大学化学, 2019, 34(8): 36-39 doi: 10.3866/PKU.DXHX201904025

科普

玩转钴乐园

张润弘, 张来英,, 朱亚先,

Having Fun with Cobalt

ZHANG Runhong, ZHANG Laiying,, ZHU Yaxian,

通讯作者: 张来英, Email: wuzhly@xmu.edu.cn朱亚先, Email:yaxian@xmu.edu.cn

收稿日期: 2019-04-15   接受日期: 2019-04-18  

基金资助: 国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024
2017年厦门大学教学改革研究项目.  JG20170222

Received: 2019-04-15   Accepted: 2019-04-18  

Fund supported: 国家基础科学人才培养基金项目.  J1310024
2017年厦门大学教学改革研究项目.  JG20170222

作者简介 About authors

张润弘,2017级本科生 。

摘要

钴是元素周期表27号元素,本文借用游乐园的形式,用轻松生动的语言介绍钴及其化合物的性质与应用。

关键词: ; 化学性质 ; 应用

Abstract

Cobalt is the 27th element of the Periodic Table of the Elements. This article uses the form of an amusement park to introduce the properties and applications of cobalt and its compounds in a relaxed and vivid language.

Keywords: Cobalt ; Chemical property ; Application

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本文引用格式

张润弘, 张来英, 朱亚先. 玩转钴乐园. 大学化学[J], 2019, 34(8): 36-39 doi:10.3866/PKU.DXHX201904025

ZHANG Runhong. Having Fun with Cobalt. University Chemistry[J], 2019, 34(8): 36-39 doi:10.3866/PKU.DXHX201904025

元素钴,坏精灵“Cobalt”[1],开工建造了元素世界里的第一家主题为“钴”的游乐园。一开业,就吸引了众多前来捧场的元素。

开业典礼上,钴园长清了清嗓子说道:“今天是个好日子啊,感谢大伙儿来捧场……咱们这游乐场,要想玩得尽兴,大家还得动脑又动手哦……希望大家玩得开心!”

大伙儿很是雀跃地排队进场。

第一站当然是“钴的生平介绍”啦,钴住在元素周期表第四周期Ⅷ族,门牌号27。1753年,G. Brandt从辉钴矿中提取出了较纯的钴,这是他第一次被人们发现;后来,拉瓦锡将他列入现代化学元素列表中,与大家成为邻居。他在自然界中虽然分布广泛,但丰度却仅为0.0029%,且极少单独存在,而常常与铁、铜、镍、铅、钼等小伙伴共生[2]

钴园长带领着大家来到下一站,第二站名为“钴的藏身之地”。眼前出现几处虚拟的矿床,有紫红色粉砂岩、灰绿色流纹质凝灰岩、翠绿色隐晶质致密块体、暗蔷薇红色球状集合体等各色各式矿床,元素们睁大了眼睛,仔细寻找着。

小锂反应最快,指着附有很多玫瑰色片状物质的矿床说:“啊!是这个,因为钴的很多化合物都是粉色的。”

砷在一旁,脑子里灵光一闪:“小锂答案是正确的,但是解释不够准确。那是含钴的矿物氧化后形成的次生矿物,砷酸盐钴化物钴华[Co3(AsO4)2·8H2O],它是针状或板状物,加热后变为蓝色,可作为寻找原生钴矿床的标志。砷酸盐矿物钴华(Co3(AsO4)2·8H2O)呈色强,能够作为染料为玻璃染色,但她也有致命的毒性呢[3]。”

银笑呵呵地开口了:“我猜这处矿床里还有我们银的原生矿床,钴矿可往往同银矿一起存在啊[3]。”

“想不到我还没开口,你们就解决了隐藏谜题。”钴园长高兴、又无奈地摇摇头,“那咱们往下一站去喽。”

第三站“钴氧共舞”是一个DIY的制作过程。钴园长介绍道:“我的单质状态在空气中比较腼腆,一般不轻易跟大家交流反应,但还是能被氧化的,大家可以试试氧气配比不同时会发生什么,但是要记得加加热哦。”

大家兴奋地动起手来,得到的氧化物们各有特色。加热至300 ℃时,CoO穿着橄榄绿色的正方形卡通服走了出来,她通常是抗磁性,具有氯化钠型的结构,能和其他金属氧化物生成固溶体;继续加热到600–700 ℃,Co3O4身着礼服酷酷地来到大家面前,黑色的礼服还带有蓝色或深绿色光泽,他与Fe3O4一样是M(Ⅰ)、M(Ⅱ)的混合氧化物,同属于尖晶石结构[4];Co2O3也出场了,他是黑色的无定型粉末,可以从Co(NO3)2热分解得到,可以用作氧化剂和催化剂。

钴的家族成员们除了Co2O3和Co3O4,还有红色结晶体的CoSO4·7H2O、CoCl2·6H2O、Co(NO3)2·6H2O、CoCO3等。

淘气的小氧还在升高反应台的温度,钴不禁摆摆手:“够啦够啦,温度要是太高,大家伙们都要转变为CoO啦![5]

生成的氧化钴们从反应台上走下来,一队队去往材料车间,作为主要原料参与陶瓷颜料、硬质合金、超耐热合金、绝缘材料和磁性材料的生产[5]

这时,钴园长示意大家看展台,那里放着不同年代的瓷器,有唐三彩、青花瓷瓶、碗、碟子等。“咱们氧化钴当着色剂的年头可很久啦,唐三彩中的蓝彩是在铅釉中添加氧化钴,以750–850 ℃低温烧制而成;青花瓷是釉下钴彩,着色的主要成分也是氧化钴,他将钴的蓝色之美淋漓尽致地展示在陶瓷工艺之中[6]”。

钴园长指着旁边的染色车间说:“氧化钴也是给玻璃染色的好手,这DIY的第二轮就是请大家给玻璃上色,氧化物朋友可以选择跟氧化钴一块儿进染色车间哦。”

独自进去的氧化钴染出的是蓝色玻璃;拉着氧化铜的氧化钴一口气儿染了三块玻璃,由于两个人调配的比例不同,三块玻璃分别是天蓝色、蓝绿色和绿色;好家伙!那边儿得到了深红色、紫色、黑色的玻璃,原来是氧化锰和氧化钴共同的杰作呢[5]

人群中一位长者——矾土(Al2O3)也迫不及待地要加入,瞧,他跟氧化钴手拉手摇身一变,美丽的钴蓝(CoO·Al2O3)就呈现出来,仔细一看,还带着绿光哩。

钴蓝是一位“刀枪不入”的大侠,他就地搭起了一个比武擂台,坐等大家前来挑战。于是,光、温度都使出了看家本领,也奈何他不得;小碳不服气,请出了令元素界又敬又怕的化学酸碱试剂和一些寻常的氧化剂、还原剂轮番上阵,钴蓝也毫不露怯[7]。原来,钴蓝作为一种尖晶石型金属氧化物混相颜料,具有优异的耐光性、耐候性、耐热性和耐化学性,既不会被酸碱破坏,也不会被通常的化学试剂氧化、还原。另外,高温煅烧合成工艺也保证了这类颜料的无毒性。

“哎呀,钴蓝可算得上是一种好颜料呢!”人群中爆出一阵赞叹。

钴蓝爽朗一笑:“多谢大家捧场!其实我还是有缺点的,在光学性能上,我虽然遮盖力尚好,但透明度不很高,着色力较低,存在一定的局限性。我平时最常帮助提白白色聚酯纤维或是陶瓷制品的着色[7],身影还是随处可见的。为了报答大家的厚爱,下面我为大家表演以假乱真!”

瞧,第四站,“真假蓝宝石”来了。

“诸位,相信经过刚才的小试牛刀,大家已经对我们有了初步的了解。这一站是我和大铝合作设下的,我们族里有很厉害的钴化妆师,她今天要给玻璃化个妆,让玻璃变成大铝的同族阿妹刚玉之一——蓝宝石,看在场的诸位谁有一双火眼金睛能加以辨别。下面,有请蓝宝石和蓝妆玻璃!”

话音刚落,只见两个几乎一模一样的蓝色精灵手挽着手、迈着模特步伐优雅地走上舞台,二者的青蓝色泽非常接近。

哪位是蓝宝石?大家的视线在他们之间来回穿梭,一时都有些摸不着头脑。

“现在请两位轮流到偏光镜下走一遭,我们用火眼金睛照一照。”大铝神秘一笑,“请看,在偏光镜下全消光的就是蓝妆玻璃了,因为玻璃是非晶体,在玻璃的融熔过程中加入适量的钴,即可制成蓝妆玻璃。但是,化妆总会在脸上留下印记的,请诸位走近来看一看。”

大家围上前,拿着放大镜仔细瞧,发现钴玻璃表面有烧铸的痕迹。

“市场上有个别不法商家使用钴玻璃来冒充蓝宝石[8],希望大家都有一双火眼金睛。”大铝友好地提醒大家。

“各位好!铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)是三兄弟,我们兄弟三个为大家精心准备了下一站的游戏。”镍和铁作为管理员兼解说员,早早地在第五站“铁钴镍一家亲”等着了。

第五站的场地上有一排太空舱,进入之后通过VR (虚拟实境)技术可以真实体验作为宇航员在太空舱中的活动,非常适合有太空梦的朋友们。由于是刚刚开业,每一次体验的时间只有5 min,从体验舱出来后,每位元素都领到了一杯果汁,小元素们叽叽喳喳地交换着游戏体验,都有些意犹未尽。

“虽然太空舱体验是VR游戏,但是这些太空舱可都是货真价实的哦。大家请看这航空用飞机结构件,这是加入了钴和镍的高Co-Ni二次硬化型马氏体超高强度钢[9]。”钴园长骄傲地介绍道,“Ni在热处理过程中能稳定奥氏体,还能提高钢的淬透性,提高材料的塑韧性和抗应力腐蚀性;Co起的是固溶强化作用,延缓马氏体时效钢亚结构的回复,使过时效软化点移向更高的温度。这样的超高强度钢,合金设计合理,强度大、韧性高,抗腐蚀性能良好,可应用于代替300M钢(低合金超高强度钢)制造航空用飞机结构件[9]。”

“这一站是处处与我们三兄弟有关的,”镍神秘一笑,“供给太空舱用电的超级电容器,使用的是钴镍基二元超级电容器电极材料,俗话说得好,‘兄弟同心,其利断金’,它的综合电化学性能高于其一元电极材料[10]。”

这时候小硼举起手中的果汁,笑嘻嘻地问:“钴叔叔,那我们这果汁跟你们兄弟三个有什么关系呀?”

铁指一指旁边的工作室:“你这小皮猴儿,真是没有耐心。现在大伙儿不是都害怕果蔬汁中会有人工合成色素嘛,我们可以用钴铁氧体(CoFe2O4)作为磁性固相萃取(MSPE)的吸附剂,在适宜的温度和pH条件下,将色素从饮料基质中分离出来,进行分析[11],你说有没有关系?”

小硼不好意思地举起手中的果汁:“那……我们这杯果汁一定是纯天然的喽。”

元素们都笑了,一边喝着果汁,一边向下一站走去。

第五站和第六站之间是一个长长的走廊,出乎大家意料的是,这里面似乎是钴家族的“黑历史”。

钴是一种毒性较强的过渡金属,如果以黑色深浅模拟人体组织器官积蓄的钴含量,从高到低的顺序是血浆、全血、肾脏、肝脏、肺脏、心脏、胰腺、脑和肌肉。一旦体内钴过量,可对机体造成多种毒性效应,如神经炎、耳鸣、心肌病、接触性皮炎、胃肠功能紊乱等,被钴损害的器官包括神经系统、呼吸系统、循环系统、内分泌系统等几乎所有的重要脏器。从事钴矿开采、合金加工环境的工作人员特别需要警惕钴引起的职业病。用作医疗用途的钴,也有不小的“副作用”,曾接受钴剂疗法以及接受钴合金植入的患者人群中,都有不同程度的钴中毒相关报道[12]。并且,世界卫生组织国际癌症研究机构宣布钴和钴的化合物在2B类致癌物清单中[13]

看到这里,有个元素小声嘀咕了一句:“还好我是个元素,不然我见到钴还不得撒腿就跑。”

第六站终于到了,然而第六站的主题却是“医疗能手”。这是一所模拟医院,这里的医生用钴的化合物为大家治病。

看,一个病人氰化物中毒,急诊科氮医生正在为他静脉注射Co与EDTA的配合物——乙二胺四乙酸二钴,因为钴与氰离子的亲和力大于细胞色素氧化酶与氰离子的亲和力,可使被抑制的细胞色素氧化酶恢复活性[14]

碳营养师正在为一位素食者介绍维生素B12,天然维生素B12存在于动物产品中,包括鱼、肉、家禽、鸡蛋和牛奶等[15]。Co是维生素B12的重要组成部分,维生素B12参与蛋白质的合成、叶酸的储存及硫醇酶的活化等,主要功能是促使红细胞的成熟,还可用于治疗肝炎、肝硬化、多发性神经炎及银屑病等[16]

在放射科,氦医生正在用钴的同位素57Co为癌症病人做放射治疗。因为它半衰期短、穿透力强、疗效高、安全可靠。57Co可以做成针状、球状、棒状或液体应用于治疗瘤肿及其他恶性肿瘤,已取得良好效果[17]

药剂科正在制作中药试剂,首先他们用60Co-γ射线照射中药材进行灭菌处理。钴60 (60Co-γ)射线辐照技术是近年来应用较多的灭菌方法,相比传统的热压灭菌、微波灭菌法,钴60射线穿透力强、安全有效、快速均匀、节能价廉、操作简单,还易于工业化连续作业[18]

钴园长陪元素们从第六站走出来,“诸位,相信大家今天在游戏中学到了不少知识。可能有的元素会很困惑,为什么我们会在游乐园里放一些可能对家族声誉产生影响的展示呢?这是因为很多事物都是有两面性,我们希望大家能辩证地看待、趋利避害,得到最好的结果。”

“开业式到此结束!”钴园长手一挥,大声宣布。

元素们若有所思,并报以热烈的掌声。

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