Cobalto

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Cobalt,  27 Co
lascas de cobalto
Cobalto
Pronúncia/ K b ɒ l t / ( escutar ) Sobre este som[1]
Aparênciametal duro cinza azulado brilhante
Peso atômico padrão A r, std (Co) 58,933 194 (3) [2]
Cobalto na tabela periódica
Hidrogênio Hélio
Lítio Berílio Boro Carbono Azoto Oxigênio Flúor Néon
Sódio Magnésio Alumínio Silício Fósforo Enxofre Cloro Argônio
Potássio Cálcio Escândio Titânio Vanádio Cromo Manganês Ferro Cobalto Níquel Cobre Zinco Gálio Germânio Arsênico Selênio Bromo Krypton
Rubídio Estrôncio Ítrio Zircônio Nióbio Molibdênio Tecnécio Rutênio Ródio Paládio Prata Cádmio Índio Lata Antimônio Telúrio Iodo Xenon
Césio Bário Lantânio Cério Praseodímio Neodímio Promécio Samário Europium Gadolínio Térbio Disprósio Holmium Erbium Túlio Itérbio Lutécio Háfnio Tântalo Tungstênio Rênio Ósmio Iridium Platina Ouro Mercúrio (elemento) Tálio Liderar Bismuto Polônio Astatine Radon
Francium Rádio Actínio Tório Protactínio Urânio Neptúnio Plutônio Americium Curium Berquélio Californium Einsteinium Fermium Mendelévio Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seabórgio Bohrium Hassium Meitnerium Darmstádio Roentgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessine Oganesson
-

Co

Rh
ferrocobaltoníquel
Número atômico ( Z )27
Grupogrupo 9
Períodoperíodo 4
Bloquear  bloco d
Configuração de elétron[ Ar ] 3d 7 4s 2
Elétrons por camada2, 8, 15, 2
Propriedades físicas
Fase em  STPsólido
Ponto de fusão1768  K (1495 ° C, 2723 ° F)
Ponto de ebulição3200 K (2927 ° C, 5301 ° F)
Densidade (próximo à  rt )8,90 g / cm 3
quando líquido (em  mp )8,86 g / cm 3
Calor de fusão16,06  kJ / mol
Calor da vaporização377 kJ / mol
Capacidade de calor molar24,81 J / (mol · K)
Pressão de vapor
P  (Pa) 1 10 100 1 mil 10 k 100 k
em  T  (K) 1790 1960 2165 2423 2755 3198
Propriedades atômicas
Estados de oxidação−3, −1, 0, +1, +2 , +3 , +4, +5 [3] (um  óxido anfotérico )
Eletro-negatividadeEscala de Pauling: 1,88
Energias de ionização
  • 1o: 760,4 kJ / mol
  • 2º: 1648 kJ / mol
  • 3o: 3232 kJ / mol
  • ( mais )
Raio atômicoempírico: 125  pm
Raio covalenteGiro baixo: 126 ± 3 pm
Giro alto: 150 ± 19 h
Linhas de cores em uma faixa espectral
Linhas espectrais de cobalto
Outras propriedades
Ocorrência naturalprimordial
Estrutura de cristalhexagonal compacta-fim (HCP)
Estrutura de cristal hexagonal compactada para cobalto
Velocidade do som haste fina4720 m / s (a 20 ° C)
Expansão térmica13,0 µm / (m⋅K) (a 25 ° C)
Condutividade térmica100 W / (m⋅K)
Resistividade elétrica62,4 nΩ⋅m (a 20 ° C)
Ordenação magnéticaferromagnético
Módulo de Young209 GPa
Módulo de cisalhamento75 GPa
Módulo de massa180 GPa
Coeficiente de Poisson0,31
Dureza de Mohs5.0
Dureza Vickers1043 MPa
Dureza Brinell470–3000 MPa
Número CAS7440-48-4
História
Descoberta e primeiro isolamentoGeorg Brandt (1735)
Isótopos principais de cobalto
Isótopo Abundância Meia-vida ( t 1/2 ) Modo de decaimento produtos
56 Co syn 77,27 d ε 56 Fe
57 Co syn 271,74 d ε 57 Fe
58 Co syn 70,86 d ε 58 Fe
59 Co 100% estábulo
60 Co syn 5,2714 a β - , γ 60 Ni
Categoria Categoria: Cobalto
| referências

O cobalto é um elemento químico com o símbolo Co e número atômico 27. Como o níquel , o cobalto é encontrado na crosta terrestre apenas em uma forma quimicamente combinada, exceto por pequenos depósitos encontrados em ligas de ferro meteórico natural . O elemento livre , produzido por fundição redutiva , é um metal duro, brilhante e cinza prateado .

Pigmentos azuis à base de cobalto ( azul cobalto ) têm sido usados ​​desde os tempos antigos em joias e tintas, e para conferir um tom azul distinto ao vidro, mas por muito tempo se pensou que a cor era devida ao conhecido metal bismuto . Os mineiros há muito usavam o nome de minério kobold (em alemão para minério de duende ) para alguns dos minerais produtores de pigmento azul ; eram assim chamados porque eram pobres em metais conhecidos e emitiam gases venenosos contendo arsênico quando fundidos. Em 1735, descobriu-se que esses minérios eram redutíveis a um novo metal (o primeiro descoberto desde os tempos antigos), que acabou recebendo o nome do kobold .

Hoje, algum cobalto é produzido especificamente a partir de um de vários minérios com brilho metálico, como a cobaltita (CoAsS). O elemento é, no entanto, mais comumente produzido como um subproduto da mineração de cobre e níquel . O Copperbelt na República Democrática do Congo (RDC) e Zâmbia produz a maior parte da produção global de cobalto. A produção mundial em 2016 foi de 116.000 toneladas (114.000 toneladas longas; 128.000 toneladas curtas) (de acordo com Recursos Naturais do Canadá ), e a RDC sozinha foi responsável por mais de 50%. [4]

O cobalto é usado principalmente em baterias de íon-lítio e na fabricação de ligas magnéticas , resistentes ao desgaste e de alta resistência . Os compostos silicato de cobalto e aluminato de cobalto (II) (CoAl 2 O 4 , azul de cobalto) dão uma cor azul profunda distinta ao vidro , cerâmica , tintas , tintas e vernizes . O cobalto ocorre naturalmente como apenas um isótopo estável , cobalto-59. O cobalto-60 é um radioisótopo comercialmente importante, usado como traçador radioativo e para a produção de alta energiaraios gama .

O cobalto é o centro ativo de um grupo de coenzimas chamadas cobalaminas . A vitamina B 12 , o exemplo mais conhecido do tipo, é uma vitamina essencial para todos os animais. O cobalto na forma inorgânica também é um micronutriente para bactérias , algas e fungos .

Características

uma amostra de cobalto puro
Um bloco de cobalto refinado eletroliticamente (99,9% de pureza) cortado de uma grande placa

O cobalto é um metal ferromagnético com gravidade específica de 8,9. A temperatura de Curie é 1.115 ° C (2.039 ° F) [5] e o momento magnético é de 1,6-1,7 Bohr magnetons por átomo . [6] O cobalto tem uma permeabilidade relativa de dois terços da do ferro . [7] O cobalto metálico ocorre como duas estruturas cristalográficas : hcp e fcc. A temperatura de transição ideal entre as estruturas hcp e fcc é 450 ° C (842 ° F), mas na prática a diferença de energia entre elas é tão pequena que o intercrescimento aleatório das duas é comum. [8] [9] [10]

O cobalto é um metal fracamente redutor que é protegido da oxidação por um filme de óxido passivador . É atacado por halogênios e enxofre . O aquecimento em oxigênio produz Co 3 O 4, que perde oxigênio a 900 ° C (1.650 ° F) para dar o monóxido de CoO. [11] O metal reage com flúor ( F 2 ) a 520 K para dar CoF 3 ; com cloro ( Cl 2 ), bromo ( Br 2 ) e iodo (I 2 ), produzindo haletos binários equivalentes . Não reage com gás hidrogênio ( H 2 ) ou gás nitrogênio ( N 2 ) mesmo quando aquecido, mas reage com boro , carbono , fósforo , arsênio e enxofre. [12] Em temperaturas normais, ele reage lentamente com os ácidos minerais e muito lentamente com o ar úmido, mas não com o ar seco. [ citação necessária ]

Os compostos

Os estados de oxidação comuns do cobalto incluem +2 e +3, embora compostos com estados de oxidação variando de -3 a +5 também sejam conhecidos. Um estado de oxidação comum para compostos simples é +2 (cobalto (II)). Esses sais formam o complexo aquoso metálico rosa [Co (H
2
O)
6
]2+
na água. A adição de cloreto dá o intensamente azul [CoCl
4
]2−
. [3] Em um teste de chama de bórax , o cobalto mostra um azul profundo tanto em chamas oxidantes quanto redutoras. [13]

Compostos oxigenados e calcogeno

Vários óxidos de cobalto são conhecidos. O óxido de cobalto verde (II) (CoO) tem estrutura de sal rochoso . É prontamente oxidado com água e oxigênio a hidróxido de cobalto marrom (III) (Co (OH) 3 ). Em temperaturas de 600–700 ° C, o CoO oxida em óxido de cobalto azul (II, III) (Co 3 O 4 ), que tem uma estrutura espinélica . [3] O óxido de cobalto preto (III) (Co 2 O 3 ) também é conhecido. [14] Os óxidos de cobalto são antiferromagnéticos em baixa temperatura : CoO ( temperatura de Néel291 K) e Co 3 O 4 (temperatura de Néel: 40 K), que é análogo à magnetita (Fe 3 O 4 ), com uma mistura de +2 e +3 estados de oxidação. [15]

Os principais calcogenetos de cobalto incluem os sulfetos de cobalto preto (II) , CoS 2 , que adota uma estrutura semelhante à pirita , e sulfeto de cobalto (III) (Co 2 S 3 ). [ citação necessária ]

Halides

pilha roxa de poder de cloreto de cobalto (II) hexa-hidratado
Hexahidrato de cloreto de cobalto (II)

Quatro dihalogenetos de cobalto (II) são conhecidos: fluoreto de cobalto (II) (CoF 2 , rosa), cloreto de cobalto (II) (CoCl 2 , azul), brometo de cobalto (II) (CoBr 2 , verde), cobalto (II) iodeto (CoI 2 , preto azulado). Esses halogenetos existem nas formas anidra e hidratada. Enquanto o dicloreto anidro é azul, o hidrato é vermelho. [16]

O potencial de redução para a reação Co3+
+ e -Co2+
é +1,92 V, além do cloro para cloreto, +1,36 V. Consequentemente, o cobalto (III) e o cloreto resultariam no cobalto (III) sendo reduzido a cobalto (II). Como o potencial de redução do flúor em flúor é tão alto, +2,87 V, o fluoreto de cobalto (III) é um dos poucos compostos simples estáveis ​​de cobalto (III). O fluoreto de cobalto (III), que é usado em algumas reações de fluoração, reage vigorosamente com a água. [11]

Compostos de coordenação

Como para todos os metais, os compostos moleculares e os íons poliatômicos do cobalto são classificados como complexos de coordenação , ou seja, moléculas ou íons que contêm cobalto ligado a vários ligantes . Os princípios de eletronegatividade e dureza-suavidade de uma série de ligantes podem ser usados ​​para explicar o estado de oxidação normal do cobalto. Por exemplo, os complexos de Co 3+ tendem a ter ligantes de amina . Como o fósforo é mais macio do que o nitrogênio, os ligantes de fosfina tendem a apresentar Co 2+ e Co + mais suaves , um exemplo sendo tris (trifenilfosfina) cobalto (I) cloreto ( P (C
6
H
5
)
3
)
3
CoCl
). O óxido e o fluoreto mais eletronegativos (e mais duros) podem estabilizar os derivados de Co 4+ e Co 5+ , por exemplo, hexafluorocobaltato de césio (Cs 2 CoF 6 ) e percobaltato de potássio (K 3 CoO 4 ). [11]

Alfred Werner , um pioneiro ganhador do Prêmio Nobel em química de coordenação , trabalhou com compostos de fórmula empírica [Co (NH
3
)
6
]3+
. Um dos isômeros determinados foi o cloreto de hexammina de cobalto (III) . Este complexo de coordenação, um complexo típico do tipo Werner, consiste em um átomo de cobalto central coordenado por seis ligantes ortogonais de amina e três contra- ânions de cloreto . O uso de ligantes de etilenodiamina quelantes no lugar de amônia dá tris (etilenodiamina) cobalto (III) ( [Co (en)
3
]3+
), que foi um dos primeiros complexos de coordenação a ser resolvido em isômeros ópticos . O complexo existe nas formas destra e canhota de uma "hélice de três pás". Este complexo foi isolado pela primeira vez por Werner como cristais semelhantes a agulhas de ouro amarelo. [17] [18]

Compostos organometálicos

Estrutura de tetraquis (1-norbornil) cobalto (IV)

O cobaltoceno é um análogo estrutural do ferroceno , com cobalto no lugar do ferro. O cobaltoceno é muito mais sensível à oxidação do que o ferroceno. [19] Carbonil de cobalto ( Co 2 (CO) 8 ) é um catalisador em reações de carbonilação e hidrossililação . [20] A vitamina B 12 (veja abaixo ) é um composto organometálico encontrado na natureza e é a única vitamina que contém um átomo de metal. [21]Um exemplo de um complexo alquilcobalto no estado de oxidação +4 incomum de cobalto é o complexo homoléptico tetraquis (1-norbornil) cobalto (IV)  [ de ] (Co (1-norb) 4 ), um complexo metal-alquil de transição que é notável por sua estabilidade à eliminação do β-hidrogênio . [22] Os complexos de cobalto (III) e cobalto (V) [Li (THF)
4
]+
[Co (1-norb)
4
]-
e [Co (1-norb)
4
]+
[BF
4
]-
também são conhecidos. [23]

Isótopos

59 Co é o único isótopo de cobalto estável e o único isótopo que existe naturalmente na Terra. Vinte e dois radioisótopos foram caracterizados: o mais estável, 60 Co , tem meia-vida de 5,2714 anos; 57 Co tem meia-vida de 271,8 dias; 56 Co tem meia-vida de 77,27 dias; e 58 Co tem meia-vida de 70,86 dias. Todos os outros isótopos radioativos de cobalto têm meia-vida menor que 18 horas e, na maioria dos casos, menor que 1 segundo. Este elemento também tem 4 metaestados , todos com meia-vida menor que 15 minutos. [24]

Os isótopos de cobalto variam em peso atômico de 50 u ( 50 Co) a 73 u ( 73 Co). O modo de decaimento primário para isótopos com valores de unidade de massa atômica menores do que o do isótopo estável mais abundante, 59 Co, é a captura de elétrons e o modo primário de decaimento em isótopos com massa atômica superior a 59 unidades de massa atômica é o decaimento beta . Os produtos de decaimento primários abaixo de 59 Co são os isótopos do elemento 26 ( ferro ); acima disso, os produtos de decaimento são isótopos do elemento 28 (níquel). [24]

História

porcelana chinesa azul cobalto
Porcelana azul e branca da China antiga, fabricada c. 1335

Os compostos de cobalto têm sido usados ​​há séculos para conferir uma rica cor azul ao vidro , esmaltes e cerâmicas . O cobalto foi detectado em esculturas egípcias, joias persas do terceiro milênio aC, nas ruínas de Pompeia , destruídas em 79 dC, e na China, que datam da dinastia Tang (618-907 dC) e da dinastia Ming (1368-1644 DE ANÚNCIOS). [25]

O cobalto tem sido usado para colorir o vidro desde a Idade do Bronze . A escavação do naufrágio Uluburun rendeu um lingote de vidro azul, fundido durante o século 14 AC. [26] [27] O vidro azul do Egito era colorido com cobre, ferro ou cobalto. O vidro cor de cobalto mais antigo é da décima oitava dinastia do Egito (1550–1292 aC). A fonte do cobalto que os egípcios usavam não é conhecida. [28] [29]

A palavra cobalto é derivada do alemão kobalt , de kobold que significa "goblin", um termo supersticioso usado para o minério de cobalto pelos mineiros. As primeiras tentativas de fundir esses minérios para obter cobre ou prata falharam, gerando simplesmente pó (óxido de cobalto (II)). Como os minérios primários de cobalto sempre contêm arsênio, a fusão do minério oxidou o arsênio em óxido de arsênio altamente tóxico e volátil , aumentando a notoriedade do minério. [30]

O químico sueco Georg Brandt (1694–1768) é creditado com a descoberta do cobalto por volta de 1735, mostrando ser um elemento até então desconhecido, distinto do bismuto e outros metais tradicionais. Brandt chamou de um novo "semimetal". [31] [32] Ele mostrou que compostos de cobalto metálico eram a fonte da cor azul do vidro, que anteriormente havia sido atribuída ao bismuto encontrado com o cobalto. O cobalto se tornou o primeiro metal descoberto desde o período pré-histórico. Todos os outros metais conhecidos (ferro, cobre, prata, ouro, zinco, mercúrio, estanho, chumbo e bismuto) não tiveram descobridores registrados. [33]

Durante o século 19, uma parte significativa da produção mundial de azul cobalto (um pigmento feito com compostos de cobalto e alumina) e smalt ( vidro de cobalto em pó para uso como pigmento em cerâmica e pintura) foi realizada no Blaafarveværket norueguês . [34] [35] As primeiras minas para a produção de smalt no século 16 estavam localizadas na Noruega, Suécia, Saxônia e Hungria. Com a descoberta de minério de cobalto na Nova Caledônia em 1864, a mineração de cobalto na Europa diminuiu. Com a descoberta de depósitos de minério em Ontário , Canadá em 1904 e a descoberta de depósitos ainda maiores noProvíncia de Katanga, no Congo, em 1914, as operações de mineração mudaram novamente. [30] Quando o conflito Shaba começou em 1978, as minas de cobre da província de Katanga quase pararam de produzir. [36] [37] O impacto deste conflito na economia mundial do cobalto foi menor do que o esperado: o cobalto é um metal raro, o pigmento é altamente tóxico e a indústria já estabeleceu meios eficazes para reciclar materiais de cobalto. Em alguns casos, a indústria conseguiu mudar para alternativas sem cobalto. [36] [37]

Em 1938, John Livingood e Glenn T. Seaborg descobriram o radioisótopo cobalto-60 . [38] Este isótopo foi famoso por ser usado na Universidade de Columbia na década de 1950 para estabelecer violação de paridade no decaimento beta radioativo . [39] [40]

Após a Segunda Guerra Mundial, os Estados Unidos queriam garantir o fornecimento de minério de cobalto para uso militar (como os alemães vinham fazendo) e prospectar cobalto dentro da fronteira com os Estados Unidos. Um suprimento adequado de minério foi encontrado em Idaho, perto do desfiladeiro Blackbird, na encosta de uma montanha. A empresa Calera Mining Company iniciou a produção no local. [41]

Argumenta-se que o cobalto será um dos principais objetos de competição geopolítica em um mundo movido a energias renováveis ​​e dependente de baterias, mas essa perspectiva também tem sido criticada por subestimar o poder dos incentivos econômicos para a expansão da produção. [42]

Ocorrência

A forma estável do cobalto é produzida em supernovas por meio do processo r . [43] Compreende 0,0029% da crosta terrestre . O cobalto livre (o metal nativo ) não é encontrado na Terra por causa do oxigênio na atmosfera e do cloro no oceano. Ambos são abundantes o suficiente nas camadas superiores da crosta terrestre para impedir a formação de cobalto metálico nativo. Exceto como recentemente entregue em ferro meteórico, cobalto puro na forma de metal nativo é desconhecido na Terra. O elemento tem uma abundância média, mas os compostos naturais de cobalto são numerosos e pequenas quantidades de compostos de cobalto são encontradas na maioria das rochas, solos, plantas e animais. [ citação necessária ]

Na natureza, o cobalto é freqüentemente associado ao níquel . Ambos são componentes característicos do ferro meteórico , embora o cobalto seja muito menos abundante em meteoritos de ferro do que o níquel. Tal como acontece com o níquel, o cobalto nas ligas de ferro meteóricas pode ter sido protegido o suficiente do oxigênio e da umidade para permanecer como o metal livre (mas ligado), [44] embora nenhum dos elementos seja visto nessa forma na crosta terrestre antiga. [ citação necessária ]

O cobalto na forma composta ocorre em minerais de cobre e níquel. É o principal componente metálico que se combina com enxofre e arsênio nos minerais cobaltita sulfídica (CoAsS), aaflorita (CoAs 2 ), glaucodot ( (Co, Fe) AsS ) e skutterudita (CoAs 3 ). [11] O mineral cattierita é semelhante à pirita e ocorre junto com a vaesita nos depósitos de cobre da Província de Katanga . [45] Quando atinge a atmosfera, intemperismoocorre; os minerais de sulfureto oxidar e formar rosa eritrite ( "olhar cobalto": Co 3 (AsO 4 ) 2 · 8H 2 O ) e spherocobaltite (Coco 3 ). [46] [47]

O cobalto também é um constituinte da fumaça do tabaco . [48] A planta do tabaco prontamente absorve e acumula metais pesados como o cobalto do solo circundante em suas folhas. Estes são posteriormente inalados durante o tabagismo . [49]

No oceano

O cobalto é um traço de metal envolvido na fotossíntese e fixação de nitrogênio detectado na maioria das bacias oceânicas e é um micronutriente limitante para fitoplâncton e cianobactérias. [50] [51] O complexo co-contendo cobalamina só é sintetizado por cianobactérias e algumas arquéias , portanto, as concentrações de cobalto dissolvido são baixas na parte superior do oceano. Como o Mn e o Fe, o Co tem um perfil híbrido de absorção biológica pelo fitoplâncton via fotossíntese no oceano superior e eliminação no oceano profundo, embora a maior parte da eliminação seja limitada por ligantes orgânicos complexos. [52] [53] O Co é reciclado no oceano pela decomposição de matéria orgânica que afunda abaixo da parte superior do oceano, embora a maior parte seja eliminada por bactérias oxidantes. [citação necessária ]

As fontes de cobalto para muitos corpos oceânicos incluem rios e escoamento terrestre com alguma entrada de fontes hidrotermais. [54] No fundo do oceano, as fontes de cobalto são encontradas no topo dos montes submarinos (que podem ser grandes ou pequenos), onde as correntes oceânicas varrem o fundo do oceano para limpar sedimentos ao longo de milhões de anos, permitindo que se formem como crostas de ferromanganês. [55] Embora um mapeamento limitado do fundo do mar tenha sido feito, uma investigação preliminar indica que há uma grande quantidade dessas crostas ricas em cobalto localizadas na zona de Clarion Clipperton , [56] uma área que atrai um interesse crescente para a mineração em alto marempreendimentos devido ao ambiente rico em minerais dentro de seu domínio. Os insumos antropogênicos contribuem como uma fonte não natural, mas em quantidades muito baixas. As concentrações de cobalto dissolvido (dCo) nos oceanos são controladas principalmente por reservatórios onde as concentrações de oxigênio dissolvido são baixas. O complexo ciclo bioquímico do cobalto no oceano ainda é um tanto mal compreendido, mas padrões de concentrações mais altas foram encontrados em áreas de baixo oxigênio [57] , como a Zona Mínima de Oxigênio (OMZ) no Oceano Atlântico Sul. [58]

O cobalto é considerado tóxico para ambientes marinhos em altas concentrações. [59] As concentrações seguras caem em torno de 18 μg / l em águas marinhas para o plâncton, como as diatomáceas . A maioria dos níveis de toxicidade costeira é influenciada por insumos antropogênicos, como escoamento de esgoto e queima de combustíveis fósseis. Altos níveis de Co e Se foram registrados em frutos do mar provenientes de áreas costeiras com níveis mais elevados de metais traço. Embora os cientistas estejam cientes da ameaça de toxicidade, menos atenção tem sido dada em comparação a outros metais traço como mercúrio e chumbo em sistemas de água contaminados. [ citação necessária ]

Produção

espécime de minério de cobalto
Minério de cobalto
produção de cobolt em 1000 toneladas por ano
Tendência de produção mundial
Produção da mina de cobalto (2017) e reservas em toneladas de acordo com USGS [60]
País Produção Reservas
 RD congo 64.000 3.500.000
 Rússia 5.600 250.000
 Austrália 5.000 1.200.000
 Canadá 4.300 250.000
 Cuba 4.200 500.000
 Filipinas 4.000 280.000
 Madagáscar 3.800 150.000
 Papua Nova Guiné 3.200 51.000
 Zâmbia 2.900 270.000
 Nova Caledônia 2.800 -
 África do Sul 2.500 29.000
 Marrocos 1.500
 Estados Unidos 650 23.000
Outros países 5.900 560.000
Total mundial 110.000 7.100.000

Os principais minérios de cobalto são cobaltita , eritrita, glaucodot e skutterudita (veja acima), mas a maior parte do cobalto é obtida reduzindo os subprodutos de cobalto da mineração e fundição de níquel e cobre . [61] [62]

Como o cobalto é geralmente produzido como subproduto, o fornecimento de cobalto depende em grande parte da viabilidade econômica da mineração de cobre e níquel em um determinado mercado. A demanda por cobalto foi projetada para crescer 6% em 2017. [63]

Os depósitos primários de cobalto são raros, como os que ocorrem em depósitos hidrotérmicos , associados a rochas ultramáficas , tipificados pelo distrito de Bou-Azzer, no Marrocos . Nesses locais, os minérios de cobalto são extraídos exclusivamente, embora em uma concentração mais baixa e, portanto, requerem mais processamento posterior para a extração do cobalto. [64] [65]

Existem vários métodos para separar o cobalto do cobre e do níquel, dependendo da concentração de cobalto e da composição exata do minério usado . Um método é a flotação por espuma , em que os surfactantes se ligam aos componentes do minério, levando ao enriquecimento dos minérios de cobalto. A torrefação subsequente converte os minérios em sulfato de cobalto , e o cobre e o ferro são oxidados em óxido. A lixiviação com água extrai o sulfato junto com os arsenatos . Os resíduos são posteriormente lixiviados com ácido sulfúrico , resultando em uma solução de sulfato de cobre. O cobalto também pode ser lixiviado da escória da fundição de cobre.[66]

Os produtos dos processos mencionados acima são transformados no óxido de cobalto (Co 3 O 4 ). Este óxido é reduzido a metal pela reação aluminotérmica ou redução com carbono em um alto-forno . [11]

Extração

O Serviço Geológico dos Estados Unidos estima as reservas mundiais de cobalto em 7.100.000 toneladas métricas. [67] A República Democrática do Congo (RDC) produz atualmente 63% do cobalto do mundo. Essa participação de mercado pode chegar a 73% até 2025 se as expansões planejadas por produtores de mineração como a Glencore Plc ocorrerem conforme o esperado. Mas em 2030, a demanda global pode ser 47 vezes maior do que em 2017, estimou a Bloomberg New Energy Finance. [68]

As mudanças que o Congo fez nas leis de mineração em 2002 atraíram novos investimentos em projetos congoleses de cobre e cobalto. A mina Mutanda da Glencore embarcou 24.500 toneladas de cobalto em 2016, 40% da produção do Congo RDC e quase um quarto da produção global. Após o excesso de oferta, a Glencore fechou Mutanda por dois anos no final de 2019. [69] [70] O projeto de mineração Katanga da Glencore também está sendo retomado e deve produzir 300.000 toneladas de cobre e 20.000 toneladas de cobalto até 2019, de acordo com a Glencore. [63]

Preços do cobalto em fevereiro e março de 2021 (US $ por tonelada)
Preços do cobalto 2016 a 2021 5 anos (USD $ por tonelada)

Depois de atingir níveis máximos de quase uma década no início de 2018, acima de US $ 100.000 por tonelada, os preços do cobalto usado na cadeia global de fornecimento de baterias elétricas caíram 45% nos 2 anos seguintes. Com o aumento na demanda de veículos elétricos (EV) entre 2020 e 2021, os preços do cobalto subiram em janeiro de 2021. O índice de preços do cobalto em março de 2021 mostra preços ganhando mês a mês para US $ 54.000 por tonelada em 19 de março de 2021, obtendo ganhos de 35% mais de 2 meses.

O cobalto é classificado como um mineral crítico pelos Estados Unidos, Japão, República da Coréia, Reino Unido e União Europeia.

República Democrática do Congo

Em 2005, o maior produtor de cobalto foram os depósitos de cobre na República Democrática do Congo de Katanga . Anteriormente província de Shaba, a área tinha quase 40% das reservas globais, relatou o British Geological Survey em 2009. [71] Em 2015, a República Democrática do Congo (RDC) fornecia 60% da produção mundial de cobalto, 32.000 toneladas a $ 20.000 a $ 26.000 por tonelada. O recente crescimento na produção pode ser, pelo menos em parte, devido à queda na produção de mineração durante as violentas guerras civis na RDC do Congo no início dos anos 2000, ou às mudanças que o país fez em seu Código de Mineração em 2002 para encorajar o investimento estrangeiro e multinacional. trazer vários investidores, incluindo a Glencore. [ citação necessária ]

A mineração artesanal forneceu 17% a 40% da produção da RDC. [72] Cerca de 100.000 mineiros de cobalto no Congo RDC usam ferramentas manuais para cavar centenas de metros, com pouco planejamento e menos medidas de segurança, dizem trabalhadores e funcionários do governo e de ONGs, bem como observações de repórteres do The Washington Post em visitas a minas isoladas. A falta de precauções de segurança freqüentemente causa ferimentos ou morte. [73] A mineração polui a vizinhança e expõe a vida selvagem local e as comunidades indígenas a metais tóxicos que podem causar defeitos de nascença e dificuldades respiratórias, de acordo com autoridades de saúde. [74]

Ativistas de direitos humanos alegaram, e o jornalismo investigativo relatou a confirmação, [75] [76] de que o trabalho infantil é usado na extração de cobalto das minas artesanais africanas . [72] [77] Esta revelação levou a fabricante de telefones celulares Apple Inc. , em 3 de março de 2017, a parar de comprar minério de fornecedores como Zhejiang Huayou Cobalt, que se abastece de minas artesanais na RDC, e começar a usar apenas fornecedores verificados para atender aos padrões do local de trabalho. [78] [79]

Há um impulso global da UE e dos principais fabricantes de automóveis (OEM) para que a produção global de cobalto seja adquirida e produzida de forma sustentável, responsável e com rastreabilidade da cadeia de abastecimento. As empresas de mineração estão adotando e praticando iniciativas ESG em linha com a Orientação da OCDE e implementando evidências de atividades com pegadas de carbono zero a baixas na produção da cadeia de suprimentos de baterias de íon-lítio. Essas iniciativas já estão ocorrendo com grandes mineradoras, empresas de Mineração Artesanal e de Pequena Escala (ASM). Os fabricantes de automóveis e cadeias de abastecimento de fabricantes de baterias Tesla, VW, BMW, BASF, Glencore estão participando de várias iniciativas, como a Iniciativa Cobalto Responsável e o estudo Cobalt for Development. Em 2018, o BMW Group, em parceria com a BASF, Samsung SDI e Samsung Electronics, lançou um projeto piloto na RDC em uma mina piloto, para melhorar as condições e enfrentar os desafios dos mineiros artesanais e das comunidades vizinhas.

A dinâmica política e étnica da região causou no passado surtos de violência e anos de conflito armado e populações deslocadas. Esta instabilidade afetou o preço do cobalto e também criou incentivos perversos para os combatentes na Primeira e Segunda Guerras do Congo para prolongar a luta, uma vez que o acesso a minas de diamantes e outros recursos valiosos ajudaram a financiar seus objetivos militares - que frequentemente resultaram em genocídio - e também enriqueceu os próprios lutadores. Embora a RD Congo não tenha sido invadida recentemente por forças militares vizinhas na década de 2010, alguns dos depósitos minerais mais ricos são adjacentes a áreas onde tutsis e hutus ainda se enfrentam com frequência, a agitação continua, embora em menor escala, e os refugiados ainda fogem de surtos de violência. [80]

O cobalto extraído de pequenos empreendimentos de mineração artesanal congolesa em 2007 abasteceu uma única empresa chinesa, a Congo DongFang International Mining. Uma subsidiária da Zhejiang Huayou Cobalt , uma das maiores produtoras de cobalto do mundo, a Congo DongFang fornecia cobalto para alguns dos maiores fabricantes de baterias do mundo, que produziam baterias para produtos onipresentes como os iPhones da Apple . Por causa de acusações de violações trabalhistas e preocupações ambientais, a LG Chem posteriormente auditou o Congo DongFang de acordo com as diretrizes da OCDE . A LG Chem, que também produz materiais de bateria para montadoras, impôs um código de conduta a todos os fornecedores que inspeciona. [81]

O projeto da Montanha Mukondo , operado pela Companhia de Mineração e Exploração da África Central (CAMEC) na província de Katanga , pode ser a reserva de cobalto mais rica do mundo. Ela produziu cerca de um terço da produção global total de cobalto em 2008. [82] Em julho de 2009, a CAMEC anunciou um acordo de longo prazo para entregar toda a sua produção anual de concentrado de cobalto da Montanha Mukondo para Zhejiang Galico Cobalto e Materiais de Níquel de China. [83]

Em fevereiro de 2018, a empresa global de gestão de ativos AllianceBernstein definiu a RDC economicamente como "a Arábia Saudita da era dos veículos elétricos", devido aos seus recursos de cobalto, essenciais para as baterias de íon-lítio que conduzem os veículos elétricos . [84]

Em 9 de março de 2018, o presidente Joseph Kabila atualizou o código de mineração de 2002, aumentando as taxas de royalties e declarando o cobalto e o coltan como "metais estratégicos". [85] [86]

O código de mineração de 2002 foi efetivamente atualizado em 4 de dezembro de 2018. [87]

Em dezembro de 2019, a International Rights Advocates, uma ONG de direitos humanos, abriu um processo histórico contra a Apple , Tesla , Dell , Microsoft e a empresa do Google Alphabet por "conscientemente se beneficiar, ajudar e encorajar o uso cruel e brutal de crianças pequenas" na mineração de cobalto . [88] As empresas em questão negaram sua participação no trabalho infantil . [89]

Canadá

Em 2017, algumas empresas de exploração planejavam pesquisar antigas minas de prata e cobalto na área de Cobalt, Ontário, onde se acredita que existam depósitos significativos. [90]

A canadense Sherritt International processa minérios de cobalto em depósitos de níquel das minas de Moa em Cuba , e a ilha possui várias outras minas em Mayari , Camaguey e Pinar del Rio . Os investimentos contínuos da Sherritt International na produção cubana de níquel e cobalto ao adquirir direitos de mineração por 17 a 20 anos tornaram o país comunista o terceiro em reservas de cobalto em 2019, antes do próprio Canadá. [91]

Aplicações

Em 2016, foram utilizadas 116 mil toneladas de cobalto. [4] O cobalto tem sido usado na produção de ligas de alto desempenho. [61] [62] Ele também pode ser usado para fazer baterias recarregáveis, e o advento dos veículos elétricos e seu sucesso com os consumidores provavelmente tem muito a ver com o aumento da produção da RDC. [ carece de fontes? ] Outros fatores importantes foram o Código de Mineração de 2002, que encorajou o investimento de corporações estrangeiras e transnacionais como a Glencore, e o fim da Primeira e Segunda Guerras do Congo. [ citação necessária ]

Ligas

As superligas à base de cobalto têm consumido historicamente a maior parte do cobalto produzido. [61] [62] A estabilidade de temperatura dessas ligas as torna adequadas para lâminas de turbinas a gás e motores a jato de aeronaves , embora ligas de cristal único à base de níquel as superem em desempenho. [92] Ligas à base de cobalto também são resistentes à corrosão e ao desgaste, o que as torna, como o titânio , úteis para fazer implantes ortopédicos que não se desgastam com o tempo. O desenvolvimento de ligas de cobalto resistentes ao desgaste começou na primeira década do século 20 com a esteliteligas, contendo cromo com quantidades variáveis ​​de tungstênio e carbono. Ligas com carbonetos de cromo e tungstênio são muito duras e resistentes ao desgaste. [93] Ligas especiais de cobalto-cromo- molibdênio , como Vitallium, são usadas para peças protéticas ( próteses de quadril e joelho). [94] Ligas de cobalto também são usadas para próteses dentárias como um substituto útil para o níquel, que pode ser alergênico. [95] Alguns aços rápidos também contêm cobalto para maior resistência ao calor e ao desgaste. As ligas especiais de alumínio, níquel, cobalto e ferro, conhecidas como Alnico, e de samário e cobalto ( ímã samário-cobalto ) são usados ​​em ímãs permanentes . [96] Ele também é ligado com 95% de platina para joias, produzindo uma liga adequada para fundição fina, que também é levemente magnética. [97]

Baterias

O óxido de lítio-cobalto (LiCoO 2 ) é amplamente utilizado em cátodos de baterias de íon-lítio . O material é composto por camadas de óxido de cobalto com o lítio intercalado . Durante a descarga ( ou seja, quando não está sendo carregado ativamente), o lítio é liberado como íons de lítio. [98] Baterias de níquel-cádmio [99] (NiCd) e hidreto metálico de níquel [100] (NiMH) também incluem cobalto para melhorar a oxidação do níquel na bateria. [99] A Transparency Market Research estimou o mercado global de baterias de íon-lítio em US $ 30 bilhões em 2015 e previu um aumento para mais de US $ 75 bilhões em 2024. [101]

Embora em 2018 a maior parte do cobalto nas baterias fosse usada em um dispositivo móvel, [102] uma aplicação mais recente para o cobalto são as baterias recarregáveis ​​para carros elétricos. Esta indústria aumentou em cinco vezes a demanda por cobalto, o que torna urgente encontrar novas matérias-primas em áreas mais estáveis ​​do mundo. [103] Espera-se que a demanda continue ou aumente conforme a prevalência de veículos elétricos aumenta. [104] A exploração em 2016–2017 incluiu a área ao redor de Cobalt, Ontário , uma área onde muitas minas de prata cessaram suas operações décadas atrás. [103] O cobalto para veículos elétricos aumentou 81% a partir do primeiro semestre de 2018 para 7.200 toneladas no primeiro semestre de 2019, para uma bateria com capacidade de 46,3 GWh. [105][106] O futuro dos carros elétricos pode depender da mineração em alto mar, uma vez que o cobalto é abundante nas rochas do fundo do mar. [107]

Já que o trabalho infantil e escravo tem sido repetidamente relatado na mineração de cobalto, principalmente nas minas artesanais da República Democrática do Congo, empresas de tecnologia que buscam uma cadeia de abastecimento ética enfrentaram escassez desta matéria-prima e [108] o preço do cobalto metálico atingiu um valor de nove anos. alta em outubro de 2017, mais de US $ 30 por libra-peso, em relação a US $ 10 no final de 2015. [109] Depois de excesso de oferta, o preço caiu para um mais normal $ 15 em 2019. [110] [111] Como uma reação aos problemas com artesanal mineração de cobalto na República Democrática do Congo, vários fornecedores de cobalto e seus clientes formaram a Fair Cobalt Alliance(FCA), que visa acabar com o uso de trabalho infantil e melhorar as condições de trabalho de mineração e processamento de cobalto na República Democrática do Congo. Os membros da FCA incluem Zhejiang Huayou Cobalt , Sono Motors , a Responsible Cobalt Initiative , Fairphone , Glencore and Tesla, Inc. [112] [113]

A União Européia está realizando pesquisas sobre a possibilidade de eliminar os requisitos de cobalto na produção de baterias de íon-lítio. [114] [115] A partir de agosto de 2020, os fabricantes de baterias reduziram gradualmente o conteúdo de catodo de cobalto de 1/3 ( NMC 111) para 2/10 (NMC 442) para atualmente 1/10 (NMC 811) e também introduziram o cobalto cátodo LFP gratuito nas baterias de carros elétricos, como o Tesla Model 3 . [116] [117] Em setembro de 2020, a Tesla delineou seus planos para fazer suas próprias células de bateria sem cobalto. [118]

Catalysts

Vários compostos de cobalto são catalisadores de oxidação. O acetato de cobalto é usado para converter o xileno em ácido tereftálico , o precursor do polímero em massa de tereftalato de polietileno . Os catalisadores típicos são os carboxilatos de cobalto (conhecidos como sabões de cobalto). Eles também são usados ​​em tintas, vernizes e tintas como "agentes secantes" por meio da oxidação de óleos secantes . [119] [98] Os mesmos carboxilatos são usados ​​para melhorar a adesão entre o aço e a borracha em pneus radiais com cinto de aço. Além disso, eles são usados ​​como aceleradores em sistemas de resina de poliéster . [120] [121] [122]

Catalisadores à base de cobalto são usados ​​em reações envolvendo monóxido de carbono . O cobalto também é um catalisador no processo Fischer-Tropsch para a hidrogenação do monóxido de carbono em combustíveis líquidos. [123] A hidroformilação de alcenos costuma usar octacarbonil de cobalto como catalisador, [124] embora seja frequentemente substituído por catalisadores mais eficientes à base de irídio e ródio, por exemplo, o processo Cativa . [ citação necessária ]

A hidrodessulfurização do petróleo usa um catalisador derivado de cobalto e molibdênio. Esse processo ajuda a limpar o petróleo de impurezas de enxofre que interferem no refino de combustíveis líquidos. [98]

Pigmentos e corantes

prateleira com vasos de vidro azul
Vidro azul cobalto
garrafa de vidro azul com gargalo
Vidro cor de cobalto

Antes do século 19, o cobalto era predominantemente usado como pigmento. É usado desde a Idade Média para fazer smalt , um vidro de cor azul. O Smalt é produzido pela fusão de uma mistura de smaltita mineral torrada , quartzo e carbonato de potássio , que produz um vidro de silicato azul escuro, que é finamente moído após a produção. [125] Smalt foi amplamente usado para colorir vidro e como pigmento para pinturas. [126] Em 1780, Sven Rinman descobriu o verde cobalto , e em 1802 Louis Jacques Thénard descobriu o azul cobalto. [127] Pigmentos de cobalto, como azul de cobalto(aluminato de cobalto), azul cerúleo (estanato de cobalto (II)), vários tons de verde de cobalto (uma mistura de óxido de cobalto (II) e óxido de zinco ) e violeta de cobalto ( fosfato de cobalto ) são usados ​​como pigmentos artísticos por causa de sua superioridade estabilidade cromática. [128] [129] Aureolina (amarelo de cobalto) agora é amplamente substituída por pigmentos amarelos mais resistentes à luz [ clarificação necessária ] . [ citação necessária ]

Radioisótopos

O cobalto-60 (Co-60 ou 60 Co) é útil como fonte de raios gama porque pode ser produzido em quantidades previsíveis com alta atividade bombardeando cobalto com nêutrons . Produz raios gama com energias de 1,17 e 1,33  MeV . [24] [130]

O cobalto é usado em radioterapia de feixe externo , esterilização de suprimentos médicos e resíduos médicos, tratamento de radiação de alimentos para esterilização ( pasteurização a frio ), [131] radiografia industrial (por exemplo, radiografias de integridade de solda), medições de densidade (por exemplo, medições de densidade de concreto) e tanque interruptores de altura de preenchimento. O metal tem a infeliz propriedade de produzir uma poeira fina, causando problemas com a proteção contra radiação. O cobalto das máquinas de radioterapia tem sido um perigo sério quando não descartado corretamente, e um dos piores acidentes de contaminação por radiação na América do Norte ocorreu em 1984, quando uma unidade de radioterapia descartada contendo cobalto-60 foi desmontada por engano em um ferro-velho em Juarez, México. [132] [133]

O cobalto-60 tem meia-vida radioativa de 5,27 anos. A perda de potência requer a substituição periódica da fonte na radioterapia e é uma das razões pelas quais as máquinas de cobalto foram amplamente substituídas por aceleradores lineares na radioterapia moderna. [134] Cobalto-57 (Co-57 ou 57 Co) é um radioisótopo de cobalto mais frequentemente usado em testes médicos, como um marcador radioativo para a absorção de vitamina B 12 e para o teste de Schilling . O Cobalt-57 é usado como fonte na espectroscopia Mössbauer e é uma das várias fontes possíveis em dispositivos de fluorescência de raios-X . [135] [136]

Os projetos de armas nucleares poderiam incorporar intencionalmente 59 Co, alguns dos quais seriam ativados em uma explosão nuclear para produzir 60 Co. Os 60 Co, dispersos como precipitação nuclear , às vezes são chamados de bomba de cobalto . [137]

[138]

Outros usos

Papel biológico

O cobalto é essencial para o metabolismo de todos os animais . É um constituinte chave da cobalamina , também conhecida como vitamina B 12 , o reservatório biológico primário do cobalto como elemento ultratracil . [141] [142] As bactérias nos estômagos de animais ruminantes convertem sais de cobalto em vitamina B 12 , um composto que só pode ser produzido por bactérias ou arquéias . Uma presença mínima de cobalto no solo, portanto, melhora notavelmente a saúde dos animais que pastam , e uma ingestão de 0,20 mg / kg por dia é recomendada porque eles não têm outra fonte de vitamina B 12 . [143]

Proteínas baseadas em cobalamina usam corrina para reter o cobalto. A coenzima B 12 apresenta uma ligação C-Co reativa que participa das reações. [144] Em humanos, B 12 tem dois tipos de ligante alquil : metil e adenosil. MeB 12 promove transferências de grupo metil (−CH 3 ). A versão adenosil de B 12 catalisa rearranjos nos quais um átomo de hidrogênio é transferido diretamente entre dois átomos adjacentes com troca concomitante do segundo substituinte, X, que pode ser um átomo de carbono com substituintes, um átomo de oxigênio de um álcool ou uma amina. Metilmalonil coenzima A mutase(MUT) converte MMl-CoA em Su-CoA , uma etapa importante na extração de energia de proteínas e gorduras. [145]

Embora muito menos comum do que outras metaloproteínas (por exemplo, as de zinco e ferro), outras cobaltoproteínas são conhecidas além da B 12 . Essas proteínas incluem a metionina aminopeptidase 2 , uma enzima que ocorre em humanos e outros mamíferos que não usa o anel corrina de B 12 , mas se liga diretamente ao cobalto. Outra enzima do cobalto não corrina é a nitrila hidratase , uma enzima em bactérias que metaboliza as nitrilas . [146]

Deficiência de cobalto

Em humanos, o consumo de vitamina B 12 contendo cobalto atende a todas as necessidades de cobalto. Para bovinos e ovinos, que atendem às necessidades de vitamina B 12 por meio da síntese por bactérias residentes no rúmen, existe uma função para o cobalto inorgânico. No início do século 20, durante o desenvolvimento da agricultura no Planalto Vulcânico da Ilha do Norte da Nova Zelândia, o gado sofreu o que foi denominado "doença do mato". Foi descoberto que os solos vulcânicos careciam dos sais de cobalto essenciais para a cadeia alimentar do gado. [147] [148] A "doença da costa" de ovelhas no deserto de Ninety Mile do sudeste do Sul da Austráliana década de 1930, descobriu-se que se originava de deficiências nutricionais de oligoelementos cobalto e cobre. A deficiência de cobalto foi superada pelo desenvolvimento de "balas de cobalto", densos grânulos de óxido de cobalto misturado com argila administrados por via oral para se alojar no rúmen do animal . [ esclarecimento necessário ] [149] [148] [150]

Problemas de saúde

Cobalto
Perigos
Pictogramas GHS GHS08: Risco para a saúde
Palavra-sinal GHS Perigo
H317 , H334 , H413
P261 , P272 , P273 , P280 , P285 , P302 + 352 , P304 + 341 , P333 + 313 , P342 + 311 , P363 , P405 , P501 [151]
NFPA 704 (diamante de fogo)
2
0
0

O valor de DL 50 para sais de cobalto solúveis foi estimado entre 150 e 500 mg / kg. [152] Nos EUA, a Administração de Segurança e Saúde Ocupacional (OSHA) designou um limite de exposição permissível (PEL) no local de trabalho como uma média ponderada no tempo (TWA) de 0,1 mg / m 3 . O Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional (NIOSH) estabeleceu um limite de exposição recomendado (REL) de 0,05 mg / m 3 , média ponderada no tempo. O valor IDLH (imediatamente perigoso para a vida e saúde) é de 20 mg / m 3 . [153]

No entanto, a ingestão crônica de cobalto causou sérios problemas de saúde em doses muito menores do que a dose letal. Em 1966, a adição de compostos de cobalto para estabilizar a espuma da cerveja no Canadá levou a uma forma peculiar de cardiomiopatia induzida por toxinas , que veio a ser conhecida como cardiomiopatia do bebedor de cerveja . [154] [155]

Além disso, o cobalto metálico é suspeito de causar câncer (ou seja, possivelmente cancerígeno , IARC Grupo 2B ), de acordo com as Monografias da Agência Internacional para Pesquisa do Câncer (IARC). [PDF]

Causa problemas respiratórios quando inalado. [156] Também causa problemas de pele quando tocado; depois do níquel e do cromo, o cobalto é uma das principais causas de dermatite de contato . [157] Esses riscos são enfrentados pelos mineiros de cobalto. [ citação necessária ]

Veja também

Referências

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