Els empèdocles moderns – Georg Brandt (1732) i l’element 27 (Co) – cobalt (nilbisepti, Nbs)

There are more things in heaven and earth, Horatio, than are dreamt of in your philosophy”. Això li diu Hamlet en contemplar l’espectre del seu pare. L’esfera de la màgia, d’allò sobrenatural, no és comptat en la filosofia d’Horaci. “Eu non creo nas meigas, mais habelas hainas”. Però ens deia la tercera llei de la predicció d’Arthur C. Clarke que “any sufficiently advanced Technology is indistinguishable from màgic”. Coneixent les limitacions de la nostra tecnologia, de la nostra història, de la nostra ciència, hom opta per la prudència. La vida pràctica exigeix però aplica el principi occamià segons el qual “nunquam ponenda est pluralitas sine necessitate”. Malgrat tot, la necessitat d’explicar petits enigmes de la vida quotidiana ha exigit de vegades postular l’existència d’una pluralitat de criatures. Són els espirits, els follets, els gnoms, les fades, els donyets. Si no són invisibles, són molt difícils de veure. “El follet no jau, ni seu, ni està dret”. Són criatures més nocturnes que diürnes, més de bosc que de camp, a les quals hom pot atribuir també misteris ben casolans: com és que ens despertem destapats, com és que sentim sorolls en mig de la nit, o com és que les coses no són a lloc quan les necessitem. Els qui estudien el costumari o la rondallística n’han fet notables classificacions, just en l’època que hom ja els ha relegat definitivament a l’esfera de l’imaginari. En el segle XVII, mentre els homes de ciència agranaven els follets, els microscopistes descobrien unes altres criatures que, si no són invisibles, costen tant de veure com ha de recórrer a lupes, microscopis òptics i, de vegades, a microscopis electrònics. La teoria germinal de la malaltia, el coneixement de la rellevància dels microorganismes en molts processos alimentaris (la producció de vi, de vinagre; de formatges i d’altres productes làctics; de la curació de carns, etc.), així com la de la rellevància en els processos de regeneració dels nutrients del sòl, alhora que la consciència que són ben bé ubics, ha fet que virus i bacteris, de vegades beneficiosos, d’altres perjudicials, circulin en l’explicació de coses. Nosaltres, en tot cas, arribem així al nombre vint-i-set de la nostra sèrie.

Il•lustració de Willy Pogány (1882-1955) que representa al kobold Heinzelmann feta per al llibre de Lilian Gask (nascuda en el 1865) titulat “The Fairies and the Christmas Child”, publicat en el 1912

Georg Brandt i la descoberta del cobalt

Portada d’una memòria de Georg Brandt sobre el cobalt, publicada el 1760

Georg Brandt va nàixer el 26 de juny del 1694 a Riddarhyttan (parròquia de Skinnskatteberg, Västmanland, Suècia). El seu pare, Jurgen Brandt, era natural de l’illa de Fehmarn (Ducat de Schleswig). La mare, Katarina Ysing, era filla d’una família originària de Bremen que disposava de diverses fàbriques a la Suècia central, i que havia emparentat amb els Bure. Katarina Ysing era la tercera muller de Jurgen Brandt. El seu marit era molt més gran que ella. Jurgen Brandt havia venut en el 1690 la farmàcia Örnen, d’Estocolm, i s’havia traslladat a Riddarhyttan després d’adquirir la ferreria local, que dirigia amb l’ajut del seu nebot, Joakim Brandt.

Jurgen Brandt introduí els seus fills, Georg i Carl, en la metal•lúrgia i en la química. Eventualment, Carl se’n faria càrrec del negoci familiar. En el 1705, Georg Brandt viatjava a Uppsala per començar estudis universitaris. A 21 anys, la majoria de condeixebles eren molt més joves que ell. Per posar-se al dia assistí a les classes particulars d’Anders Gabriel Duhre, amb qui establiria una amistat duradora.

En el 1714, es casà amb Anna Maria Norn, filla del comerciant Petter Nord, de Säter. El mateix anys, Georg Brandt havia trobat col•locació com al Col•legi de Mines (Bergkollegium). Les funcions eren bàsicament administratives, per bé que l’interès de Brandt l’empenyia cap a la recerca química, mineralògica i metal•lúrgica. En el 1716 es va decidir a abandonar aquesta posició i inicià una llarga estada per diverses universitats, entre elles a Leiden, on estudià química i medicina. De fet, en el 1726, Georg Brandt es doctorava en medicina a la Universitat de Reims.

Poc després retornà al Bergkollegium, però ara per fer-se’n càrrec del laboratori químic. El perfil de Brandt encaixava en l’anomenada “escola química” d’Urban Hjärne (1641-1724). Ben allunyada dels esotericismes de l’alquímia, aquesta escola defensava el rol de la química en el coneixement dels regnes mineral, vegetal i animal, des de la mineralogia a la medicina, passant per l’agricultura. Hjärne, no ho oblidem, s’havia fet un nom també en els seus esforços per combatre una de les encarnacions més paoroses de la superstició, la persecució judicial de “bruixes” en l’Estocolm del 1668-1676.

En el 1732, l’interès de Brandt se centrava especialment en la química dels metalls. L’alquímica ens parla de set metalls purs: l’or, l’argent, el coure, el ferro, l’estany, el plom i el mercuri. El bronze, per exemple, seria un aliatge de coure i d’estany, i de manera similar existeixen altres aliatges. Ara bé, la metal•lúrgia de l’època coneixia altres metalls que no encaixaven en aquest esquema. Un d’aquests metalls seria l’anomenat “bismut”, que els alquimistes interpretaven com un “tectum argenti” (és a dir, com una substància en procés d’esdevindre argent), mentre que d’altres consideraven com una mena de plom. Els minaires parlaven de vegades del “coure-níquel”, per referir-se a minerals de coure dels quals, per l’acció suposada d’en Níquel, un follet, hom no podia extreure coure metàl•lic. De manera similar, hom parlava de minerals manipulats pels kobolds, dels quals tampoc no es podia extreure ni coure ni cap altre metall. De vegades, d’un d’aquests minerals hom n’obtenia una matèria “semi-metàl•lica”. Però calia anar amb ull viu amb aquests “färgkobolten” o cobalts, car de vegades de la manipulació dels minerals en derivaven uns vapors tòxics, potencialment letals. Distingir-los, doncs, no tan sols estalviava esforç sinó també perills.

Brandt entenia que el “cobalt” havia d’ésser una substància metàl•lica o, per ser més precís, “semi-metàl•lica”, diferent i diferenciada dels altres metalls. La feina era caracteritzar aquesta família de substàncies sense deixar-se dur ni per les tradicions numerològiques ni per les supersticions populars. Per exemple, la toxicitat descrita d’havia d’atribuir a l’arsènic, substància coneguda des de l’antiguitat, i sobre la qual Brandt va publicar en el 1733 una monografia (“De arsenico”, inclosa en les “Acta literaria et scientiarum Sueciæ”). L’arsènic era un exemple de “semimetall”, però no pas l’únic. Brandt, en el 1735, publicà un tractat sobre aquestes substàncies (“De semimetallis”, també inclosa en les “Acta”). El caràcter semimetàl•lic de l’arsènic s’evidencia en la calx dels minerals que en contenen, és a dir en l’arsènic blanc.

Des de temps immemorials, hom havia emprat minerals de cobalt i aprofitat les seves propietats, particularment la coloració blava. El desenvolupament de la metal•lúrgia en l’edat de bronze havia fet accessible aquest material. N’hi ha restes en escultures egípcies del III mil•lenni a.e.c. El trobem blavejant vidre en el segle XIV a.e.c. (restes del naufragi d’Uluburun, recuperades entre 1984 i 1994; vidre procedent de jaciments arqueològics de la XVIII dinastia egípcia).

El color blau de ceràmiques com aquesta, procedents de la Xina i datada en el 1335 es deu a la presència de cobalt

En temps de Brandt, hom tenia una major idea de quina era la base química de l’obtenció del vidre blau. A banda del ferro i del coure, també s’atribuïa a alguns dels semimetalls. Brandt estudià el procés i començà a aclarir progressivament el rol dels semimetalls. En el 1735, Brandt ja diferencia clarament el cobalt del bismut o de l’arsènic, i atribueix al cobalt la capacitat de blavejar el vidre i la ceràmica.

En el 1741, Brandt distingeix més clarament entre metalls i semimetalls. En el seu esquema, fonamentat experimentalment, la llista de metalls estrictes es limita a sis: l’or, l’argent, el coure, l’estany, el ferro i el plom. D’altra banda, n’hi hauria sis semimetalls, dels quals tres estudia en forma pura: mercuri, bismut i zinc. Els altres tres semimetalls els obté en forma de règol (regulus), és a dir en un estat d’extracció incompleta: antimoni, arsènic i cobalt. Brandt s’atribuïa exclusivament la descoberta del “regulus” del cobalt, en diferenciar-lo del bismut, amb el qual apareix sovint en els mateixos minerals.

Brandt enumerava sis diferències caracteritzadores entre el bismut i el cobalt:
a) El bismut es fragmenta amb més fragilitat que el cobalt (o, si es vol, es pot dir que el bismut és menys metàl•lic que el cobalt en aquest punt).
b) En provar de fondre cobalt i bismut, no es barregen.
c) El “regulus” de cobalt es pot fondre amb sílex i un àlcali fix, donant lloc a un vidre blau. El “regulus” del bismut no ho fa.
d) El bismut es fon fàcilment i si se’l manté fos durant prou estona, calcina donant lloc a una pols groga.
e) El bismut amalgama amb el mercuri; en canvi, el “regulus” de cobalt no ho fa;
f) El bismut és soluble en àcid nítric i en aqua regia, i dóna lloc a un precipitat blanc quan se’l posa en aigua pura. El “regulus” de cobalt no precipita en aigua pura, sinó que cal afegir-hi àlcalis, en el qual cas dóna lloc a precipitats foscos o negres.

Aquest esquema de “sis metalls” i “sis semi-metalls” era, per Brandt, perfectible. La confirmació de la descoberta de nous metalls (com el platí o el níquel) l’alteraria. Mentrestant, Brandt continuava amb els seus estudis sobre minerals de cobalt. Si en la majoria de casos, aquests minerals contenen, a més de cobalt, bismut i arsènic, en el 1742, Brandt estudiava un mineral que contenia cobalt sense contindre arsènic.

Brandt també va fer estudis sobre el zinc i els seus minerals, com la calamina o la blenda. També demostrà que l’anomenada “pedra de Galítzia” era, químicament, vidriol de zinc. En el 1756 investigà la base de materials càustics d’origen mineral (àcid nítric) i vegetal (potassa), recerca que donà lloc a una polèmica amb Henri-Louis Duhamel du Monceaus (1700-1782).

Georg Brandt es va morir a Estocolm a 73 anys. La seva contribució a la química mineralògica era notable, i el seu nom seria reconegut en la historiografia científica a través dels seus deixebles més destacats, com Anton von Swab (1702-1768), Henrik Teofilus Scheffer (1710-1759), Daniel Tilas (1712-1772), Axel Fredrik Cronstedt (1722-1765), Torbern Bergman (1735-1784), amb els quals s’obriria ja definitivament l’etapa de la química moderna.

Antoine Lavoisier és, probablement, qui millor encara aquesta etapa. El concepte modern d’element químic (o substància simple) el trobem ja cristal•litzat al “Traité Élémentaire de Chimie”. Lavoisier no reté la distinció que Brandt feia entre “metalls” i “semimetalls”. Tots ells són considerats “substàncies simples metàl•liques oxidables o acidificables”, i els enumera en estricte ordre alfabètic: “antimoine, argent, arsenic, bismuth, cobolt, cuivre, etain, fer, maganèse, mercure, molybdène, nickel, or, platine, plomb, tungstène, zinc”. Dels 12 de Brandt passem ja a 17.

El nom que quedarà fixat finalment serà el de “cobalt”, en llatí “cobaltum”, del qual deriven, amb més o menys adaptacions gràfiques, el nom en les diferents llengües. En suec, hom ha retingut “Kobolt”, però per exemple en alemany la forma normativa és “cobalt”, que és l’emprada també en francès o en anglès.

En “New System of Chemical Philosophy” (1808), John Dalton simbolitza el cobalt amb les inicials “Cob”. Jöns Jacob Berzelius, en el 1813, en sistematitzar els símbols químics, els limita a un màxim de dues inicials, de manera que el símbol del cobalt es redueix a “Co”. Aquest és el símbol emprat de manera gairebé universal en la literatura posterior.

El blau de cobalt és un òxid d’alumini i de cobalt. Caracteritzat químicament per Louis Jacques Thénard en el 1802, la seva producció comercial a França començà en el 1807

Entrat el segle XIX, la demanda de vidre de cobalt i de blau de cobalt es trobava en creixement. Els minerals de cobalt s’explotaven ja des del segle XVI a Hongria, Saxònia i Escandinàvia. Però ara començaven a assolir-se proporcions industrials. El lideratge de la producció d’òxid de cobalt acabà per recaure en Blaafarveværket, indústria fundada en els anys 1770 a Modun per iniciativa reial (en l’època que Noruega era en unió personal amb el regne de Dinamarca). Blaafarveværket integrava mines i les plantes processadores d’on sorgia el pigment. El salt qualitatiu de Blaafarveværket es produí en el 1823, quan la companyia fou adquirida pel baró berlinès W. C. Benecke i el comerciant königsbergès Benjamin Wegner (1795-1864). Sota Wegner, la companyia esdevingué la primera indústria en importància (2000 treballadors) de tot el Regne de Noruega (llavors ja en unió personal amb el regne de Suècia). Això, donat l’endarreriment de Noruega, tampoc no era gran cosa, però eventualment a Blaafarveværket es produïa el 80% de la producció mundial de blau de cobalt, adquirida per la indústria ceràmica, del vidre i del paper. De llarg, el principal client de Blaafarveværket era Smith, Goodhall & Reeves. L’ascens de la indústria dels pigments sintètics, particularment del blau ultramarí obtingut per Christian Gmelin en el 1828, juntament amb els sotracs econòmics i polítics del 1848, dugueren Blaafarveværket a la fallida. En el 1857, la companyia abandonava la producció del pigment, si bé retingué l’explotació de les mines fins el 1893.

La primera vegada que apareix l’expressió “cobalt blue” en llengua anglesa és del 1777. Però potser abans i tot, el comerciant i industrial ceramista Richard Champion i el químic William Cookworthy s’havien fet amb l’exclusiva de la importació a Anglaterra d’òxid de cobalt de Saxònia (elaborat a partir de la mineria local), i l’aplicaren per fer decoracions de ceràmica. En els anys 1780, a Bristol Lazarus i Isaac Jacobs començaven a produir vidre blau amb aquest òxid de cobalt. El vidre blau de Bristol es guanyà una gran fama en el segle XIX, però declinà en el començament del segle XX, i en el 1923 en tancà la darrera fàbrica. En el 1988, s’establí una nova companyia a Brislington que elabora aquest vidre, emprat no tan sols amb finalitats decoratives sinó també, com en l’època clàssica per embotellar el “Bristol Cream sherry”.

Al llarg del segle XIX, hom fa diversos intents per sistematitzar la diversitat creixent de substàncies simples, particularment de metalls. En el 1865, per exemple, John Newlands postula una periodització basada en el nombre 7. Newlands assignava a cada element un nombre atòmic. Cobalt i níquel compartien el mateix nombre, el 22, la qual cosa els convertia en els elements del quart període del grup de l’hidrogen.

Però l’intent que reeixí fou el de Dmitri Mendeleev. En el 1868, presentava una taula periòdica. Níquel i cobalt apareixien en la mateixa casella, en compartir el mateix pes atòmic, cosa que venia a suggerir de nou els dubtes sobre la identitat dels dos elements. La casella de Ni i Co era en el quart període, i encapçalava un grup propi complementat amb el platí (en el cinquè període) i amb l’osmi (en el sisè). La versió del 1871 era més compactada. En aquesta versió, el cobalt (p.a. 59) era assignat amb la mateixa casella que el ferro (56), el níquel (59) i el coure (63); tots quatre es trobaven en el quart període i en el grup VIII.

En el 1864, hom descobrí a Nova Caledònia un dipòsit de mineral de cobalt, que va fer aquest territori nord-americà n’esdevingués el primer productor. En el 1904, es descobriren dipòsits encara més grans a Ontàrio. Però, del 1914 en endavant, Katanga esdevingué la primera regió productora de minerals de cobalt.

Les revisions de la taula periòdica ja entrat el segle XX, van estilitzar-la de nou. El cobalt aconseguí a la fi una casella pròpia, la del quart període del grup 9, un grup compartit amb el rodi (cinquè període) i l’iridi (sisè període).

Alfred Werner (1866-1919) treballà des del 1893 en la química dels ions complexos de metalls, la qual cosa donaria lloc a la “química de coordinació”. Werner estudià especialment compostos de cobalt, com ara el CoCl3•6 NH3. En aquest cas postulà la coordinació entre un ió central de Co3+, envoltat de sis NH3, que formarien un octaedre, mentre tres Cl3- romanien com a ions lliures. Werner sintetitzà, a partir d’aquest compost, clorur de tris(etilendiamina)cobalt (III), que aïllà en forma de cristalls aciculars de color daurat, i dels quals descrigué el comportament òpticament diferents dels diversos isòmers possibles-.

John J. Livingood & Glenn T. Seaborg (1938) descobrien el cobalt-60, un radioisòtop amb una semivida de 5 anys. Wu et al. (1957) estudiaren la desintegració beta del cobalt-60 a baixes temperatures i sota un camp magnètic, i observaren una violació de paritat: per comptes d’una desintegració uniforme, la radiació beta (electrons emesos) dels nuclis convertits en níquel-60 era més forta en la direcció oposada a l’espín nuclear.

Les aplicacions industrials del cobalt creixien a un ritme superior a les extraccions. Les aplicacions del cobalt en aliatges en la indústria de guerra el convertiren en un element estratègic durant la Segona Guerra Mundial. Amb la producció concentrada a Katanga (en el Congo Belga, controlat pel govern pro-anglès d’Hubert Pierlot, establert a Londres) i a Canadà, la indústria militar alemanya patí restriccions de cobalt.

Després de la guerra, els Estats Units considerà prioritària la recerca de fonts de cobalt dins del propi territori. Se’n descobrí mineral de cobalt prop del Blackbird canyon, a Idaho, que fou explotat per la Calera Mining Company.

Les confrontacions armades a Katanga des del 1960 posaren a prova el caràcter estratègic del cobalt. Això fou particularment cert el maig del 1978, quan l’entrada de tropes del Front Nacional d’Alliberament Congolès (FNLC) a Shaba (Katanga) des de bases situades en territori angolès, aturà la producció minera. El cobalt era a Shaba un subproducte de la mineria de coure, però aquesta era la principal font mundial. Aquesta crisi, com altres, no tingué els efectes esperats sobre el preu del cobalt. Com ja havia passat en la indústria dels pigments, els compostos de cobalt trobaven altres substituts, per diverses raons (entre elles, la toxicitat), alhora que guanyava en rellevància el reciclatge de cobalt en les grans regions industrials.

El cobalt: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del cobalt, 58,933194 uma, coincideix amb la del seu únic isòtop estable, 59Co. La llista d’isòtops coneguts és, però, força més ampla:
– cobalt-47 (47Co; 47,01149 uma). Nucli format per 27 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable.
– cobalt-48 (48Co; 48,00176 uma). Nucli format per 27 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable. Decau, amb emissió d’un protó, a ferro-47.
– cobalt-49 (49Co; 48,98972 uma). Nucli format per 27 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida inferior a 3,5•10-8 s. Decau normalment (>99,9%) a ferro-48 (amb emissió d’un protó) o, alternativament (<0,1%), a ferro-49 (amb emissió d’un positró).
– cobalt-50 (50Co; 49,98154 uma). Nucli format per 27 protons i 23 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,044 s. Decau bé a manganès-49 (54%; amb emissió d’un protó i d’un positró) o bé a ferro-50 (46%; amb emissió d’un positró).
– cobalt-51 (51Co; 50,97072 uma). Nucli format per 27 protons i 24 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,06 s. Decau a ferro-51, amb emissió d’un positró.
– cobalt-52 (52Co; 51,96359 uma). Nucli format per 27 protons i 25 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,115 s. Decau a ferro-52, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (52mCo) a 380 keV, que té una semivida de 0,104 s, i que decau retornant a l’estat basal o, directament, a ferro-52.
– cobalt-53 (53Co; 52,954219 uma). Nucli format per 27 protons i 26 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,242 s. Decau a ferro-53, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (53mCo) a 3197 keV, que té una semivida de 0,247 s, i que decau directament a ferro-53 (98,5%) o bé a ferro-52 (1,5%; amb emissió d’un protó).
– cobalt-54 (54Co; 53,9484596 uma). Nucli format per 27 protons i 27 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,19328 s. Decau a ferro-54, amb emissió d’un positró. Posseeix un estat metastable (54mCo) a 197,4 keV, que té una semivida de 88,8 s.
– cobalt-55 (55Co; 54,9419990 uma). Nucli format per 27 protons i 28 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,311•104 s (17 hores i mitja). Decau a ferro-55, amb emissió d’un positró.
– cobalt-56 (56Co; 55,9398393 uma). Nucli format per 27 protons i 29 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,6729•106 s (77 dies).
– cobalt-57 (57Co; 56,9362914 uma). Nucli format per 27 protons i 30 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,3478•107 s (272 dies). Decau, per captura electrònica, a ferro-57. El 57Co se sintetitza en ciclotrons a partir de la irradiació de ferro (en relacions com 56Fe + 2H → 57Co + n). Aquest radioisòtop ha estat emprat en medicina diagnòstica (per exemple, en tests d’assimilació de cianocobalamina). També és utilitzat com a font en l’espectroscopia de Mössbauer de mostres que contenen ferro ja que, en decaure, el 57Co es converteix en un estat excitat de 57Fe que, en relaxar-se, produeix una radiació gamma característica i informativa de l’estat químic del ferro de la mostra.
– cobalt-58 (58Co; 57,9357528 uma). Nucli format per 27 protons i 31 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,122•106 s (71 dies). Decau a ferro-58, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastables, un a 24,95 keV (58m1Co; semivida de 3,25•104 s; que decau a l’estat basal) i un altre a 53,15 keV (58m2Co; semivida de 1,04•10-5 s).
– cobalt-59 (59Co; 58,9331950 uma). Nucli format per 27 protons i 32 neutrons. És un isòtop estable, i suposa pràcticament el 100% dels àtoms de cobalt en mostres naturals.
– cobalt-60 (60Co; 59,9338171 uma). Nucli format per 27 protons i 33 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,6635•108 s (5 anys). Decau a níquel-60, amb emissió d’un electró (i de radiacions gamma de 1,17 i 1,33 MeV). Posseeix un estat metastable (60mCo) a 58,59 keV, que té una semivida de 628,02 s, i que decau bé a l’estat basal (99,76%) o, alternativament, a níquel-61 (0,24%). El 60Co és emprat en radioteràpia; les fonts, normalment d’uns 2 cm de diàmetre, retenen activitat durant força anys; com a desavantatge hi ha l’escassa focalització i la formació de pols radioactiva). La radiació gamma produïda pel 60Co és emprada també amb altres finalitats: esterilització (pasteurització freda), radiografia industrial. El 60Co és sintetitzat a partir de 59Co (59Co + n → 60Co), emprant una font lenta de neutrons, com ara la de reactors nuclears o la de 252Cf moderat amb aigua.

Espectre d’emissions de raigs gamma del 60Co. L’activitat d’1 g de 60Co és de 44 TBq, amb una constant de dos absorbida de 0,35 mSv/(GBq•h) a 1 metre de la font. L’emissió de raigs gamma del 60Co és la responsable de la pèrdua de massa de 0,003 uma en la conversió de 60Co a 60Ni.

– cobalt-61 (61Co; 60,9324758 uma). Nucli format per 27 protons i 34 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5940 s (1 hora i 39 minuts). Decau a níquel-61, amb emissió d’un electró.
– cobalt-62 (62Co; 61,934051 uma). Nucli format per 27 protons i 35 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 90 s. Decau a níquel-62, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (62mCo) a 22 keV, que té una semivida de 834,6 s, i que decau normalment (99%) a níquel-62 o, alternativament (1%), a l’estat basal.
– cobalt-63 (63Co; 62,933612 uma). Nucli format per 27 protons i 36 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 26,9 s. Decau a níquel-63, amb emissió d’un electró.
– cobalt-64 (64Co; 63,935810 uma). Nucli format per 27 protons i 37 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,30 s. Decau a níquel-64, amb emissió d’un electró.
– cobalt-65 (65Co; 64,936478 uma). Nucli format per 27 protons i 38 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,20 s. Decau a níquel-65, amb emissió d’un electró.
– cobalt-66 (66Co; 65,93976 uma). Nucli format per 27 protons i 39 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,18 s. Decau a níquel-66, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastable, un a 175 keV (66m1Co; amb una semivida de 1,21•10-6 s) i un altre a 642 keV (66m2Co; amb una semivida de poc més de 10-4 s).
– cobalt-67 (67Co; 66,94089 uma). Nucli format per 27 protons i 40 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,425 s. Decau a níquel-67, amb emissió d’un electró.
– cobalt-68 (68Co; 67,94487 uma). Nucli format per 27 protons i 41 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,199 s. Decau a níquel-68, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable a 150 keV (68mCo), que té una semivida de 1,6 s.
– cobalt-69 (69Co; 68,94632 uma). Nucli format per 27 protons i 42 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,227 s. Decau normalment (>99,9%) a níquel-69 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a níquel-68 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– cobalt-70 (70Co; 69,9510 uma). Nucli format per 27 protons i 43 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,119 s. Decau normalment (>99,9%) a níquel-70 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a níquel-69 (amb emissió d’un neutró i d’un electró). Posseeix un estat metastable (70mCo) a 200 keV, que té una semivida de 0,5 s.
– cobalt-71 (71Co; 70,9529 uma). Nucli format per 27 protons i 44 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,097 s. Decau normalment (>99,9%) a o, alternativament (<0,1%), níquel-71 (amb emissió d’un electró) o a níquel-70 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– cobalt-72 (72Co; 71,95781 uma). Nucli format per 27 protons i 45 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,062 s. Decau normalment (>99,9%) a níquel-72 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a níquel-71 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– cobalt-73 (73Co; 72,96024 uma). Nucli format per 27 protons i 46 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,041 s.
– cobalt-74 (74Co; 73,96538 uma). Nucli format per 27 protons i 47 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,05 s.
– cobalt-75 (75Co; 74,96833 uma). Nucli format per 27 protons i 48 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,04 s.

L’àtom neutre de cobalt conté 27 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d74s2. És el primer element (dins del quart període) del grup 9, dins del bloc d (metalls de transició). Els estats d’oxidació més habituals són +3 i +2, encara que també poden presentar-se +5, +4, +1, 0, -1 i -3. El radi atòmic del cobalt és de 1,25•10-10 m.

Peces de cobalt pur (99,9%) obtingudes per refinat electrònic, al costat d’un cub de cobalt d’1 cm3 de 99,8%.

En condicions estàndards de pressió i de temperatura el cobalt elemental es presenta com un sòlid metàl•lic de color gris, amb propietats ferromagnètiques (1,6-1,7 magnetons de Bohr per àtom). En aquestes condicions, presenta un densitat de 8900 kg•m-3 i un índex de Mohs de 5,0.

Trobem dos al•lòtrops sòlids:
– estructura cristal•logràfica hexagonal estretament empacada.
– estructura cristal•logràfica cúbica centrada en les cares.

El cobalt elemental s’oxida amb facilitat. La formació d’una capa superficial d’òxid (passivació) el protegeix, però, de l’oxidació ulterior. Aquesta capa, però, no resisteix l’atac del sofre (amb formació de CoS2 o Co2S3) o de gas fluor (amb formació de CoF3, etc.). En canvi, no reacciona amb H2, N2 o amb aire sec. Si s’escalfen les peces passivades de cobalt, augmenta l’oxidació, donant lloc a Co3O4 que, a temperatures més elevades (1170 K), dóna lloc a CoO.

En condicions estàndards de pressió, fon a 1768 K. La densitat del cobalt líquid en aquest punt és de 8860 kg•m-3.

En condicions estàndards de pressió, el punt d’ebullició és a 3200 K.

Entre els òxids de cobalt trobem:
– òxid de cobalt (II) (CoO). En condicions estàndards de pressió i de temperatura és un sòlid d’estructura cristal•lina cúbica. És de color verd.
– òxid de cobalt (III) (Co(OH)3). És de color bru.
– òxid de cobalt (II,III) (Co3O4). És de color blau.
– òxid de cobalt (III) (Co2O3). És de color negre.

CoCl2•6 H2O. El color dels composts de cobalt depèn del nombre d’oxidació i dels enllaços que forma amb altres elements. Així, en les formes anhidres de sals de Co(II), el fluorur (CoF2) és rosa, el clorur (CoCl2) és blau, el bromur (CoBr2) és verd, i el iodur (CoI2) és blau fosc.

L’abundància de cobalt en l’univers és condicionada als processos de nucleosíntesi de les supernoves, on 59Co és un dels productes dels processos r. Tal com és d’esperar amb els elements de nombre Z senar, el cobalt és menys abundants que els dos elements que el flanquegen a banda i banda de la taula periòdica, el ferro i el níquel. Tot i amb tot, el cobalt supera en abundor alguns elements de nombre atòmic inferior (fluor, vanadi, escandi, liti, bor i beril•li). Fora del níquel, cap element de nombre atòmic superior no supera el cobalt en abundància.

En el planeta Terra, l’abundància atòmica del Co és de 390 ppm, que es tradueix en termes de massa a 880 ppm. El cobalt és comptat entre els elements sideròfils. Així la concentració és força superior en el nucli terrestre que no pas en el mantell o en l’escorça. En termes de massa, el cobalt suposa 29 ppm en l’escorça terrestre. En termes atòmics, per cada àtom de cobalt de l’escorça hi ha vora 100.000 de silici.

El cobalt elemental en l’escorça terrestre és pràcticament inexistent, si exceptuem el contingut de cobalt metàl•lic que trobem en meteorits de natura metàl•lica (on el cobalt és un component menor entre el ferro i el níquel). La immensa majoria del cobalt de l’escorça es troba formant compostos, principalment per la seva reactivitat amb l’oxigen i el clor. Es troba ben difós per l’escorça, però la seva extracció se centra en la presència de cobalt com a component menor de minerals de coure i de níquel. Hom pot esmentar, a més, alguns minerals que contenen cobalt com a component principal: cobaltita (CoAsS), safflorita (CoAs2), glaucodot ((Co,Fe)AsS), escuterudita (CoAs3), cattierita (CoS2), linnaeïta (Co+2Co+32S4. Alguns d’aquests minerals, com a resultat de l’oxidació associada a la meteorització per contacte amb l’atmosfera, donen lloc a eritrita (de color rosat; Co3(AsO4)2•8H2O) o a l’esferocobaltita (CoCO3).

Peça de cobaltita. La cobaltita recorda la pirita (FeS2) i de fet la seva estructura química és la d’un sulfur de cobalt i arsènic (CoAsS), per bé que pot contindre fins a un 10% de ferro i níquel. Georg Brandt treballa sobre minerals com aquest que eren coneguts de fa temps com a obra dels kobolds, ja que malgrat el seu aspecte no donaven després lloc al ferro o al coure en les quantitats esperades.

El contingut de cobalt en la hidrosfera depèn del context geològic. Les sals de Co(II) es dissolen en aigua donant lloc a [Co(H2O)6]2+ que, concentrades, tenen una coloració rosada, que vira a blava si hi ha abundància de clorur [CoCl4]2-. En l’oceà, la concentració de Co és de l’ordre de 0,02 mg•m-3.

En l’atmosfera, el cobalt es present tan sols de manera transitòria i en forma de traces.

El cobalt forma part de la llista d’oligoelements essencials per a la majoria d’organismes biològics. Hom ha descrit diverses cobaltoproteïnes que realitzen funcions enzimàtiques, com ara la nitril-hidratasa (EC 4.2.1.84) d’alguns bacteris, o la metionina-aminopeptidasa 2 (EC 3.4.11.18) que trobem en gairebé tots els organismes. En aquests casos el cobalt es troba vinculat directament a la proteïna. El més habitual però és que el cobalt formi complexos amb la corrina (un compost orgànic heterocíclic), i que aquests complexos facin de cofactors enzimàtics o de grups prostètics. El més conegut dels complexos de corrina-cobalt és la cobalamina. Diverses formes de cobalamines són cofactors per a un ample ventall d’enzims: isomerases, metiltransferases, deshalogenases.

Estructura química de la cobalamina

Sigui com sigui, les necessitats de cobalt per a la majoria d’organismes són ben minses. La facilitat, doncs, per cobrir-les, potser és la responsable de l’auxotrofia que presenten molts animals. En els animals, la principal funció del cobalt és la de constituent de la cobalamina, però justament manca la ruta metabòlica per incorporar aquest metall en aquest cofactor. En general, aquesta ruta metabòlica l’aporten microorganismes simbionts.

En el cas dels mamífers herbívors, el cobalt de la dieta (aportació recomanada diària de 0,20 mg•kg-1 per a la majoria de remugants domèstics) és incorporat a la cobalamina per la microbiota. De fet, el caràcter d’oligoelement del cobalt fou inicialment descrit en la ramaderia ovina de Northland, Nova Zelanda, a principis del segle XX, on sòls d’origen volcànic (pobres en cobalt) originaven unes pastures que eren insuficients nutricionalment, cosa que es reparava si s’hi afegien fertilitzants com el “superphosphate”, no tant pels fosfats com pel cobalt. En una situació similar, a Ninety Mile Desert (Austràlia del Sud), les deficiències nutricionals foren combatudes amb bales de cobalt (òxid de cobalt barrejat amb argila) administrades en la dieta de les ovelles.

En el cas dels remugants, el flux alternatiu del contingut digestiu permet que la cobalamina sintetitzada per la microbiota sigui absorbida directament a través de la paret intestinal. En herbívors no-remugants, en canvi, com que la producció de cobalamina té lloc en el còlon, s’excreta amb la femta; és a través de la autocoprofàgia que aquests animals obtenen l’aport necessari de cobalamina.

En el cos humà, el cobalt suposa 0,021 ppm en termes de massa, que es tradueix a 0,003 ppm en termes atòmics. Així, en un cos humà típic de 70 kg, la quantitat global de cobalt seria de 3 mg. La principal funció del cobalt es realitza a través de la cobalamina.

En el cas humà, com s’esdevé en d’altres grups de mamífers, la cobalamina és una vitamina, és a dir un cofactor essencial. La ingesta de sals de cobalt no condueix a la formació de cobalamina per part de la microbiota intestinal humana en quantitats suficients. Cal, doncs, ingerir-la a través de la dieta. Els nutricionistes l’identifiquen com a vitamina B12, la deficiència de la qual condueix a l’anomenada “anèmia perniciosa”. Ja en el 1920, George Whipple havia postulat que la causa de l’anèmia perniciosa era una deficiència nutricional, que es podia tractar amb la ingesta de fetge. Hom pensà que el fetge hi posava remei pel seu contingut de ferro, però en el 1926 George Richards Minot & William Murphy assenyalaven una altra substància. En el 1928, Edwin Cohn aconseguí un extracte de fetge ric en aquesta vitamina, que fou denominada després “vitamina B12”. En descobrir-se la identitat entre la vitamina B12 i un nutrient essencial per la soca “Lactobacilis lactis Dorner”, Mary Shorb et al. (1948) van poder finalment identificar químicament aquesta substància, de la qual Dorothy Crowfoot Hodgkin et al. (1956) van descriure l’estructura química.

La vitamina B12 és, al capdavall, l’única vitamina que conté un element mineral essencial. Com a cofactor enzimàtic, la cobalamina és necessària en el metabolisme general, en la formació normal de la sang i en la funció nerviosa. Les fonts alimentàries més habituals són fetge, ronyons, carn, peix, productes làctics, etc. Així doncs, hom ha citat sovint la cobalamina com una de les raons fonamentals de la insuficiències de dietes que prescindeixin completament de productes d’origen animal. Per això mateix, s’han fet esforços per a la producció de cianocobalamina d’origen bacterià (Streptomyces griseus) o d’origen algal, destinada a fornir suplements per a aquestes dietes.

Tot i amb tot, la diferència en vitamina B12 no es deu habitualment a una insuficiència directa en la dieta, sinó a problemes en el “factor intrínsec gàstric” (GIF), una glucoproteïna produïda per les cèl•lules parietals de l’estómac que acomplexa la cobalamina i en permet l’absorció. Tant si es deguda a problemes en el factor intrínsec com a deficiències en cobalamina, es manifesta en anèmia perniciosa i lesions nervioses (nerviosisme, neuritis, formigueig, etc. Com a tractament, s’empra la cianocobalamina.

La dosi-letal 50 del cobalt s’ha estimat en 150-500 mg/kg pes corporal. A banda de la toxicitat aguda, cal comptar també la toxicitat crònica, especialment en els llocs de treball on pot haver exposició a pols rica en cobalt. En el 1966, un brot de cardiomiopatia en el Canadà s’associà a l’ús de compostos de cobalt com a estabilitzadors de cervesa. Si bé no amb la freqüència del níquel i del crom, el cobalt és responsable de casos de dermatitis per contacte.

El cobalt en la indústria

La producció mundial anual de cobalt és de 110.000 tones. La major part del cobalt s’obté com a subproducte de la mineria del níquel i del coure, tal com és el cas dels dipòsits de coure de Katanga (que suposa vora el 40% de la producció mundial). De fet, el “procés hidrometal•lúrgic Sherritt”, aplicat a concentrats de sulfur de níquel i de cobalt, s’orienta prioritàriament a l’obtenció de níquel i de coure. Tant si és a partir d’aquesta font com a partir de minerals de cobalt (cobaltita, eritrita, glaucodot, escuterudita, etc.), després de l’extracció s’aplica al material (Co3O4, etc.) un procés de reducció (p.ex. reacció aluminotèrmica) per a aconseguir cobalt metàl•lic.

Evolució de la producció mundial de cobalt durant el segle XX. Des de fa dècades, la font majoritària de cobalt són les mines de coure del Congo

Quantitativament, les aplicacions més rellevants del cobalt es realitzen amb cobalt metàl•lic, al qual es fa entrar en la producció de “superaliatges”. Ja en el segle XIX, es fabricava estel•lita, un aliatge de cobalt-crom amb continguts variables de tungstè i de carboni. En magnets permanents hom empra aliatges de cobalt com ara l’Alnico (alumini, níquel, cobalt i ferro) o el samari-cobalt.

Superaliatges de cobalt es destinen a components que han de suportar condicions extremes de corrosió o de desgast (turbines, motors d’aviació, etc.). També entra en la composició d’aliatges destinats a implants ortopèdics (aliatges titani-cobalt; aliatges cobalt-crom-molibdè, com el “Vitallium”) i dentaris (especialment, quan es tracta d’evitar l’ús d’aliatges de níquel en pacients que en són al•lèrgics). El cobalt també és emprat en galvanoplàstia.

Magnets d’Alnico en una fotografia promocional del 1956. Desenvolupat durant la Segona Guerra Mundial, aquest aliatge d’alumini, níquel i cobalt, s’emprà en la confecció de magnets permanents, que trobaven aplicacions en motors, altaveus i molts altres instruments elèctrics.

Entre els compostos de cobalt amb aplicacions industrials podem esmentar:
– l’ús d’òxid de cobalt en bateries d’ió liti, en les quals capes d’òxid de cobalt (CoO2) s’intercalen amb capes de liti en la confecció dels càtodes que, en produir-se la descàrrega, donaran lloc a ions liti. El cobalt metàl•lic, no obstant, també el trobem en bateries de níquel-cadmi i de hidrur metàl•lic de níquel.
– carboxilats de cobalt (“sabons de cobalt”) són emprats com a catalitzadors i agents dessecants en pintures, vernissos, tintes. D’altres compostos de cobalt participen en reaccions de síntesi (com l’acetat de cobalt en la producció d’àcid tereftàlic), d’hidroformilació d’alquens (com l’octacarbonil de cobalt) o d’hidrodesulfuració de petroli (amb catalitzadors derivats de cobalt i molibdè).

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: