Сульфат кобальта(II)

Сульфат кобальта(II)
Сульфат кобальта(II)
Систематическое название	Сульфат кобальта(II)
Другие названия	Кобальтовый купорос, красный купорос
Химическая формула	CoSO4
Внешний вид	Кристаллическое вещество от розового (безводный) до красного (гептагидрат) цвета
Свойства
Молярная масса	безводный: 155,00 г/моль моногидрат: 173,01 г/моль гексагидрат: 263,09 г/моль гептагидрат: 281,10 г/моль
Температура разложения	600—700 °C
Фазовые переходы	440 °C (ромб. → монокл.)
Плотность	безводный: 3,71 г/см3 моногидрат: 3,075 г/см3 гексагидрат: 2,029 г/см3 гептагидрат: 1,948 г/см³
Растворимость в воде	36,3 г/100 мл
Токсикологические данные
LD50	582 мг/кг (гептагидрат)
Структура
Кристаллическая решётка	ромбическая (безводный) моноклинная (гидраты)
Термодинамические свойства
Стандартная энтальпия образования	безводный: −889 кДж/моль гептагидрат: −2980 кДж/моль
Энтальпия растворения	безводный: −77 кДж/моль гептагидрат: +2014 кДж/моль
Стандартная молярная энтропия	безводный: +118 Дж/(К·моль) гептагидрат: +406 Дж/(К·моль)
Стандартная энергия образования Гиббса	безводный: −784 кДж/моль гептагидрат: −2473 кДж/моль
Классификация
Регистрационный номер CAS	безводный: 10124-43-3 моногидрат: 13455-64-0 гептагидрат: 10026-24-1
Регистрационный номер EC	233-334-2
PubChem	24965
Безопасность
R-фразы	R49; R22; R42/43; R50/53
S-фразы	S22; S53; S45; S60; S61
H-фразы	H302; H317; H334; H410; H350i
P-фразы	P201; P261; P273; P280; P308 + P313; P501
Пиктограммы опасности
Пиктограммы опасности СГС
NFPA 704	0 2 0
Где это не указано, данные приведены при стандартных условиях (25 °C, 100 кПа).

Сульфат кобальта гептагидрат

Сульфа́т ко́бальта(II) — неорганическое вещество с формулой CoSO₄, является солью двухвалентного кобальта и серной кислоты. Безводный сульфат кобальта(II) представляет собой кристаллическое вещество розового цвета. Гептагидрат сульфата кобальта(II) CoSO₄·7H₂O имеет вид красных кристаллов и известен под названием «кобальтовый (красный) купорос». Встречается в природе в виде ряда минералов, применяется в качестве пигмента и при покрытии других металлов кобальтом.

Нахождение в природе

Сульфат кобальта(II) встречается в природе в виде минералов аплоуита, мурхаусита и биберита. Основные свойства этих минералов представлены в таблице.

	Аплоуит	Мурхаусит	Биберит
Состав	Co0.6Mn2+0.3Ni0.1SO4·4H2O	Co0.6Ni0.3Mn2+0.1SO4·6H2O	CoSO4·7H2O
Цвет	розовый	розовый	розово-красный
Сингония	моноклинная	моноклинная	моноклинная
Плотность, г/см³	2,33	1,97	1,9
Твердость по Моосу	3	2,5	2

Физические свойства

Безводный сульфат кобальта(II) — кристаллическое вещество розового цвета. Очень гигроскопичен. Хорошо (но медленно) растворяется в воде (36,3 г/100 г H₂O при 20 °C и 49,3 г/100 г H₂O при 80 °C). Плохо растворяется в этаноле (0,17 г/л при 25 °C), концентрированной серной кислоте, несколько лучше — в метаноле (4,2 г/л при 25 °C) и глицерине.

Безводный сульфат кобальта(II) существует в двух кристаллических модификациях:

• α-CoSO₄ розового цвета, имеет ромбическую сингонию кристаллической решётки (пространственная группа Pnma, a = 0,671 нм, b = 0,845 нм, с = 0,465 нм, Z = 4).
• β-CoSO₄ сиреневого цвета, имеет моноклинную сингонию кристаллической решётки.

Температура фазового перехода α→β 440 °C. Стандартная энтальпия фазового перехода α→β 6,7 кДж/моль. Моноклинная модификация является устойчивой при высоких давлениях.

При температуре 600—700 °C сульфат кобальта(II) разлагается (см. раздел Химические свойства).

Кристаллогидраты

При осаждении из растворов и при поглощении влаги сульфат кобальта(II) образует ряд кристаллогидратов.

• Гептагидрат [math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4 \cdot 7H_2O} }[/math] — красные кристаллы с моноклинной сингонией (пространственная группа P2₁, а = 1,545 нм, b = 1,308 нм, с = 2,004 нм, β = 104,67°, Z = 16). Известны также две метастабильные модификации гептагидрата — с ромбической и моноклинной сингониями.
• Гексагидрат [math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4 \cdot 6H_2O} }[/math] — оранжево-красные кристаллы с моноклинной сингонией.
• Моногидрат [math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4 \cdot H_2O} }[/math] — розовые кристаллы с моноклинной сингонией.

Кроме того, известны метастабильные гидраты с 4 и 2 молекулами воды.

Химические свойства

Разложение

Кристаллогидраты сульфата кобальта(II) при нагревании разлагаются, теряя кристаллизационную воду:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4 \cdot 7H_2O\ \xrightarrow[-1\ H_2O]{41-43\ ^\circ C}\ CoSO_4 \cdot 6H_2O \xrightarrow[-5\ H_2O]{71\ ^\circ C}\ CoSO_4 \cdot H_2O\ \xrightarrow[-1\ H_2O]{250-420\ ^\circ C}\ CoSO_4} }[/math]

При дальнейшем нагревании безводный сульфат кобальта(II) разлагается до двойного оксида с выделением диоксида серы и кислорода:

[math]\displaystyle{ \mathsf{3CoSO_4\ \xrightarrow{600-700\ ^\circ C}\ (Co^{II}Co^{III}_2)O_4\ +\ 3SO_2\ +\ O_2} }[/math]

Гидролиз

При растворении в воде сульфат кобальта(II) диссоциирует, при этом происходит гидратация катиона:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4\ + 6H_2O\ \longrightarrow\ [Co(H_2O)_6]^{2+}\ +\ SO_4^{2-}} }[/math]

Катион гексааквакобальта(II) обратимо гидролизуется, давая кислую среду:

[math]\displaystyle{ \mathsf{[Co(H_2O)_6]^{2+}\ +\ H_2O\ \rightleftarrows\ [Co(H_2O)_5(OH)]^+\ +\ H_3O^+} ,\ pK_a\ =\ 8,90 }[/math]

Обменные реакции в растворе

• В водных растворах сульфат кобальта(II) вступает в реакции с щелочами:

с концентрированной (более 10 %) щёлочью образуется фиолетово-синий осадок гидроксида кобальта(II):

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4\ +\ 2NaOH\ \longrightarrow\ Na_2SO_4\ +\ Co(OH)_2 \downarrow} }[/math]

с разбавленной щёлочью образуются осадки осно́вных сульфатов кобальта(II) различного состава, в частности:

[math]\displaystyle{ \mathsf{Co_4SO_4(OH)_6 \cdot 4H_2O} }[/math] голубого цвета;

[math]\displaystyle{ \mathsf{Co_2SO_4(OH)_2 \cdot 2H_2O} }[/math] синего цвета;

[math]\displaystyle{ \mathsf{Co_5(SO_4)_2(OH)_6 \cdot 5H_2O} }[/math] фиолетового цвета.

• При взаимодействии концентрированного раствора сульфата кобальта(II) с насыщенными растворами сульфатов ряда щелочных металлов или аммония образуется осадок двойных солей (шёнитов):

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4\ +\ M_2SO_4\ +\ 6H_2O \longrightarrow\ M_2Co(SO_4)_2 \cdot 6H_2O \downarrow\ ,\ (M\ =\ K,\ Rb,\ Cs,\ NH_4)} }[/math]

• При взаимодействии раствора сульфата кобальта(II) с растворами ортофосфатов или арсенатов щелочных металлов выпадает осадок соответствующих солей кобальта(II):

[math]\displaystyle{ \mathsf{3CoSO_4\ +\ 2Na_3EO_4\ +\ 8H_2O\ \longrightarrow\ Co_3(EO_4)_2 \cdot 8H_2O \downarrow\ +\ 3Na_2SO_4\ ,\ (E\ =\ P,\ As)} }[/math]

• Кроме того, сульфат кобальта(II) вступает во все обменные реакции, характерные для растворимых солей кобальта(II) и растворимых сульфатов, например:

образует осадок сульфида кобальта(II) при взаимодействии с гидросульфидом аммония

[math]\displaystyle{ \mathsf{2CoSO_4\ +\ 2NH_4HS\ \longrightarrow\ 2CoS \downarrow\ +\ (NH_4)_2SO_4\ +\ H_2SO_4} }[/math]

образует осадок сульфата бария при взаимодействии с нитратом бария

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4\ +\ Ba(NO_3)_2\ \longrightarrow\ Co(NO_3)_2\ +\ BaSO_4 \downarrow} }[/math]

Образование комплексных соединений

• При взаимодействии сульфата кобальта(II) с концентрированным гидратом аммиака образуется жёлтый осадок сульфата гексаамминкобальта(II):

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4\ +\ 6(NH_3 \cdot H_2O)\ \longrightarrow\ [Co(NH_3)_6]SO_4 \downarrow\ +\ 6H_2O} }[/math]

• В сернокислых растворах сульфат кобальта(II) образует комплексные анионы, в частности анион дисульфатокобальтата(II):

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoSO_4\ +\ SO_4^{2-}\ \rightleftarrows\ [Co(SO_4)_2]^{2-}} }[/math]

Образование соединений кобальта(III)

Сульфат кобальта(II) окисляется до соединений кобальта(III) при действии сильных окислителей.

• При озонировании раствора сульфата кобальта(II) в серной кислоте образуется раствор сульфата кобальта(III):

[math]\displaystyle{ \mathsf{2CoSO_4\ +\ O_3\ +\ H_2SO_4\ \longrightarrow\ Co_2(SO_4)_3\ +\ O_2 \uparrow\ +\ H_2O} }[/math]

• При фторировании раствора сульфата кобальта(II) в 4N серной кислоте при 0 °C выпадает осадок 18-гидрата сульфата кобальта(III):

[math]\displaystyle{ \mathsf{2CoSO_4\ +\ H_2SO_4\ +\ 18H_2O\ +\ F_2\ \longrightarrow\ Co_2(SO_4)_3 \cdot 18H_2O \downarrow +\ 2HF} }[/math]

Электролиз

При электролизе водного раствора сульфата кобальта(II) на катоде выделяется металлический кобальт, на аноде выделяется кислород:

[math]\displaystyle{ \mathsf{Co^{2+}\ +\ 2e^-\ \longrightarrow\ Co \downarrow} }[/math]

[math]\displaystyle{ \mathsf{2H_2O\ -\ 4e^-\ \longrightarrow\ O_2 \uparrow\ +\ 4H^+} }[/math]

Данный процесс используется для гальванического покрытия других металлов кобальтом.

Получение

Сульфат кобальта(II) может быть получен следующими способами.

• взаимодействием оксида или гидроксида кобальта(II) с разбавленной серной кислотой: В концентрированной горячей серной кислоте растворение оксидов кобальта идет быстрее.

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoO\ +\ H_2SO_4\ \longrightarrow\ CoSO_4\ +\ H_2O} }[/math]

[math]\displaystyle{ \mathsf{Co(OH)_2\ +\ H_2SO_4\ \longrightarrow\ CoSO_4\ +\ 2H_2O} }[/math]

CoCO3 + H2SO4 → H2O + CO2 + CoSO4

• взаимодействием сульфида кобальта(II) с горячей концентрированной азотной кислотой:

[math]\displaystyle{ \mathsf{CoS\ +\ 8HNO_3\ \longrightarrow\ CoSO_4\ +\ 8NO_2 \uparrow\ +\ 4H_2O} }[/math]

• взаимодействием дисульфида(2−) кобальта(II) (минерал каттьеит) с кипящей концентрированной серной или азотной кислотой:

[math]\displaystyle{ \mathsf{Co(S_2)\ +\ 6H_2SO_4\ \longrightarrow\ CoSO_4\ +\ 7SO_2 \uparrow\ +\ 6H_2O} }[/math]

[math]\displaystyle{ \mathsf{Co(S_2)\ +\ 14HNO_3\ \longrightarrow\ CoSO_4\ +\ 14NO_2 \uparrow\ +\ 6H_2O\ +\ H_2SO_4} }[/math]

Применение

Сульфат кобальта(II) используется в качестве сырья для получения других соединений кобальта, как компонент электролитов при гальваническом покрытии других металлов кобальтом, в качестве пигмента для окрашивания стекла и керамики.

Токсичность

Сульфат кобальта(II) является умеренно-токсичным веществом: LD₅₀ для крыс перорально составляет 582 мг/кг (для гептагидрата).

При вдыхании может вызывать затруднение дыхания, астму; может вызывать рак. При контакте с кожей может вызывать аллергическую реакцию. При попадании внутрь организма может оказывать мутагенный эффект, влиять на репродуктивную функцию.

Основные симптомы отравления сульфатом кобальта(II) включают в себя диарею, потерю аппетита, падение температуры тела и артериального давления. Основные поражаемые органы — почки, сердце и поджелудочная железа.

Сульфат кобальта(II) способен вызывать долговременные неблагоприятные изменения в водной среде: LC₅₀ для дафний составляет 6 мг/л в течение 48 часов; IC₅₀ для Pseudokirchneriella subcapitata составляет 0,4 мг/л в течение 72 часов (данные приведены для безводного соединения).

См. также

Сульфат кобальта(III)