屬，它具有非常優(yōu)異的物理化學性質，它具有磁化一次就能保持磁性的特性。由于鈷優(yōu)越的磁特性，被大量應用于高性能磁性材料的制造，它是永久磁性合金最為重要的組成部分。磁性材料是重要的功能材料，在電子工業(yè)和高科技領域起著非常重要的作用。而且鈷在幾種具有磁性的金屬當中具有最高的居里點。（在熱作用下，失去磁性的溫度叫居里點。鐵的居里點為769℃，鎳為358℃，而鈷可達1150℃。）

鈷合金具有非常好的韌性及耐磨性，鈷將合金組成中其他金屬碳化物晶粒結合在一起，使合金具更高的韌性，并能減少對沖擊的敏感性能。添加一定量鈷的鋼材，其耐磨性和切削性能可顯著提高；將鈷合金熔焊在零件表面，可使零件的壽命提高3-7倍。鈷合金不僅具有很好的韌性，也具備很強的耐熱性，它的耐熱性是因為形成了難熔的碳化物，這些碳化物不易轉為固體溶體，擴散活動性小。含鈷50%以上的司太立特硬質合金即使加熱到1000℃也不會失去其原有的硬度，顯示了非常優(yōu)越的耐熱性能。在航空渦輪機的結構材料使用含20%～27%鉻的鈷合金，可以不要保護覆層就能使材料達高抗氧化性。由于鈷合金優(yōu)異的性質，各種各樣的鈷合金也被廣泛用于燃汽輪機的葉片、葉輪、噴氣發(fā)動機、火箭發(fā)動機、導彈的部件以及化工設備中各種高負荷的耐熱部件。[6-7]

鈷合金磁性材料發(fā)動機葉輪

鈷的生理功能

鈷胺素，又稱維生素B12，它是唯一一種含金屬元素的維生素。鈷胺素是一種含有3價鈷的多環(huán)系化合物，4個還原的吡咯環(huán)連在一起變成為1個咕啉大環(huán)（與卟啉相似），鈷是維生素B12分子的核心。維生素B12為淺紅色的針狀結晶，易溶于水和乙醇，在pH值4.5～5.0弱酸條件下最穩(wěn)定，強酸（pH<2）或堿性溶液中分解，遇熱可有一定程度破壞，遇強光或紫外線易被破壞。反芻動物可以在腸道內將攝入的鈷合成為維生素B12，而人類與單胃動物則不能將鈷在體內合成B12，只能從外界攝取。目前已觀察到無機鈷對刺激紅細胞生成有重要的作用。鈷對紅細胞生成作用的機制是影響腎釋放促紅細胞生成素，或者通過刺激胍循環(huán)。如果缺乏鈷，將可能導致惡性貧血。維生素B12還可促進蛋白質的生物合成，缺乏時會影響嬰幼兒的生長發(fā)育。[8]

鈷元素能刺激人體骨髓的造血系統(tǒng)，促使血紅蛋白的合成及紅細胞數(shù)目的增加。大多以組成維生素B12的形式參加體內的生理作用。鈷刺激造血的機制為：①通過產生紅細胞生成素刺激造血。鈷元素可抑制細胞內呼吸酶，使組織細胞缺氧，反饋刺激紅細胞生成素產生，進而促進骨髓造血。②對鐵代謝的作用。鈷元素可促進腸粘膜對鐵的吸收，加速貯存鐵進入骨髓。③通過維生素B12參與核糖核酸及造血物質的代謝，作用于造血過程。④鈷元素可促進脾臟釋放紅細胞（血紅蛋白含量增多，網(wǎng)狀細胞、紅細胞增生活躍，周圍血中紅細胞增多），從而促進造血功能。[8]

微量的鈷元素是人體必不可少的，但大量的鈷也可能導致人體中毒，如鈷塵可能引起“硬質合金病”，表現(xiàn)為過敏性哮喘，呼吸困難、干咳、間質性肺炎以及肺水腫，因此需要格外注意。[9]

鈷胺素結構示意圖維生素B12補品

參考文獻

[1]Dennis, W. H (2010). “Cobalt”. Metallurgy: 1863–1963. pp. 254–256. ISBN 978-0-202-36361-5.
[2]Cobalt, Encyclop?dia Britannica Online.
[3]Witteveen, H. J.; Farnau, E. F. (1921). “Colors Developed by Cobalt Oxides”. Industrial & Engineering Chemistry. 13 (11): 1061–1066. doi:10.1021/ie50143a048
[4]http://baike.asianmetal.cn/metal/co/history.shtml
[5]Whittingham M S. Lithium batteries and cathode materials[J]. Chemical reviews, 2004, 104(10): 4271-4302.
[6]Donachie, Matthew J. (2002). Superalloys: A Technical Guide. ASM International. ISBN 978-0-87170-749-9.

[7]《生物化學原理》（第二版），楊榮武，高等教育出版社，2012，9

[8]陳國生.鈷對人類的危害性[J].世界醫(yī)學信息 1989; 4(5):135.