钴(cobalt)

元素周期表中第4周期第Ⅷ族元素，属重有色金属。元素符号Co，原子序数27，相对原子质量58.933。钴在常温下为固体，呈银灰色。

简史   1735年瑞典化学家布兰特(G.Brant)首次分离和制得金属钴，1780年瑞典化学家伯格曼(T.Bergman)确定钴是一种元素。

德国、挪威和匈牙利是世界上最早生产钴的国家。1864年在新喀里多尼亚发现氧化钴矿床。随着1903年加拿大安大略省银钴矿和砷钻矿的开发，世界钴产量从1904年的16t猛增至1909年的1553t。1920年扎伊尔开发了其国内的铜钴矿，从此其钴产量一直居世界首位。1933年摩洛哥开始从砷钴矿中提取钴。芬兰和德国以含钴黄铁矿为原料，分别建成了生产钴的工厂。

从镍矿中回收钴已成为钴生产的重要来源。从加拿大、前苏联等国的铜镍硫化矿以及古巴、澳大利亚等的氧化镍矿中回收的钴，约占世界钴总产量的25％～30％。

中国钴的生产是在中华人民共和国成立以后开始的，20世纪50年代在江西、广东建立了钴冶炼厂，从钴土矿中提取钴。1960年建立了一座处理摩洛哥砷钴矿的工厂，以后又相继建立了几座处理钴硫精矿的小厂。还有一些工厂从锌生产过程中产生的钴渣和各种含钴废料中回收钴。中国现生产的钴主要是在处理硫化铜镍矿的过程中回收的，产量约占世界的2％。

性质   钴有13种同位素，但只有⁵⁹Co存在于自然界中。人工制造的同位素⁶⁰Co有广泛用途。

钴在常温下的稳定晶形是六方密堆积，而高于673K温度时的稳定结构是面心立方。钴为铁磁性物质，在硬度、抗拉强度、机械加工性能、热力学性质和电化学行为方面类似于铁和镍。钴的主要物理性质列举于表1。

钴原子的外电子层构型为[Ar]3d⁷4S²。钴在形成化合物时可失去4S²轨道的2个电子，也可同时失去3d轨道中的1个电子，所以钴有+2和+3两种价态。+2价钴的化合物稳定，+3价不稳定。

 钴是中等活性的金属，在常温下不与水、空气、碱及有机酸作用。钴能溶解于硫酸、盐酸、硝酸生成二价钴盐。粉末状态的钴在加热时能与氧、硫、氯、溴发生激烈的反应。钴能吸收大量氢，细粉状态的钴在高温时能吸附的氢为其体积的50～150倍。

用途   约在公元前2000年，人类就将钴化合物用作制造有色玻璃的颜料，这种用途一直延续至今。

金属钴的应用始于1907年。当时美国海恩斯(E.Haynes)获得生产钴一铬系列耐热合金，即“斯特莱特系列合金(Stellites)”的专利权。金属钴主要用于生产耐热和防腐材料、高强度材料、永磁材料，以及各种工具钢和合金钢等。约有25％的钴是以其化合物形态应用的，如用作生产干燥剂、颜料和催化剂等的原料。

世界年产钻量约2～3万t，其中10％～15％为再生钴。世界主要产钴国家近几年的钴产量列举于表2。钴主要消耗在工业发达国家，美国钴消费量约占世界总消费量的三分之一。1991年世界和美国钴的消费比例列举于表3。

提钴原料   钴的地壳丰度约为29×10^-4％，与铜、铅、锌属于同一数量级。但绝大多数钴以伴生元素赋存于其他金属矿床中，只有摩洛哥的砷钴矿是世界最大的单独钴矿床。已发现的含钴矿物约70多种，只有约20种具有可利用价值(表4)。

在部分铜、镍和银矿的冶炼中，钴作为副产品回收。此外，钴也作为铁、铬、铅、锌、铀或锰冶炼工业的副产物回收。当前世界钴产量60％来自扎伊尔和赞比亚的铜钴型矿床，主要是硫化矿，其次是铜镍硫化矿和氧化镍矿。摩洛哥的砷钴矿储量已不多。世界陆地钴的总储量约428.17万t，主要分布在美国(硫化矿)、加拿大(硫化矿)、古巴(氧化镍矿)、摩洛哥(砷钴矿)、扎伊尔(铜钴矿)、赞比亚(铜钴矿)、前苏联(硫化矿)和芬兰(硫化矿)。

海底锰瘤(大洋多金属结核)是钴的巨大潜在资源，估计储量22700万t。

中国已探明具有工业价值、储量最大的钴资源是甘肃金川的含钴铜镍硫化矿，其次便是吉林和新疆的含钴铜镍硫化矿。此外，还有云南的含钴硅酸镍矿以及四川、山东、湖北、山西的含钴黄铁矿。

钴的提取   由于钴主要是以伴生元素状态存在于其他金属矿石中，所以除了从砷钻矿提钻和从钻土矿提钻等少数情况外，提取钴均以主金属生产工艺为基础，使钴在中间产品中富集，然后从中间产品中回收。如铜钻矿提钻、含钻铜镍矿回收钻、含钻黄铁矿回收钻等。因而提钴工艺均较复杂(见图)。

除图中所示的各种原料提钴流程外，从其他金属矿物冶炼副产物中回收钴的流程也大致相似，如湿法炼锌产出的黄原酸钴滤饼经过焙烧用硫酸浸出后的流程即与镍电解系统产出的含钴滤饼用硫酸处理的含钻滤饼回收钻方法基本相同。

从含钴原料中提钴的方法可分为全火法流程、全湿法流程和火法一湿法联合流程。现代提钴多采用联合流程。

(1)全火法流程。20世纪40年代以前广泛应用，现仅有扎伊尔的潘达(Panda)钴厂采用电炉熔炼铜钴合金。

(2)全湿法流程。主要包括各种含钴物料的加压酸浸出、氨浸出、硫酸和硝酸浸出以及氯化浸出等。

(3)联合流程。大致分为两种情况：一是先采用硫酸化焙烧(铜钴精矿、黄铁矿)、还原焙烧(红土矿)、脱砷焙烧(砷钴精矿)等简单火法处理，然后用酸或氨液浸出；另一类则是在铜、镍、锌等金属火法冶炼过程中，使钴以中间物富集，然后再经湿法处理。

提钴原料的复杂性，决定了钴冶金没有“标准”或传统工艺。但无论采用何种工艺，最终要产出金属钴一般都采用湿法，这是钴冶金的一大特点。从各种流程所得含钴中间产品制取金属钴通常采用钻电解或氢还原法。

展望   在主金属冶金过程中设法提高伴生钴的回收率是钻提取冶金的发展方向。例如在含钴硫化铜镍精矿冶炼过程中，通过改变生产条件或采用转炉渣贫化的方法来提高钴的回收率；或在氧化镍矿还原焙烧或硫化矿硫酸化焙烧时采用添加剂的方法来提高钴的可溶性都将会受到重视。溶剂萃取和离子交换法在含钴溶液净化，特别是在性质相近的镍和钴分离方面将获得进一步发展。在应用方面，钴作为战略金属和高技术材料，在现代科技和工业发展中的作用越来越重要。在超级耐热合金中钴起着不可替代的作用。钴在新型陶瓷材料、热膨胀合金、高抗磨性合金等高技术材料中显示了良好的应用前景。