Сульфат кобальта(II)

Сульфат кобальта(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.

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 C o S O 4 ⋅ 7 H 2 O {displaystyle {mathsf {CoSO_{4}cdot 7H_{2}O}}} — 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 C o S O 4 ⋅ 6 H 2 O {displaystyle {mathsf {CoSO_{4}cdot 6H_{2}O}}} — оранжево-красные кристаллы с моноклинной сингонией.
Моногидрат C o S O 4 ⋅ H 2 O {displaystyle {mathsf {CoSO_{4}cdot H_{2}O}}} — 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:

C o S O 4 ⋅ 7 H 2 O → − 1 H 2 O 41 − 43 ∘ C C o S O 4 ⋅ 6 H 2 O → − 5 H 2 O 71 ∘ C C o S O 4 ⋅ H 2 O → − 1 H 2 O 250 − 420 ∘ C C o S O 4 {displaystyle {mathsf {CoSO_{4}cdot 7H_{2}O {xrightarrow[{-1 H_{2}O}]{41-43 ^{circ }C}} CoSO_{4}cdot 6H_{2}O{xrightarrow[{-5 H_{2}O}]{71 ^{circ }C}} CoSO_{4}cdot H_{2}O {xrightarrow[{-1 H_{2}O}]{250-420 ^{circ }C}} CoSO_{4}}}}

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

3 C o S O 4 → 600 − 700 ∘ C ( C o I I C o 2 I I I ) O 4 + 3 S O 2 + O 2 {displaystyle {mathsf {3CoSO_{4} {xrightarrow {600-700 ^{circ }C}} (Co^{II}Co_{2}^{III})O_{4} + 3SO_{2} + O_{2}}}}

Гидролиз

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

C o S O 4 + 6 H 2 O ⟶ [ C o ( H 2 O ) 6 ] 2 + + S O 4 2 − {displaystyle {mathsf {CoSO_{4} +6H_{2}O longrightarrow [Co(H_{2}O)_{6}]^{2+} + SO_{4}^{2-}}}}

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

[ C o ( H 2 O ) 6 ] 2 + + H 2 O ⇄ [ C o ( H 2 O ) 5 ( O H ) ] + + H 3 O + , p K a = 8 , 90 {displaystyle {mathsf {[Co(H_{2}O)_{6}]^{2+} + H_{2}O ightleftarrows [Co(H_{2}O)_{5}(OH)]^{+} + H_{3}O^{+}}}, pK_{a} = 8,90}

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): C o S O 4 + 2 N a O H ⟶ N a 2 S O 4 + C o ( O H ) 2 ↓ {displaystyle {mathsf {CoSO_{4} + 2NaOH longrightarrow Na_{2}SO_{4} + Co(OH)_{2}downarrow }}} с разбавленной щёлочью образуются осадки основных сульфатов кобальта(II) различного состава, в частности: C o 4 S O 4 ( O H ) 6 ⋅ 4 H 2 O {displaystyle {mathsf {Co_{4}SO_{4}(OH)_{6}cdot 4H_{2}O}}} голубого цвета; C o 2 S O 4 ( O H ) 2 ⋅ 2 H 2 O {displaystyle {mathsf {Co_{2}SO_{4}(OH)_{2}cdot 2H_{2}O}}} синего цвета; C o 5 ( S O 4 ) 2 ( O H ) 6 ⋅ 5 H 2 O {displaystyle {mathsf {Co_{5}(SO_{4})_{2}(OH)_{6}cdot 5H_{2}O}}} фиолетового цвета.

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

C o S O 4 + M 2 S O 4 + 6 H 2 O ⟶ M 2 C o ( S O 4 ) 2 ⋅ 6 H 2 O ↓ , ( M = K , R b , C s , N H 4 ) {displaystyle {mathsf {CoSO_{4} + M_{2}SO_{4} + 6H_{2}Olongrightarrow M_{2}Co(SO_{4})_{2}cdot 6H_{2}Odownarrow , (M = K, Rb, Cs, NH_{4})}}}

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

3 C o S O 4 + 2 N a 3 E O 4 + 8 H 2 O ⟶ C o 3 ( E O 4 ) 2 ⋅ 8 H 2 O ↓ + 3 N a 2 S O 4 , ( E = P , A s ) {displaystyle {mathsf {3CoSO_{4} + 2Na_{3}EO_{4} + 8H_{2}O longrightarrow Co_{3}(EO_{4})_{2}cdot 8H_{2}Odownarrow + 3Na_{2}SO_{4} , (E = P, As)}}}

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 2 C o S O 4 + 2 N H 4 H S ⟶ 2 C o S ↓ + ( N H 4 ) 2 S O 4 + H 2 S O 4 {displaystyle {mathsf {2CoSO_{4} + 2NH_{4}HS longrightarrow 2CoSdownarrow + (NH_{4})_{2}SO_{4} + H_{2}SO_{4}}}} образует осадок сульфата бария при взаимодействии с нитратом бария C o S O 4 + B a ( N O 3 ) 2 ⟶ C o ( N O 3 ) 2 + B a S O 4 ↓ {displaystyle {mathsf {CoSO_{4} + Ba(NO_{3})_{2} longrightarrow Co(NO_{3})_{2} + BaSO_{4}downarrow }}}

Образование комплексных соединений

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

C o S O 4 + 6 ( N H 3 ⋅ H 2 O ) ⟶ [ C o ( N H 3 ) 6 ] S O 4 ↓ + 6 H 2 O {displaystyle {mathsf {CoSO_{4} + 6(NH_{3}cdot H_{2}O) longrightarrow [Co(NH_{3})_{6}]SO_{4}downarrow + 6H_{2}O}}}

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

C o S O 4 + S O 4 2 − ⇄ [ C o ( S O 4 ) 2 ] 2 − {displaystyle {mathsf {CoSO_{4} + SO_{4}^{2-} ightleftarrows [Co(SO_{4})_{2}]^{2-}}}}

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):

2 C o S O 4 + O 3 + H 2 S O 4 ⟶ C o 2 ( S O 4 ) 3 + O 2 ↑ + H 2 O {displaystyle {mathsf {2CoSO_{4} + O_{3} + H_{2}SO_{4} longrightarrow Co_{2}(SO_{4})_{3} + O_{2}uparrow + H_{2}O}}}

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

2 C o S O 4 + H 2 S O 4 + 18 H 2 O + F 2 ⟶ C o 2 ( S O 4 ) 3 ⋅ 18 H 2 O ↓ + 2 H F {displaystyle {mathsf {2CoSO_{4} + H_{2}SO_{4} + 18H_{2}O + F_{2} longrightarrow Co_{2}(SO_{4})_{3}cdot 18H_{2}Odownarrow + 2HF}}}

Электролиз

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

C o 2 + + 2 e − ⟶ C o ↓ {displaystyle {mathsf {Co^{2+} + 2e^{-} longrightarrow Codownarrow }}} 2 H 2 O − 4 e − ⟶ O 2 ↑ + 4 H + {displaystyle {mathsf {2H_{2}O - 4e^{-} longrightarrow O_{2}uparrow + 4H^{+}}}}

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.

C o O + H 2 S O 4 ⟶ C o S O 4 + H 2 O {displaystyle {mathsf {CoO + H_{2}SO_{4} longrightarrow CoSO_{4} + H_{2}O}}} C o ( O H ) 2 + H 2 S O 4 ⟶ C o S O 4 + 2 H 2 O {displaystyle {mathsf {Co(OH)_{2} + H_{2}SO_{4} longrightarrow CoSO_{4} + 2H_{2}O}}} CoCO3 + H2SO4 → H2O + CO2 + CoSO4

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

C o S + 8 H N O 3 ⟶ C o S O 4 + 8 N O 2 ↑ + 4 H 2 O {displaystyle {mathsf {CoS + 8HNO_{3} longrightarrow CoSO_{4} + 8NO_{2}uparrow + 4H_{2}O}}}

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

C o ( S 2 ) + 6 H 2 S O 4 ⟶ C o S O 4 + 7 S O 2 ↑ + 6 H 2 O {displaystyle {mathsf {Co(S_{2}) + 6H_{2}SO_{4} longrightarrow CoSO_{4} + 7SO_{2}uparrow + 6H_{2}O}}} C o ( S 2 ) + 14 H N O 3 ⟶ C o S O 4 + 14 N O 2 ↑ + 6 H 2 O + H 2 S O 4 {displaystyle {mathsf {Co(S_{2}) + 14HNO_{3} longrightarrow CoSO_{4} + 14NO_{2}uparrow + 6H_{2}O + H_{2}SO_{4}}}}

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).