Cobalt

Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de masse atomique 59.


Catégories :

Élément chimique - Produit chimique - Matériau - Métal de transition - Métal - Oligo-élément - Cancérogène du groupe 2B du CIRC

Définitions :

  • Métal blanc proche du fer et du nickel, qui sert à désigner le bleu généralement. (source : artiste.free)
Cobalt
FerCobaltNickel
  Structure cristalline hexagonale

27
Co
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Co
Rh
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Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Cobalt, Co, 27
Série chimique métaux de transition
Groupe, Période, Bloc 9, 4, d
Masse volumique 8, 9 g·cm-3 (20 °C) [1]
Dureté 5
Couleur Blanc argenté, reflet gris
N° CAS 7440-48-4 [2]
N° EINECS 231-158-0
Propriétés atomiques
Masse atomique 58, 933195 ± 0, 000005 u[1]
Rayon atomique (calc) 135 pm (152 pm)
Rayon de covalence 1, 26 ± 0, 03 Å (low spin) [3]
1, 50 ± 0, 07 Å (high spin) [3]
Configuration électronique [Ar] 3d7 4s2
Électrons par niveau d'énergie 2, 8, 15, 2
État (s) d'oxydation +1, +2, +3, +4
Oxyde Amphotère
Structure cristalline hexagonal
Propriétés physiques
État ordinaire solide (ferromagnétique)
Point de fusion 1 495 °C [1]
Point d'ébullition 2 927 °C [1]
Énergie de fusion 16, 19 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 376, 5 kJ·mol-1
Volume molaire 6, 67×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 175 Pa à 1 494, 85 °C
Vitesse du son 4 720 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1, 88
Chaleur massique 420 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 17, 2×106 S·m-1
Conductivité thermique 100 W·m-1·K-1
Solubilité sol. dans HCl + H2O2 [4]
Énergies d'ionisation[1]
1re : 7, 88101 eV 2e : 17, 084 eV
3e : 33, 50 eV 4e : 51, 3 eV
5e : 79, 5 eV 6e : 102, 0 eV
7e : 128, 9 eV 8e : 157, 8 eV
9e : 186, 13 eV 10e : 275, 4 eV
11e : 305 eV 12e : 336 eV
13e : 379 eV 14e : 411 eV
15e : 444 eV 16e : 511, 96 eV
17e : 546, 58 eV 18e : 1 397, 2 eV
19e : 1 504, 6 eV 20e : 1 603 eV
21e : 1 735 eV 22e : 1 846 eV
23e : 1 962 eV 24e : 2 119 eV
25e : 2 219, 0 eV 26e : 9 544, 1 eV
27e : 10 012, 12 eV
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
56Co {syn. } 77, 27 j ε 4, 566 56Fe
57Co {syn. } 271, 79 j ε 0, 836 57Fe
58Co {syn. } 70, 86 j ε 2, 307 58Fe
59Co 100 % stable avec 32 neutrons
60Co {syn. } 5, 2714 a β- 2, 824 60Ni
Précautions
SIMDUT[5]
D2A : Matière très toxique ayant d'autres effets toxiques
D2A, D2B,
SGH[6]
SGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxique
Danger
H317, H334, H413,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
Verre teinté de bleu par du cobalt

Le Cobalt est un élément chimique, de symbole Co et de numéro atomique 27 et de masse atomique 59.

Histoire

On connait le cobalt depuis l'antiquité grâce à ses composés qui colorent le verre d'un bleu intense. Jusqu'au XVIIIe siècle, le terme de «cobalt» (du mot kobold) sert à désigner le minerai contenant cet élément. En 1735, le chimiste suédois Georg Brandt (1694-1768) extrait de ce minerai un «semi-métal» nouveau qu'il appelle «cobalt»[7]. En 1745, il démontre que le cobalt est la cause de la couleur bleue que le minerai de cobalt communique aux verres[8], tandis qu'on attribuait auparavant celle-ci soit au bismuth, soit au fer ainsi qu'à l'arsenic[9].

Au cours du XIXe siècle, le bleu cobalt fut produit par la produit norvégienne Blaafarveværket (70-80 % de la production mondiale) dirigée par l'industriel prussien Benjamin Wegner. En 1938, John Livingood et Glenn Seaborg découvrirent le cobalt 60.

Utilisations

Les qualités du cobalt en font l'une des huit matières premières stratégiques reconnues comme indispensables en temps de guerre comme en temps de paix[11].

Cobalt 60 (isotope radioactif)

Article principal : cobalt 60.

Le cobalt 60 a de nombreuses utilisations comme source de rayons gamma, à cause de sa demi-vie assez courte (5, 27 ans), par conséquent plus facile à éliminer en comparaison d'autres isotopes émetteurs de telles particules :

Cependant, le cobalt 60 de synthèse (produit par exposition de cobalt «naturel», l'isotope 59, aux rayonnements neutroniques d'un réacteur nucléaire) n'est pas complètement pur, et contient toujours d'autres isotopes radioactifs à désintégration ε (epsilon), émetteurs de rayonnement gamma dangereux[12] car ce rayonnement hautement énergétique détruit les noyaux et les contamine en éléments radioactifs persistants.
De plus l'enrichissement et la purification du cobalt 60 nécessitent des techniques de centrifugation identiques à celles utilisées pour l'enrichissement des isotopes à usage militaire, techniques hautement surveillées car stratégiques au plan international.

Aussi, on préfère désormais utiliser des accélérateurs d'électrons, identiques aux tubes cathodiques de nos moniteurs et téléviseurs mais à des niveaux d'accélération bien supérieurs, qui produisent des flux plus purs et mieux contrôlés de particules bêta. Mais leur utilisation nécessite un équipement bien plus lourd qu'une simple capsule de cobalt 60. Cette méthode est par conséquent essentiellement utilisée en milieu industriel, et actuellement aussi en milieu médical.

Toxicité, écotoxicité

A dose infime, c'est un oligoélément (présent dans la vitamine B 12, et utilisé contre l'anémie, car facilitant les globules rouges). Sa toxicité est cependant supposée depuis longtemps ; le mot cobalt provenant d'ailleurs de l'allemand kobalt ou kobold ; un esprit maléfique qui hantait les mines dans la tradition germanique. Le métal aurait été ainsi appelé par les mineurs qui en éprouvaient la toxicité (de plus, il dévalorisait ou dégradait les autres éléments minés comme le nickel).

Sa toxicité peut être double, due à ses propriétés chimiques et/ou radiotoxiques de ses isotopes radioactifs dont le cobalt 60, utilisés pour la recherche et en médecine nucléaire, par exemple sous forme d'aiguilles pour tuer des cellules cancéreuses.
Il peut agir en synergie avec d'autres métaux qui l'accompagnent fréquemment dans la nature (arsenic, et moindrement cuivre, nickel, manganèse).

Dans les écosystèmes : Le cobalt a été peu tracé dans les environnements aquatiques. Selon Ifremer, on en trouve de 1 à 5 ng. L−1 en mer et les fleuves pollués en amènent des quantités significatives (de 200 ng. L−1 ont été mesurées à faible salinité dans la Seine et son estuaire). La chair des bivalves en contient ; par exemple de 3 à 3, 5 mg. kg−1 (poids sec) en hiver et de 0, 8 à 1, 2 mg. kg−1 en été chez des moules du Devon en 1977 et 1978. Des huitres du lagon de Navachiste au Mexique en contenaient de 0, 3 à 1, 9 mg. kg−1 (p. s. ) en 1991[13]. La moule zébrée (moule d'eau douce) peut aussi en accumuler d'importantes quantité dans sa coquille.

Sa toxicité fluctue selon les organismes, les individus, le contexte et l'espèce chimique reconnue (cobalt pur, en nanoparticule, cobalt II ou cobalt III, radioactif ou non, ou encore sels organiques et/ou inorganiques). Sa toxicité et sa mobilité pour les plantes et animaux augmentent avec l'acidité du sol.
Les pluies acides peuvent en accentuer la mobilité et la biodisponibilité, avec risque de bioaccumulation et bioturbation par certaines plantes, champignons et animaux.

Chez l'Homme : L'exposition au cobalt peut induire des affections pulmonaires (difficultés respiratoires évoluant peut-être en asthme, ou pneumonie chez des travailleurs ayant respiré un air chargé en cobalt). Dans les années 60, certaines brasseries ajoutaient du cobalt dans leurs bières pour en stabiliser la mousse, ce qui a génèré chez de grands buveurs de bière des nausées, vomissements et graves affections cardiaques. On n'a cependant pas noté d'affections cardiaques chez les anémiques et femmes enceintes ayant été médicamentés au cobalt, mais des anomalies fœtales sont génèrées chez des animaux exposés en laboratoire à des taux élevés de cobalt lors de la grossesse.

Il est classé comme "cancérogène envisageable" par le Centre international de recherche sur le cancer ; car il provoque un cancer quand il est introduit dans un muscle ou sous la peau, mais il ne semble pas être cancérogène quand inhalé par animaux exposés via l'air, la nourriture ou l'eau.
Ce risque pourrait augmenter s'il s'agit de nanoparticules, mais il ne semble pas avoir fait l'objet de recherches.

Dépollution

Pour extraire la forme ionique (dissoute) du cobalt d'un liquide on peut utiliser des chélateurs, des résine échangeuse d'ions, du charbon de bois activé, des techniques de nanofiltration, et peut-être bientôt des polymères susceptibles d'absorber ce polluant des dispositifs de refroidissement des centrales nucléaires sont à l'étude.
Des chercheurs allemands et indiens[14] cherchent à développer des polymères capables de concentrer des isotopes de cobalt radioactifs pour traiter l'eau de refroidissement de centrales nucléaires : un nouveau procédé pour diminuer les déchets radioactifs [15].

Ce cobalt provient de l'alliage d'acier spécial qui compose des tubes dans lesquels circule sous pression l'eau bouillante. Ce cobalt est bombardé de neutrons lorsqu'il passe dans le cœur du réacteur, ce qui donne des isotopes radioactifs (Co 60 ; dont la période de demi-vie radioactive dépasse 5 ans).

La nanostructure de ce polymère forme une «empreinte moléculaire», c'est-à-dire que les vides contenus par le polymère sont précisément à la forme d'un ion de cobalt. Ce polymère est en fait un produit antérieurement riche en ions cobalt qui a été passé à l'acide pour extraire le cobalt de la matrice; Lorsque on place cette matrice dans un environnement contenant du cobalt, ce dernier tendrait à s'insérer dans les vides laissés par le passage à l'acide. Ainsi une grande quantité d'isotopes radioactifs de cobalt en solution pourrait être piégée et éliminée avec ce polymère.

Production

Fragments purs (à plus de 99, 9 %) de cobalt, raffinés par électrolyse, à coté d'un cube d'1 cm³ de cobalt de haute pureté (99, 8 %), pour comparaison. Attention : la comparaison est faussée du fait du polissage du cube seul.

Ses principaux minerais se trouvent sous forme d'arséniures, de sulfures et d'oxydes. Aujourd'hui, c'est l'Afrique qui détient la majeure partie des ressources en cobalt au niveau planétaire : la République démocratique du Congo concentre à elle seule la moitié des réserves connues. La Zambie est le premier producteur au monde, mais le minerai peut être fondu et raffiné dans diverses zones du monde. Cependant, le Cameroun serait en possession dans son sous-sol de ce qui semble être le plus grand gisement de cobalt au monde, dans la zone forestière de l'est du pays. Ce gisement de grande importance devrait être mis en exploitation dans quelques années par le groupe américain Géovic[16]. Le groupe belge Umicore est leader mondial dans ce domaine.

Pays Tonnes  % du total
Finlande 7 990 18, 5%
Canada 6 620 15, 4%
Russie 4 654 10, 8%
République populaire de Chine 4 576 10, 6%
Zambie 4 570 10, 6%
Total 5 pays 28 410 66%
Total monde 43 028 100, 0

Chiffres de 2003, métal contenu dans les minerais et concentrés, source : L'état du monde 2005

Sources environnementales

Une des formes envisageables de minerai de cobalt

Sources naturelles : (sols, érosion, volcans, eau de mer et feux de forêt. Le taux moyen dans le sol, dans le monde est de huit ppm (parties par million), mais variant de presque zéro à 6 450 ppm ou alors plus à proximité de mines (En Ontario, 16 et 17 ppm de cobalt ont été mesurés respectivement dans des parcs ruraux et de vieux parcs urbains[17])

Sources anthropiques : (eau, air et sol, et écosystèmes sont pollués par les mines et l'industrie du cobalt, les fumées des incinérateurs et issues de la combustion du charbon et du pétrole qui en contiennent une faible proportion, de même que les gaz d'échappement des véhicules et avions. Des contaminations accidentelles surviennent quelquefois (ex : 61 boutons d'ascenseurs suisse, d'origine française (produits avec un acier indien contaminé par du cobalt radioactif), émettaient à peu près 7000 bq chacun ; le transport de 14 de ces boutons suffisait à imposer d'appliquer l'accord européen relatif au transport international des marchandises dangereuses par route (ADR) [18]
Globalement, les sources principales sont les retombées des essais nucléaires, puis de l'accident de Tchernobyl. Leur radioactivité fluctue selon les lieux et diminue globalement progressivement avec le temps (Voir Figure 21 du rapport 2008 de la Division Radioprotection suisse ; «Césium-137 (en Bq/kg de matière sèche) dans les échantillons de sol de différentes stations de Suisse (1964–2008)» [18], et la figure 22 («Strontium-90 dans divers échantillons prélevés entre 1950 et 2008») mais localement par lessivage, ruissellement puis bioconcentration les taux peuvent augmenter (dans les champignons, et les sangliers qui les mangent par exemple).
Hormis pour les travailleurs ou personnes exposées à des sources industrielles ou naturelles importantes, 99 p.  100 du cobalt que nous absorbons proviendrait de la nourriture, plutôt que de l'eau ou l'air [17]).

Voir aussi

Bibliographie

Liens externes

Notes et références

  1. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd. , Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)  
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, «Covalent radii revisited», dans Dalton Transactions, 2008, p.  2832 - 2838 lien DOI ] 
  4. (en) Metals handbook, vol.  10 : Materials characterization, ASM International, 1986, 1310 p. (ISBN 0-87170-007-7) , p.  344 
  5. «Cobalt» dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  6. Numéro index 027-001-00-9 dans le tableau 3.1 de l'annexe VI du règlement CE N° 1272/2008 (16 décembre 2008)
  7. G. Brandt, Dissertatio de Semi-Metallis, Acta literaria et scientiarum Sueciæ, vol. IV, 1735, pp. 1-12. Uppsla, 1742.
  8. G. Brandt, Cobalti nova species examinata et descripta, Acta Societatis regiæ scientiarum upsaliensis, 1742, pp. 33-41. Stockholm, 1748.
  9. F. Delamare, Saffre, smalt, bleu d'esmail et azur, in Bleus en poudres, de l'Art à l'Industrie, Mines Paris, ParisTech, Les Presses, 2008, pp. 71-122.
  10. «Avis scientifique sur l'utilisation de composés du cobalt comme additifs dans l'alimentation animale», European Food Safety Authority, 2009.
  11. Avec le germanium (électronique avancée), le titane (sous-marins de chasse, alliage extrêmement résistant), le magnésium (explosifs), le platine (contacts aussi conducteurs que l'or pour l'aviation, circuits avec contacts rapides), le mercure (chimie nucléaire, instruments de mesure), le molybdène (acier) et le niobium (alliages spéciaux extrêmement rares). (Christine Ockrent, comte de Marenches, Dans le secret des princes, éd. Stock, 1986, p; 193. )
  12. En toute rigueur ce n'est pas l'isotope qui subit la désintégration ε qui émet le rayonnement gamma, mais la fraction de l'isotope produit dans un état excité. Mais comme la désexcitation (du nouvel isotope) suit la transformation radioactive, elle y est liée.
  13. Ifremer, Surveillance du milieu marin, travaux du Réseau National d'Observation de la Qualité du Milieu Marin ; Le RNO : programmes actuels - L'argent, le cobalt, le nickel et le vanadium dans les mollusques du littoral français - Les carottes sédimentaires, mémoire de la contamination ; Bulletin Ifremer, 2002 Télécharger en Pdf
  14. Börje Sellergren, de l'Institut de recherche environnementale (INFU) à l'Université technique de Dortmund, avec Sevilimedu Narasimhan du Centre de recherche nucléaire Bhaha de Kalpakkam (Inde)
  15. BE Allemagne numéro 462 (4/12/2009) - Ambassade de France en Allemagne / ADIT
  16. Geovic Mining Corp
  17. Page du Gvt. canadien sur le cobalt
  18. http ://www. bag. admin. ch/themen/strahlung/00043/00065/02236/index. html?lang=fr&download=M3wBUQCu/8ulmKDu36WenojQ1NTTjaXZnqWfVp7Yhmfhnapmmc7Zi6rZnqCkkId6f3uBbKbXrZ2lhtTN34al3p6YrY7P1oah162apo3X1cjYh2+hoJVn6w== Rapports annuels 2008 de la Division Radioprotection, Suisse (PDF, consulté 2009 05 26 ; 4866 kB



  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
Lanthanides Actinides Superactinides Éléments non classés

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