nikiel -Nickel
![]() | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nikiel | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Wygląd | błyszczące, metaliczne i srebrne ze złotym odcieniem | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Standardowa masa atomowa A r ° (Ni) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nikiel w układzie okresowym | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
liczba atomowa ( Z ) | 28 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupa | grupa 10 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Okres | okres 4 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Blok | blok d | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Konfiguracja elektronów | [ Ar ] 3d 8 4s 2 lub [Ar] 3d 9 4s 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektrony na powłokę | 2, 8, 16, 2 lub 2, 8, 17, 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Właściwości fizyczne | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Faza w STP | solidny | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Temperatura topnienia | 1728 K (1455 °C, 2651 °F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Temperatura wrzenia | 3003 K (2730 ° C, 4946 ° F) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Gęstość (blisko rt ) | 8,908 g/ cm3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
gdy ciecz (przy mp ) | 7,81 g/cm 3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ciepło topnienia | 17,48 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ciepło parowania | 379 kJ/mol | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Molowa pojemność cieplna | 26,07 J/(mol·K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ciśnienie pary
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Właściwości atomowe | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stany utleniania | −2, −1, 0, +1, +2 , +3, +4 (lekko zasadowy tlenek) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Elektroujemność | Skala Paulinga: 1,91 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energie jonizacji | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Promień atomowy | empirycznie: 124 godz | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Promień kowalencyjny | 124±4 po południu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Promień Van der Waalsa | 163 po południu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Widmowe linie niklu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Inne właściwości | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Występowanie naturalne | pierwotny | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Struktura krystaliczna | sześcienny wyśrodkowany na twarzy (FCC) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Prędkość dźwięku cienki pręt | 4900 m/s (w temperaturze pokojowej ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rozszerzalność cieplna | 13,4 µm/(m⋅K) (przy 25 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Przewodność cieplna | 90,9 W/(m⋅K) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Rezystancja | 69,3 nΩ⋅m (przy 20 ° C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Zamawianie magnetyczne | ferromagnetyczny | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Moduł Younga | 200 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Moduł ścinania | 76 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Moduł objętościowy | 180 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Współczynnik Poissona | 0,31 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Twardość Mohsa | 4.0 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Twardość Vickersa | 638 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Twardość Brinella | 667–1600 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Numer CAS | 7440-02-0 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Historia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Odkrycie i pierwsza izolacja | Axela Fredrika Cronstedta (1751) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Izotopy niklu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nikiel jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Ni i liczbie atomowej 28. Jest srebrzystobiałym błyszczącym metalem z lekkim złotym odcieniem. Nikiel jest twardym i ciągliwym metalem przejściowym . Czysty nikiel jest reaktywny chemicznie, ale duże kawałki wolno reagują z powietrzem w standardowych warunkach , ponieważ na powierzchni tworzy się pasywacyjna warstwa tlenku niklu , która zapobiega dalszej korozji. Mimo to czysty rodzimy nikiel znajduje się w skorupie ziemskiej tylko w niewielkich ilościach, zwykle w skałach ultramaficznych oraz we wnętrzach większych meteorytów niklowo-żelazowych , które nie były wystawione na działanie tlenu poza ziemską atmosferą.
Nikiel meteorytowy występuje w połączeniu z żelazem , co odzwierciedla pochodzenie tych pierwiastków jako głównych produktów końcowych nukleosyntezy supernowej . Uważa się, że mieszanina żelaza i niklu tworzy zewnętrzne i wewnętrzne jądro Ziemi .
Użycie niklu (jako naturalnego meteorytowego stopu niklu i żelaza) zostało prześledzone już w 3500 pne. Nikiel został po raz pierwszy wyizolowany i sklasyfikowany jako pierwiastek w 1751 roku przez Axela Fredrika Cronstedta , który początkowo pomylił rudę z minerałem miedzi , w kopalniach kobaltu w Los, Hälsingland, Szwecja . Nazwa pierwiastka pochodzi od psotnego chochlika z niemieckiej mitologii górniczej, Nikiel (podobny do Starego Nicka ), który uosabiał fakt, że rudy miedzi i niklu opierały się rafinacji w miedź. Ważnym gospodarczo źródłem niklu jest limonit z rudy żelaza , który często zawiera 1–2% niklu. Inne ważne minerały rudy niklu obejmują pentlandyt i mieszankę naturalnych krzemianów bogatych w Ni, znanych jako garnieryt . Główne miejsca produkcji obejmują region Sudbury w Kanadzie (który uważa się za pochodzenia meteorytowego ), Nową Kaledonię na Pacyfiku i Norylsk w Rosji .
Nikiel jest jednym z czterech pierwiastków (pozostałe to żelazo , kobalt i gadolin ), które są ferromagnetyczne w temperaturze zbliżonej do pokojowej. Magnesy trwałe Alnico oparte częściowo na niklu mają siłę pośrednią między magnesami trwałymi na bazie żelaza a magnesami ziem rzadkich . Metal jest używany głównie w stopach i powłokach odpornych na korozję. Około 68% światowej produkcji zużywa się na stal nierdzewną . Dalsze 10% jest wykorzystywane do stopów na bazie niklu i miedzi, 9% do galwanizacji, 7% do stali stopowych, 3% w odlewniach i 4% w innych zastosowaniach, takich jak akumulatory, w tym w pojazdach elektrycznych ( EV). Nikiel jest szeroko stosowany w monetach , chociaż przedmioty niklowane czasami wywołują alergię na nikiel . Jako związek nikiel ma szereg niszowych zastosowań chemicznych, takich jak katalizator do uwodorniania , katody do akumulatorów, pigmenty i obróbka powierzchni metali. Nikiel jest niezbędnym składnikiem odżywczym dla niektórych mikroorganizmów i roślin, które mają enzymy z niklem jako miejscem aktywnym .
Nieruchomości
Właściwości atomowe i fizyczne
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/70/Ni%40CNT2.jpg/220px-Ni%40CNT2.jpg)
Nikiel to srebrzystobiały metal z lekkim złotym odcieniem, który wymaga polerowania na wysoki połysk. Jest to jeden z zaledwie czterech pierwiastków, które są ferromagnetyczne w temperaturze pokojowej lub zbliżonej do niej; pozostałe to żelazo, kobalt i gadolin . Jego temperatura Curie wynosi 355 ° C (671 ° F), co oznacza, że nikiel masowy jest niemagnetyczny powyżej tej temperatury. Komórka elementarna niklu to sześcian wyśrodkowany na ścianie z parametrem sieci 0,352 nm, co daje promień atomowy 0,124 nm. Ta struktura krystaliczna jest stabilna przy ciśnieniu co najmniej 70 GPa. Nikiel jest twardy, plastyczny i plastyczny oraz ma stosunkowo wysoką przewodność elektryczną i cieplną jak na metale przejściowe. Wysoka wytrzymałość na ściskanie 34 GPa, przewidziana dla idealnych kryształów, nigdy nie jest uzyskiwana w rzeczywistym materiale sypkim z powodu powstawania i przemieszczania się dyslokacji . Jednak osiągnięto to w nanocząstkach Ni .
Spór o konfigurację elektronów
Nikiel ma dwie atomowe konfiguracje elektronowe , [Ar] 3d 8 4s 2 i [Ar] 3d 9 4s 1 , które są bardzo zbliżone pod względem energii; [Ar] oznacza kompletną strukturę rdzenia argonowego . Istnieje pewna różnica zdań co do tego, która konfiguracja ma niższą energię. Podręczniki do chemii podają konfigurację elektronową niklu jako [Ar] 4s 2 3d 8 , zapisaną również jako [Ar] 3d 8 4s 2 . Ta konfiguracja jest zgodna z regułą uporządkowania energii Madelunga , która przewiduje, że 4s jest wypełnione przed 3d. Potwierdza to fakt doświadczalny, że najniższym stanem energetycznym atomu niklu jest poziom energetyczny 3d 8 4s 2 , a konkretnie poziom 3d 8 ( 3 F) 4s 2 3 F, J = 4.
Jednak każda z tych dwóch konfiguracji dzieli się na kilka poziomów energii ze względu na delikatną strukturę , a dwa zestawy poziomów energii zachodzą na siebie. Średnia energia stanów z [Ar] 3d 9 4s 1 jest w rzeczywistości niższa niż średnia energia stanów z [Ar] 3d 8 4s 2 . Dlatego literatura naukowa dotycząca obliczeń atomowych podaje konfigurację stanu podstawowego jako [Ar] 3d 9 4s 1 .
izotopy
Izotopy niklu mają masę atomową od 48 u (48
Ni ) do 78 u (78
nie ).
Naturalny nikiel składa się z pięciu stabilnych izotopów ,58
nie ,60
nie ,61
nie ,62
Ni i64
Ni , z czego58
Najobficiej występuje Ni (68,077% naturalnej obfitości ).
Nikiel-62 ma najwyższą energię wiązania na nukleon ze wszystkich nuklidów : 8,7946 MeV/nukleon. Jego energia wiązania jest większa niż oba56
Fe i58
Fe , bardziej obfite nuklidy, często błędnie cytowane jako mające najwyższą energię wiązania. Chociaż wydaje się, że sugeruje to, że nikiel jest najobficiej występującym ciężkim pierwiastkiem we wszechświecie, wysokie tempo fotodezintegracji niklu we wnętrzach gwiazd powoduje, że żelazo jest zdecydowanie najobficiej występujące.
Nikiel-60 jest produktem pochodnym wymarłego radionuklidu 60
Fe (okres półtrwania 2,6 miliona lat). Ze względu na długi okres półtrwania60
Fe , jego trwałość w materiałach w Układzie Słonecznym może generować obserwowalne zmiany w składzie izotopowym60
Nie . Dlatego obfitość60
Ni w materiale pozaziemskim może dać wgląd w pochodzenie Układu Słonecznego i jego wczesną historię.
Scharakteryzowano co najmniej 26 radioizotopów niklu; najbardziej stabilne są59
Ni z okresem półtrwania 76 000 lat,63
Ni (100 lat) i56
Ni (6 dni). Wszystkie inne radioizotopy mają okres półtrwania krótszy niż 60 godzin, a większość z nich ma okres półtrwania krótszy niż 30 sekund. Ten element ma również jeden stan meta .
Radioaktywny nikiel-56 jest wytwarzany w procesie spalania krzemu , a następnie uwalniany w dużych ilościach w supernowych typu Ia . Kształt krzywej blasku tych supernowych w okresach pośrednich i późnych odpowiada rozpadowi poprzez wychwyt elektronów56
Ni do kobaltu -56 i ostatecznie do żelaza -56. Nikiel-59 jest długowiecznym kosmogenicznym radionuklidem ; okres półtrwania 76 000 lat.59
Ni znalazł wiele zastosowań w geologii izotopów .59
Ni był używany do datowania ziemskiego wieku meteorytów i do określania obfitości pozaziemskiego pyłu w lodzie i osadach . Okres półtrwania niklu-78 został niedawno zmierzony na 110 milisekund i uważa się, że jest to ważny izotop w nukleosyntezie supernowej pierwiastków cięższych od żelaza. 48 Ni, odkryty w 1999 roku, jest najbardziej bogatym w protony znanym izotopem pierwiastka ciężkiego. Z 28 protonami i 20 neutronami , 48 Ni jest „ podwójnie magiczne ”, podobnie jak 78 Ni z 28 protonami i 50 neutronami. Oba są zatem niezwykle stabilne jak na jądra z tak dużą nierównowagą protonowo-neutronową .
Nikiel-63 jest zanieczyszczeniem znajdującym się w konstrukcji nośnej reaktorów jądrowych. Jest wytwarzany przez wychwytywanie neutronów przez nikiel-62. Niewielkie ilości znaleziono również w pobliżu miejsc testowania broni jądrowej na południowym Pacyfiku.
Występowanie
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/36/Widmanstatten_hand.jpg/220px-Widmanstatten_hand.jpg)
Na Ziemi nikiel występuje najczęściej w połączeniu z siarką i żelazem w pentlandycie , z siarką w millerycie , z arsenem w minerale niklu oraz z arsenem i siarką w galenie niklu . Nikiel jest powszechnie spotykany w meteorytach żelaznych jako stopy kamacytu i taenitu . Nikiel w meteorytach został po raz pierwszy wykryty w 1799 roku przez Josepha-Louisa Prousta , francuskiego chemika, który pracował wówczas w Hiszpanii. Proust przeanalizował próbki meteorytu z Campo del Cielo (Argentyna), które uzyskał w 1783 roku Miguel Rubín de Celis, odkrywając w nich obecność niklu (około 10%) wraz z żelazem.
Większość niklu wydobywa się z dwóch rodzajów złóż rud . Pierwszym z nich jest lateryt , w którym głównymi mieszaninami minerałów rudy są limonit niklowy , (Fe,Ni)O(OH) i garnieryt (mieszanina różnych uwodnionych niklu i krzemianów bogatych w nikiel). Drugi to magmowe złoża siarczkowe , gdzie głównym minerałem kruszcowym jest pentlandyt : (Ni,Fe) 9 S 8 .
Indonezja i Australia mają największe szacowane rezerwy, na poziomie 43,6% światowych rezerw.
Zidentyfikowane zasoby lądowe na całym świecie, zawierające średnio 1% niklu lub więcej, obejmują co najmniej 130 milionów ton niklu (około dwukrotność znanych rezerw). Około 60% znajduje się w laterytach , a 40% w osadach siarczkowych.
Na podstawie dowodów geofizycznych uważa się, że większość niklu na Ziemi znajduje się w zewnętrznych i wewnętrznych jądrach Ziemi . Kamacyt i taenit to naturalnie występujące stopy żelaza i niklu. W przypadku kamacytu stop jest zwykle w proporcji od 90:10 do 95:5, chociaż mogą występować zanieczyszczenia (takie jak kobalt lub węgiel ). Taenit zawiera od 20% do 65% niklu. Kamacyt i taenit występują również w meteorytach niklowo-żelazowych .
związki
Najczęstszym stopniem utlenienia niklu jest +2, ale związki Ni 0 , Ni + i Ni 3+ są dobrze znane, a egzotyczne stopnie utlenienia Ni 2− i Ni − zostały wytworzone i zbadane.
nikiel(0)
Tetrakarbonyl niklu (Ni(CO) 4 ), odkryty przez Ludwiga Monda , jest lotną, wysoce toksyczną cieczą w temperaturze pokojowej. Podczas ogrzewania kompleks rozkłada się z powrotem na nikiel i tlenek węgla:
- Ni(CO) 4 ⇌ Ni + 4 CO
To zachowanie jest wykorzystywane w procesie Monda do oczyszczania niklu, jak opisano powyżej. Powiązany kompleks niklu (0) bis (cyklooktadien) nikiel (0) jest użytecznym katalizatorem w chemii niklu organicznego, ponieważ ligandy cyklooktadienu (lub dorsza ) łatwo się przemieszczają.
Nikiel(I)
Kompleksy niklu(I) są rzadkie, ale jednym z przykładów jest tetraedryczny kompleks NiBr(PPh 3 ) 3 . Wiele kompleksów niklu(I) ma wiązania Ni–Ni, na przykład ciemnoczerwony diamagnetyk K 4 [Ni 2 (CN) 6 ] otrzymywany przez redukcję K 2 [Ni 2 (CN) 6 ] amalgamatem sodu . Związek ten utlenia się w wodzie, uwalniając H 2 .
Uważa się, że stopień utlenienia niklu(I) jest ważny dla enzymów zawierających nikiel, takich jak [NiFe]-hydrogenaza , która katalizuje odwracalną redukcję protonów do H 2 .
nikiel(II)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/ff/Color_of_various_Ni%28II%29_complexes_in_aqueous_solution.jpg/450px-Color_of_various_Ni%28II%29_complexes_in_aqueous_solution.jpg)
Nikiel (II) tworzy związki ze wszystkimi powszechnymi anionami, w tym siarczkami , siarczanami , węglanami, wodorotlenkami, karboksylanami i halogenkami. Siarczan niklu (II) jest wytwarzany w dużych ilościach przez rozpuszczanie metalicznego niklu lub tlenków w kwasie siarkowym , tworząc zarówno heksa-, jak i heptahydrat przydatny do galwanizacji niklu. Zwykłe sole niklu, takie jak chlorek, azotan i siarczan, rozpuszczają się w wodzie, dając zielone roztwory wodnego kompleksu metalu [Ni(H 2 O) 6 ] 2+ .
Cztery halogenki tworzą związki niklu, które są ciałami stałymi z cząsteczkami z ośmiościennymi centrami Ni. Chlorek niklu (II) jest najbardziej powszechny, a jego zachowanie ilustruje inne halogenki. Chlorek niklu(II) powstaje przez rozpuszczenie niklu lub jego tlenku w kwasie solnym . Zwykle występuje jako zielony heksahydrat, którego wzór jest zwykle zapisywany jako NiCl 2 · 6H 2 O . Po rozpuszczeniu w wodzie sól ta tworzy wodny kompleks metalu [Ni(H 2 O) 6 ] 2+ . Odwodnienie NiCl 2 ·6H 2 O daje żółty bezwodny NiCl 2 .
Niektóre tetrakoordynacyjne kompleksy niklu (II), np. Chlorek bis(trifenylofosfino)niklu , istnieją zarówno w geometrii czworościennej, jak i kwadratowej. Tetraedryczne kompleksy są paramagnetyczne ; kwadratowe płaskie kompleksy są diamagnetyczne . Mając właściwości równowagi magnetycznej i tworzenia oktaedrycznych kompleksów, kontrastują z dwuwartościowymi kompleksami cięższych metali z grupy 10, palladu (II) i platyny (II), które tworzą tylko kwadratowo-płaską geometrię.
Znany jest nikielocen ; ma liczbę elektronów równą 20 i jest niestabilny w temperaturze pokojowej, co czyni go stosunkowo niestabilnym.
Nikiel(III) i (IV)
Znanych jest wiele związków Ni(III). Pierwszymi takimi związkami są [ Ni( PR 3 ) 2 X 2 ] , gdzie X = Cl , Br , I i R = etyl , propyl , butyl . Ponadto Ni(III) tworzy proste sole z jonami fluorkowymi lub tlenkowymi . Ni (III) można stabilizować ligandami σ-donorowymi, takimi jak tiole i fosfiny organiczne .
Ni(III) występuje w wodorotlenku niklu , który jest używany jako katoda w wielu akumulatorach , w tym niklowo-kadmowych , niklowo-żelazowych , niklowo-wodorkowych i niklowo-wodorkowych , i jest używany przez niektórych producentów w akumulatorach litowo-jonowych .
Ni(IV) występuje w tlenku mieszanym BaNiO 3 . Ni(IV) pozostaje rzadkim stopniem utlenienia i znanych jest bardzo niewiele związków.
Historia
Ponieważ rudy niklu łatwo pomylić z rudami srebra i miedzi, zrozumienie tego metalu i jego zastosowania jest stosunkowo nowe. Ale niezamierzone użycie niklu jest starożytne i można go prześledzić aż do 3500 pne. Stwierdzono, że brązy z terenów dzisiejszej Syrii zawierają aż 2% niklu. Niektóre starożytne chińskie manuskrypty sugerują, że w latach 1700-1400 pne używano tam „białej miedzi” ( cupronickel , znanej jako baitong ). Ta biała miedź Paktong była eksportowana do Wielkiej Brytanii już w XVII wieku, ale zawartość niklu w tym stopie została odkryta dopiero w 1822 roku. Monety ze stopu niklowo-miedziowego zostały wybite przez baktriańskich królów Agatoklesa , Eutydemusa II i Pantaleona w II wieku pne, prawdopodobnie z chińskiego cupronickel.
W średniowiecznych Niemczech w Rudawach znaleziono metaliczny żółty minerał, który przypominał rudę miedzi. Ale kiedy górnicy nie byli w stanie wydobyć z niego miedzi, obwinili złośliwego skrzata z niemieckiej mitologii, Nikiel (podobny do Starego Nicka ), za nękanie miedzi. Nazwali tę rudę Kupfernickel od niemieckiego Kupfera „miedzią”. Ta ruda jest obecnie znana jako mineralna nikiel (dawniej nikkolit ), arsenek niklu . W 1751 roku baron Axel Fredrik Cronstedt próbował wydobyć miedź z kupferniklu w kopalni kobaltu w wiosce Los w Szwecji i zamiast tego wyprodukował biały metal, który nazwał niklem na cześć spirytusu, który nadał nazwę temu minerałowi. We współczesnym języku niemieckim Kupfernickel lub Kupfer-Nickel oznacza stop cupronickel .
Pierwotnie jedynym źródłem niklu był rzadki Kupfernickel. Od 1824 r. nikiel pozyskiwano jako produkt uboczny przy produkcji błękitu kobaltowego . Pierwsze wytapianie niklu na dużą skalę rozpoczęło się w Norwegii w 1848 roku z bogatego w nikiel pirotytu . Wprowadzenie niklu do produkcji stali w 1889 r. zwiększyło popyt na nikiel; złoża niklu w Nowej Kaledonii , odkryte w 1865 r., zapewniły większość światowych zasobów w latach 1875–1915. Odkrycie dużych złóż w Zagłębiu Sudbury w Kanadzie w 1883 r., w Norilsk -Talnakh w Rosji w 1920 r. oraz w Merensky Reef w RPA w 1924 roku umożliwiła produkcję niklu na dużą skalę.
Waluta
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/10/Nickel2.jpg/220px-Nickel2.jpg)
Poza wspomnianymi już monetami baktryjskimi, nikiel był składnikiem monet dopiero w połowie XIX wieku.
Kanada
99,9% niklowych pięciocentowych monet zostało wybitych w Kanadzie (wówczas największym na świecie producentem niklu) w latach pozawojennych od 1922 do 1981; zawartość metalu sprawiała, że monety te były magnetyczne. W latach wojny 1942–45 większość lub całość niklu została usunięta z monet kanadyjskich i amerykańskich, aby zachować go do produkcji zbroi. Kanada używała 99,9% niklu od 1968 roku w swoich monetach o wyższej wartości do 2000 roku.
Szwajcaria
Monety z prawie czystego niklu zostały po raz pierwszy użyte w 1881 roku w Szwajcarii.
Zjednoczone Królestwo
Birmingham kute monety niklowe w ok. 1833 do handlu w Malezji.
Stany Zjednoczone
W Stanach Zjednoczonych termin „nikiel” lub „nikl” pierwotnie odnosił się do centa miedziowo-niklowego Flying Eagle , który zastąpił miedź 12% niklem w latach 1857–58, a następnie centa Indian Head z tego samego stopu od 1859 do 1864. Jeszcze później, w 1865 roku, określenie to oznaczało trzycentówkę niklu , przy czym zawartość niklu wzrosła do 25%. W 1866 r. pięciocentowa tarcza niklu (25% niklu, 75% miedzi) przywłaszczyła sobie oznaczenie, które od tego czasu jest używane dla kolejnych monet 5-centowych. Ta proporcja stopu nie jest ferromagnetyczna .
Amerykańska moneta niklowa zawiera 0,04 uncji (1,1 g) niklu, który według ceny z kwietnia 2007 r. był wart 6,5 centa, a także 3,75 grama miedzi o wartości około 3 centów, o łącznej wartości metalu przekraczającej 9 centów. Ponieważ wartość nominalna niklu wynosi 5 centów, czyni go to atrakcyjnym celem do topienia przez ludzi chcących sprzedawać metale z zyskiem. Mennica Stanów Zjednoczonych , przewidując tę praktykę, w dniu 14 grudnia 2006 r. wprowadziła nowe przepisy tymczasowe, z zastrzeżeniem publicznego komentarza przez 30 dni, które kryminalizowały topienie i eksport centów i niklu. Osoby naruszające prawo mogą zostać ukarane grzywną w wysokości do 10 000 USD i/lub maksymalnie pięcioma latami więzienia. Na dzień 19 września 2013 r. Wartość stopu niklu amerykańskiego (w tym miedź i nikiel) wynosi 0,045 USD (90% wartości nominalnej).
Obecne wykorzystanie
W XXI wieku wysoka cena niklu doprowadziła do pewnego zastąpienia metalu w monetach na całym świecie. Monety nadal wytwarzane ze stopów niklu to monety o nominale 1 i 2 euro , 5 centów, 10 centów, 25 centów, 50 centów i monety amerykańskie o nominałach 1 dolara oraz monety brytyjskie o nominałach 20 pensów, 50 pensów, 1 funta i 2 funty . Od 2012 roku stop niklu używany do monet brytyjskich 5 pensów i 10 pensów został zastąpiony stalą niklowaną. Wywołało to publiczne kontrowersje dotyczące problemów osób z alergią na nikiel .
Światowa produkcja
Szacuje się, że na całym świecie wydobywa się rocznie 3,3 miliona ton (t) niklu; Indonezja (1600000 ton), Filipiny (330000 ton), Rosja (220000 ton), Nowa Kaledonia ( Francja ) (190000 ton), Australia (160000 ton) i Kanada (130000 ton) to najwięksi producenci od 2022 r. Największy złoża niklu w nierosyjskiej Europie znajdują się w Finlandii i Grecji . Zidentyfikowane źródła lądowe zawierające średnio co najmniej 1% niklu zawierają co najmniej 130 milionów ton niklu. Około 60% znajduje się w laterytach, a 40% w osadach siarczkowych. Ponadto rozległe źródła niklu znajdują się w głębinach Oceanu Spokojnego , zwłaszcza w obszarze zwanym strefą Clarion Clipperton, w postaci polimetalicznych guzków wypełniających dno morskie na głębokości 3,5–6 km poniżej poziomu morza . Te guzki składają się z wielu metali ziem rzadkich i szacuje się, że zawierają 1,7% niklu. Wraz z postępem w nauce i inżynierii , Międzynarodowa Organizacja ds. Dna Morskiego wprowadza obecnie regulacje mające na celu zapewnienie, że te guzki są zbierane w sposób przyjazny dla środowiska, przy jednoczesnym przestrzeganiu Celów Zrównoważonego Rozwoju Organizacji Narodów Zjednoczonych .
Jedynym miejscem w Stanach Zjednoczonych, gdzie wydobywa się nikiel z zyskiem, jest Riddle w stanie Oregon , gdzie znajduje się kilka mil kwadratowych powierzchniowych złóż garnierytu zawierającego nikiel . Kopalnia została zamknięta w 1987 roku. Projekt kopalni Eagle to nowa kopalnia niklu na Górnym Półwyspie Michigan . Budowę zakończono w 2013 roku, a eksploatację rozpoczęto w trzecim kwartale 2014 roku. W pierwszym pełnym roku działalności Kopalnia Orzeł wydobyła 18 tys.
Produkcja
Nikiel jest uzyskiwany poprzez metalurgię ekstrakcyjną : jest ekstrahowany z rudy w konwencjonalnych procesach prażenia i redukcji, które dają metal o czystości większej niż 75%. W wielu zastosowaniach ze stali nierdzewnej 75% czysty nikiel może być stosowany bez dalszego oczyszczania, w zależności od zanieczyszczeń.
Tradycyjnie większość rud siarczkowych jest przetwarzana przy użyciu technik pirometalurgicznych w celu wytworzenia kamienia do dalszej rafinacji. Ostatnie postępy w technikach hydrometalurgicznych skutkują znacznie czystszym metalicznym produktem niklowym. Większość osadów siarczkowych była tradycyjnie przetwarzana przez zatężanie w procesie flotacji piany, a następnie ekstrakcję pirometalurgiczną. W procesach hydrometalurgicznych rudy siarczkowe niklu są zatężane przez flotację (flotacja różnicowa, jeśli stosunek Ni/Fe jest zbyt niski), a następnie przetapiane. Nikiel matowy jest dalej przetwarzany w procesie Sherritta-Gordona . Najpierw usuwa się miedź przez dodanie siarkowodoru , pozostawiając koncentrat kobaltu i niklu. Następnie stosuje się ekstrakcję rozpuszczalnikiem w celu oddzielenia kobaltu i niklu, przy czym końcowa zawartość niklu przekracza 86%.
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6a/Nickel_electrolytic_and_1cm3_cube.jpg/220px-Nickel_electrolytic_and_1cm3_cube.jpg)
Elektrorafinacja
Drugim powszechnym procesem rafinacji jest ługowanie kamienia metalicznego roztworem soli niklu, a następnie elektrolityczne otrzymywanie niklu z roztworu poprzez powlekanie go katodą w postaci niklu elektrolitycznego.
Proces Monda
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c7/Nickel_kugeln.jpg/220px-Nickel_kugeln.jpg)
Najczystszy metal otrzymywany jest z tlenku niklu w procesie Monda , co daje czystość ponad 99,99%. Proces ten został opatentowany przez Ludwiga Monda i był stosowany w przemyśle od początku XX wieku. W tym procesie nikiel poddaje się reakcji z tlenkiem węgla w obecności katalizatora siarkowego w temperaturze około 40–80 ° C, tworząc karbonylek niklu . W podobnej reakcji z żelazem może powstać pentakarbonyl żelaza , chociaż ta reakcja jest powolna. W razie potrzeby nikiel można oddzielić przez destylację. Oktakarbonylek dikobaltu powstaje również podczas destylacji niklu jako produkt uboczny, ale w temperaturze reakcji rozkłada się do dodekakarbonylu tetrakobaltu , dając nielotne ciało stałe.
Nikiel otrzymuje się z karbonylku niklu w jednym z dwóch procesów. Może być przepuszczany przez dużą komorę w wysokich temperaturach, w której stale miesza się dziesiątki tysięcy kulek niklu (peletek). Karbonyl rozkłada się i osadza czysty nikiel na kulkach. W alternatywnym procesie karbonylek niklu rozkłada się w mniejszej komorze w temperaturze 230°C, tworząc drobny proszek niklu. Produkt uboczny, tlenek węgla, jest zawracany do obiegu i ponownie wykorzystywany. Produkt o wysokiej czystości niklu jest znany jako „nikiel karbonylowy”.
Wartość rynkowa
Cena rynkowa niklu rosła w całym 2006 roku iw pierwszych miesiącach 2007 roku; od 5 kwietnia 2007 r. cena metalu wynosiła 52 300 USD za tonę lub 1,47 USD za uncję. Cena później dramatycznie spadła; od września 2017 r. cena metalu wynosiła 11 000 USD / tonę, czyli 0,31 USD / uncję. Podczas rosyjskiej inwazji na Ukrainę w 2022 r . obawy dotyczące sankcji nałożonych na rosyjski eksport niklu wywołały krótki zastój , w wyniku którego cena niklu wzrosła czterokrotnie w ciągu zaledwie dwóch dni, osiągając poziom 100 000 USD za tonę. Londyńska Giełda Metali anulowała kontrakty o wartości 3,9 miliarda dolarów i zawiesiła handel niklem na ponad tydzień. Analityk Andy Home argumentował, że takie szoki cenowe są potęgowane przez wymogi czystości narzucone przez rynki metali: tylko metal klasy I (o czystości 99,8%) może być używany jako towar na giełdach, ale większość światowych dostaw to albo żelazonikl stopy lub niższej czystości.
Aplikacje
Globalne zużycie niklu wynosi obecnie 68% w stali nierdzewnej, 10% w stopach metali nieżelaznych , 9% w galwanizacji , 7% w stali stopowej, 3% w odlewniach i 4% w innych (w tym bateriach).
Nikiel jest używany w wielu rozpoznawalnych produktach przemysłowych i konsumenckich, w tym w stali nierdzewnej , magnesach alnico , monetach , akumulatorach ( np . i inwar . Służy do galwanizacji i jako zielony odcień w szkle. Nikiel jest przede wszystkim metalem stopowym, a jego głównym zastosowaniem jest stal niklowa i żeliwo niklowe, w których zwykle zwiększa wytrzymałość na rozciąganie, wiązkość i granicę sprężystości. Jest szeroko stosowany w wielu innych stopach, w tym w mosiądzach i brązach niklowych oraz stopach z miedzią, chromem, aluminium, ołowiem, kobaltem, srebrem i złotem ( Inconel , Incoloy , Monel , Nimonic ).
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/MagnetEZ.jpg/220px-MagnetEZ.jpg)
Ponieważ nikiel jest odporny na korozję, był czasami używany jako substytut ozdobnego srebra. Nikiel był również sporadycznie używany w niektórych krajach po 1859 roku jako tani metal monetarny (patrz wyżej), ale w późniejszych latach XX wieku został zastąpiony tańszymi stopami stali nierdzewnej (tj. żelaza), z wyjątkiem Stanów Zjednoczonych i Kanada.
Nikiel jest doskonałym stopem dla niektórych metali szlachetnych i jest stosowany w teście ogniowym jako kolektor pierwiastków z grupy platynowców (PGE). W związku z tym nikiel może w pełni zebrać wszystkie sześć PGE z rud i może częściowo zebrać złoto. Wysokoprzepustowe kopalnie niklu mogą również prowadzić odzysk PGE (głównie platyny i palladu ); przykładami są Norylsk w Rosji i Zagłębie Sudbury w Kanadzie.
Piankę niklową lub siatkę niklową stosuje się w elektrodach dyfuzyjnych do alkalicznych ogniw paliwowych .
Nikiel i jego stopy są często stosowane jako katalizatory reakcji uwodornienia . Nikiel Raneya , drobno rozdrobniony stop niklowo-aluminiowy, jest jedną z powszechnych postaci, chociaż stosuje się również pokrewne katalizatory, w tym katalizatory typu Raneya.
Nikiel jest naturalnie magnetostrykcyjny: w obecności pola magnetycznego materiał ulega niewielkiej zmianie długości. Magnetostrykcja niklu jest rzędu 50 ppm i jest ujemna, co wskazuje, że się kurczy .
Nikiel jest stosowany jako spoiwo w przemyśle spiekanego węglika wolframu lub węglików spiekanych i jest stosowany w proporcjach od 6% do 12% wagowych. Nikiel sprawia, że węglik wolframu jest magnetyczny i zwiększa odporność na korozję sklejanych części, chociaż twardość jest mniejsza niż w przypadku spoiwa kobaltowego.
63
Ni , z okresem półtrwania 100,1 lat, jest przydatny w urządzeniach krytronowych jako emiter cząstek beta (szybkich elektronów ), aby jonizacja przez elektrodę podtrzymującą była bardziej niezawodna. Jest badany jako źródło zasilania dla baterii betawoltaicznych .
Około 27% całej produkcji niklu jest wykorzystywane w inżynierii, 10% w budownictwie, 14% w produktach rurowych, 20% w wyrobach metalowych, 14% w transporcie, 11% w wyrobach elektronicznych i 5% w innych zastosowaniach.
Nikiel Raneya jest szeroko stosowany do uwodorniania olejów nienasyconych w celu wytworzenia margaryny , a margaryna niskiej jakości i pozostałości oleju mogą zawierać nikiel jako zanieczyszczenie . Forte i in. stwierdzili, że pacjenci z cukrzycą typu 2 mają 0,89 ng/ml Ni we krwi w porównaniu z 0,77 ng/ml u osób z grupy kontrolnej.
Rola biologiczna
Został rozpoznany dopiero w latach 70. XX wieku, ale wiadomo, że nikiel odgrywa ważną rolę w biologii niektórych roślin, bakterii , archeonów i grzybów . Enzymy niklu, takie jak ureaza, są uważane za czynniki wirulencji w niektórych organizmach. Ureaza katalizuje hydrolizę mocznika z wytworzeniem amoniaku i karbaminianu . Hydrogenazy NiFe mogą katalizować utlenianie H 2 z wytworzeniem protonów i elektronów; a także reakcja odwrotna, redukcja protonów z wytworzeniem gazowego wodoru. Koenzym niklowo-tetrapirolowy, kofaktor F430 , jest obecny w reduktazie koenzymu metylowego M , który może katalizować tworzenie metanu lub reakcję odwrotną w metanogennych archeonach (na +1 stopniu utlenienia). Jeden z enzymów dehydrogenazy tlenku węgla składa się z klastra Fe -Ni- S . Inne enzymy zawierające nikiel obejmują rzadką bakteryjną klasę dysmutazy ponadtlenkowej i enzymy glioksalazy I u bakterii i kilku eukariotycznych pasożytów świdrowców (w innych organizmach, w tym drożdżach i ssakach, enzym ten zawiera dwuwartościowy Zn 2+ ).
Nikiel dietetyczny może wpływać na zdrowie człowieka poprzez infekcje bakteriami niklozależnymi, ale nikiel może być również niezbędnym składnikiem odżywczym dla bakterii żyjących w jelicie grubym, działając w efekcie jako prebiotyk . Amerykański Instytut Medyczny nie potwierdził, że nikiel jest niezbędnym składnikiem odżywczym dla ludzi, więc nie ustalono ani zalecanego dziennego spożycia (RDA), ani odpowiedniego spożycia. Dopuszczalny górny poziom spożycia niklu w diecie wynosi 1 mg dziennie w postaci rozpuszczalnych soli niklu. Szacunkowe spożycie wynosi od 70 do 100 µg dziennie; wchłania się mniej niż 10%. To, co jest wchłaniane, jest wydalane z moczem. Stosunkowo duże ilości niklu – porównywalne z szacowanym średnim spożyciem powyżej – przedostają się do żywności gotowanej w stali nierdzewnej. Na przykład ilość niklu wypłukanego po 10 cyklach gotowania w jednej porcji sosu pomidorowego wynosi średnio 88 µg.
Podejrzewa się , że nikiel uwalniany z erupcji wulkanów Siberian Traps pomaga we wzroście Methanosarcina , rodzaju archeonów euryarchaeote, który wytwarzał metan podczas wymierania permu i triasu , największego znanego masowego wymierania .
Toksyczność
Zagrożenia | |
---|---|
Etykietowanie GHS : | |
![]() ![]() ![]() |
|
Niebezpieczeństwo | |
H317 , H351 , H372 , H412 | |
P201 , P202 , P260 , P264 , P270 , P272 , P273 , P280 , P302+P352 , P308 +P313 , P333+P313 , P363 , P405 , P501 | |
NFPA 704 (ognisty diament) |
Głównym źródłem narażenia na nikiel jest spożycie doustne, ponieważ nikiel jest niezbędny dla roślin. Typowe stężenia niklu w tle nie przekraczają 20 ng/m 3 w powietrzu, 100 mg/kg w glebie, 10 mg/kg w roślinności, 10 μg/L w wodzie słodkiej i 1 μg/L w wodzie morskiej. Stężenia w środowisku mogą wzrosnąć w wyniku zanieczyszczenia przez człowieka . Na przykład niklowane krany mogą zanieczyszczać wodę i glebę; wydobycie i hutnictwo może spowodować zrzut niklu do ścieków ; naczynia kuchenne ze stopu niklu i stali oraz naczynia z pigmentem niklowym mogą uwalniać nikiel do żywności. Powietrze może być zanieczyszczone przez rafinację rudy niklu i spalanie paliw kopalnych . Ludzie mogą wchłaniać nikiel bezpośrednio z dymu tytoniowego i kontaktu skóry z biżuterią, szamponami , detergentami i monetami . Mniej powszechną formą przewlekłego narażenia jest hemodializa , ponieważ śladowe ilości jonów niklu mogą zostać wchłonięte do osocza w wyniku chelatującego działania albumin .
Średnie dzienne narażenie nie stanowi zagrożenia dla zdrowia ludzi. Większość niklu wchłanianego przez ludzi jest usuwana przez nerki i wydalana z organizmu z moczem lub jest wydalana przez przewód pokarmowy bez wchłaniania. Nikiel nie jest trucizną kumulacyjną, ale większe dawki lub chroniczne narażenie inhalacyjne może być toksyczne, a nawet rakotwórcze i stanowić zagrożenie zawodowe .
Związki niklu są klasyfikowane jako czynniki rakotwórcze dla ludzi na podstawie zwiększonego ryzyka raka układu oddechowego obserwowanego w badaniach epidemiologicznych pracowników rafinerii rudy siarczkowej. Potwierdzają to pozytywne wyniki testów biologicznych NTP z podsiarczkiem Ni i tlenkiem Ni u szczurów i myszy. Dane dotyczące ludzi i zwierząt konsekwentnie wskazują na brak rakotwórczości drogą doustną i ograniczają rakotwórczość związków niklu do nowotworów układu oddechowego po inhalacji. Nikiel metaliczny jest klasyfikowany jako podejrzany czynnik rakotwórczy; istnieje spójność między brakiem zwiększonego ryzyka zachorowania na raka układu oddechowego u pracowników narażonych głównie na nikiel metaliczny a brakiem nowotworów układu oddechowego w badaniu rakotwórczości inhalacyjnej sproszkowanego niklu przez całe życie na szczurach. W badaniach inhalacyjnych na gryzoniach z różnymi związkami niklu i niklu metalicznego obserwowano nasilone stany zapalne płuc z przerostem lub zwłóknieniem węzłów chłonnych oskrzeli lub bez nich. W badaniach na szczurach doustne spożycie rozpuszczalnych w wodzie soli niklu może wywołać śmiertelność okołoporodową u ciężarnych zwierząt. Nie jest jasne, czy skutki te odnoszą się do ludzi, ponieważ badania epidemiologiczne przeprowadzonych na wysoce narażonych pracownicach nie wykazały niekorzystnego wpływu toksyczności rozwojowej.
Ludzie mogą być narażeni na nikiel w miejscu pracy poprzez wdychanie, połykanie i kontakt ze skórą lub oczami. Urząd ds. Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (OSHA) ustalił prawny limit ( dopuszczalny limit narażenia ) dla miejsca pracy na 1 mg/m 3 na 8-godzinny dzień pracy, z wyłączeniem karbonylku niklu. Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (NIOSH) ustala zalecaną wartość graniczną narażenia (REL) na 0,015 mg/m 3 na 8-godzinny dzień pracy. Przy stężeniu 10 mg/m 3 nikiel jest bezpośrednio niebezpieczny dla życia i zdrowia . Karbonylek niklu [Ni(CO) 4 ] jest wyjątkowo toksycznym gazem. Toksyczność karbonylków metali jest funkcją zarówno toksyczności metalu, jak i odgazowywania tlenku węgla z karbonylowych grup funkcyjnych; karbonylek niklu jest również wybuchowy w powietrzu.
Osoby uczulone mogą wykazywać skórną alergię kontaktową na nikiel, znaną jako kontaktowe zapalenie skóry . Osoby silnie uczulone mogą również reagować na pokarmy o wysokiej zawartości niklu. Pacjenci z pompolisem mogą być również wrażliwi na nikiel. Nikiel jest najczęściej potwierdzonym alergenem kontaktowym na świecie, częściowo ze względu na jego zastosowanie w biżuterii do przekłutych uszu . Alergie na nikiel dotykające przekłute uszy są często naznaczone swędzącą, czerwoną skórą. Aby rozwiązać ten problem, wiele kolczyków jest obecnie wykonywanych bez niklu lub z niklem o niskim uwalnianiu. Dozwolona ilość w produktach mających kontakt ze skórą jest obecnie regulowana przez Unię Europejską . W 2002 roku badacze stwierdzili, że nikiel uwalniany przez monety o nominałach 1 i 2 euro znacznie przekraczał te normy. Uważa się, że jest to spowodowane reakcją galwaniczną . Nikiel został wybrany Alergenem Roku 2008 przez American Contact Dermatitis Society. W sierpniu 2015 r. American Academy of Dermatology przyjęła stanowisko w sprawie bezpieczeństwa niklu: „Szacunki sugerują, że kontaktowe zapalenie skóry, które obejmuje uczulenie na nikiel, kosztuje około 1,918 miliarda dolarów i dotyka prawie 72,29 miliona ludzi”.
Raporty pokazują, że zarówno indukowana niklem aktywacja czynnika indukującego hipoksję (HIF-1), jak i regulacja w górę genów indukowanych hipoksją są spowodowane wyczerpaniem wewnątrzkomórkowego askorbinianu . Dodanie askorbinianu do pożywki hodowlanej zwiększyło wewnątrzkomórkowy poziom askorbinianu i odwróciło indukowaną metalem stabilizację ekspresji genów zależnej od HIF-1 i HIF-1α.
Bibliografia
Linki zewnętrzne
- Nikiel w układzie okresowym filmów (University of Nottingham)
- CDC – nikiel – temat bezpieczeństwa i higieny pracy NIOSH
- Ocena higieny pracy narażenia skóry na nikiel w branżach produkcji podstawowej przeprowadzona przez GW Hughsona. Raport z badań Instytutu Medycyny Pracy TM/04/05
- Ocena higieny pracy narażenia skóry na nikiel w przemyśle produkcji podstawowej i użytkownikach podstawowych. Faza 2 Raport GW Hughson. Raport z badań Instytutu Medycyny Pracy TM/05/06
- „Metal, który przyniósł ci tanie loty” , BBC News