NIKKELI: HISTORIA, OMINAISUUDET, RAKENNE, KÄYTTÖ, RISKIT - KEMIA - 2025

Nikkeli on siirtymämetalli valkoinen kemiallinen merkki on Ni. Sen kovuus on suurempi kuin raudan, sen lisäksi, että se on hyvä lämmön- ja sähkönjohdin, ja yleensä sitä pidetään metallina, joka ei ole kovin reaktiivinen ja on erittäin korroosionkestävä. Puhtaassa tilassa se on hopea ja kultaiset sävyt.

Vuonna 1751 ruotsalainen kemisti Axel Fredrik Cronsted onnistui eristämään sen mineraalista, joka tunnetaan nimellä Kupfernickel (paholaisen kupari) ja joka on uutettu kobolttikaivoksesta ruotsalaisessa kylässä. Aluksi Cronsted ajatteli mineraalin olevan kuparia, mutta eristetty elementti osoittautui väriltään valkoiseksi, kuparista erilliseksi.

Nikkelipallot, joissa sen kultaiset sävyt loistavat läpi. Lähde: René Rausch

Cronsted nimitti alkuaineen nikkeliksi ja myöhemmin todettiin, että mineraali nimeltään kupfernickel oli nikoliitti (nikkeliarsenidi).

Nikkeliä uutetaan pääasiassa kahdesta kerrostumasta: muista kivistä ja muista maan magman segregaatioista. Mineraalit ovat rikkipitoisia, kuten pentladiitti. Toinen nikkelin lähde on lateriitit, joissa on nikkelirikkaita mineraaleja, kuten garnieriitti.

Nikkelin pääasiallinen käyttö on seosten muodostuksessa monien metallien kanssa; se on mukana esimerkiksi ruostumattoman teräksen tuotannossa, teollisessa toiminnassa, joka kuluttaa noin 70% maailman nikkelintuotannosta.

Lisäksi nikkeliä käytetään seoksissa, kuten alnico, magneettisen luonteen seoksessa, joka on tarkoitettu sähkömoottorien, kaiuttimien ja mikrofonien valmistukseen.

Nikkeliä käytettiin kolikoiden valmistukseen 1800-luvun puolivälissä. Sen käyttö on kuitenkin nyt korvattu halvemmilla metalleilla; vaikka sitä käytetään edelleen joissakin maissa.

Nikkeli on tärkeä elementti kasveille, koska se aktivoi ureaasientsyymiä, joka puuttuu urean hajoamiseen ammoniakkiksi, jota kasvit voivat käyttää typen lähteenä. Lisäksi urea on myrkyllinen yhdiste, joka aiheuttaa vakavia vaurioita kasveille.

Nikkeli on erittäin myrkyllinen elementti ihmisille, ja siitä on näyttöä syöpää aiheuttavasta aineesta. Lisäksi nikkeli aiheuttaa kontaktidermatiittia ja allergioiden kehittymistä.

Historia

antiquity

Mies tietää muinaisista ajoista lähtien nikkelin olemassaolosta. Esimerkiksi pronssiesineistä (3500 eKr.), Jotka ovat läsnä Syyrialle tällä hetkellä kuuluvissa maissa, löydettiin 2%: n nikkeliprosentti.

Lisäksi kiinalaiset käsikirjoitukset viittaavat siihen, että "valkoista kuparia", joka tunnetaan nimellä baitong, käytettiin vuosina 1700–1400 eKr. Mineraali vietiin Iso-Britanniaan 1700-luvulla; mutta tämän seoksen (Cu-Ni) nikkelipitoisuus löydettiin vasta vuoteen 1822.

Keskiaikaisessa Saksassa löydettiin punertavaa mineraalia, joka oli samanlainen kuin kupari ja jolla oli vihreitä pisteitä. Kaivostyöläiset yrittivät eristää kuparin malmista, mutta epäonnistuivat yrityksessään. Lisäksi kosketus mineraaliin aiheutti terveysongelmia.

Näistä syistä kaivostyöläiset pitivät mineraaleja pahanlaatuisina ja saivat sille erilaisia ​​nimiä, jotka kuvaavat tätä tilaa; kuten "Vanha Nick", myös kupfernickel (paholaisen kupari). Nyt tiedetään, että kyseinen mineraali oli nikoliittia: nikkeliarsenidi, NiA.

Löytö ja tuotanto

Vuonna 1751 Axel Fredrik Cronsted yritti eristää kuparin kupfernickelista, joka saatiin kobolttikaivoksesta, joka sijaitsi lähellä ruotsalaista kylää Los Halsinglandt. Mutta hän onnistui vain hankkimaan valkoisen metallin, joka oli toistaiseksi tuntematon ja nimeltään sitä nikkeliksi.

Vuodesta 1824 alkaen nikkeliä saatiin sivutuotteena kobolttisinisen tuotannossa. Vuonna 1848 Norjaan perustettiin sulatto mineraalipyrrotiitissa olevan nikkelin käsittelemiseksi.

Vuonna 1889 nikkeli otettiin teräksen tuotantoon, ja Uudessa-Kaledoniassa löydetyt talletukset tarjosivat nikkeliä maailman kulutukseen.

ominaisuudet

Ulkomuoto

Hopeanvalkoinen, kiiltävä ja hieman kultaisella sävyllä.

Atomipaino

58,9344 u

Atominumero (Z)

28

Sulamispiste

1,455 ºC

Kiehumispiste

2730 ºC

Tiheys

-Huoneen lämpötilassa: 8,908 g / ml

-Sulamispiste (nestemäinen): 7,81 g / ml

Fuusion lämpö

17,48 kJ / mol

Höyrystymislämpö

379 kJ / mol

Kaloriarvo

26,07 J / mol

elektronegatiivisuus

1,91 Paulingin asteikolla

Ionisointienergia

Ensimmäinen ionisaatiotaso: 737,1 kJ / mol

Toinen ionisaatiotaso: 1,753 kJ / mol

Kolmas ionisaatiotaso: 3 395 kJ / mol

Atomiradio

Empiirinen 124 pm

Kovalenttinen säde

124,4 ± 4 pm

Lämmönjohtokyky

90,9 W / (mK)

Sähkövastus

69,3 nΩ m lämpötilassa 20 ºC

Kovuus

4.0 Mohsin asteikolla.

ominaisuudet

Nikkeli on muovattava, muovattava metalli ja sen kovuus on suurempi kuin raudan, ja se on hyvä sähkö- ja lämpöjohdin. Se on ferromagneettinen metalli normaaleissa lämpötiloissa, sen Curie-lämpötila on 358ºC. Tätä korkeammissa lämpötiloissa nikkeli ei ole enää ferromagneettinen.

Nikkeli on yksi neljästä ferromagneettisesta elementistä, muut kolme: rauta, koboltti ja gadoliini.

isotoopit

Nikkeli-isotooppeja on 31, joita rajoittaa ⁴⁸ Ni ja ⁷⁸ Ni.

Luonnollisia isotooppeja on viisi: ⁵⁸ Ni, runsaasti 68,27%; ⁶⁰ Ni, runsaasti 26,10%; ⁶¹ Ni, runsaasti 1,13%; ⁶² Ni, runsaasti 3,59%; ja ⁶⁴ Ni, joissa on 0,9%.

Nikkelin noin 59 u: n atomipaino osoittaa, että missään isotoopissa ei ole merkittävää vallitsevaa määrää (vaikka ⁵⁸ Ni on runsaasti).

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

Nikkelimetalli kiteytyy kasvopohjaiseksi kuutiomaiseksi (fcc) rakenteeksi. Tämä fcc-vaihe on erittäin vakaa ja pysyy muuttumattomana paineisiin, jotka ovat lähellä 70 GPa; Nikkelin faaseista tai polymorfeista korkeapaineessa on vähän bibliografisia tietoja.

Nikkelikiteiden morfologia on vaihteleva, koska ne voidaan järjestää siten, että ne määrittelevät nanoputken. Nanohiukkasena tai makroskooppisena kiinteänä aineena metallisidos pysyy samana (teoriassa); eli samat valenssielektronit pitävät Ni-atomeja yhdessä.

Nikkelin kahden mahdollisen elektronisen kokoonpanon mukaan:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Kymmenen elektronia on mukana metallisessa sidoksessa; joko kahdeksan tai yhdeksän 3D-kiertoradalla yhdessä kahden tai yhden kanssa 4: n kiertoradalla. Huomaa, että valenssikaista on käytännössä täynnä, lähellä sen elektronien kuljettamista johtamiskaistalle; tosiasia, joka selittää sen suhteellisen korkean sähkönjohtavuuden.

Nikkelin fcc-rakenne on niin vakaa, että se jopa hyväksyy teräksen lisättäessä siihen. Siten myös ruostumaton rauta, jolla on korkea nikkelipitoisuus, on fcc.

Hapetusnumerot

Nikkelillä, vaikka se ei ehkä näytä siltä, ​​sillä on myös runsaasti lukumääriä tai hapetustiloja. Negatiivit ovat ilmeisiä tietäen, että siitä puuttuu vain kaksi elektronia kymmenen 3D-kiertoradansa suorittamiseksi; siten se voi saada yhden tai kaksi elektronia, joilla on vastaavasti hapetuslukut -1 (Ni ^-) tai -2 (Ni ^2-).

Nikkelin vakain hapetusluku on +2, olettaen, että on olemassa Ni ²⁺ -kationi, joka on menettänyt elektronit 4s: n kiertoradalla ja jossa on kahdeksan elektronia 3d-kiertoradalla (3d ⁸).

Lisäksi on olemassa kaksi muuta positiivista hapetuslukua: +3 (Ni ³⁺) ja +4 (Ni ⁴⁺). Kouluissa tai lukioissa nikkeli opetetaan olemaan vain Ni (II) tai Ni (III) muodossa, koska ne ovat yleisimpiä hapettumislukuja, joita löytyy erittäin stabiileista yhdisteistä.

Ja kun metallinen nikkeli on osa yhdistettä, ts. Neutraalilla Ni-atomillaan, niin sen sanotaan osallistuvan tai sitoutuvan oksidaatioluvulla 0 (Ni ⁰).

Mistä nikkeliä löytyy?

Mineraalit ja meri

Nikkeli muodostaa 0,007% maankuoresta, joten sen määrä on pieni. Mutta se on edelleen maan sulan ytimessä raudan jälkeen toiseksi yleisin metalli, joka tunnetaan nimellä Nife. Meriveden keskimääräinen nikkelipitoisuus on 5,6 · 10 - ⁴ mg / L.

Sitä esiintyy normaaleissa kivimissä, ja se on pentlandiitti, raudasta ja nikkelisulfidista muodostettu mineraali, yksi tärkeimmistä nikkelin lähteistä:

Kiviaines, joka koostuu mineraaleista pentlandiitti ja pyrrhotite. Lähde: John Sobolewski (JSS)

Mineraalipentlandiittia on läsnä Sudburissa, Ontariossa, Kanadassa; yksi tämän metallin tärkeimmistä talletuksista maailmassa.

Pentlandiitin nikkelikonsentraatio on välillä 3 - 5%, ja se liittyy pyrrhotiittiin, joka on nikkelirikas rautasulfidi. Näitä mineraaleja löytyy kivistä, jotka ovat maan magman erottautumisen tuotteita.

lateriitit

Toinen tärkeä nikkelin lähde on lateriitit, jotka koostuvat kuivien alueiden kuivuista maaperäistä. Niiden piidioksidi on huono ja niissä on useita mineraaleja, mukaan lukien: garnieriitti, magnesiumsikkelisilikaatti; ja limoniitti, rautamalmi

Sitä käytetään seoksessa raudan kanssa pääasiassa ruostumattoman teräksen tuotantoon, koska 68 prosenttia nikkelin tuotannosta käytetään tähän tarkoitukseen.

Se muodostaa myös korroosionkestävän kupariseoksen. Tämä seos koostuu 60% nikkelistä, 30% kuparista ja pienistä määristä muita metalleja, erityisesti rautaa.

Nikkeliä käytetään resistiivisissä seoksissa, magneettisissa ja muihin tarkoituksiin, kuten nikkelihopea; ja seos, joka koostuu nikkelistä ja kuparista, mutta ei sisällä hopeaa. Ni-Cu-putkia käytetään suolanpoistolaitoksissa, suojauksessa ja kolikoiden valmistuksessa.

Nikkeli tarjoaa seoksille sitkeyttä ja vetolujuutta, jotka rakentavat korroosionkestävyyttä. Kuparin, raudan ja kromin seosten lisäksi sitä käytetään seoksissa, joissa on pronssi, alumiini, lyijy, koboltti, hopea ja kulta.

Monel-seos koostuu 17% nikkelistä, 30% kuparista ja siinä on jälkiä raudasta, mangaanista ja piistä. Se kestää merivettä, mikä tekee siitä ihanteellisen käytettäväksi laivojen potkureissa.

Suojatoimet

Nikkeli, joka reagoi fluorin kanssa, muodostaa suojaelementin fluori-elementille, mikä mahdollistaa metallisen nikkelin tai Monel-seoksen käytön fluorikaasulinjoissa.

Nikkeli kestää alkalien vaikutusta. Tästä syystä sitä käytetään astioissa, jotka sisältävät väkevää natriumhydroksidia. Sitä käytetään myös galvanointiin luomaan suojapinta muille metalleille.

Muut käyttötavat

Nikkeliä käytetään pelkistysaineena kuudelle metallille siitä mineraalien platinaryhmästä, joissa se yhdistetään; pääasiassa platinaa ja palladiumia. Nikkelivaahtoa tai -verkkoa käytetään alkalipolttoaineakkujen elektrodien valmistuksessa.

Nikkeliä käytetään katalysaattorina tyydyttymättömien kasvirasvahappojen hydraamiseen, ja sitä käytetään margariinin valmistusprosessissa. Kuparilla ja Cu-Ni-seoksella on antibakteerinen vaikutus E. coliin.

nanopartikkelit

Nikkeli nanohiukkaset (NPs-Ni) löytyvät monenlaisesta käytöstä, koska niiden pinta-ala on suurempi kuin makroskooppisessa näytteessä. Kun nämä NPs-Ni syntetisoidaan kasviuutteista, ne kehittävät antimikrobisia ja antibakteerisia vaikutuksia.

Syy edellä mainitulle johtuu sen suuremmasta taipumuksesta hapettua kosketuksessa veden kanssa, muodostaen Ni2 ⁺ -kationeja ja erittäin reaktiivisia happilajeja, jotka denaturoivat mikrobisoluja.

Toisaalta NPs-Ni: tä käytetään elektrodimateriaalina kiinteissä polttokennoissa, kuiduissa, magneeteissa, magneettisissa nesteissä, elektronisissa osissa, kaasuantureissa jne. Samoin ne ovat katalyyttisiä tukiaineita, adsorbentteja, valkaisuaineita ja jätevesien puhdistajia.

-Composites

Nikkelikloridia, nitraattia ja sulfaattia käytetään nikkelihauteissa galvanoinnissa. Lisäksi sen sulfaattisuolaa käytetään katalyyttien ja peittävien aineiden valmistukseen tekstiilien värjäykseen.

Nikkeliperoksidia käytetään akkuissa. Nikkeliferriittejä käytetään magneettinaytiminä erilaisten sähkölaitteiden antenneissa.

Nikkeli-tertrakarbonyyli tarjoaa hiilimonoksidia akrylaattien synteesiin asetyleenistä ja alkoholeista. Bariumin ja nikkelin yhdistetty oksidi (BaNiO ₃) toimii raaka-aineena monien ladattavien paristojen, kuten Ni-Cd, Ni-Fe ja Ni-H, katodien valmistuksessa.

Biologinen rooli

Kasvit vaativat kasvun aikaansaamiseksi nikkeliä. Sitä tiedetään käyttävän kofaktorina useissa kasvi-entsyymeissä, mukaan lukien ureaasi; entsyymi, joka muuntaa urean ammoniakkiksi ja pystyy käyttämään tätä yhdistettä kasvien toiminnassa.

Lisäksi urean kertyminen aiheuttaa muutoksen kasvien lehdissä. Nikkeli toimii katalysaattorina edistääkseen palkojen typen kiinnittymistä.

Nikkelin puutteelle herkimpiä kasveja ovat palkokasvit (pavut ja sinimailanen), ohra, vehnä, luumut ja persikat. Sen puutos ilmenee kasveissa kloroosina, lehtien pudotuksena ja kasvun puutoksina.

Joissakin bakteereissa ureaasi-entsyymi on riippuvainen nikkelistä, mutta katsotaan, että niillä voi olla virulentti vaikutus niiden asuttamiin organismeihin.

Muut bakteeri-entsyymit, kuten superoksididismutaasi, samoin kuin bakteerien ja joidenkin loisten, esimerkiksi trypanosomeissa, läsnä oleva glyksidaasi ovat riippuvaisia ​​nikkelistä. Samat entsyymit korkeammissa lajeissa eivät kuitenkaan ole riippuvaisia ​​nikkelistä, mutta sinkistä.

riskit

Suurten määrien nikkelin nauttiminen liittyy keuhko-, nenä-, kurkunpään ja eturauhassyövän syntymiseen ja kehitykseen. Lisäksi se aiheuttaa hengitysvaikeuksia, hengitysvajeita, astmaa ja keuhkoputkentulehduksia. Nikkelihöyryt voivat aiheuttaa keuhkojen ärsytystä.

Nikkelin kosketus ihon kanssa voi aiheuttaa herkistymistä, joka myöhemmin aiheuttaa allergian, joka ilmenee ihottimena.

Ihon altistuminen nikkelille voi aiheuttaa ihon tulehduksen, joka tunnetaan nimellä “nikkelin kutina” aiemmin herkistyneissä ihmisissä. Nikkelille herkistyessä se jatkuu loputtomiin.

Kansainvälinen syöpätutkimusvirasto (IARC) on sijoittanut nikkeliyhdisteet ryhmään 1 (ihmisillä on riittävästi näyttöä karsinogeenisuudesta). OSHA ei kuitenkaan säätele nikkeliä syöpää aiheuttavana aineena.

On suositeltavaa, että altistuminen metalliselle nikkelille ja sen yhdisteille ei saa ylittää 1 mg / m ³ kahdeksan tunnin työssä 40 tunnin työviikolla. Nikkelikarbonyyli ja nikkelisulfidi ovat erittäin myrkyllisiä tai syöpää aiheuttavia yhdisteitä.

Viitteet

1. Muhammad Imran Din ja Aneela Rani. (2016). Nikkelin ja nikkelioksidin nanohiukkasten synteesin ja stabiloinnin viimeaikaiset edistysaskeleet: Vihreä soveltuvuus. International Journal of Analytical Chemistry, voi. 2016, artikkeli ID 3512145, 14 sivua, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Nikkelipohjaiset nanohiukkaset adsorbenteina vedenpuhdistusmenetelmissä - katsaus. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nikkeli. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
4. Nikkeli-instituutti. (2018). Ruostumaton teräs: Nikkelin rooli. Palautettu osoitteesta: nickelinstitute.org
5. Encyclopaedia Britannican toimittajat. (20. maaliskuuta 2019). Nikkeli. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com
6. Troy Buechel. (5. lokakuuta 2018). Nikkelin rooli kasvien viljelyssä. PROmix. Palautettu osoitteesta: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Jaksollinen taulukko: Nikkeli. Palautettu sivustolta: lenntech.com
8. Bell Terence. (28. heinäkuuta 2019). Nikkelimetalliprofiili. Palautettu osoitteesta: thebalance.com
9. Helmenstine, tohtori Anne Marie (22. kesäkuuta 2018). 10 nikkeli-elementtiä. Palautettu osoitteesta: gondo.com
10. Dinni Nurhayani & Akhmad A. Korda. (2015). Nikkelin lisäyksen vaikutus kuparin ja nikkelin seoksen antimikrobisiin, fysikaalisiin ja mekaanisiin ominaisuuksiin Escherichia colin suspensioita vastaan. AIP-konferenssijulkaisut 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727