Cobalt ii là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và trạng thái oxy hóa

Cobalt(II) (ký hiệu Co²⁺) là ion cobalt mang điện tích +2, xuất hiện khi nguyên tố cobalt mất hai electron ở vỏ ngoài. Trong tự nhiên và ứng dụng công nghiệp, Co²⁺ thường tồn tại dưới dạng muối tan trong nước hoặc kết tủa khi phản ứng với các anion thích hợp. Độ bền của trạng thái oxy hóa +2 cao hơn so với +3 trong hầu hết điều kiện dung dịch vì năng lượng ion hóa thứ ba lớn hơn đáng kể so với hai lần đầu.

Ion Co²⁺ có vai trò quan trọng trong hóa sinh và công nghiệp, từ cấu trúc vitamin B₁₂ trong cơ thể động vật đến thành phần của pin nickel–cadmium và nhiều hợp chất quang–điện. Việc phân biệt Co²⁺ với Co³⁺ dựa trên các phương pháp phân tích quang phổ, điện hóa và sắc ký, vì chúng có các đặc trưng màu sắc và tính khử-oxi khác nhau.

• Co²⁺: ổn định trong dung dịch, tạo phức dễ dàng với ligand.
• Co³⁺: mạnh về tính oxi hóa, dễ bị khử về Co²⁺.
• Ứng dụng Co²⁺: pin, xúc tác, sắc tố.

Cấu hình electron và cấu trúc tinh thể

Cấu hình nguyên tử của cobalt là $[Ar]\,3d^{7}4s^{2}$. Khi ion hóa thành Co²⁺, hai electron từ orbital 4s bị loại bỏ trước, cho cấu hình $[Ar]\,3d^{7}$. Sự phân bố bảy electron trong 5 orbital 3d tạo nên ba electron không ghép đôi, mang lại tính paramagnetic rõ rệt.

Trong tinh thể CoO (cobalt(II) oxide), Co²⁺ chiếm vị trí octahedral trong mạng tinh thể kiểu NaCl. Khoảng cách Co–O ≈ 2,13 Å và góc liên kết O–Co–O là 90°, cho phép tương tác mạnh giữa các ion và ligand. Hiệu ứng tinh thể ligand (ligand field) phân tách mức năng lượng 3d thành nhóm t_2g thấp hơn và e_g cao hơn, ảnh hưởng đến quang sắc và từ tính.

Đặc tính	Giá trị
Cấu hình Co2+	[Ar] 3d7
Loại tinh thể (CoO)	NaCl-type, octahedral
Khoảng cách Co–O	~2,13 Å
Số electron không ghép đôi	3

Tính chất vật lý

Muối cobalt(II) trong trạng thái khan thường không màu hoặc trắng nhạt, nhưng khi kết hợp với phân tử nước tạo phức như CoCl₂·6H₂O sẽ mang màu hồng đậm. Co(OH)₂ kết tủa có màu xanh nhạt, còn complex [Co(NH₃)₆]²⁺ lại cho dung dịch màu lam. Sự thay đổi màu sắc này phản ánh mức tách 3d của ion Co²⁺ trong các môi trường ligand khác nhau.

Ion Co²⁺ có khối lượng mol ≈ 58,93 g/mol, độ dẫn điện trong dung dịch mạnh, làm tăng độ dẫn suất khi nồng độ ion cao. Khối lượng riêng của CoO là ~6,44 g/cm³. Tính paramagnetic thể hiện qua độ hút từ χ_m ≈ 3,9 ×10⁻⁴ emu/mol, do các electron không ghép đôi trong d orbitals.

• Khối lượng mol Co²⁺: 58,93 g/mol.
• Độ hút từ paramagnetic: χ_m ≈ 3,9·10⁻⁴ emu/mol.
• Màu sắc: hồng (Cl₂·6H₂O), xanh lục (CoCO₃), lam ([Co(NH₃)₆]²⁺).

Tính chất hóa học và phản ứng đặc trưng

Co²⁺ là ion dễ dàng phản ứng trong dung dịch: khi cho base mạnh (NaOH, KOH) vào dung dịch chứa Co²⁺, xuất hiện kết tủa Co(OH)₂ màu xanh nhạt:

$Co^{2+} + 2\,OH^{-} \to Co(OH)_{2}\downarrow$

Trong môi trường oxy hóa, Co²⁺ có thể bị oxi hóa thành Co³⁺ nhờ các tác nhân như H₂O₂ hoặc hypochlorite, tạo ra các hợp chất như Co₂O₃ và CoOOH. Ngược lại, Co³⁺ bị khử mạnh về Co²⁺ khi phản ứng với reductant như SO₂ hoặc hydrazine.

• Kết tủa hydroxide: Co(OH)₂ màu xanh nhạt.
• Oxidation: Co²⁺ → Co³⁺ với H₂O₂.
• Reduction: Co³⁺ → Co²⁺ với hydrazine.

Phương pháp điều chế và tinh chế

Ion Co²⁺ thường được điều chế từ muối cobalt(II) như CoCl₂ hoặc CoSO₄ thông qua các bước hòa tan, kết tủa, lọc và tái hòa tan. Quá trình bắt đầu bằng việc hòa tan cobalt oxide hoặc hydroxide trong acid mạnh (HCl, H₂SO₄) để thu dung dịch Co²⁺.

Kế tiếp, Co(OH)₂ được tạo kết tủa bằng cách thêm từ từ dung dịch NaOH hoặc NH₄OH, sau đó rửa sạch và hòa tan lại trong acid loãng để loại bỏ tạp chất muối kim loại khác. Phương pháp trao đổi ion trên cột resin chelating giúp tách Co²⁺ khỏi các ion lanthanoid hay kim loại nặng.

Bước	Phương pháp	Mục đích
Hòa tan	HCl/H2SO4	Chuyển CoO/Co(OH)2 thành Co2+
Kết tủa	NaOH/NH4OH	Loại bỏ tạp chất vô cơ
Trao đổi ion	Resin chelating	Tách ion kim loại khác

Để đạt độ tinh khiết cao (≥99,9 %), có thể kết hợp tinh chế sắc ký ion và khử bằng hydrazine trong môi trường kiềm, sau đó loại bỏ dư hydrazine qua khử áp chân không. Dung dịch cuối cùng được kiểm định bằng ICP-MS hoặc AAS để xác định nồng độ và độ tinh khiết.

Hóa học phối trí và hợp chất phức

Co²⁺ có khả năng hình thành phức chất đa dạng với ligand chứa nguyên tố N, O, S và halogen. Điển hình là phức [Co(NH₃)₆]²⁺ (octahedral) và [CoCl₄]^2– (tetrahedral). Sự phân tách mức năng lượng d-orbital theo lý thuyết tinh thể ligand (CFSE) xác định hình dạng và tính chất quang–vật lý của phức chất.

Khả năng chuyển đổi spin cao/thấp (spin crossover) trong một số phức Co²⁺ cho phép điều hòa tính từ và quang học bằng nhiệt độ hoặc áp suất. Ví dụ, [Co(phen)₃]²⁺ (phen = 1,10-phenanthroline) thể hiện hiện tượng spin crossover quanh 180 K.

• Phức octahedral: ổn định, paramagnetic mạnh.
• Phức tetrahedral: thường cho dung dịch màu lam sâu.
• Ứng dụng: cảm biến nhiệt độ (thermochromic), chuyển đổi quang–điện.

Nghiên cứu các phức có ligand đa dentate như EDTA, porphyrin mở ra tiềm năng trong xúc tác hóa học, tổng hợp thuốc kháng sinh và phân tích sinh học nhờ khả năng chọn lọc kết hợp ion kim loại.

Vai trò sinh học và tác động môi trường

Co²⁺ là thành phần trung tâm trong vitamin B₁₂ (cobalamin), đóng vai trò quan trọng trong chuyển hóa axit amin và tổng hợp DNA ở vi khuẩn và động vật có xương sống (PubChem – Cobalamin). Thiếu cobalt dẫn đến thiếu máu megaloblast và rối loạn thần kinh.

Trong môi trường, nồng độ Co²⁺ trong nước và đất ảnh hưởng đến sinh trưởng thực vật và vi sinh vật. Quá tải cobalt có thể gây độc tế bào, cơ chế qua việc sinh ROS (reactive oxygen species) và gắn kết không đặc hiệu lên protein, làm tổn thương màng tế bào.

• Liều sinh học tối ưu: dưới 0,05 mg/kg trong rau quả.
• Liều gây độc cấp: ≥1 mg/L trong nước uống.
• Quy định an toàn: EU REACH, WHO Guideline for Drinking-water Quality.

Để giảm tác động môi trường, công nghệ xử lý nước thải chứa Co²⁺ bao gồm keo tụ, kết tủa hydroxide và hấp phụ trên bề mặt vật liệu nano oxide (Fe₃O₄, TiO₂).

Ứng dụng công nghiệp và công nghệ

Co²⁺ là thành phần chính trong cực dương của pin Ni–Cd và Ni–MH với công thức tổng quát NiOOH/CoOOH—Co²⁺ tác động lên cấu trúc điện hóa, nâng cao điện dung và tuổi thọ pin (NIST Battery Data).

Trong công nghệ xúc tác, Co²⁺ sulfid và oxit được sử dụng cho phản ứng hydro hóa, phản ứng Fischer–Tropsch và khử NO_x trong khí xả. Hợp chất cobalt còn là sắc tố ceramic và men sứ, tạo màu xanh cobalt đặc trưng cho gốm sứ truyền thống và thủy tinh cao cấp.

• Pin và ắc quy: tăng tuổi thọ chu kỳ sạc–xả.
• Xúc tác: hydrogenation, Fischer–Tropsch.
• Sắc tố: CoAl₂O₄ (blue cobalt).

Công nghệ mới nghiên cứu composite Co²⁺/graphene và Co–P nanowire cho điện hóa nước (water splitting) nhằm sản xuất hydrogen sạch với hiệu suất cao.

Phương pháp phân tích và đo lường

ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) và AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) là hai phương pháp chủ đạo để định lượng Co²⁺ với độ nhạy ppb và độ chính xác cao. Mẫu phải được chuẩn bị qua tiền xử lý (tiêu chuẩn EPA 3050B) để loại bỏ ma trận hữu cơ.

Phổ UV–Vis của Co²⁺ trong dung môi nước cho đỉnh hấp thụ ~510 nm (d–d transition), cho phép định tính nhanh bằng quang phổ kế. Voltammetry (cyclic voltammetry, differential pulse voltammetry) đo điện thế oxy hóa khử Co²⁺/Co³⁺ quanh +1,0 V (vs. Ag/AgCl) giúp đánh giá tính khử–oxi.

Phương pháp	Ưu điểm	Hạn chế
ICP-MS	Độ nhạy cao (ng/L), đa nguyên tố	Chi phí thiết bị cao, yêu cầu phòng sạch
AAS	Đơn giản, nhanh chóng	Giới hạn phát hiện µg/L
UV–Vis	Nhanh, chi phí thấp	Độ chọn lọc thấp, cần tái chuẩn
Voltammetry	Phân tích điện hóa chi tiết	Phức tạp, cần điện cực đặc biệt

Tài liệu tham khảo

• PubChem – Cobalt
• NIST – Physical Measurement Laboratory
• ECHA – European Chemicals Agency
• Journal of Molecular Biology – Cobalt Coordination Chemistry
• Electrochimica Acta – Voltammetric Analysis of Co²⁺