Historia niklu, właściwości, struktura, zastosowania, zagrożenia

1172
Simon Doyle

Plik nikiel Jest to biały metal przejściowy, którego symbolem chemicznym jest Ni. Jego twardość jest większa niż żelaza, oprócz tego, że jest dobrym przewodnikiem ciepła i elektryczności, i ogólnie jest uważany za metal, który nie jest bardzo reaktywny i jest wysoce odporny na korozję. W stanie czystym jest srebrny ze złotymi odcieniami.

W 1751 roku szwedzki chemik Axel Fredrik Cronsted zdołał wyodrębnić go z minerału znanego jako Kupfernickel (diabelska miedź), wydobywanego z kopalni kobaltu w szwedzkiej wiosce. Początkowo Cronsted myślał, że minerał to miedź, ale wyodrębniony element okazał się mieć biały kolor, różniący się od miedzi..

Kule niklu, w których prześwitują jego złote odcienie. Źródło: René Rausch [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Cronsted nazwał ten pierwiastek niklem, a później ustalono, że minerałem zwanym kupfernickel był nikolit (arsenek niklu).

Nikiel pozyskuje się głównie z dwóch złóż: skał magmowych i innych segregacji magmy ziemskiej. Minerały mają charakter siarkowy, podobnie jak pentladit. Drugim źródłem niklu są lateryty z minerałami bogatymi w nikiel, takimi jak garnieryt.

Głównym zastosowaniem niklu jest tworzenie stopów z wieloma metalami; na przykład zajmuje się produkcją stali nierdzewnej, działalnością przemysłową, która zużywa około 70% światowej produkcji niklu.

Ponadto nikiel jest stosowany w stopach takich jak alnico, stop o charakterze magnetycznym przeznaczony do produkcji silników elektrycznych, głośników i mikrofonów..

Nikiel zaczął być używany do produkcji monet w połowie XIX wieku. Jednak jego zastosowanie zostało obecnie zastąpione tańszymi metalami; chociaż nadal jest używany w niektórych krajach.

Nikiel jest niezbędnym pierwiastkiem dla roślin, ponieważ aktywuje enzym ureazę, który bierze udział w degradacji mocznika do amoniaku, który może być wykorzystywany przez rośliny jako źródło azotu. Ponadto mocznik jest związkiem toksycznym, który powoduje poważne uszkodzenia roślin..

Nikiel jest pierwiastkiem o dużej toksyczności dla ludzi, istnieją dowody na to, że jest czynnikiem rakotwórczym. Ponadto nikiel powoduje kontaktowe zapalenie skóry i rozwój alergii..

Indeks artykułów

  • 1 Historia
    • 1.1 Starożytność
    • 1.2 Odkrycie i produkcja
  • 2 Właściwości
    • 2.1 Wygląd
    • 2.2 Masa atomowa
    • 2.3 Liczba atomowa (Z)
    • 2.4 Temperatura topnienia
    • 2.5 Temperatura wrzenia
    • 2.6 Gęstość
    • 2.7 Ciepło topnienia
    • 2.8 Ciepło parowania
    • 2,9 Molowa pojemność cieplna
    • 2.10 Elektroujemność
    • 2.11 Energia jonizacji
    • 2.12 Promień atomowy
    • 2.13 Promień kowalencyjny
    • 2.14 Przewodność cieplna
    • 2.15 Oporność elektryczna
    • 2.16 Twardość
    • 2.17 Funkcje
    • 2.18 Izotopy
  • 3 Struktura i konfiguracja elektroniczna
    • 3.1 stopnie utlenienia
  • 4 Gdzie znajduje się nikiel?
    • 4.1 Minerały i morze
    • 4.2 Lateryci
    • 4.3 Meteoryty i ropa
  • 5 zastosowań
    • 5.1 -Pierwiastkowy nikiel
    • 5.2 -Kompozyty
  • 6 Rola biologiczna
  • 7 Ryzyka
  • 8 Odniesienia

Fabuła

Antyk

Mężczyzna wiedział od czasów starożytnych o istnieniu niklu. Na przykład w przedmiotach z brązu (3500 pne), obecnych na ziemiach należących obecnie do Syrii, stwierdzono 2% zawartość niklu..

Również chińskie rękopisy sugerują, że „biała miedź”, znana jako baitong, była używana między 1700 a 1400 rokiem pne. Minerał został wywieziony do Wielkiej Brytanii w XVII wieku; ale zawartość niklu w tym stopie (Cu-Ni) odkryto dopiero w 1822 r.

W średniowiecznych Niemczech znaleziono czerwonawy minerał, podobny do miedzi, z zielonymi plamami. Górnicy próbowali odizolować miedź od rudy, ale ich próba nie powiodła się. Ponadto kontakt z minerałem powodował problemy zdrowotne.

Z tych powodów górnicy przypisywali minerałowi złośliwy stan i przypisywali mu różne nazwy, które ilustrują ten stan; jako „Old Nick”, także kupfernickel (diabelska miedź). Teraz wiadomo, że omawianym minerałem był nikolit: arsenek niklu, NiAs.

Odkrycie i produkcja

W 1751 roku Axel Fredrik Cronsted próbował wyodrębnić miedź z kupfernickela, uzyskanego z kopalni kobaltu położonej w pobliżu szwedzkiej wioski Los Halsinglandt. Ale udało mu się tylko uzyskać biały metal, który do tej pory był nieznany i nazwał go niklem..

Od 1824 r. Nikiel uzyskiwano jako produkt uboczny przy produkcji błękitu kobaltowego. W 1848 r. W Norwegii założono hutę, w której przetwarzano nikiel obecny w pirotycie mineralnym..

W 1889 r. Nikiel został wprowadzony do produkcji stali, a złoża odkryte w Nowej Kaledonii dostarczyły niklu do światowej konsumpcji..

Nieruchomości

Wygląd

Srebrzystobiały, lśniący z lekkim złotym odcieniem.

Masa atomowa

58.9344 u

Liczba atomowa (Z)

28

Temperatura topnienia

1455 ° C

Temperatura wrzenia

2,730 ºC

Gęstość

-W temperaturze pokojowej: 8,908 g / ml

-W temperaturze topnienia (ciecz): 7,81 g / ml

Ciepło topnienia

17,48 kJ / mol

Ciepło parowania

379 kJ / mol

Molowa pojemność cieplna

26,07 J / mol

Elektroujemność

1,91 w skali Paulinga

Energia jonizacji

Pierwszy stopień jonizacji: 737,1 kJ / mol

Drugi poziom jonizacji: 1753 kJ / mol

Trzeci poziom jonizacji: 3395 kJ / mol

Radio atomowe

Empiryczne 124 pm

Promień kowalencyjny

124,4 ± 16:00

Przewodność cieplna

90,9 W / (m · K)

Rezystancja

69,3 nΩ · m przy 20 ºC

Twardość

4,0 w skali Mohsa.

Charakterystyka

Nikiel jest ciągliwym, ciągliwym metalem i ma większą twardość niż żelazo, będąc dobrym przewodnikiem elektrycznym i cieplnym. W normalnych temperaturach jest metalem ferromagnetycznym, a jego temperatura Curie wynosi 358 ºC. W wyższych temperaturach nikiel nie jest już ferromagnetyczny.

Nikiel jest jednym z czterech pierwiastków ferromagnetycznych, pozostałe trzy to: żelazo, kobalt i gadolin.

Izotopy

Istnieje 31 izotopów niklu, ograniczonych przez 48Ani i 78Ani.

Istnieje pięć naturalnych izotopów: 58Ni, z zawartością 68,27%; 60Ni, z obfitością 26,10%; 61Ni, z zawartością 1,13%; 62Ni, z zawartością 3,59%; Y 64Ni, z obfitością 0,9%.

Masa atomowa niklu wynosząca około 59 u wskazuje, że nie ma wyraźnej przewagi w żadnym z izotopów (chociaż 58Nie jest też najbardziej obfity).

Struktura i konfiguracja elektroniczna

Metaliczny nikiel krystalizuje do struktury sześciennej centrowanej powierzchni (fcc). Ta faza fcc jest wyjątkowo stabilna i pozostaje niezmieniona do ciśnień bliskich 70 GPa; istnieje niewiele informacji bibliograficznych dotyczących faz niklu lub polimorfów pod wysokim ciśnieniem.

Morfologia kryształów niklu jest zmienna, ponieważ mogą być ułożone w taki sposób, że definiują nanorurkę. Jako nanocząstka lub makroskopijne ciało stałe, wiązanie metaliczne pozostaje takie samo (w teorii); to znaczy są to te same elektrony walencyjne, które utrzymują razem atomy Ni.

Zgodnie z dwiema możliwymi konfiguracjami elektronicznymi dla niklu:

[Ar] 3d8 4sdwa

[Ar] 3d9 4s1

W wiązaniu metalicznym zaangażowanych jest dziesięć elektronów; osiem lub dziewięć na orbicie 3d, razem z dwoma lub jednym na orbicie 4s. Zauważ, że pasmo walencyjne jest praktycznie pełne, bliskie przeniesienia elektronów do pasma przewodnictwa; fakt, który wyjaśnia jego stosunkowo wysoką przewodność elektryczną.

Struktura fcc niklu jest tak stabilna, że ​​po dodaniu zostaje przyjęta nawet przez stal. Tak więc żelazo nierdzewne o wysokiej zawartości niklu jest również fcc.

Liczby utleniania

Nikiel, choć może się tak nie wydawać, ma również liczne liczby lub stopnie utlenienia. Negatywy są oczywiste, wiedząc, że brakuje mu tylko dwóch elektronów, aby ukończyć dziesiątkę jego trójwymiarowej orbity; w ten sposób może zyskać jeden lub dwa elektrony o stopniu utlenienia -1 (Ni-) lub -2 (Nidwa-), odpowiednio.

Najbardziej stabilny stopień utlenienia niklu wynosi +2, zakładając istnienie kationu Nidwa+, który stracił elektrony z orbity 4s i ma osiem elektronów na orbicie 3d (3d8).

Istnieją również dwie inne dodatnie stopnie utlenienia: +3 (Ni3+) i +4 (Ni4+). Na poziomie szkoły lub liceum nikiel jest nauczany istnieć tylko jako Ni (II) lub Ni (III), ponieważ są to najpowszechniejsze stopnie utlenienia występujące w bardzo stabilnych związkach..

A kiedy jest to metaliczny nikiel, który jest częścią związku, to znaczy z jego neutralnym atomem Ni, to mówi się, że uczestniczy lub wiąże się ze stopniem utlenienia 0 (Ni0).

Gdzie znajduje się nikiel?

Minerały i morze

Nikiel stanowi 0,007% skorupy ziemskiej, więc jego obfitość jest niewielka. Ale nadal jest drugim najbardziej rozpowszechnionym metalem po żelazie w stopionym rdzeniu ziemi, znanym jako Nife. Woda morska ma średnie stężenie niklu na poziomie 5,6 · 10-4 mg / l.

Zwykle występuje w skałach magmowych, będąc pentlandytem, ​​minerałem utworzonym z siarczku żelaza i niklu [(Ni, Fe)9S8], jedno z głównych źródeł niklu:

Skała złożona z minerałów pentlandytu i pirotytu. Źródło: John Sobolewski (JSS) [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Pentlandyt mineralny występuje w Sudbury, Ontario, Kanada; jedno z głównych złóż tego metalu na świecie.

Pentlandyt ma stężenie niklu od 3 do 5%, co jest związane z pirotytem, ​​siarczkiem żelaza bogatym w nikiel. Minerały te znajdują się w skałach, produktach segregacji magmy lądowej.

Lateryci

Innym ważnym źródłem niklu są lateryty, które tworzą suche gleby w gorących regionach. Są ubogie w krzemionkę i zawierają kilka minerałów, w tym: garnieryt, krzemian niklowo-magnezowy; i limonit, ruda żelaza [(Fe, Ni) O (OH) o zawartości od 1 do 2% niklu.

Szacuje się, że 60% niklu pozyskuje się z laterytów, a pozostałe 40% z magmowych złóż siarki..

Meteoryty i ropa

Nikiel znajduje się również w meteorytach żelaznych ze stopami kamacytu i taenitu. Kamacita to stop żelaza i niklu, którego udział procentowy wynosi 7%; podczas gdy taenit to ten sam stop, ale z zawartością niklu między 20 a 65%.

Nikiel wiąże się ze związkami organicznymi, dlatego występuje w dużych stężeniach w węglu i ropie naftowej.

Chiny są największym na świecie producentem niklu, a za nimi plasują się Rosja, Japonia, Australia i Kanada.

Aplikacje

-Nikiel pierwiastkowy

Stopy

Zawór wykonany ze stopu monelu. Źródło: Heather Smith [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

W stopie z żelazem jest stosowany głównie do produkcji stali nierdzewnej, ponieważ 68% produkcji niklu jest wykorzystywane do tego celu.

Tworzy również odporny na korozję stop z miedzią. Ten stop składa się w 60% z niklu, 30% z miedzi i niewielkich ilości innych metali, zwłaszcza żelaza..

Nikiel jest stosowany w stopach rezystancyjnych, magnetycznych i innych, takich jak srebro niklowe; oraz stop składający się z niklu i miedzi, ale niezawierający srebra. Rury Ni-Cu są używane w zakładach odsalania, ekranowaniu i produkcji monet.

Nikiel zapewnia twardość i wytrzymałość na rozciąganie stopom, co zwiększa odporność na korozję. Oprócz stopów z miedzią, żelazem i chromem jest stosowany w stopach z brązem, aluminium, ołowiem, kobaltem, srebrem i złotem..

Stop Monelu składa się w 17% z niklu, 30% z miedzi oraz ze śladami żelaza, manganu i krzemu. Jest odporny na wodę morską, dzięki czemu idealnie nadaje się do stosowania na śrubach napędowych łodzi.

Działanie ochronne

Nikiel reagujący z fluorem tworzy warstwę ochronną pierwiastka fluoru, umożliwiając stosowanie metalicznego niklu lub stopu monelu w przewodach gazowych fluoru.

Nikiel jest odporny na działanie zasad. Z tego powodu jest stosowany w pojemnikach zawierających stężony wodorotlenek sodu. Jest również stosowany w galwanotechnice do tworzenia powierzchni ochronnej dla innych metali..

Inne zastosowania

Nikiel jest stosowany jako środek redukujący dla sześciu metali z grupy minerałów platynowców, w których jest połączony; głównie platyna i pallad. Pianka lub siatka niklowa jest używana do produkcji elektrod do baterii alkalicznych.

Nikiel jest używany jako katalizator do uwodornienia nienasyconych roślinnych kwasów tłuszczowych w procesie produkcji margaryny. Miedź i stop Cu-Ni działają antybakteryjnie na E. coli.

Nanocząsteczki

Nanocząsteczki niklu (NPs-Ni) mają szerokie zastosowanie ze względu na ich większą powierzchnię w porównaniu z próbką makroskopową. Kiedy te NP-Ni są syntetyzowane z ekstraktów roślinnych, rozwijają działanie przeciwbakteryjne i przeciwbakteryjne.

Przyczyną powyższego jest większa skłonność do utleniania się w kontakcie z wodą, tworząc kationy Ni.dwa+ oraz wysoce reaktywne utlenione formy denaturujące komórki drobnoustrojów.

Z drugiej strony NPs-Ni są stosowane jako materiał elektrody w ogniwach paliw stałych, włóknach, magnesach, płynach magnetycznych, częściach elektronicznych, czujnikach gazu itp. Są również nośnikami katalitycznymi, adsorbentami, środkami wybielającymi i oczyszczaczami ścieków..

-Związki

Chlorek niklu, azotan i siarczan są używane w kąpielach niklowych w galwanotechnice. Ponadto jego sól siarczanowa jest używana do wytwarzania katalizatorów i zapraw do barwienia tekstyliów..

Nadtlenek niklu jest używany w akumulatorach. Ferryty niklowe są używane jako rdzenie magnetyczne w antenach w różnych urządzeniach elektrycznych.

Tertrakarbonyl niklu dostarcza tlenku węgla do syntezy akrylanów z acetylenu i alkoholi. Połączony tlenek baru i niklu (BaNiO3) służy jako surowiec do produkcji katod wielu akumulatorów, takich jak Ni-Cd, Ni-Fe i Ni-H.

Rola biologiczna

Rośliny wymagają do wzrostu obecności niklu. Wiadomo, że jest stosowany jako kofaktor przez różne enzymy roślinne, w tym ureazę; enzym, który przekształca mocznik w amoniak, będąc w stanie wykorzystać ten związek w funkcjonowaniu roślin.

Ponadto nagromadzenie mocznika powoduje zmiany w liściach roślin. Nikiel działa jako katalizator wspomagający wiązanie azotu przez rośliny strączkowe.

Uprawami najbardziej wrażliwymi na niedobór niklu są rośliny strączkowe (fasola i lucerna), jęczmień, pszenica, śliwki i brzoskwinie. Jej niedobór objawia się u roślin chlorozą, opadaniem liści i niedoborami wzrostu.

W niektórych bakteriach enzym ureaza jest zależny od niklu, ale uważa się, że mogą one mieć zjadliwe działanie w organizmach zamieszkujących.

Inne enzymy bakteryjne, takie jak dysmutaza ponadtlenkowa, a także gliksydaza obecna w bakteriach i niektórych pasożytach, na przykład w trypanosomach, są zależne od niklu. Jednak te same enzymy w wyższych gatunkach nie są zależne od niklu, ale od cynku.

Ryzyka

Spożycie dużych ilości niklu jest związane z powstawaniem i rozwojem raka płuc, nosa, krtani i prostaty. Ponadto powoduje problemy z oddychaniem, niewydolność oddechową, astmę i zapalenie oskrzeli. Opary niklu mogą powodować podrażnienie płuc.

Kontakt niklu ze skórą może powodować uczulenie, które następnie wywołuje alergię objawiającą się wysypką skórną.

Narażenie skóry na nikiel może wywołać zapalenie skóry znane jako „swędzenie niklu” u osób wcześniej uczulonych. Po uczuleniu na nikiel utrzymuje się przez czas nieokreślony.

Międzynarodowa Agencja Badań nad Rakiem (IARC) umieściła związki niklu w grupie 1 (istnieją wystarczające dowody na rakotwórczość u ludzi). Jednak OSHA nie reguluje niklu jako czynnika rakotwórczego..

Zaleca się, aby ekspozycja na nikiel metaliczny i jego związki nie przekraczała 1 mg / m3 osiem godzin pracy w czterdziestogodzinnym tygodniu pracy. Karbonyl niklu i siarczek niklu są związkami silnie toksycznymi lub rakotwórczymi.

Bibliografia

  1. Muhammad Imran Din i Aneela Rani. (2016). Ostatnie postępy w syntezie i stabilizacji nanocząstek niklu i tlenku niklu: zielona zdolność. International Journal of Analytical Chemistry, vol. 2016, identyfikator artykułu 3512145, 14 stron, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
  2. Ravindhranath K., Ramamoorty M. (2017). Nanocząsteczki na bazie niklu jako adsorbenty w metodach oczyszczania wody - przegląd. Orient J Chem 2017-33 (4).
  3. Wikipedia. (2019). Nikiel. Odzyskane z: en.wikipedia.org
  4. Nickel Institute. (2018). Stal nierdzewna: rola niklu. Odzyskany z: nickelinstitute.org
  5. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (20 marca 2019). Nikiel. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com
  6. Troy Buechel. (05 października 2018). Rola niklu w uprawie roślin. Promix. Odzyskane z: pthorticulture.com
  7. Lenntech. (2019). Układ okresowy: nikiel. Odzyskany z: lenntech.com
  8. Bell Terence. (28 lipca 2019). Profil z niklowanego metalu. Odzyskany z: thebalance.com
  9. Helmenstine, dr Anne Marie (22 czerwca 2018). 10 faktów dotyczących pierwiastków niklu. Odzyskany z: thinkco.com
  10. Dinni Nurhayani & Akhmad A. Korda. (2015). Wpływ dodatku niklu na właściwości przeciwdrobnoustrojowe, fizyczne i mechaniczne stopu miedzi z niklem wobec zawiesin Escherichia coli. AIP Conference Proceedings 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727

Jeszcze bez komentarzy