НІКЕЛЬ: ІСТОРІЯ, ВЛАСТИВОСТІ, СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ, РИЗИКИ - ХІМІЯ - 2025

Нікелю являє собою перехідний метал білого хімічний символ Ni. Його твердість більша, ніж у заліза, окрім того, що він є хорошим провідником тепла та електрики, і в цілому він вважається металом, який не є дуже реакційноздатним і відрізняється високою стійкістю до корозії. У чистому стані це срібло із золотистими відтінками.

У 1751 році шведському хіміку Акселю Фредріку Кронстеду вдалося виділити його з мінералу, відомого як Купфернікель (чортова мідь), видобутого з шахти кобальту в шведському селі. Спочатку Кронстед думав, що мінерал - мідь, але виділений елемент виявився білого кольору, відмінним від мідного.

Сфери нікелю, в яких просвічують його золотисті тони. Джерело: Рене Рауш

Кронштейн назвав елемент нікель, і пізніше було встановлено, що мінерал під назвою купфернікель був ніколіт (арсенід нікелю).

Нікель видобувається в основному з двох родовищ: магматичних гірських порід та інших відокремлювань земної магми. Корисні копалини мають сульфуровий характер, як і пентоліт. Другим джерелом нікелю є латерити з мінералами, багатими нікелем, такими як гарнієрит.

Основне застосування нікелю полягає у формуванні сплавів з багатьма металами; наприклад, він бере участь у виробництві нержавіючої сталі, промисловій діяльності, яка споживає близько 70% світового виробництва нікелю.

Крім того, нікель використовується в таких сплавах, як альніко, сплав магнітної природи, призначений для виготовлення електродвигунів, колонок і мікрофонів.

Нікель почали використовувати при виготовленні монет в середині 19 століття. Однак його використання зараз замінено на використання менш дорогих металів; хоча він продовжує застосовуватися в деяких країнах.

Нікель є важливим елементом для рослин, оскільки він активує фермент уреазу, яка втручається в деградацію сечовини до аміаку, який може використовуватися рослинами як джерело азоту. Крім того, сечовина є токсичною сполукою, яка завдає серйозної шкоди рослинам.

Нікель є елементом великої токсичності для людини, є дані про канцерогенний агент. Крім того, нікель викликає контактний дерматит і розвиток алергії.

Історія

Античність

Чоловік знав з давніх часів існування нікелю. Наприклад, вміст нікелю в 2% було виявлено в бронзових предметах (3500 р. До н. Е.), Присутніх на землях, які нині належать Сирії.

Крім того, китайські рукописи говорять про те, що "біла мідь", відома як байтунг, використовувалася між 1700 та 1400 рр. До н.е. але вміст нікелю в цьому сплаві (Cu-Ni) було виявлено до 1822 року.

У середньовічній Німеччині був знайдений червонуватий мінерал, схожий на мідь, який мав зелені плями. Гірники намагалися ізолювати мідь з руди, але в їх спробі не вдалося. Крім того, контакт із мінералом спричинив проблеми зі здоров’ям.

З цих причин гірники віднесли мінерал до злоякісного стану та присвоїли йому різні назви, що ілюстрували цей стан; як "Старий Нік", також купфернікель (мідь диявола). Зараз відомо, що мінерал, про який йдеться, був ніколіт: нікель арсенід нікель.

Відкриття та виробництво

У 1751 році Аксель Фредрік Кронстед спробував ізолювати мідь із купфернікелю, отриманого з шахти кобальту, розташованої недалеко від шведського селища Лос Халсінглендт. Але йому вдалося лише отримати білий метал, який досі був невідомий і назвав його нікелем.

Починаючи з 1824 року, нікель був отриманий як побічний продукт виробництва кобальтового синього. У 1848 році в Норвегії було створено плавильний завод для переробки нікелю, присутнього в мінеральному піротиті.

У 1889 році в виробництво сталі вводився нікель, а родовища, виявлені в Новій Каледонії, надавали нікель світовому споживанню.

Властивості

Зовнішній вигляд

Сріблясто-білий, блискучий і з легким золотистим відтінком.

Атомна вага

58.9344 u

Атомне число (Z)

28

Точка плавлення

1,455 ºC

Точка кипіння

2730 ºC

Щільність

-В кімнатній температурі: 8,908 г / мл

-По температурі плавлення (рідка): 7,81 г / мл

Тепло синтезу

17,48 кДж / моль

Тепло випаровування

379 кДж / моль

Молярна калорійність

26,07 Дж / моль

Електронегативність

1,91 за шкалою Полінга

Енергія іонізації

Перший рівень іонізації: 737,1 кДж / моль

Другий рівень іонізації: 1,753 кДж / моль

Третій рівень іонізації: 3,395 кДж / моль

Атомне радіо

Емпіричні 124 вечора

Ковалентний радіус

124,4 ± 4 вечора

Теплопровідність

90,9 Вт / (м К)

Електричний опір

69,3 nΩ м при 20 ºC

Твердість

4,0 за шкалою Мооса.

характеристики

Нікель є пластичним, ковким металом і має більшу твердість, ніж залізо, будучи хорошим електричним і тепловим провідником. Це феромагнітний метал при нормальних температурах, температура його Кюрі - 358ºC. При температурі вище цієї нікель вже не феромагнітний.

Нікель - один із чотирьох феромагнітних елементів, інші три - залізо, кобальт та гадоліній.

Ізотопи

Є 31 ізотоп нікелю, обмежений ⁴⁸ Ni і ⁷⁸ Ni.

Існує п’ять природних ізотопів: ⁵⁸ Ni, з достатністю 68,27%; ⁶⁰ Ni, з великою кількістю 26,10%; ⁶¹ Ni, з достатністю 1,13%; ⁶² Ni, з великою кількістю 3,59%; і ⁶⁴ Ni, з величиною 0,9%.

Вага атома, що становить ні 59 нікелів, свідчить про відсутність помітного переважання в жодному із ізотопів (хоча ⁵⁸ Ni є найпоширенішим).

Структура та електронна конфігурація

Нікель металевий кристалізується в кубічну (FCC) структуру, орієнтовану на обличчя. Ця фаза FCC надзвичайно стабільна і залишається незмінною до тиску, близького до 70 ГПа; Бібліографічної інформації щодо фаз або поліморфів нікелю під високим тиском мало.

Морфологія кристалів нікелю мінлива, оскільки вони можуть бути розташовані таким чином, що вони визначають нанотрубку. Як наночастинка або макроскопічне тверде речовина, металевий зв’язок залишається колишнім (теоретично); тобто це ті самі валентні електрони, які утримують атоми Ni разом.

Відповідно до двох можливих електронних конфігурацій для нікелю:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

У металевому зв’язку бере участь десять електронів; або вісім, або дев'ять у 3d орбіталі, разом з двома або однією в орбіталі 4с. Зауважте, що валентна смуга практично повна, близька до транспортування своїх електронів до зони провідності; факт, що пояснює його відносно високу електропровідність.

Структура FCC нікелю настільки стійка, що навіть при додаванні до неї приймається сталь. Таким чином, нержавіюче залізо з високим вмістом нікелю також є Fcc.

Окислювальні числа

Хоча нікель, хоча це і не здається таким, має велику кількість або окислювальний стан. Негативи очевидні, знаючи, що йому просто не вистачає двох електронів, щоб виконати десять своїх 3d орбіталей; таким чином, він може набрати один або два електрона, маючи окислювальні числа -1 (Ni ^- ) або -2 (Ni ^2- ) відповідно.

Найбільш стабільне число окислення нікелю - +2, якщо припустити існування катіона Ni ²⁺ , який втратив електрони орбіталі 4s і має вісім електронів у 3d орбіталі (3d ⁸ ).

Також є два інші позитивні числа окислення: +3 (Ni ³⁺ ) і +4 (Ni ⁴⁺ ). На шкільних або середніх шкільних рівнях нікель вчать існувати лише як Ni (II) або Ni (III), це тому, що вони є найпоширенішими числами окислення, виявленими у дуже стійких сполуках.

А коли металевий нікель входить до складу сполуки, тобто з його нейтральним атомом Ni, тоді, як кажуть, бере участь або зв'язується з числом окислення 0 (Ni ⁰ ).

Де знаходиться нікель?

Корисні копалини та море

Нікель становить 0,007% земної кори, тому його достатність низька. Але це все-таки другий за поширеністю метал після заліза в розплавленому ядрі Землі, відомий як Nife. Морська вода має середню концентрацію нікелю 5,6 · 10 ^-4 мг / л.

Зазвичай він міститься в магматичних породах, пенлендиті, мінералі, утвореному із заліза та сульфіду нікелю, який є одним із основних джерел нікелю:

Скеля, складена з мінералів пенлендиту та пірротиту. Джерело: Джон Соболевський (JSS)

Мінеральний пентландит присутній у Судбері, Онтаріо, Канада; одне з головних родовищ цього металу у світі.

Пенландліт має концентрацію нікелю від 3 до 5%, пов'язаний з пірротитом, сульфідним залізом, багатим нікелем. Ці мінерали містяться в гірських породах, продуктах сегрегацій земної магми.

Латерити

Іншим важливим джерелом нікелю є латерити, складені із посушливих ґрунтів у жарких регіонах. Вони бідні кремнеземом і мають декілька мінералів, включаючи: гарнієрит, силікат нікелю магнію; і лімоніт, залізну руду

Його використовують у сплаві з залізом переважно для виробництва нержавіючої сталі, оскільки 68% виробництва нікелю використовується для цієї мети.

Він також утворює сплав з міддю, стійкий до корозії. Цей сплав складається з 60% нікелю, 30% міді та невеликої кількості інших металів, особливо заліза.

Нікель використовується в резистивних сплавах, магнітних та інших цілях, таких як нікелеве срібло; і сплав, що складається з нікелю та міді, але не містить срібла. Трубки Ni-Cu використовуються на заводах для опріснення, екранування та виготовлення монет.

Нікель забезпечує міцність і міцність на розрив сплавів, які створюють стійкість до корозії. Крім сплавів з міддю, залізом і хромом, його використовують у сплавах із бронзою, алюмінієм, свинцем, кобальтом, сріблом та золотом.

Сплав Monel складається з 17% нікелю, 30% міді та зі слідами заліза, марганцю та кремнію. Він стійкий до морської води, що робить його ідеальним для використання на суднових гвинтах.

Захисна дія

Нікель, що реагує з фтором, утворює захисний шар для фторового елемента, що дозволяє використовувати металевий нікель або монельний сплав у газопроводах фтору.

Нікель стійкий до дії лугів. З цієї причини його використовують у контейнерах, що містять концентрований гідроксид натрію. Він також використовується при гальваніці для створення захисної поверхні для інших металів.

Інші види використання

Нікель використовується як відновник для шести металів із платинової групи мінералів, з якими він поєднується; переважно платина та паладій. Нікелевий пінопласт або сітка використовується при виготовленні електродів для лужно-паливних батарей.

Нікель використовується як каталізатор гідрування ненасичених рослинних жирних кислот, застосовується в процесі виготовлення маргарину. Мідь і сплав Cu-Ni надають антибактеріальну дію на кишковою паличкою.

Наночастинки

Наночастинки нікелю (NPs-Ni) знаходять широке застосування завдяки більшій площі поверхні порівняно з макроскопічним зразком. Коли ці NPs-Ni синтезуються з рослинних екстрактів, вони розвивають антимікробну та антибактеріальну діяльність.

Причина вищезазначеного пояснюється більшою його тенденцією до окислення при контакті з водою, утворюючи катіони Ni ²⁺ та високореактивні види кисню, які денатурують клітини мікробів.

З іншого боку, NPs-Ni використовують як електродний матеріал у твердих паливних елементах, волокнах, магнітах, магнітних рідинах, електронних частинах, газових датчиках тощо. Так само вони є каталітичними носіями, адсорбентами, відбілювачами та очисниками стічних вод.

-Композити

Хлорид нікелю, нітрат і сульфат застосовують у нікелевих ваннах при гальванічному покритті. Крім того, його сульфатна сіль використовується при приготуванні каталізаторів і морилок для фарбування текстилю.

Перекис нікелю використовується в акумуляторних батареях. Ферити нікелю використовуються як магнітні сердечники в антенах в різних електричних апаратах.

Тетракарбоніл нікелю забезпечує оксид вуглецю для синтезу акрилатів з ацетилену та спиртів. Комбінований оксид барію та нікелю (BaNiO ₃ ) служить сировиною для виготовлення катодів багатьох акумуляторних батарей, таких як Ni-Cd, Ni-Fe та Ni-H.

Біологічна роль

Рослини потребують наявності нікелю для свого зростання. Як відомо, його використовують як кофактор різними рослинними ферментами, включаючи уреазу; фермент, який перетворює сечовину в аміак, здатний використовувати цю сполуку у функціонуванні рослин.

Крім того, скупчення сечовини призводить до зміни в листі рослин. Нікель виступає каталізатором для сприяння фіксації азоту бобовими.

Культури, які найбільш чутливі до дефіциту нікелю, - бобові (квасоля та люцерна), ячмінь, пшениця, сливи та персики. Його дефіцит виявляється у рослин хлорозом, опаданням листя та дефіцитом росту.

У деяких бактерій фермент уреаза залежить від нікелю, але вважається, що вони можуть мати вірулентну дію на організми, які вони мешкають.

Інші бактеріальні ферменти, такі як супероксиддисмутаза, а також гліксидаза, присутня в бактеріях та деяких паразитах, наприклад в трипаносомах, залежать від нікелю. Однак ті ж ферменти у вищих видів залежать не від нікелю, а від цинку.

Ризики

Прийом великої кількості нікелю пов'язаний з генерацією та розвитком раку легенів, носа, гортані та передміхурової залози. Крім того, це викликає проблеми з диханням, дихальну недостатність, астму та бронхіт. Випари нікелю можуть викликати подразнення легенів.

Контакт нікелю зі шкірою може викликати сенсибілізацію, яка згодом виробляє алергію, що проявляється шкірною висипом.

Враження шкіри нікелем може спричинити дерматит, відомий як «нікелевий свербіж» у раніше сенсибілізованих людей. При чутливості до нікелю воно зберігається нескінченно.

Міжнародне агентство з досліджень раку (IARC) розмістило сполуки нікелю до групи 1 (є достатньо доказів канцерогенності у людини). Однак OSHA не регулює нікель як канцероген.

Рекомендується, що вплив металевого нікелю та його сполук не може перевищувати 1 мг / м ³ за вісім годин роботи за сорок годинний робочий тиждень. Карбоніл нікелю та сульфід нікелю є високотоксичними або канцерогенними сполуками.

Список літератури

1. Мухаммед Імран Дін та Анеела Рані. (2016). Нещодавні досягнення в синтезі та стабілізації наночастинок нікелю та оксиду нікелю: зелена адепт. Міжнародний журнал аналітичної хімії, т. 2016, ID статті 3512145, 14 сторінок, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Наночастинки на основі нікелю як адсорбенти в методах очищення води - огляд. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Вікіпедія. (2019). Нікель. Відновлено з: en.wikipedia.org
4. Інститут нікелю. (2018). Нержавіюча сталь: роль нікелю. Відновлено з сайту: nickelinstitute.org
5. Редактори Encyclopeedia Britannica. (20 березня 2019 р.). Нікель. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
6. Трой Бюхель. (05 жовтня 2018 р.). Роль нікелю у вирощуванні рослин. Промікс. Відновлено з: pthorticulture.com
7. Лентех. (2019). Періодична таблиця: нікель. Відновлено з: lenntech.com
8. Белл Теренс. (28 липня 2019 р.). Нікелевий металевий профіль. Відновлено з: thebalance.com
9. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (22 червня 2018 р.). 10 фактів елемента нікелю. Відновлено з: thinkco.com
10. Дінні Нурхаяні та Ахмад А. Корда. (2015). Вплив додавання нікелю на антимікробні, фізичні та механічні властивості мідно-нікелевого сплаву проти суспензій кишкової палички. Матеріали конференції AIP 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727