NIKKEL: TÖRTÉNELEM, TULAJDONSÁGOK, SZERKEZET, FELHASZNÁLÁSOK, KOCKÁZATOK - KÉMIA - 2025

A nikkel egy átmeneti fém fehér kémiai szimbóluma, a Ni. Keménysége nagyobb, mint a vasé, amellett, hogy jó hő- és villamosvezető, és általában fémnek tekinthető, amely nem túl reakcióképes, és nagyon ellenáll a korróziónak. Tiszta állapotában ezüst, arany árnyalatú.

1751-ben Axel Fredrik Cronsted svéd vegyésznek sikerült elkülönítenie egy Kupfernickel néven ismert ásványból (ördög réz), amelyet egy svéd faluban található kobaltbányából nyertek. Először Cronsted azt hitte, hogy az ásvány réz, ám az izolált elem fehérnek bizonyult, különbözik a rézétől.

Nikkelgömbök, amelyekben az arany tónusok ragyognak. Forrás: René Rausch

Cronsted az elemet nikkelnek nevezte el, és később kiderült, hogy a kupfernickel nevű ásvány nikolitot (nikkel-arzenid) tartalmaz.

A nikkel elsősorban két lerakódásból nyerhető: idegen kőzetekből és a föld magma más szegregációiból. Az ásványok kén jellegűek, mint például a pentladit. A nikkel második forrása a laterit, nikkelben gazdag ásványi anyagokkal, például a garnierittel.

A nikkel fő alkalmazási területe sok fémet tartalmazó ötvözetek képzése; Például rozsdamentes acél előállításában vesz részt, olyan ipari tevékenységben, amely a világ nikkeltermelésének mintegy 70% -át fogyasztja.

Ezenkívül a nikkel olyan ötvözetekben is felhasználható, mint az alnico, egy mágneses természetű ötvözet, amelyet villamos motorok, hangszórók és mikrofonok gyártására szántak.

A nikkel a 19. század közepén kezdődött az érmék gyártásában. Használatát azonban most felváltotta az olcsóbb fémek; bár néhány országban továbbra is használják.

A nikkel nélkülözhetetlen elem a növények számára, mivel aktiválja az ureáz enzimet, amely részt vesz a karbamid ammóniává történő lebontásában, amelyet a növények nitrogénforrásként használhatnak. Ezenkívül a karbamid mérgező vegyület, amely súlyos károkat okoz a növényeknek.

A nikkel az emberek számára nagymértékű mérgező elem, bizonyítékok vannak rákkeltő anyagokra. Ezen felül a nikkel kontakt dermatitiszt és allergiák kialakulását okozza.

Történelem

Antikvitás

Az ember az ősi idők óta ismerte a nikkel létezését. Például 2% -os nikkelszázalékot találtak bronz tárgyakban (Kr. E. 3500), amelyek jelenleg a Szíriához tartozó területeken találhatók.

Hasonlóképpen, a kínai kéziratok azt sugallják, hogy "baitong" néven ismert "fehér réz" -et Kr. E. 1700 és 1400 között használták. Az ásványt Nagy-Britanniaba exportálták a 17. században; de ennek az ötvözetnek a nikkeltartalmát (Cu-Ni) 1822-ig fedezték fel.

A középkori Németországban vöröses ásványt találtak, hasonlóan a rézhez, és amely zöld foltokkal rendelkezik. A bányász megpróbálta elkülöníteni a réz ércét, de kudarcot vallott. Ezen felül az ásványi anyaggal való érintkezés egészségügyi problémákat okozott.

Ezen okok miatt a bányászok az ásványt rosszindulatú állapotnak tulajdonították, és különféle nevekkel rendelték el, amelyek ezt az állapotot szemléltették; mint például az "Old Nick", valamint a kupfernickel (az ördög rézje). Most már ismert, hogy a kérdéses ásvány nikolit volt: nikkel-arzenid, NiA-k.

Felfedezés és előállítás

1751-ben Axel Fredrik Cronsted megpróbálta elkülöníteni a rézt a kupfernickelből, amelyet egy svéd falu Los Halsinglandt közelében található kobaltbányából nyertek. De csak egy fehérfémet kapott, amely eddig ismeretlen volt és nikkelnek nevezte.

1824-től kezdve a nikkel a kobaltkék előállításának mellékterméke. 1848-ban Norvégia-ban olvasztót létesítettek az ásványi pirrhotitban lévő nikkel feldolgozására.

1889-ben a nikkel bekerült az acélgyártásba, és Új-Kaledóniában felfedezett lerakódások biztosítják a nikkel világméretű fogyasztását.

Tulajdonságok

Megjelenés

Ezüstös fehér, ragyogó és enyhe arany árnyalatú.

Atomsúly

58,9344 u

Atomszám (Z)

28

Olvadáspont

1,455 ºC

Forráspont

2730 ºC

Sűrűség

- Szobahőmérsékleten: 8,908 g / ml

- Olvadáspont (folyadék): 7,81 g / ml

A fúziós hő

17,48 kJ / mol

A párolgás hője

379 kJ / mol

Moláris kalóriakapacitás

26,07 J / mol

elektronegativitás

1,91 a Pauling skálán

Ionizációs energia

Első ionizációs szint: 737,1 kJ / mol

Második ionizációs szint: 1,753 kJ / mol

Harmadik ionizációs szint: 3395 kJ / mol

Atomic radio

Empirikus 12:00

Kovalens sugár

124,4 ± 4 óra

Hővezető

90,9 W / (mK)

Elektromos ellenállás

69,3 nΩ m 20 ° C-on

Keménység

4.0 a Mohs skálán.

jellemzők

A nikkel egy elasztikus, temperönthető fém és nagyobb keménységű, mint a vas, jó elektromos és hővezető. Normál hőmérsékleten ferromágneses fém, Curie hőmérséklete 358ºC. Ennél magasabb hőmérsékleten a nikkel már nem feromágneses.

A nikkel a négy feromágneses elem egyike, a másik három pedig: vas, kobalt és gadolinium.

Izotóp

31 nikkel-izotóp van, amelyeket ⁴⁸ Ni és ⁷⁸ Ni korlátoz.

Öt természetes izotóp van: ⁵⁸ Ni, 68,27% -os bőséggel; ⁶⁰ Ni, 26,10% -os bőséggel; ⁶¹ Ni, 1,13% mennyiségben; ⁶² Ni, 3,59% -os bőséggel; és ⁶⁴ Ni, 0,9% -os bőséggel.

A nikkel körülbelül 59 u atomtömege azt mutatja, hogy egyik izotóp egyikében sem van jelentős túlsúly (annak ellenére, hogy ⁵⁸ Ni a legelterjedtebb).

Felépítés és elektronikus konfiguráció

A fém nikkel egy arcközpontú köbös (fcc) struktúrává kristályosodik. Ez az fcc fázis rendkívül stabil, és 70 GPa közeli nyomásig változatlan marad; Kevés bibliográfiai információ áll rendelkezésre a magas nyomás alatt lévő nikkel fázisairól vagy polimorf formáiról.

A nikkelkristályok morfológiája változó, mivel úgy vannak elrendezve, hogy nanocsöveket határozzanak meg. Nanorészecske vagy makroszkopikus szilárd anyagként a fémkötés változatlan marad (elméletben); vagyis ugyanazok a vegyérték elektronok tartják a Ni atomokat együtt.

A nikkel két lehetséges elektronikus konfigurációja szerint:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Tíz elektron vesz részt a fémkötésben; akár nyolc vagy kilenc a 3D-s pályán, akár kettő vagy egy a 4-es pályán. Vegye figyelembe, hogy a valencia sáv gyakorlatilag megtelt, közel ahhoz, hogy elektronjait a vezető sávba szállítsák; egy tény, amely magyarázza a viszonylag magas elektromos vezetőképességét.

A nikkel fcc struktúrája olyan stabil, hogy még acél is alkalmazza azt, amikor hozzáadják. Így a magas nikkeltartalmú rozsdamentes vas szintén fcc.

Oxidációs számok

A nikkelnek, bár ez nem tűnik úgy, bőséges számban vagy oxidációs állapotban van. A negatívok nyilvánvalóak, tudva, hogy 3D-s keringésének tíz részének befejezéséhez nincs két elektronja; így nyerhet egy vagy két elektronot, amelyek oxidációs száma -1 (Ni ^-) vagy -2 (Ni ^2-).

A nikkel legstabilabb oxidációs száma +2, feltételezve, hogy létezik a Ni ²⁺ kation, amely elvesztette a 4s pálya elektronjait és nyolc elektronot tartalmaz a 3d körüli pályán (3d ⁸).

Ezenkívül van még két pozitív oxidációs szám is: +3 (Ni ³⁺) és +4 (Ni ⁴⁺). Az iskolában vagy a középiskolában a nikkel csak Ni (II) vagy Ni (III) formájában létezik, mert az a leggyakoribb oxidációs szám a nagyon stabil vegyületekben.

És amikor egy fémes nikkel egy vegyület része, azaz semleges Ni atomjával, akkor azt mondják, hogy részt vesz vagy kötődik 0 (Ni ⁰) oxidációs számmal.

Hol található a nikkel?

Ásványok és tenger

A nikkel a földkéreg 0,007% -át teszi ki, tehát alacsony a bőség. De ez továbbra is a második legelterjedtebb fém a vas után a föld olvadt magjában, Nife néven ismert. A tengervíz átlagos nikkel-koncentrációja 5,6 · ^10–4 mg / L.

Általában fakó kőzetekben található, pentlandittel, vasból és nikkel-szulfidból képződött ásványi anyaggal, amely a nikkel egyik fő forrása:

A pentlandit és pirrhotit ásványokból álló kőzet. Forrás: John Sobolewski (JSS)

Az ásványi pentlandit a kanadai Ontario-ban, Sudbury-ben található; ennek a fémnek az egyik legfontosabb lerakódása a világon.

A pentlandit nikkel-koncentrációja 3 és 5% között van, ami a pirrhotithoz kapcsolódik, amely nikkelben gazdag vas-szulfid. Ezeket az ásványokat a kőzetekben találják meg, amelyek a föld magma elválasztásának termékei.

Laterites

A nikkel másik fontos forrása a lateritok, amelyek a forró régiók száraz talajaiból állnak. Szilícium-dioxidban szegények, és több ásványi anyagot tartalmaznak, többek között: garnierit, magnézium-nikkel-szilikát; és limonit, vasérc

Főleg rozsdamentes acél előállítására vasban ötvözve használják, mivel a nikkeltermelés 68% -át erre a célra használják.

Rézötvözetet képez, amely korrózióálló. Ez az ötvözet 60% nikkelből, 30% rézből és kis mennyiségben más fémekből, különösen vasból áll.

A nikkel ellenálló ötvözetekben, mágneses és egyéb célokra, például nikkel-ezüstben használják; és ötvözet, amely nikkelből és rézből áll, de nem tartalmaz ezüstöt. A Ni-Cu csöveket sótalanító üzemekben, árnyékolásban és érmék készítésében használják.

A nikkel az ötvözeteknek szilárdságot és szakítószilárdságot nyújt, amelyek ellenállnak a korróziónak. A réz, vas és króm ötvözetén kívül bronz, alumínium, ólom, kobalt, ezüst és arany ötvözetekben is használják.

A Monel ötvözet 17% nikkelből, 30% rézből és vas, mangán és szilícium nyomaiból áll. Ellenáll a tengervíznek, ezért ideális a hajócsavarokhoz történő felhasználásra.

Védő fellépés

A fluorral reagáló nikkel védőréteget képez a fluortartalmú elem számára, lehetővé téve a fémes nikkel vagy a Monel ötvözet felhasználását a fluorgázvezetékekben.

A nikkel ellenáll a lúgok hatásának. Ezért koncentrált nátrium-hidroxidot tartalmazó tartályokban használják. Ezt a galvanizálást használják más fémek védőfelületének létrehozására is.

Egyéb felhasználások

A nikkel redukálószerként hat fémet használ fel az ásványok platina-csoportjából, amelyben össze vannak keverve; elsősorban platina és palládium. Nikkelhabot vagy hálót használnak alkáli üzemanyag-elemek elektródáinak gyártásához.

A nikkel a telítetlen növényi zsírsavak hidrogénezésének katalizátoraként szolgál, amelyet a margarin előállítási folyamatában használnak. A réz és a Cu-Ni ötvözet antibakteriálisan hat az E. coli-ra.

A nanorészecskék

A nikkel nanorészecskék (NPs-Ni) sokféle felhasználást találnak, mivel nagyobb felületük van, mint egy makroszkopikus minta. Amikor ezeket az NP-Ni növényi kivonatokból szintetizálják, antimikrobiális és antibakteriális hatást fejtenek ki.

A fentiek oka annak nagyobb hajlandósága, hogy vízzel érintkezve oxidálódjon, Ni ²⁺ kationokat és erősen reakcióképes oxigéncsoportokat képezve, amelyek denaturálják a mikrobiális sejteket.

Másrészt az NPs-Ni elektróda anyagként kerül felhasználásra szilárd tüzelőanyag-cellákban, rostokban, mágnesekben, mágneses folyadékokban, elektronikus alkatrészekben, gázérzékelőkben stb. Hasonlóképpen, ezek katalitikus hordozók, adszorbensek, fehérítőszerek és szennyvíztisztítók.

-Composites

A nikkel-kloridot, a nitrátot és a szulfátot nikkelfürdőkben használják az galvanizálás során. Ezenkívül szulfát-sóját katalizátorok és lágyítószerek előállításához használják a textilfestékekhez.

A nikkel-peroxidot az akkumulátorok használják. A nikkel-ferriteket mágneses magként használják antennákban, különféle elektromos berendezésekben.

A nikkel-terc-karbonil szén-monoxidot biztosít az akrilátok szintéziséhez acetilénből és alkoholokból. A bárium és a nikkel kombinált oxidja (BaNiO ₃) nyersanyagként szolgál számos újratölthető elem, például Ni-Cd, Ni-Fe és Ni-H katódjainak előállításához.

Biológiai szerepe

A növények növekedéséhez nikkel jelenléte szükséges. Ismert, hogy kofaktorként különféle növényi enzimek, köztük az ureáz; enzim, amely karbamidot ammóniává alakítja, és képes ezt a vegyületet felhasználni a növények működéséhez.

Ezenkívül a karbamid felhalmozódása megváltoztatja a növények leveleit. A nikkel katalizátorként segíti elő a hüvelyesek nitrogén-rögzítését.

A nikkelhiányra leginkább érzékeny növények a hüvelyesek (bab és lucerna), árpa, búza, szilva és őszibarack. Hiánya a növényekben klórozással, levelek esésével és növekedési hiányosságokkal nyilvánul meg.

Néhány baktériumban az ureáz enzim a nikkeltől függ, de úgy vélik, hogy ezek virulens hatással lehetnek az általuk lakott szervezetekre.

Más bakteriális enzimek, mint például a szuperoxid-diszmutáz, valamint a baktériumokban és néhány parazitában, például a tripánoszómákban jelen lévő glicidáz, nikkeltől függenek. Ugyanakkor a magasabb fajokban ugyanazok az enzimek nem a nikkeltől, hanem a cinktől függenek.

kockázatok

Nagy mennyiségű nikkel bevétele a tüdő-, orr-, gég- és prosztatarák kialakulásához és fejlődéséhez kapcsolódik. Ezen felül légzési problémákat, légzési elégtelenséget, asztmát és hörghurutot okoz. A nikkelgőzök tüdő irritációt okozhatnak.

A nikkel a bőrrel érintkezve túlérzékenységet okozhat, amely később allergiát vált ki, bőrkiütés formájában nyilvánul meg.

A bőr nikkelnek való kitettsége a korábban szenzibilizált embereknél „nikkel viszketésként” ismert dermatitist okozhat. A nikkellel szembeni szenzibilizáció hatására határozatlan ideig fennáll.

A Nemzetközi Rákkutató Ügynökség (IARC) a nikkelvegyületeket az 1. csoportba sorolta (elegendő bizonyíték van a karcinogenitásra emberben). Az OSHA azonban nem szabályozza a nikkel mint rákkeltő anyagot.

Ajánlott, hogy a fém-nikkel és vegyületeinek való kitettség ne haladja meg az 1 mg / m ³ -ot nyolc órán keresztül egy negyven órás munkahét alatt. A nikkel-karbonil és a nikkel-szulfid erősen mérgező vagy karcinogén vegyületek.

Irodalom

1. Muhammad Imran Din és Aneela Rani. (2016). A nikkel és nikkel-oxid nanorészecskék szintézisének és stabilizálásának legújabb előnyei: Zöld alkalmazkodóképesség. International Journal of Analytical Chemistry, vol. 2016, ID ID: 3512145, 14 oldal, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Nikkel alapú nanorészecskék mint adszorbensek a víztisztítási módszerekben - áttekintés. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nikkel. Helyreállítva: en.wikipedia.org
4. Nickel Institute. (2018). Rozsdamentes acél: A nikkel szerepe. Helyreállítva: nickelinstitute.org
5. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019. március 20.). Nikkel. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
6. Troy Buechel. (2018. október 05.) A nikkel szerepe a növénytermesztésben. Promix. Helyreállítva: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Periódusos rendszer: Nikkel. Helyreállítva: lenntech.com
8. Bell Terence. (2019. július 28.). Nikkel-fém profil. Helyreállítva: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. június 22.). 10 nikkel elem. Helyreállítva: gondolat.com
10. Dinni Nurhayani és Akhmad A. Korda. (2015). A nikkel hozzáadása hatása a réz-nikkel ötvözet antimikrobiális, fizikai és mechanikai tulajdonságaira az Escherichia coli szuszpenziói ellen. AIP Conference Proceedings 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727