NIKEL: HISTÓRIA, VLASTNOSTI, ŠTRUKTÚRA, POUŽITIE, RIZIKÁ - CHÉMIA - 2025

Nikel je prechodný kov biela chemická značka je Ni. Jeho tvrdosť je vyššia ako tvrdosť železa, okrem toho, že je dobrým vodičom tepla a elektriny, a všeobecne sa považuje za kov, ktorý nie je príliš reaktívny a je vysoko odolný proti korózii. V čistom stave je strieborná so zlatými odtieňmi.

V roku 1751 sa švédskemu chemikovi Axelovi Fredrikovi Cronstedovi podarilo izolovať ho od minerálu známeho ako Kupfernickel (diablova meď) extrahovaného z kobaltovej bane vo švédskej dedine. Spočiatku si Cronsted myslel, že minerálom je meď, ale izolovaný prvok sa ukázal ako biely, odlišný od medi.

Niklové gule, v ktorých prechádzajú jeho zlaté tóny. Zdroj: René Rausch

Cronsted pomenoval prvok nikel a neskôr sa zistilo, že minerálom nazývaným kupfernickel bol nikotín (nikel arzenid).

Nikel sa ťaží hlavne z dvoch ložísk: vyvrelých hornín a iných segregácií svetovej magmy. Minerály sú sírovej povahy, napríklad pentladit. Druhým zdrojom niklu sú laterity s minerálmi bohatými na nikel, ako je napríklad garnierit.

Hlavnou aplikáciou niklu je tvorba zliatin s mnohými kovmi; Napríklad sa podieľa na výrobe nehrdzavejúcej ocele, priemyselnej činnosti, ktorá spotrebuje asi 70% svetovej výroby niklu.

Ďalej sa nikel používa v zliatinách ako je alnico, zliatina magnetickej povahy určená na výrobu elektrických motorov, reproduktorov a mikrofónov.

Nikel sa začal používať pri výrobe mincí v polovici 19. storočia. Jeho použitie sa však teraz nahradilo použitím lacnejších kovov; hoci sa v niektorých krajinách stále používa.

Nikel je pre rastliny podstatným prvkom, pretože aktivuje enzým ureázu, ktorá zasahuje do rozkladu močoviny na amoniak, ktorý môžu rastliny používať ako zdroj dusíka. Ďalej je močovina toxická zlúčenina, ktorá spôsobuje vážne poškodenie rastlín.

Nikel je prvkom veľkej toxicity pre ľudí, existuje dôkaz, že je karcinogénny. Nikel navyše spôsobuje kontaktnú dermatitídu a rozvoj alergií.

histórie

starovek

Muž vedel od staroveku existenciu niklu. Napríklad percento niklu 2% sa našlo v bronzových objektoch (3500 pred Kr.), Ktoré sa nachádzajú v krajinách, ktoré v súčasnosti patria do Sýrie.

Čínske rukopisy tiež naznačujú, že „biela meď“, známa ako baitong, sa používala medzi rokmi 1700 a 1400 pred nl. Minerál sa vyvážal do Veľkej Británie v 17. storočí; ale obsah niklu v tejto zliatine (Cu-Ni) bol objavený až v roku 1822.

V stredovekom Nemecku sa našiel načervenalý minerál podobný medi, ktorý mal zelené škvrny. Baníci sa pokúsili izolovať meď od rudy, ale pri svojom pokuse zlyhali. Okrem toho kontakt s minerálom spôsobil zdravotné problémy.

Z týchto dôvodov baníci pripisovali minerál zhubný stav a priradili mu rôzne názvy, ktoré ilustrujú tento stav; ako napríklad „Starý Nick“, tiež kupfernickel (meď diabla). Teraz je známe, že predmetným minerálom bol nikotín: arzenid niklu, NiAs.

Objav a výroba

V roku 1751 sa Axel Fredrik Cronsted pokúsil izolovať meď od kupfernickelu získaného z kobaltovej bane v blízkosti švédskej dediny Los Halsinglandt. Podarilo sa mu však získať iba biely kov, ktorý bol doteraz neznámy a nazýval ho niklom.

Od roku 1824 sa nikel získal ako vedľajší produkt pri výrobe kobaltovej modrej. V roku 1848 bola v Nórsku založená taviareň na spracovanie niklu prítomného v minerálnom pyrrhotite.

V roku 1889 bol nikel zavedený do výroby ocele a ložiská objavené v Novej Kaledónii poskytli niklu svetovú spotrebu.

vlastnosti

vzhľad

Strieborne biela, lesklá a s jemným zlatým odtieňom.

Atómová hmotnosť

58,9344 u

Atómové číslo (Z)

28

Bod topenia

1 455 ° C

Bod varu

2730 ° C

Hustota

- pri izbovej teplote: 8,908 g / ml

- teplota topenia (kvapalina): 7,81 g / ml

Teplo fúzie

17,48 kJ / mol

Odparovacie teplo

379 kJ / mol

Molárna kalorická kapacita

26,07 J / mol

electronegativity

1,91 v Paulingovej stupnici

Ionizačná energia

Prvá úroveň ionizácie: 737,1 kJ / mol

Druhá úroveň ionizácie: 1 753 kJ / mol

Tretia úroveň ionizácie: 3 395 kJ / mol

Atómové rádio

Empirické 124 hodín

Kovalentný polomer

124,4 ± 4 pm

Tepelná vodivosť

90,9 W / (m K)

Elektrický odpor

69,3 nΩ m pri 20 ° C

tvrdosť

4,0 na Mohsovej stupnici.

vlastnosti

Nikel je tvárný, kujný kov a má väčšiu tvrdosť ako železo, je dobrým elektrickým a tepelným vodičom. Pri normálnych teplotách je to feromagnetický kov, ktorého teplota Curie je 358 ° C. Pri teplotách vyšších ako tento už nikel už nie je feromagnetický.

Nikel je jedným zo štyroch feromagnetických prvkov, ďalšie tri sú: železo, kobalt a gadolínium.

izotopy

Existuje 31 izotopov niklu obmedzených na ⁴⁸ Ni a ⁷⁸ Ni.

Existuje päť prírodných izotopov: ⁵⁸ Ni, s hojnosťou 68,27%; ⁶⁰ Ni, s množstvom 26,10%; ⁶¹ Ni, s množstvom 1,13%; ⁶² Ni, s početnosťou 3,59%; a ⁶⁴ Ni, s množstvom 0,9%.

Atómová hmotnosť asi 59 u pre nikel ukazuje, že v žiadnom z izotopov neexistuje výrazná dominancia (aj keď ⁵⁸ Ni je najhojnejšia).

Štruktúra a elektronická konfigurácia

Niklový kov kryštalizuje do kubickej (fcc) štruktúry sústredenej na tvár. Táto fcc fáza je mimoriadne stabilná a zostáva nezmenená až do tlakov blízkych 70 GPa; Existuje málo bibliografických informácií týkajúcich sa fáz alebo polymorfov niklu pod vysokým tlakom.

Morfológia niklových kryštálov je variabilná, pretože môžu byť usporiadané takým spôsobom, že definujú nanotrubicu. Ako nanočasticová alebo makroskopická pevná látka zostáva kovová väzba rovnaká (teoreticky); to znamená, že sú to rovnaké valenčné elektróny, ktoré držia atómy Ni pohromade.

Podľa dvoch možných elektronických konfigurácií pre nikel:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Do kovovej väzby je zapojených desať elektrónov; buď osem alebo deväť v 3d orbitále, spolu s dvoma alebo jedným v 4s obežnej dráhe. Všimnite si, že valenčné pásmo je prakticky plné, blízko transportu svojich elektrónov do vodivého pásma; skutočnosť, ktorá vysvetľuje jeho relatívne vysokú elektrickú vodivosť.

Niklová fcc štruktúra je tak stabilná, že je dokonca prijatá oceľou, keď je k nej pridaná. Nerezové železo s vysokým obsahom niklu je teda tiež fcc.

Oxidačné čísla

Nikel, aj keď sa nemusí zdať ako taký, má tiež bohaté čísla alebo oxidačné stavy. Negatívy sú zrejmé, pretože vedia, že postrádajú dva elektróny na dokončenie desiatich z ich 3d orbitálov; tak môže získať jeden alebo dva elektróny, ktoré majú oxidačné čísla 1 (Ni ^- ) alebo 2 (Ni ^2- ), v tomto poradí.

Najstabilnejšie oxidačné číslo pre nikel je +2, za predpokladu existencie katiónu Ni2 ⁺ , ktorý stratil elektróny 4s orbitálu a má osem elektrónov v 3d orbitále (3d ⁸ ).

Existujú tiež dve ďalšie pozitívne oxidačné čísla: +3 (Ni ³⁺ ) a +4 (Ni ⁴⁺ ). Na škole alebo na strednej škole sa nikel vyučuje iba ako Ni (II) alebo Ni (III), čo je preto, že sú to najbežnejšie oxidačné čísla nájdené vo veľmi stabilných zlúčeninách.

A keď je kovový nikel, ktorý je súčasťou zlúčeniny, ktorá je so svojou neutrálny atómu Ni, potom hovorí sa, že sa zúčastňujú alebo sa viažu s oxidačného čísla od 0 (Ni ⁰ ).

Kde sa nachádza nikel?

Minerály a more

Nikel predstavuje 0,007% zemskej kôry, takže jej množstvo je nízke. Po železe v roztavenom jadre Zeme je to však druhý najpočetnejší kov, známy ako Nife. Priemerná koncentrácia niklu v morskej vode je 5,6 · 10 - ⁴ mg / l.

Bežne sa vyskytuje v horninách horniny, pentlandite, mineráli tvorenej zo sulfidu železa a niklu, ktorá je jedným z hlavných zdrojov niklu:

Hornina zložená z minerálov pentlanditu a pyrrhotitu. Zdroj: John Sobolewski (JSS)

Minerálny pentlandit je prítomný v Sudbury, Ontário, Kanada; jedno z hlavných ložísk tohto kovu na svete.

Pentlandit má koncentráciu niklu medzi 3 a 5%, je spojený s pyrrhotitom, sulfidom železa bohatým na nikel. Tieto minerály sa nachádzajú v horninách, produktoch segregácií zemskej magmy.

Laterites

Ďalším dôležitým zdrojom niklu sú laterity tvorené suchými pôdami v horúcich oblastiach. Sú chudobní na oxid kremičitý a vlastnia niekoľko minerálov vrátane: garnieritu, kremičitanu horečnatého a niklu; a limonit, železná ruda

Používa sa v zliatine so železom najmä na výrobu nehrdzavejúcej ocele, pretože na tento účel sa používa 68% výroby niklu.

Vytvára tiež zliatinu s meďou, odolnú proti korózii. Táto zliatina je vyrobená zo 60% niklu, 30% medi a malého množstva iných kovov, najmä železa.

Nikel sa používa v odporových zliatinách, magnetických a na iné účely, ako je niklové striebro; a zliatina pozostávajúca z niklu a medi, ale neobsahuje striebro. Rúrky Ni-Cu sa používajú v odsoľovacích zariadeniach, tieneniach a pri výrobe mincí.

Nikel poskytuje zliatinám húževnatosť a pevnosť v ťahu, ktorá vytvára odolnosť proti korózii. Okrem zliatin s meďou, železom a chrómom sa používa v zliatinách s bronzom, hliníkom, olovom, kobaltom, striebrom a zlatom.

Zliatina Monel je vyrobená zo 17% niklu, 30% medi a so stopami železa, mangánu a kremíka. Je odolný proti morskej vode, vďaka čomu je ideálny na použitie na lodných lodných skrutkách.

Ochranné opatrenie

Nikel reagujúci s fluórom tvorí ochrannú vrstvu pre fluórový prvok, čo umožňuje použitie kovového niklu alebo zliatiny Monel v plynovom vedení fluóru.

Nikel je odolný proti pôsobeniu alkálií. Z tohto dôvodu sa používa v nádobách obsahujúcich koncentrovaný hydroxid sodný. Používa sa tiež pri galvanizácii na vytvorenie ochranného povrchu pre iné kovy.

Iné použitia

Nikel sa používa ako redukčné činidlo pre šesť kovov zo skupiny minerálov platiny, v ktorých je kombinovaný; hlavne platina a paládium. Niklová pena alebo sieťovina sa používa na výrobu elektród pre alkalické palivové batérie.

Nikel sa používa ako katalyzátor na hydrogenáciu nenasýtených rastlinných mastných kyselín a používa sa pri procese výroby margarínu. Meď a zliatina Cu-Ni majú antibakteriálny účinok na E. coli.

nanočastice

Niklové nanočastice (NPs-Ni) nachádzajú široké využitie v dôsledku ich väčšej plochy povrchu v porovnaní s makroskopickou vzorkou. Keď sa tieto NPs-Ni syntetizujú z rastlinných extraktov, vyvíjajú sa antimikrobiálne a antibakteriálne účinky.

Dôvodom vyššie uvedeného je to, že má väčšiu tendenciu oxidovať pri kontakte s vodou, tvoriť katióny Ni2 ⁺ a vysoko reaktívne druhy kyslíka, ktoré denaturujú mikrobiálne bunky.

Na druhej strane sa NP-Ni používajú ako elektródový materiál v tuhých palivových článkoch, vláknach, magnetoch, magnetických tekutinách, elektronických súčiastkach, plynových senzoroch atď. Rovnako sú to katalytické nosiče, adsorbenty, bieliace činidlá a čističky odpadových vôd.

-Composites

Chlorid nikelnatý, dusičnan a síran sa používajú v galvanických kúpeľoch v niklových kúpeľoch. Ďalej sa jej sulfátová soľ používa na prípravu katalyzátorov a moridiel na farbenie textílií.

Peroxid nikelnatý sa používa v akumulátoroch. Niklové ferity sa používajú ako magnetické jadrá v anténach v rôznych elektrických zariadeniach.

Tetrakarbonyl niklu poskytuje oxid uhoľnatý na syntézu akrylátov z acetylénu a alkoholov. Kombinovaný oxid bária a niklu (BaNiO ₃ ) slúži ako surovina na výrobu katód mnohých nabíjateľných batérií, ako sú Ni-Cd, Ni-Fe a Ni-H.

Biologická úloha

Rastliny vyžadujú pre svoj rast prítomnosť niklu. Je známe, že sa používa ako kofaktor v rôznych rastlinných enzýmoch vrátane ureázy; enzým, ktorý premieňa močovinu na amoniak, ktorý je schopný túto zlúčeninu používať pri fungovaní rastlín.

Okrem toho akumulácia močoviny spôsobuje zmenu v listoch rastlín. Nikel pôsobí ako katalyzátor na podporu fixácie dusíka strukovinami.

Najcitlivejšími plodinami na nedostatok niklu sú strukoviny (fazuľa a lucerna), jačmeň, pšenica, slivky a broskyne. Jeho nedostatok sa v rastlinách prejavuje chlorózou, poklesom listov a nedostatkami v raste.

U niektorých baktérií je enzýmová ureáza závislá od niklu, predpokladá sa však, že tieto môžu mať virulentný účinok na organizmy, ktoré obývajú.

Iné bakteriálne enzýmy, ako je superoxiddismutáza, ako aj glyoxidáza prítomná v baktériách a niektorých parazitoch, napríklad v trypanozómoch, sú závislé od niklu. Rovnaké enzýmy vo vyšších druhoch však nezávisia od niklu, ale od zinku.

riziká

Požitie veľkého množstva niklu je spojené s tvorbou a rozvojom rakoviny pľúc, nosa, hrtana a prostaty. Okrem toho spôsobuje respiračné problémy, respiračné zlyhanie, astmu a bronchitídu. Niklové výpary môžu spôsobiť podráždenie pľúc.

Kontakt niklu s pokožkou môže spôsobiť senzibilizáciu, ktorá následne vyvolá alergiu, ktorá sa prejaví ako kožná vyrážka.

Expozícia niklu na koži môže u predtým senzibilizovaných ľudí spôsobiť dermatitídu známu ako „svrbenie niklu“. Po senzibilizácii na nikel pretrváva donekonečna.

Medzinárodná agentúra pre výskum rakoviny (IARC) zaradila zlúčeniny niklu do skupiny 1 (existuje dostatočný dôkaz karcinogenity u ľudí). OSHA však nereguluje nikel ako karcinogén.

Odporúča sa, že vystavenie kovového niklu a jeho zlúčeniny nesmie presiahnuť 1 mg / m ³ po dobu ôsmich hodín práce v štyridsať-hodinový pracovný týždeň. Karbonyl nikel a sulfid niklu sú vysoko toxické alebo karcinogénne zlúčeniny.

Referencie

1. Muhammad Imran Din a Aneela Rani. (2016). Posledné pokroky v syntéze a stabilizácii nanočastíc niklu a oxidu nikelnatého: zelená adeptness. International Journal of Analytical Chemistry, zv. 2016, ID článku 3512145, 14 strán, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Niklové častice na báze niklu ako adsorbenty v metódach čistenia vody - prehľad. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nickel. Obnovené z: en.wikipedia.org
4. Nickel Institute. (2018). Nerezová oceľ: Úloha niklu. Obnovené z: nickelinstitute.org
5. Editori encyklopédie Britannica. (20. marca 2019). Nickel. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
6. Troy Buechel. (05.10.2018). Úloha niklu pri pestovaní rastlín. Promix. Získané z: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Periodická tabuľka: Nickel. Obnovené z: lenntech.com
8. Bell Terence. (28. júla 2019). Niklový kovový profil. Obnovené z: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. júna 2018). 10 faktov o niklových prvkoch. Získané z: thinkco.com
10. Dinni Nurhayani a Akhmad A. Korda. (2015). Vplyv pridania niklu na antimikrobiálne, fyzikálne a mechanické vlastnosti zliatiny medi a niklu proti suspenziám Escherichia coli. Zborník z konferencie AIP 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727