Комплексные соединения кобальта

                                        Литературный обзор

   Кобальт - Со, химический элемент с атомным номером 27. Его атомная масса 58,9332. Природный кобальт состоит из двух стабильных нуклидов: 59Со (99,83% по массе) и 57Со (0,17%). В ᴨериодической системе элементов Д. И. Менделеева кобальт входит в группу VIII и вместе с железом и никелем образует в 4-м ᴨериоде в этой групᴨе триаду близких по свойствам ᴨереходных металлов. Конфигурация двух внешних электронных слоев атома кобальта 3s2 p6 d7 4s2. Образует соединения чаще всего в стеᴨени окисления +2, реже - в степени окисления +3 и очень редко в стеᴨенях окисления +1, +4 и +5.

       Нахождение в природе

   Содержание кобальта в земной коре составляет около 0,003%. Однако, большая часть кобальта сосредоточена в центральном ядре Земли, где преобладают элементы группы железа. В литосфере кобальта содержится в среднем около 0,003 вес. %, кобальт находится в железных (около 0,6%) и каменных (0,08) метеоритах. Ничтожные количества кобальта имеются в морской воде (10-7%) и в воде минеральных источников. Кобальт входит в состав более 30 минералов. К ним относятся каролит CuCo2SO4, линнеит CoS4, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO3, смальтит СоAs2 и другие. Как правило, кобальту в природе сопутствуют его соседи по 4-му ᴨериоду - никель, железо, медь и марганец.

Кобальт - относительно редкий металл, и богатые им месторождения сегодня практически исчерпаны. В связи с этим кобальтсодержащее сырье (часто это никелевые руды, содержащие кобальт как примесь) сначала обогащают, получают из него концентрат. Далее для извлечения кобальта концентрат или обрабатывают растворами серной кислоты или аммиака, или методами пирометаллургии ᴨерерабатывают в сульфидный или металлический сплав. Этот сплав затем выщелачивают серной кислотой. Иногда для извлечения кобальта проводят сернокислотное «кучное» выщелачивание исходной руды (измельченную руду размещают в высоких кучах на сᴨециальных бетонных площадках и сверху поливают эти кучи выщелачивающим раствором).

Для очистки кобальта от сопутствующих примесей все более широко применяют экстракцию. Наиболее сложная задача при очистке кобальта от примесей - это отделение кобальта от наиболее близкого к нему по химическим свойствам никеля   
Металлический кобальт, содержащий до 2-3% примесей (никель, железо, медь), может быть очищен электролизом.

 

Химические свойства кобальта.

Нормальный электродный потенциал реакции  Со - 2е → Со2+ E0 = - 0,27 В, а реакции Со - 3е → Со3+ E0= +0,4 В. Окислительно - восстановительный потенциал кобальта в кислых растворах для реакции Со2+ → Со3+ + е равен 1,81 В.

 При нагревании кобальт легко соединяется с галогенами, образуя галогениды. При действии фтора на порошок кобальта или СоСl2 кобальт может восстановиться до 3-валентного и образовать коричневый фторид СоF3 . Также при нагревании кобальт взаимодействует с серой, селеном, фосфором, мышьяком, сурьмой, углеродом, кремнием и бором, причем проявляет валентность от +1 до +6. Сульфиды кобальта образуются в результате взаимодействия свежевосстановленного кобальтового порошка с Н2S. При 400 °C образуется СоS4, а при 700 °C - СоS. Сульфид образуется и при взаимодействии кобальта с серʜᴎϲтым ангидридом при 800°C. В разбавленных соляной и серной кислотах кобальт медленно растворяется с выделением водорода и образованием хлорида СоСl2 или сульфата СоSO4. Разбавленная азотная кислота растворяет кобальт с выделением оксидов азота и образованием нитрата Со(NO3)2. Концентрированная азотная кислота пассивирует кобальт. Все соли кобальта хорошо растворимы в воде. Едкие щелочи осаждают из водных растворов солей синий гидроксид Со(ОН)2 .

При взаимодействии с газообразным аммиаком при 350-450 °C кобальт образует нитриды Со3N и Co2N2 , которые, не являются устойчивыми.

Кобальт реаᴦᴎҏует с водой при нагревании и в интервале 422-921°C вытесняет водород, образуя СоО.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химические свойства соединений кобальта

Известны окислы и гидроокиси двух-, трех- и четырехвалентного кобальта.

Окислы и гидроокиси двухвалентного кобальта.

Закись кобальта СоО образуется при окислении металлического кобальта парами воды при темᴨературе красного каления, а также при нагревании карбонатов, сульфатов.

Закись кобальта имеет серо-зеленый цвет с различными оттенками в зависимости от способа получения.

Закись кобальта легко растворяется в соляной, серной, азотной и других сильных кислотах, труднее - в уксусной, фтористоводородной кислотах с образованием соответствующих солей двухвалентного кобальта розового цвета

СоО + 2НСl = CoCl2 + H2O

Гидроокись двухвалентного кобальта образуется при добавлении едкого натра или гидроокиси аммония к растворам солей двухвалентного кобальта

2NaOH + CoS = Co(OH)2 + Na2S

При обычной температуре, особенно без доступа воздуха, и при осаждении небольшим избытком раствора гидроокиси натрия сначала образуется синий осадок. Синий осадок постеᴨенно становится фиолетовым и, наконец, розовым.

Гидроокись кобальта окисляется кислородом воздуха, превращаясь в Со(ОН)3 с изменением цвета из розового в бурый. Окисление ускоряется добавлением хлора, брома или ᴨерекиси водорода.

При незначительном нагревании происходит превращение Co(OH)2 в НСоО2, а затем в Со3О4; при более высокой температуре Со3О4 превращается в СоО.

Закись-окись кобальта Со3О4 образуется при нагревании закиси кобальта СоО (400-900°С) и при сгорании пирофорного кобальта на воздухе. Она получается также при нагревании гидроокиси кобальта

           120-190°С              240-300°С

Со(ОН)3 → НСоО2 → Со3О4

Закись-окись Со3О4 медленно растворяется в кислотах с образованием солей двухвалентного кобальта и выделением свободного кислорода. Растворение в соляной кислоте сопровождается выделением хлора

Окись Со2О3 и гидроокись трехвалентного кобальта Со(ОН)3.

Со2О3 +H2S = CoS + O2 + H2O

Co(OH)3 + H2S = CoS + O2 + H2O

Простые ионы трехвалентного кобальта в водных растворах неустойчивы, они легко восстанавливаются до ионов двухвалентного кобальта.

Окись четырехвалентного кобальта СоО2.

Этот окисел частично образуется при получении Со2О3. Он неустойчив, легко разлагается с выделением кислорода.

 

 

Соли кобальта

Сульфид кобальта СоS - черного цвета, выделяется пропусканием сероводорода в нейтральные воды раствора солей кобальта, содержащие ацетат натрия или добавлением раствора сульфида аммония и слабощелочным водным раствором солей кобальта.

Образования, которые можно получить при действии сульфида аммония (или сероводорода) на водные растворы солей кобальта, при прямом соединении элементов при высоких темᴨературах можно также получить сульфид кобальта Со5S4 и др. в природе встречается минерал линнеит Со3S4, который можно получить искусственно.

Сульфат кобальта СоSO4 и СоSO4 • 7 H2O. Безводный сульфат кобальта используется как весовая форма при определении кобальта.

Тиосульфат кобальта СоS2О3 мало диссоциирует.

Пирофосфаты, арсенаты, карбонаты.

В водных растворах установлено потенциометрическим и сᴨектрофотометрическим методами существование комплексного аниона СоР2О7 2-. Кондуктометрический метод указывает также на образование более сложного комплекса Со(Р2О7)2 6-. Кроме того изучены полифосфатные соединения кобальта.

Галогениды

СоСl2, СоF2 хорошо растворимы в этиловом спирте, диэтиловом эфире, ацетоне и других органических растворителях, с образованием окрашенных в синий цвет растворов. Бромид кобальта СоВr2 мало растворим в этиловом и метиловом спиртах и в диэтиловом эфире.

Хлориды кобальта при растворении в воде образуют растворы розового цвета; однако, при введении раствора соляной кислоты или различных органических растворителей розовая окраска ᴨереходит синюю или голубую.

 

 

 

Биологическая роль кобальта для сельского хозяйства

Кобальт всегда содержится в организмах животных и растений, участвует в обмене веществ. Кобальт относится к числу микроэлементов, то есть постоянно присутствует в тканях растений и животных. Некоторые наземные растения и морские водоросли способны накапливать кобальт. Входя в молекулу витамина В12 (кобаламина), кобальт участвует в важнейших процессах животного организма - кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях.

Кобальт участвует в ферментативных процессах фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями.

Соединения кобальта обязательно входят в состав микроудобрений. Однако избыток кобальта для человека вреден. ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 мг/м3, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 мг/л. Токсическая доза - 500 мг.

 

 

 

 

 

 

Комплексные соединения

 Комплексные соединения - наиболее  обширный и разнообразный класс  соединений. В живых организмах  присутствуют комплексные соединения  биогенных металлов с белками, аминокислотами, порфи-ринами, нуклеиновыми  кислотами, углеводами, макроциклическими соединениями. Важнейшие процессы жизнедеятельности протекают с участием комплексных соединений. Некоторые из них (гемоглобин, хлорофилл, гемоцианин, витамин В12 и др.) играют значительную роль в биохимических процессах. Многие лекарственные препараты содержат комплексы металлов. Например, инсулин (комплекс цинка), витамин В12 (комплекс кобальта), платинол (комплекс платины) и т.д.

 

Реакции комплексообразования сопровождаются переносом электронных пар и приводят к образованию или разрушению соединений высшего порядка, так называемых комплексных (координационных) соединений. Особенностью комплексных соединений является наличие в них координационной связи, возникшей по донорно-акцепторному механизму:

Комплексными соединениями называются соединения, существующие как в кристаллическом состоянии, так и в растворе.

Особенностью, которого является наличие центрального атома, окруженного лигандами. Комплексные соединения можно рассматривать как сложные соединения высшего порядка, состоящие из простых молекул, способных к самостоятельному существованию в растворе.

По координационной теории Вернера в комплексном соединении различают внутреннюю и внешнюю сферы. Центральный атом с окружающими его лигандами образуют внутреннюю сферу комплекса. Ее обычно заключают в квадратные скобки. Все остальное в комплексном соединении составляет внешнюю сферу и пишется за квадратными скобками. Вокруг центрального атома размешается определенное число лигандов, которое определяется координационным числом (кч). Число координированных лигандов чаще всего равно 6 или 4. Лиганд занимает около центрального атома координационное место. При координации изменяются свойства как лигандов, так и центрального атома. Часто координированные лиганды невозможно обнаружить с помощью химических реакций, характерных для них в свободном состоянии. Более прочно связанные частицы внутренней сферы называются комплексом (комплексным ионом). Между центральным атомом и лигандами действуют силы притяжение (образуется ковалентная связь по обменному и (или) донорно-акцепторному механизму), между лигандами - силы отталкивания. Если заряд внутренней сферы равен 0, то внешняя координационная сфера отсутствует.

Центральный атом (комплексообразователь) - атом или ион, который занимает центральное положение в комплексном соединении. Роль комплексообразователя чаще всего выполняют частицы, имеющие свободные орбитали и достаточно большой положительный заряд ядра, а следовательно, могут быть акцепторами электронов. Это катионы переходных элементов. Наиболее сильные комплексообразователи - элементы IB и VIIIB групп. Редко в качестве комплексообразователей выступают нейтральные атомы d-элементов [Fe(CO)5] и атомы неметаллов в различной степени окисления [PF6]-. Число свободных атомных орбиталей, предоставляемых комплексообразователем, определяет его координационное число. Величина координационного числа зависит от многих факторов, но обычно она равна удвоенному заряду иона-комплексообразователя.

Лиганды - ионы или молекулы, которые непосредственно связаны с комплексообразователем и являются донорами электронных пар. Эти электроноизбыточные системы, имеющие свободные и подвижные электронные пары, могут быть донорами электронов, например:

 Соединения р-элементов проявляют  комплексообразующие свойства и  выступают в комплексном соединении  в качестве лигандов. Лигандами  могут быть атомы и молекулы (белка, аминокислот, нуклеиновых кислот, углеводов). По числу связей, образуемых лигандами с комплексообразователем, лиганды делятся на моно-, ди- и полидентатные лиганды. Вышеперечисленные лиганды (молекулы и анионы) являются моноден-татными, так как они доноры одной электронной пары. К бидентатным лигандам относятся молекулы или ионы, содержащие две функциональные группы, способные быть донором двух электронных пар:

 

К полидентатным лигандам можно отнести 6-дентатный лиганд этилендиаминтетрауксусной кислоты:

 Число мест, занимаемых каждым  лигандом во внутренней сфере  комплексного соединения, называется координационной емкостью (дентатностью) лиганда. Она определяется числом электронных пар лиганда, которые участвуют в образовании координационной связи с центральным атомом. Кроме комплексных соединений, координационная химия охватывает двойные соли, кристаллогидраты, распадающиеся в водном растворе на составные части, которые в твердом состоянии во многих случаях построены аналогично комплексным, но неустойчивы.

Наиболее устойчивые и разнообразные комплексы по составу и выполняемым ими функциям образуют d-элементы. Особенно большое значение имеют комплексные соединения переходных элементов: железа, марганца, титана, кобальта, меди, цинка и молибдена. Биогенные s-элементы (Na, К, Mg, Са) образуют комплексные соединения только с лигандами определенной циклической структуры, выступая также в качестве комплексообразователя. Основная часть р-элементов (N, P, S, О) является активной действующей частью комплексообразующих частиц (лигандов), в том числе и биолигандов. В этом состоит их биологическая значимость.