NIKKEL: HISTORIE, EGENSKABER, STRUKTUR, ANVENDELSER, RISICI - KEMI - 2025

Den nikkel er et overgangsmetal hvid kemisk symbol er Ni. Dets hårdhed er større end jernet, ud over at være en god leder af varme og elektricitet, og generelt betragtes det som et metal, der ikke er meget reaktivt og er meget modstandsdygtigt mod korrosion. I sin rene tilstand er det sølv med gyldne nuancer.

I 1751 formåede Axel Fredrik Cronsted, en svensk kemiker, at isolere det fra et mineral kendt som Kupfernickel (djævelens kobber), udvundet fra en koboltgruve i en svensk landsby. Først troede Cronsted, at mineralet var kobber, men det isolerede element viste sig at være hvidt i farve, adskilt fra kobber.

Nikkelsfærer, hvor dets gyldne toner skinner igennem. Kilde: René Rausch

Cronsted navngav elementet nikkel, og det blev senere konstateret, at mineralet kaldet kupfernickel var nicolit (nikkelarsenid).

Nikkel udvindes hovedsageligt fra to aflejringer: stødende klipper og andre segregeringer af jordens magma. Mineralerne er svovlagtige i naturen, ligesom pentladit. Den anden kilde til nikkel er lateritter med nikkelrige mineraler såsom garnierit.

Den vigtigste anvendelse af nikkel er i dannelsen af ​​legeringer med mange metaller; for eksempel er det involveret i produktionen af ​​rustfrit stål, en industriel aktivitet, der bruger omkring 70% af verdens nikkelproduktion.

Derudover bruges nikkel i legeringer såsom alnico, en legering af magnetisk karakter bestemt til fremstilling af elektriske motorer, højttalere og mikrofoner.

Nikkel begyndte at blive brugt til fremstilling af mønter i midten af ​​det 19. århundrede. Imidlertid er brugen nu erstattet af mindre dyre metaller; selvom det fortsat bruges i nogle lande.

Nikkel er et essentielt element for planter, da det aktiverer enzymet urease, som er involveret i nedbrydningen af ​​urinstof til ammoniak, der kan bruges af planter som en kilde til nitrogen. Endvidere er urinstof en giftig forbindelse, der forårsager alvorlig skade på planter.

Nikkel er et element af stor toksicitet for mennesker, der er tegn på at være et kræftfremkaldende middel. Derudover forårsager nikkel kontaktdermatitis og udviklingen af ​​allergier.

Historie

antikken

Manden vidste siden gamle tider eksistensen af ​​nikkel. For eksempel blev der fundet en nikkelprocent på 2% i bronzegenstande (3500 f.Kr.), der er til stede i lande, der i øjeblikket tilhører Syrien.

Kinesiske manuskripter antyder også, at "hvidt kobber", kendt som baitong, blev brugt mellem 1700 og 1400 f.Kr. Mineralet blev eksporteret til Storbritannien i det 17. århundrede; men nikkelindholdet i denne legering (Cu-Ni) blev ikke opdaget før i 1822.

I middelalderens Tyskland blev der fundet et rødligt mineral, der ligner kobber, og som havde grønne pletter. Gruvearbejderne forsøgte at isolere kobberet fra malmen, men mislykkedes i deres forsøg. Derudover frembragte kontakt med mineralet sundhedsmæssige problemer.

Af disse grunde tilskrev gruvearbejdere mineralet til en ondartet tilstand og tildelte det forskellige navne, der illustrerede denne tilstand; ligesom "Old Nick", også kupfernickel (djævelens kobber). Nu vides det, at det pågældende mineral var nicolit: nikkelarsenid, NiAs.

Opdagelse og produktion

I 1751 forsøgte Axel Fredrik Cronsted at isolere kobber fra kupfernickel, opnået fra en koboltmine beliggende nær Los Halsinglandt, en svensk landsby. Men han formåede kun at få et hvidt metal, som hidtil var ukendt og kaldte det nikkel.

Fra 1824 opnåedes nikkel som et biprodukt ved produktion af koboltblå. I 1848 blev der oprettet et smelteværk i Norge for at forarbejde det nikkel, der var til stede i mineralet pyrrhotit.

I 1889 blev nikkel introduceret i stålproduktionen, og aflejringerne, der blev opdaget i Ny Kaledonien, gav nikkel til verdensforbrug.

Ejendomme

Udseende

Sølvfarvet, skinnende og med en let gylden farvetone.

Atomvægt

58,9344 u

Atomnummer (Z)

28

Smeltepunkt

1.455 ºC

Kogepunkt

2.730 ºC

Massefylde

-Ved stuetemperatur: 8,908 g / ml

-Ved smeltepunkt (væske): 7,81 g / ml

Fusionsvarme

17,48 kJ / mol

Fordampningsvarme

379 kJ / mol

Molær kalorikapacitet

26.07 J / mol

elektronegativitet

1,91 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergi

Første ioniseringsniveau: 737,1 kJ / mol

Andet ioniseringsniveau: 1.753 kJ / mol

Tredje ioniseringsniveau: 3.395 kJ / mol

Atomradio

Empirisk 124 pm

Kovalent radius

124,4 ± 16:00

Varmeledningsevne

90,9 W / (mK)

Elektrisk modstand

69,3 nΩ m ved 20 ºC

Hårdhed

4.0 i Mohs-skalaen.

egenskaber

Nikkel er et duktilt, formbart metal og har en større hårdhed end jern, idet den er en god elektrisk og termisk leder. Det er et ferromagnetisk metal ved normale temperaturer, og Curie-temperaturen er 358 ° C. Ved temperaturer højere end dette er nikkel ikke længere ferromagnetisk.

Nikkel er et af de fire ferromagnetiske elementer, de andre tre er: jern, kobolt og gadolinium.

isotoper

Der er 31 isotoper af nikkel, begrænset af ⁴⁸ Ni og ⁷⁸ Ni.

Der er fem naturlige isotoper: ⁵⁸ Ni, med en overflod på 68,27%; ⁶⁰ Ni, med en overflod på 26,10%; ⁶¹ Ni, med en overflod på 1,13%; ⁶² Ni, med en overflod på 3,59%; og ⁶⁴ Ni med en overflod på 0,9%.

Atomvægten på ca. 59 u for nikkel viser, at der ikke er en markant overvægt i nogen af ​​isotoperne (selvom ⁵⁸ Ni er den mest rigelige).

Struktur og elektronisk konfiguration

Nikkelmetallisk krystalliserer til en ansigt centreret kubisk (fcc) struktur. Denne fcc-fase er ekstremt stabil og forbliver uændret op til tryk tæt på 70 GPa; Der er lidt bibliografiske oplysninger om faser eller polymorfe nikkel under højt tryk.

Morfologien for nikkelkrystaller er variabel, da de kan arrangeres på en sådan måde, at de definerer en nanorør. Som en nanopartikel eller et makroskopisk fast stof forbliver den metalliske binding den samme (i teorien); det vil sige, det er de samme valenselektroner, der holder Ni-atomerne sammen.

I henhold til de to mulige elektroniske konfigurationer for nikkel:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Ti elektroner er involveret i den metalliske binding; enten otte eller ni i 3d-orbitalen sammen med to eller en i 4-orbitalen. Bemærk, at valensbåndet er praktisk taget fuldt, tæt på at transportere dets elektroner til ledningsbåndet; et faktum, der forklarer dens relativt høje elektriske ledningsevne.

Nikkel's fcc-struktur er så stabil, at det endda er vedtaget af stål, når det tilføjes til det. Rustfrit jern med et højt nikkelindhold er således også fcc.

Oxidationsnumre

Selv om det måske ikke ser ud som det, har nikkel også rigeligt antal eller oxidationstilstande. Negativerne er åbenlyse ved at vide, at det bare mangler to elektroner til at fuldføre ti af sin 3d-orbital; således kan den få en eller to elektroner med henholdsvis oxidationsnumre -1 (Ni ^-) eller -2 (Ni ^2-).

Det mest stabile oxidationsnummer for nikkel er +2, hvis man antager eksistensen af ​​Ni ²⁺ -kationen, som har mistet elektronerne i 4-orbitalen og har otte elektroner i 3d-orbitalen (3d ⁸).

Der er også to andre positive oxidationsnumre: +3 (Ni ³⁺) og +4 (Ni ⁴⁺). På skole- eller gymnasieniveau læres nikkel kun at eksistere som Ni (II) eller Ni (III), hvilket skyldes, at de er de mest almindelige oxidationsnumre, der findes i meget stabile forbindelser.

Og når det er metallisk nikkel, der er en del af en forbindelse, det vil sige med det neutrale Ni-atom, siges det, at det deltager eller binder med et oxidationsnummer på 0 (Ni ⁰).

Hvor findes nikkel?

Mineraler og hav

Nikkel udgør 0,007% af jordskorpen, så dens overflod er lav. Men det er stadig det næst mest rigelige metal efter jern i jordens smeltede kerne, kendt som Nife. Havvand har en gennemsnitlig nikkelkoncentration på 5,6 · 10 ^-4 mg / L.

Det findes normalt i stollende klipper, pentlandit, et mineral dannet af jern og nikkelsulfid, der er en af ​​de vigtigste kilder til nikkel:

Berg sammensat af mineraler pentlandit og pyrrhotit. Kilde: John Sobolewski (JSS)

Mineralpentlanditten findes i Sudbury, Ontario, Canada; en af ​​de største aflejringer af dette metal i verden.

Pentlandit har en nikkelkoncentration mellem 3 og 5%, der er forbundet med pyrrhotit, et jernsulfid rig på nikkel. Disse mineraler findes i klipper, produkter fra adskillelse af jordens magma.

lateritter

Den anden vigtige kilde til nikkel er lateritter, der består af tør jord i varme områder. De er fattige på silica og har flere mineraler, herunder: garnierit, et magnesiumnikkelsilikat; og limonit, en jernmalm

Det bruges i legering med jern hovedsageligt til produktion af rustfrit stål, da 68% af nikkelproduktionen bruges til dette formål.

Det danner også en legering med kobber, resistent mod korrosion. Denne legering består af 60% nikkel, 30% kobber og små mængder af andre metaller, især jern.

Nikkel bruges i resistive legeringer, magnetiske og til andre formål, såsom nikkelsølv; og en legering bestående af nikkel og kobber, men indeholder ikke sølv. Ni-Cu-rør bruges i afsaltningsanlæg, afskærmning og til fremstilling af mønter.

Nikkel giver sejhed og trækstyrke til legeringer, der bygger modstand mod korrosion. Ud over legeringer med kobber, jern og krom bruges det i legeringer med bronze, aluminium, bly, kobolt, sølv og guld.

Monel-legeringen består af 17% nikkel, 30% kobber og med spor af jern, mangan og silicium. Det er modstandsdygtigt over for havvand, hvilket gør det ideelt til brug på skibspropeller.

Beskyttende handling

Nikkel, der reagerer med fluor, danner et beskyttende lag for fluorelementet, hvilket gør det muligt at bruge metallisk nikkel eller Monel-legering i fluorgasledningerne.

Nikkel er modstandsdygtig over for virkningen af ​​alkalier. Af denne grund bruges det i beholdere, der indeholder koncentreret natriumhydroxid. Det bruges også til galvanisering til at skabe en beskyttende overflade for andre metaller.

Andre anvendelser

Nikkel bruges som reduktionsmiddel for seks metaller fra den platinegruppe af mineraler, hvori det kombineres; hovedsageligt platin og palladium. Nikkelskum eller net anvendes til fremstilling af elektroder til alkaliske brændstofbatterier.

Nikkel bruges som katalysator til hydrogenering af umættede vegetabilske fedtsyrer, der bruges til fremstilling af margarine. Kobber og Cu-Ni-legeringen har antibakteriel virkning på E. coli.

Nanopartikler

Nikkelpartikler (NPs-Ni) finder en lang række anvendelser på grund af deres større overfladeareal sammenlignet med en makroskopisk prøve. Når disse NPs-Ni syntetiseres fra planteekstrakter, udvikler de antimikrobielle og antibakterielle aktiviteter.

Årsagen til ovennævnte skyldes dens større tendens til at oxidere i kontakt med vand, danne Ni ²⁺ kationer og stærkt reaktive iltarter, som denaturerer mikrobielle celler.

På den anden side bruges NPs-Ni som elektrodemateriale i faste brændselsceller, fibre, magneter, magnetiske væsker, elektroniske dele, gassensorer osv. Ligeledes er de katalytiske bærere, adsorbenter, blegemidler og spildevandsrensere.

-Composites

Nikkelchlorid, nitrat og sulfat anvendes i nikkelbade til galvanisering. Derudover anvendes dets sulfatsalt til fremstilling af katalysatorer og mordanter til farvning af tekstiler.

Nikkelperoxid bruges i opbevaringsbatterier. Nikkelferriter bruges som magnetiske kerner i antenner i forskellige elektriske apparater.

Nikkel-tertracarbonyl tilvejebringer carbonmonoxid til syntese af acrylater fra acetylen og alkoholer. Det kombinerede oxid af barium og nikkel (BaNiO ₃) tjener som råmateriale til fremstilling af katoder af mange genopladelige batterier, såsom Ni-Cd, Ni-Fe og Ni-H.

Biologisk rolle

Planter kræver tilstedeværelse af nikkel for deres vækst. Det er kendt at blive brugt som en co-faktor af forskellige planteenzymer, herunder urease; enzym, der omdanner urinstof til ammoniak, der er i stand til at bruge denne forbindelse til planternes funktion.

Derudover producerer ophobning af urinstof en ændring i planternes blade. Nikkel fungerer som en katalysator til at fremme kvælstoffiksering af bælgplanter.

De afgrøder, der er mest følsomme over for nikkelmangel, er bælgfrugter (bønner og alfalfa), byg, hvede, blommer og ferskner. Dets mangel manifesteres i planter ved chlorose, bladfald og vækstmangel.

I nogle bakterier er enzymet urease afhængig af nikkel, men det vurderes, at disse kan have en virulent virkning på de organismer, de bor.

Andre bakterielle enzymer, såsom superoxiddismutase, såvel som glyxidase, der findes i bakterier og nogle parasitter, for eksempel i trypanosomer, er afhængige af nikkel. De samme enzymer i højere arter er imidlertid ikke afhængige af nikkel, men af ​​zink.

Risici

Indtagelse af store mængder nikkel er forbundet med dannelse og udvikling af kræft i lunger, næse, laryngeal og prostata. Derudover forårsager det åndedrætsproblemer, åndedrætssvigt, astma og bronkitis. Nikkelgasser kan forårsage irritation af lungerne.

Nikkelkontakt med huden kan forårsage overfølsomhed, som efterfølgende producerer en allergi, manifesteret som et hududslæt.

Hudeksponering for nikkel kan forårsage en dermatitis kendt som "nikkel kløe" hos tidligere sensibiliserede. Efter sensibilisering for nikkel vedvarer det på ubestemt tid.

Det Internationale Agentur for Kræftforskning (IARC) har anbragt nikkelforbindelser i gruppe 1 (der er tilstrækkelig bevis for kræftfremkaldende virkning hos mennesker). OSHA regulerer imidlertid ikke nikkel som kræftfremkaldende.

Det anbefales, at eksponering for metallisk nikkel og dets forbindelser ikke må overstige 1 mg / m ³ i otte timers arbejde i en 40-timers arbejdsuge. Nikkelcarbonyl og nikkelsulfid er meget giftige eller kræftfremkaldende forbindelser.

Referencer

1. Muhammad Imran Din og Aneela Rani. (2016). Nylige fremskridt inden for syntese og stabilisering af nikkel- og nikkeloxid-nanopartikler: En grøn adeptness. International Journal of Analytical Chemistry, vol. 2016, artikel ID 3512145, 14 sider, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Nikkelbaserede nanopartikler som adsorbenter i vandrensningsmetoder - en gennemgang. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nikkel. Gendannet fra: en.wikipedia.org
4. Nickel Institute. (2018). Rustfrit stål: Nikkelens rolle. Gendannes fra: nickelinstitute.org
5. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (20. marts, 2019). Nikkel. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com
6. Troy Buechel. (05. oktober 2018). Nikkels rolle i plantedyrkning. Promix. Gendannes fra: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Periodisk tabel: Nikkel. Gendannes fra: lenntech.com
8. Bell Terence. (28. juli 2019). Nikkelmetalprofil. Gendannes fra: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (22. juni 2018). 10 fakta om nikkelelementer. Gendannes fra: thoughtco.com
10. Dinni Nurhayani & Akhmad A. Korda. (2015). Virkningen af ​​nikkeltilsætning på kobber-nikkellegerings antimikrobielle, fysiske og mekaniske egenskaber mod suspensioner af Escherichia coli. AIP-konferenceprocedurer 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727