Kobalt – Unscheinbare Essenz des Lebens

Abbildung 1. Kobaltmetall, (Bildquelle: Heinrich Pniok, Lizenz: FAL (http://artlibre.org/licence/lal/de/), Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kobalt_electrolytic_and_1cm3_cube.jpg)

Kobalt ist nicht wie Blei oder Gold schon seit Urzeiten bekannt, dennoch hat es eine tragende Rolle im menschlichen Organismus. Es gibt zahlreiche Anwendungen, aus denen Kobalt nicht mehr wegzudenken ist. Wir hoffen, einen kleinen Einblick in die Stärken dieses Elements geben zu können und warum wir nicht darauf verzichten können, selbst wenn wir wollten.

 

Ursprung, Vorkommen und Gewinnung

Der Name entspringt der Tatsache, dass Kobalt schon vor seiner Entdeckung häufig als Erz gefunden wurde, aber für Silbererz gehalten wurde. Erst bei dem Versuch, das Erz zu verarbeiten, fiel auf, dass es sich nicht um das wertvolle Silber handelte. Beim Erhitzen wurde aufgrund von Arsen ein absonderlicher Gestank freigesetzt. Aus Spott wurde das Metall als Ausscheidung von Kobolden bezeichnet und daraus resultiert auch sein Name, abgeleitet vom lateinischen Namen des Kobolds (cobaltum). Trotz des häufigen Vorkommens dieses unerwünschten Metalls gab es keine direkten Bemühungen, es als Element zu identifizieren. Die Entdeckung durch Georg Brandt im Jahre 1735 erfolgte, weil er den Grund für die Farbe in blauem Glas ergründen wollte.

Bei Raumtemperatur liegt es in einer hexagonal-dichtesten Packung als α-Kobalt vor, oberhalb von 423°C wandelt es sich in β-Kobalt mit einer kubisch-dichtesten Packung um. Von den unzähligen bekannten Kobalterzen werden hauptsächlich die Arsenide und Sulfide wie Smaltit CoAs2, Cobaltit CoAsS, und Linneit Co3S4 zur kommerziellen Gewinnung des reinen Elements genutzt. Diese liegen oft vergesellschaftet mit Nickel und Kupfer-Erzen, seltener auch mit Blei vor. Abhängig von der Vergesellschaftung ist die Gewinnung des Kobalts leicht unterschiedlich, basiert jedoch in jedem Fall auf einem Röstvorgang der Erze, wobei im Falle arsenhaltiger Erze auch Arsenoxid gewonnen wird. Das geröstete Kobalterz wird anschließend mit Schwefelsäure ausgelaugt und durch Behandlung mit Natriumhypochlorit als Hydroxid ausgefällt. Dieses wird thermisch in das Oxid überführt und mit Kohle zum Metall reduziert.

                                                                      

Historisches über Kobalt

Als blaues Pigment auf ägyptischen Töpferwaren oder persischen Glasperlen wurden Kobalt- Verbindungen seit 2600 v. Chr. vom Menschen genutzt. Die wohl bekannteste Verbindung dieser Farbstoffe ist das Kobaltblau, auch bekannt als Thénards Blau. Hierbei handelt es sich um den Kobalt-Aluminium-Spinell CoAl2O4, der Namensgeber für den Strukturtyp der Spinelle ist. An dieser einfachen Verbindung lässt sich schon sehr viel über den Aufbau einfacher Mischoxide im Festkörper lernen. Diese ist deswegen wahrscheinlich schon jedem Chemiker früh im Laufe des Studiums begegnet. Kobaltblau wird auch heute noch zur Herstellung von blauem Glas verwendet.
Die Koordinationschemie des Kobalts spielte von Anfang an eine wesentliche Rolle in der Entwicklung des Verständnisses von Koordinationsverbindungen. Bereits 1798 untersuchte der französische Chemiker B. M. Tassaert das Verhalten einer ammoniakalischen Kobaltdichlorid-Lösung und beobachtete eine Braunfärbung. Dass er hierbei die erste Komplexverbindung mit der Zusammensetzung [Co(NH3)6]Cl3 synthetisiert hatte, erkannte er noch nicht. Jedoch stieß er hierdurch eine Diskussion über die Bindungssituation in diesen neuartigen Verbindungen an. Die Zusammensetzung dieser Verbindung wurde als CoCl3∙6 NH3 identifiziert. Wie das Ammoniak mit dem Kobalt wechselwirkt, war ungewiss. Unter starken Protesten wurde, unter anderem durch Beobachtungen an verschiedenen Ammoniak-Komplexen des Kobalts, von Alfred Werner 1893 eine Theorie zur Beschreibung von Komplexen aufgestellt, bei der sämtliches Ammoniak direkt an das Zentralatom gebunden ist [1]. Diese Theorie widersprach der vorherrschenden Kettentheorie von Jørgensen. 1911 gelang schließlich mit der Synthese eines enantiomerenreinen Kobaltkomplexes {Co[(OH)2Co(NH3)4]3}Br6 der endgültige Beweis für die Richtigkeit seiner Theorie [2].

Verwendung und biologische Aspekte

Als Spurenelement ist Kobalt für den Körper lebensnotwendig. Als Metallzentrum der Cobalamine ist es das aktive Zentrum des Vitamins B12. Dieses spielt sowohl bei der Zellteilung als auch bei der Blutbildung eine wichtige Rolle und trägt zur Funktion des Nervensystems bei. Aufgenommen wird es im Wesentlichen über Fleisch. Hierbei ist Kalbsleber mit etwa 60 μg/100 g Vitamin B12 Spitzenreiter, aber auch über Fisch und Milchprodukte kann der Bedarf gedeckt werden. Im Körper selbst ist ca. 1 mg Kobalt enthalten. Bei alten Menschen kommt es häufiger zu Mangelerscheinungen, die dazu führen, dass die Blutbildung gehemmt wird und es in schweren Fällen sogar zu Nervenschäden oder Demenz kommen kann.
Das künstlich erzeugte Isotop 60Co, welches durch Neutronenaktivierung aus 59Co gewonnen wird, ist ein vielseitig verwendbarer Gammastrahler mit einer Halbwertszeit von 5,27 Jahren. Es wird in der Strahlentherapie von Krebstumoren, zur Sterilisierung von Lebensmitteln oder auch zur Röntgenuntersuchung von Materialien verwendet.

Im Alltagsgebrauch kommt Kobalt in Stahl in Legierung zum Einsatz und trägt in Kombination mit anderen Elementen zur Stahlveredelung, z.B. im Schnellarbeitsstahl, bei. Weit geläufiger ist die Legierung Alnico mit einem Gehalt von 5-24% Kobalt. Diese ist in vielen Haushalten in Form von Permanentmagneten zu finden. Diese Legierung besitzt zwar eine hohe Remanenzflussdichte und kann bei Temperaturen bis zu 450°C verwendet werden, aber in modernen Anwendungen wird sie vermehrt durch leistungsstärkere Seltenerdmagnetwerkstoffe ersetzt.
Im industriellen Bereich lässt sich Kobalt ferner als Katalysator im Fischer-Tropsch-Verfahren zur Bildung langkettiger Kohlenwasserstoffe aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff vorfinden.

Abbildung 2. Struktur des Methylcobalamins, besser bekannt als Vitamin B12 (Bildquelle: www.watcut.uwaterloo.ca), AMP = Adenosin-monophosphat

Aktuelle Forschung mit Kobalt

In der Entwicklung von Kobalt-basierten Magneten gab es durch Legierungen mit Seltenerdmetallen neue Resultate. So wurde Samarium-Kobalt SmCo5 entdeckt, welches neben dem aktuell häufig gebrauchten Neodym-Eisen-Bor als korrosions- und temperaturbeständige (bis ca. 350°C) alternative Verwendung findet. Im Zuge der Miniaturisierung von Magneten wurde das Phänomen der Einzelmolekülmagnete entdeckt. Diese Moleküle verhalten sich bei tiefen Temperaturen wie Magnete und speichern die Magnetisierung selbst nach Entfernen eines externen Magnetfeldes. Für diese Art der Anwendung ist Kobalt ein geeignetes Metall, da es in der Oxidationsstufe +2 eine hohe magnetische Anisotropie aufweist [3]. Bei Einzelmolekülmagneten handelt es sich in der Regel um polynukleare Komplexe, wobei auch mononukleare Kobalt-Komplexe aufgrund der hohen Anisotropie als Einzelmolekülmagnete fungieren können.

Mit verbrückenden Liganden sind kobalthaltige, heterometallische Komplexe synthetisierbar, die interessante Eigenschaften und Strukturmotive zeigen. Ein Beispiel ist der in unserer Arbeitsgruppe synthetisierte pentanukleare Komplex [Co4Ln] (Ln = La, Sm, Gd) mit verbrückenden Tris(2-oximpropyl)- amin-Liganden (Abb. 3) [4]. Durch die Variation des Lanthanoids ergeben sich verschiedene Einsatzgebiete mit Gd etwa als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie, da diese [Co4Ln]-Komplexe keine signifikante Zytotoxizität aufweisen.

Kobalt ist als Katalysator in vielen Reaktionsvorschriften zu finden. Dazu zählen Reaktionen wie Hydrierungen, Dehydrierungen oder Hydroformylierungen. Als aktives Zentrum im „künstlichen Blatt“ steht es im Gespräch als Alternative zu dem im Photosystem II (PS II) vorgefundenen Mangan-haltigen „oxygen evolving complex“ (OEC) zur Spaltung von Wasser in seine Bestandteile Sauerstoff und Wasserstoff [5]. Der hieraus gewonnene Wasserstoff kann zur Energiekonversion in Brennstoffzellen verwendet werden und liefert aus dem schier unermesslichen Vorrat an Wasser auf der Erde eine riesige Energiequelle. In diesem „künstlichen Blatt“ liegt der Co-OEC in einer strukturell ähnlichen Anordnung wie im OEC des PS II als CoO-Cuban vor. Eine Umsetzung funktioniert bei neutralem pH-Wert und ist allgemein robust gegen stark wechselnde Reaktionsumgebungen.

Abbildung 3. [Co4Ln]-Komplex mit Ln = La, Sm, Gd[4]

Literatur

[1]          A. Werner, Z. Anorg. Chem., 1893, 3, 267-330.

[2]          A. Werner, Ber. Dtsch. Chem. Ges., 1911, 44, 1887-1898.

[3]          D. Premužić, S. Muche, M. Hołyńska, New J. Chem., 2014, 38, 2894-2901.

[4]          M. Murrie, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 1986-1995.

[5]          D. G. Nocera, Acc. Chem. Res., 2012, 45, 767-776.