Nikiel

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Nikiel
kobalt ← nikiel → miedź
Wygląd
srebrzystobiały
Nikiel
Widmo emisyjne niklu
Widmo emisyjne niklu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a. nikiel, Ni, 28
(łac. niccolum)
Grupa, okres, blok 10, 4, d
Stopień utlenienia II, III
Właściwości metaliczne metal przejściowy
Właściwości tlenków średnio zasadowe
Masa atomowa 58,6934(4) u[3][a]
Stan skupienia stały
Gęstość 8908 kg/m³
Temperatura topnienia 1455 °C
Temperatura wrzenia 2913 °C
Numer CAS 7440-02-0
PubChem 935[4]
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą
warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Nikiel jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu Ni i liczbie atomowej 28. Jest biało-srebrzystym metalem o lekkim złotym zabarwieniu. Nikiel należy do grupy metali przejściowych, charakteryzuje się typową dla tej grupy metali twardością i ciągliwością. Czysty nikiel wykazuje stosunkowo dużą aktywność chemiczną, która jest szczególnie widoczna kiedy metal jest w postaci proszku[7], co zwiększa powierzchnię, na której zachodzi reakcja. W większych bryłach metalu, w temperaturze pokojowej nikiel jest mało aktywny chemicznie, reaguje on powoli z powietrzem ze względu na tworzenie się ochronnej warstwy tlenkowej na powierzchni[8]. Mimo tego nikiel jest na tyle podatny na utlenianie, że w skorupie ziemskiej nie występuje on w postaci rodzimej, wyjątkiem są meteoryty żelazowo-niklowe, w których nikiel występuje w postaci stopu z żelazem. Uważa się, że stop żelazowo-niklowy znajduje się w jądrze Ziemi[9]. Ze względu na powolne tempo utleniania niklu w temperaturze pokojowej uważa się, że metal ten jest odporny na korozję. Było to powodem używania go dawniej do platerowania żelaza i mosiądzu używanego do konstrukcji aparatury chemicznej, a także stosowania go w pewnych stopach utrzymujących połysk, takich jak między innymi nowe srebro.
Nikiel jest jednym z czterech pierwiastków (obok żelaza, kobaltu i gadolinu), które są ferromagnetykami w temperaturze pokojowej. Trwałe magnesy wykonane z alniko, zawierające do 26% niklu, są pod względem mocy pomiędzy magnesami trwałymi opartymi na żelazie, a magnesami opartymi na metalach ziem rzadkich. Metal jest głównie używany do produkcji stopów; około 60% światowej produkcji niklu jest używane do produkcji stali nierdzewnej. Inne stopy i nadstopy niklu stanowią większość z pozostałych zastosowań niklu, a tylko ok. 3% światowej produkcji niklu jest wykorzystywana do produkcji związków niklu. Jako pierwiastek nikiel ma wiele niszowych zastosowań, takich jak np. katalizator w hydrogenacji, produkcji soli niklu używanych w galwanotechnice czy barwieniu ceramiki[7]. Znanych jest osiem[10] enzymów zawierających w swoim centrum aktywnym nikiel.

Właściwości[edytuj]

Właściwości fizyczne i atomowe[edytuj]

Nikiel jest srebrzysto-białym metalem z delikatnym złotym odcieniem charakteryzujący się bardzo wysokim połyskiem. Należy do metali przejściowych, który jest twardy i ciągliwy Jest jednym z 4 metali, który jest ferromanetykiem w pobliżu temperatury pokojowej (inne to żelazo, kobalt i gadolin. Jego temperatura Curie wynosi 355 °C, co oznacza, że powyżej tej tempretury staje się paramagnetykiem. Komórka sieciowa niklu jest ściennie-centrowanym sześcianem z parametrem sieci przestrzennej na poziomie 0,352 nm, co daje promień atomowy 0,124 nm. Sieć krystaliczna miklu jest stabilna do ciśnienia 70 GPa. Ma 29 izotopów z przedziału mas 50-78, z których 5 (58, 60, 61, 62, 64) jest trwałych.

Konfiguracja elektronowa[edytuj]

Atom niklu posiada dwie konfiguracje [Ar] 3d8 4s2 i [Ar] 3d9 4s1, (symbol [Ar] odnosi się do struktury elektronowej argonu), które są bardzo bliskie siebie energetycznie. Co do jedynej konfiguracji elektronowej niklu toczy się dyskusja, ze względu na to, że struktura [Ar] 4s2 3d8, która może być również zapisana jako [Ar] 3d8 4s2, jest zgodna z regułą Madelunga (Hunda), która przewiduje, że 4s jest zapełniona przed 3d. Stwierdzenie to wsparte jest wynikami doświadczalnymi, które potwierdzają że najniższy stan energetyczny atomu niklu występuje przy 3d8 4s2, a szczególnie przy 3d8(3F, J = 4 poziom). Średnia energia konfiguracji [Ar] 3d8 4s2 jest w rzeczywistości niższa niż średnia energia stanu konfiguracji [Ar] 3d8 4s2 Z tego powodu przyjmuje się stan podstawowy konfiguracji atomu niklu jako[Ar] 3d9 4s1[11].

Izotopy[edytuj]

Izotopy niklu posiadają zakres masy atomowej od (48Ni) do 78 u (78Ni). Naturalnie występujący nikiel składa się z pięciu stabilnych izotopów:58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni i 64Ni, z 58Ni, który jest najbardziej rozpowszechnionym izotopem niklu (68,077% występowania w naturze). Izotopy niklu cięższe niż 62u nie mogą być wytworzone na drodze fuzji jądrowej bez utraty energii. Nikiel-62 posiada najwyższą średnią energię jądrową wiązania nukleonu w nuklidzie - 8,7946MeV/nukleon. Jego energia wiązania jest wyższa niż energie wiązania izotopów żelaza 56 i 58, które błędnie uważa się za najmocniej związane nuklidy[12].
Stabilny izotop Ni-60 jest produktem rozpadu wygasłego radionuklidu Fe-60 (czas półtrwania 2,6 mln lat). Ponieważ Fe-60 ma tak długi okres półtrwania, jego obecność w materiale z Układu Słonecznego może tworzyć obserwowalne zmiany w składzie izotopowym Ni-60. Stąd też zawartość Ni-60 w materiale pozaziemskim może dostarczać wskazówek co do genezy i kształtowania się Układu Słonecznego.
Scharakteryzowano 18 radioizotopów niklu, spośród których najtrwalszymi są; nikiel-59 o okresie półtrwania 76 000 lat, nikiel-63 - 100,1 lat, i nikiel-56 - 6,077 dnia.Pozostałe radioizotopy nie są trwalsze niż 60 godzin, z czego większość posiada okres półtrwania krótszy niż 30 sekund[13]. Radioaktywny nikiel-56 jest produkowany przez proces spalania krzemu w gwiazdach oraz późniejsze uwolnienie go w wybuchu supernowej typu Ia. Krzywa blasku tych supernowych w środkowym i końcowym okresie ich życia odpowiada rozpadowi poprzez wychwyt elektronu niklu-56 do kobaltu-56 i ostatecznie do żelaza-56.
Nikiel-59 znalazł zastosowanie w geochemii izotopowej, między innymi do datowania ziemskiego wieku meteorytów i określania zawartości pozaziemskiego pyłu w lodzie i osadach. Nuklid Ni-48, odkryty w 1999 roku jest najbogatszym w protony ciężkim izotopem. Z 28 protonami i 20 neutronami Ni-48 jest "podwójnie magiczny" i stąd wyjątkowo stabilny[14].

Właściwości chemiczne[edytuj]

Nikiel w związkach występuje najczęściej na II, rzadziej na III stopniu utlenienia. Tworzy szereg związków kompleksowych, takich jak niklocen czy fosfiny i karbonylki niklu, które znalazły zastosowanie jako katalizatory wielu reakcji, m.in. na kompleksach niklu oparte są katalizatory polimeryzacji polietylenu wysokociśnieniowego.

Właściwości biologiczne[edytuj]

 Osobny artykuł: Alergia na nikiel.

U niektórych osób kontakt z przedmiotami zawierającymi nikiel prowadzi do alergii[15].

Historia[edytuj]

Mimo, że nikiel został wyizolowany i sklasyfikowany dopiero w 1751 roku wykazano, że metal ten, mimo że był nieznany był przypadkowo wykorzystywany przez ludzkość od niepamiętnych czasów. Obecność niklu w przedmiotach metalowych była przypadkowa i pojawiał się on w składzie niektórych wczesnych artefaktach wykonanych z brązu i miedzi. Najwcześniejsze znalezisko zawierające 2,73% niklu datowane jest na ok. 3500-3100 r. p.n.e. (niektóre źródła wskazują nawet na okres 4600-4100 r. p.n.e.[16]) i pochodzi z obszaru Antiochii[17]. Inne starożytne artefakty, zawierające ponad 9% niklu zostały odnalezione na terenie Mohendżo-Daro. Pierwszy znany artefakt wykonany z meteorytu żelazowo-niklowego pochodzi z okresu dynastii Shan (1600-1046 r. p.n.e.) - jest to topór Yueh[18][16].
Prawdopodobnie pierwszym świadomym zastosowaniem niklu było stosowanie go w stopie używanym do bicia monet. Pierwsze monety zawierające nikiel (pak-fong, pai-t'ung lub biała miedź - opisana przez Du Halde w 1736) były używane w królestwach Chin w okresie ok. 700-220 r. p.n.e. W Królestwie Greko-Baktryjskim monety Euthydemus II, Pantaleon i Agathocles z okresu 200-195 r. p.n.e. były bite ze stopu zawierającego 18,5-20,9% Ni, 75,5-77,9% Cu, 1,6-1,7% Fe oraz innych domieszek. Nikiel w monetach pojawił się na nowo po przeszło 2000 lat i stosowany jest do dziś. W historii pojawiają się wzmianki o broni pochodzącej z nieba, co potwierdziły badania znalezisk. Znane są XV-wieczne egzemplarze malajskich krisów wykonanych z żelaza meteorycznego[19][20][21]. Informacja o niklu pojawia się także w dziele "aes album" Libaviusa z 1597 r[17].

Nikiel w historii
Harpun z kła narwala z ostrzem wykonanym z meteorycznego żelaza Sztylet mongolskiego władcy Dżahangira, wykonany z meteorycznego żelaza XIX-wieczne monety wykonane z niklu
Od lewej: Harpun z kła narwala z ostrzem wykonanym z meteorycznego żelaza; Sztylet mongolskiego władcy Dżahangira, wykonany z meteorycznego żelaza; XIX-wieczne monety wykonane z niklu

Wzmianki o wydobywaniu niklu pochodzą z ok. XVI-XVII wieku od górników saksońskich z obszaru Rudaw. Nazwę pierwiastek zawdzięcza próbom wydobywania i przetwarzania nikielinu (NiAs), biorąc go za rudę miedzi[22]. Ruda przy topieniu oczywiście nie dawała miedzi, wydzielała natomiast trujący arsen. Górnicy za brak miedzi w rudzie i za pogorszenie swojego zdrowia obwiniali złe duchy lub Old Nick'a. Górnicy nazywali tę rudę kupper icell, kupfernickel, kupper nicklichten, co oznaczało diabelska miedź lub fałszywa miedź[17]. Nikiel, mimo, że znany był już wcześniej, został "odkryty" i sklasyfikowany dopiero w 1751 roku przez Axela Fredericka Cronsedta, a nazwa pierwiastka nickel pojawiła się oficjalnie w 1754 w jego dziele Continuation of Results and Experiments on the Los Cobalt Ore[17][22]. Ze względu na niski stopień oczyszczenia niklu, przez co próbka nie wykazywała ciągliwości (cecha charakterystyczna dla metali) Cronstedt zaklasyfikował nikiel do półmetali[17]. Właściwości czystego niklu zostały opisane[23] w 1804 roku przez J. B. Richtera. Pierwiastek został opisany 'idealny", "szlachetny" metal charakteryzujący się doskonałą ciągliwością, twardością i odpornością na korozję[17]. Około 1830 roku stopy niklowo-miedziowe były znane pod nazwą "niemieckie srebro" (nowe srebro). Oprócz wyglądu przypominającego wygląd srebra stopy te (o przybliżonym składzie 40% Cu, 32% Ni, 25% Zn i 3% Fe) stop ten charakteryzował się łatwością wytwarzania i odlewania, był odporny na matowienie i był tani w produkcji[7]. Wzrost wykorzystania niklu nastąpił od 1857, kiedy Stany Zjednoczone wprowadziły do obiegu monetę zawierającą 12%; wkrótce potem inne kraje podążyły tym trendem. . Mimo, że czysty nikiel był produkowany na skalę przemysłową od 1838, to aż do 1876 roku światowa produkcja niklu utrzymywała się na poziomie poniżej 1000 ton rocznie[7]. Zapotrzebowanie na nikiel wzrosło gwałtownie w latach 1870-1880, kiedy Henri Marbeau we Francji i James Riley w Szkocji opracowali dobrej jakości stopy żelazowo-niklowe i stal niklową[24] oraz powstały pierwsze niklowe powłoki galwaniczne. Gwałtowny wzrost wykorzystania niklu w przemyśle nastąpił od lat 90. XIX wieku kiedy stopy stalowo-niklowe były wykorzystywane jako pancerz okrętów[7].
W 1863, na Nowej Kaledonii, Juliusz Garnier odkrył złoża niklu (jako garnieryt), czego skutkiem było, to że ta niewielka wyspa do 1905 roku była największym producentem niklu na świecie. Od roku 1905 do lat 50. XX wieku miano największego producenta niklu przejęła Kanada dzięki wydobyciu rud w obszarze niecki Sudbury. Obecnie nikiel, w ilościach powyżej 20 tys ton/rocznie wydobywany jest w 15 krajach na świecie, a łączna roczna produkcja w roku 2016 wyniosła ponad 2,2 mln ton[25].

Występowanie[edytuj]

Występuje w skorupie ziemskiej w ilościach ok. 80 ppm w postaci minerałów garnieryt i pentlandyt. Rudy dzieli się na tlenkowe, siarczkowe i arsenkowe, w zależności od ich składu chemicznego.

Wydobycie niklu na świecie w roku 2005

Zastosowanie[edytuj]

Znaczenie biologiczne – nikiel jest mikroelementem obecnym w centrach reaktywności wielu enzymów. Jego minimalne, dzienne dobowe spożycie wynosi 0,3 mg.

W Polsce rudy niklu były wydobywane i przetwarzane w miejscowości Szklary do 1982 roku. Nikiel używany jest często do produkcji oprawek okularów i taniej biżuterii co może sprawić problemy alergikom. Osoby uczulone na nikiel narażone są na zaczerwienienie skóry w miejscu styczności metalu ze skórą. W dodatku pewnemu zniszczeniu ulegają też oprawki (widoczne są wżery, jakby po wytrawieniu kwasem).

Nikiel wykorzystuje się głównie jako pokrycie mniej szlachetnego żelaza i stali (elektroliza), gdzie zwiększa wytrzymałość i odporność na korozję. Stale takie wykorzystuje się w przemyśle samochodowym. Sieć krystaliczna niklu posiada właściwość absorpcji atomów wodoru. W silnie rozdrobnionym metalu może się zmieścić około 17 razy więcej wodoru niż wynosi jego objętość. Właściwość ta wykorzystywana jest jako katalizator w wielu procesach, m.in. w hydrogenizacji (chemicznym utwardzaniu) tłuszczów. Jest składnikiem baterii niklowo-kadmowych. Jego stopy z miedzią służą do produkcji monet.

Stopy na bazie niklu, żelaza i kobaltu znane są jako nadstopy. Stosuje się je w przemyśle energetycznym ze względu na ich żaroodporność i małe pełzanie materiału w wysokich temperaturach.

Zobacz też[edytuj]

Uwagi

  1. Wartość w nawiasie oznacza niepewność związaną z ostatnią cyfrą znaczącą. Duże różnice w składzie izotopowym tego pierwiastka w źródłach naturalnych nie pozwalają na podanie wartości masy atomowej z większą dokładnością.

Przypisy

  1. a b Nikiel (ang.) w wykazie klasyfikacji i oznakowania Europejskiej Agencji Chemikaliów. [dostęp 2015-04-10].
  2. Nikiel (nr 266981) (ang.) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Stanów Zjednoczonych. [dostęp 2011-10-05].
  3. Publikacja w otwartym dostępie – możesz ją bezpłatnie przeczytać Juris Meija i inni, Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report), „Pure and Applied Chemistry”, 88 (3), 2016, s. 265–291, DOI10.1515/pac-2015-0305.
  4. Nikiel (CID: 935) (ang.) w bazie PubChem, United States National Library of Medicine.
  5. a b c Nickel: radii of atoms and ions. WebElements Periodic Table. [dostęp 2017-03-05].
  6. Nikiel (nr 266981) – karta charakterystyki produktu Sigma-Aldrich (Merck KGaA) na obszar Polski. [dostęp 2011-10-05].
  7. a b c d e Derek G. E. Kerfoot: Nickel. W: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wyd. 6. Wiley-VCH, grudzień 2002. DOI: 10.1002/14356007.a17_157. ISBN 978-3-527-30385-4. (ang.)
  8. The Nickel Industry: Occurrence, Recovery, and Consumption. W: J. R. Davis: ASM Specialty Handbook: Nickel, Cobalt, and Their Alloys. ASM International, 2000. DOI: 10.1361/ncta2000p003. ISBN 0-87170-685-7. (ang.)
  9. Geoffrey Brown: The Inaccessible Earth:An Integrated Approach to Geophysics and Geochemistry. Springer, 1993, s. 105. ISBN 041248160X. (ang.)
  10. Stephen W Ragsdale. Nickel-based Enzyme Systems.. „The Journal of Biological Chemistry”. 284 (28), s. 18571-5, 2009. American Society for Biochemistry and Molecular Biology. DOI: 10.1074/jbc.R900020200. PMID: 19363030 (ang.). 
  11. Eric R. Scerri: The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press, 2006, s. 239. ISBN 978-1511398268. (ang.)
  12. M.P. Fewell. The atomic nuclide with the highest mean binding energy. „American Journal of Physics”. 63 (7), s. 653-658, 07/1995. DOI: 10.1119/1.17828 (ang.). 
  13. G. Audi, O. Bersillon. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. „Nuclear Physics A”. 729, s. 3-128. Elsevier (ang.). 
  14. P.W.: Twice-magic metal makes its debut (ang.). 23-10-1999. [dostęp 06-08-2017].
  15. Nickel Allergic Contact Dermatitis (Ni-ACD) Gallery, „Dermatitis Academy” [dostęp 2017-09-02].
  16. a b E. Photos. The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results. „World Archaeology”. 20 (3), s. 403-421, luty 1989. Taylor & Francis, Ltd. (ang.). 
  17. a b c d e f Frank Buller Howard-White: Nickel: An historical review. Methuen & Co., 1963. ISBN 0416272207. (ang.)
  18. Tim Brocato: sacrifices (Chinese module Virtual Exhibition Project) (ang.). 23 maja 2000. [dostęp 2013-02-02].
  19. Edward Frey: The Kris: Mystic Weapon of the Malay World. Wyd. 3. Kuala Lumpur: Oxford University Press, Grudzień 2003, s. 33. (ang.)
  20. KBS System of Filipino Martial Arts: The Kris - Blade of SE Asia (ang.). [dostęp 2013-02-02].
  21. Rozan Yunos,Bandar Seri Begawan: The kris: The traditional Malay weapon (ang.). W: The Brunei Times [on-line]. 27 lipca 2008. [dostęp 2013-02-02].
  22. a b John N. DuPont: Welding Metallurgy and Weldability of Nickel-Base Alloys. Wyd. 1. John Wiley & Sons, Inc., 2009, s. 5. ISBN 0470087145. (ang.)
  23. J. B. Richter. On absolutely pure nickel. Proof that it is a noble metal. „Neues Allgem. J. Chem”. 2 (61), 1804. 
  24. John B. Burke: Cosmic Debris: Meteorites in History. University of California Press, 1991, s. 236. ISBN 9780520073968. (ang.)
  25. Emily K. Schnebele: Nickel: Mineral Commodity Summaries. Wyd. 3. U.S. Geological Survey, Styczeń 2017, s. 114-115. (ang.)