NIKELIS: ISTORIJA, SAVYBĖS, STRUKTŪRA, PANAUDOJIMAS, RIZIKA - CHEMIJA - 2025

Nikelio yra pereinamasis metalas balta cheminis simbolis yra Ni. Jo kietumas yra didesnis nei geležies, be to, jis yra geras šilumos ir elektros laidininkas ir apskritai laikomas metalu, kuris nėra labai reaktyvus ir yra labai atsparus korozijai. Grynos būklės jis yra sidabro su aukso atspalviais.

1751 m. Švedui chemikui Axeliui Fredrikui Cronstedui pavyko jį atskirti nuo mineralo, vadinamo Kupfernickel (velnio vario), gauto iš kobalto kasyklos Švedijos kaime. Iš pradžių Cronstedas manė, kad mineralas yra varis, tačiau izoliuotas elementas pasirodė baltos spalvos, besiskiriantis nuo vario.

Nikelio sferos, kuriose spindi auksiniai tonai. Šaltinis: René Rausch

Cronsted pavadino elementą nikeliu ir vėliau buvo nustatyta, kad mineralas, vadinamas kupfernickel, buvo nikolitas (nikelio arsenidas).

Nikelis išgaunamas daugiausia iš dviejų telkinių: dulkių uolienų ir kitų žemės magmos segmentų. Mineralai yra sieros pobūdžio, kaip ir pentladitas. Antrasis nikelio šaltinis yra lateritai, turintys nikelio turinčių mineralų, tokių kaip garnieritas.

Pagrindinis nikelio panaudojimas yra lydinių, kuriuose yra daug metalų, formavimas; Pvz., ji užsiima nerūdijančio plieno gamyba - pramonine veikla, kuriai sunaudojama apie 70% viso pasaulio nikelio.

Be to, nikelis naudojamas lydiniuose, tokiuose kaip alnico - magnetinio lydinio, skirto gaminti elektrinius variklius, garsiakalbius ir mikrofonus.

Nikelis buvo pradėtas naudoti monetoms gaminti XIX amžiaus viduryje. Tačiau dabar jo naudojimas buvo pakeistas pigesnių metalų naudojimu; nors kai kuriose šalyse jis ir toliau naudojamas.

Nikelis yra svarbus elementas augalams, nes jis aktyvuoja fermento ureazę, kuri įsiterpia į karbamido skaidymą į amoniaką, kurį augalai gali naudoti kaip azoto šaltinį. Be to, karbamidas yra toksiškas junginys, kuris daro didelę žalą augalams.

Nikelis yra labai toksiškas žmonėms elementas, yra įrodymų, kad jis yra kancerogeninis agentas. Be to, nikelis sukelia kontaktinį dermatitą ir alergijos vystymąsi.

Istorija

Antika

Vyras nuo seno žinojo nikelio egzistavimą. Pavyzdžiui, bronziniuose daiktuose (3500 m. Pr. Kr.) Rasta 2% nikelio, esančio Sirijai priklausančiose žemėse.

Kinijos rankraščiai taip pat rodo, kad „baltasis varis“, žinomas kaip „baitong“, buvo naudojamas nuo 1700 iki 1400 m. Pr. Kr. Mineralas buvo eksportuotas į Didžiąją Britaniją XVII a. tačiau šio lydinio (Cu-Ni) nikelio kiekis nebuvo atrastas iki 1822 m.

Viduramžių Vokietijoje rastas rausvas mineralas, panašus į varį, kuris turėjo žalių dėmių. Kalnakasiai bandė išskirti varį iš rūdos, tačiau jiems nepavyko. Be to, kontaktas su mineralu sukėlė sveikatos problemų.

Dėl šių priežasčių kalnakasiai mineralą priskyrė piktybinei būklei ir skyrė skirtingus pavadinimus, kurie iliustruodavo šią būklę; kaip „Senasis Nickas“, taip pat „kupfernickel“ (velnio varis). Dabar žinoma, kad nagrinėjamas mineralas buvo nikolitas: nikelio arsenidas, NiAs.

Atradimas ir gamyba

1751 m. Axelis Fredrikas Cronstedas bandė išskirti varį iš kupfernickelio, gauto iš kobalto kasyklos, esančios netoli Švedijos kaimo Los Halsinglandt. Bet jam pavyko gauti tik baltą metalą, kuris iki šiol nebuvo žinomas ir vadinosi jį nikeliu.

Nuo 1824 m. Nikelis buvo gautas kaip šalutinis produktas gaminant kobalto mėlyną. 1848 m. Norvegijoje buvo įsteigta lydykla, kurioje apdorojamas nikelis, esantis mineraliniame pirofotite.

1889 m. Nikelis buvo įvestas į plieno gamybą, o Naujojoje Kaledonijoje aptiktos nuosėdos nikelį leido naudoti visame pasaulyje.

Savybės

Išvaizda

Sidabriškai balta, blizgi ir švelniai aukso atspalviu.

Atominis svoris

58,9344 u

Atominis skaičius (Z)

28

Lydymosi temperatūra

1,455 ºC

Virimo taškas

2730 ºC

Tankis

- Kambario temperatūroje: 8,908 g / ml

- Lydymosi temperatūra (skystas): 7,81 g / ml

Lydymosi šiluma

17,48 kJ / mol

Garinimo šiluma

379 kJ / mol

Molinė kalorinė talpa

26.07 J / mol

Elektronegatyvumas

1,91 pagal Paulingo skalę

Jonizacijos energija

Pirmasis jonizacijos lygis: 737,1 kJ / mol

Antrasis jonizacijos lygis: 1,753 kJ / mol

Trečiasis jonizacijos lygis: 3395 kJ / mol

Atominis radijas

Empirinis 124 val

Kovalentinis spindulys

124,4 ± 16 val

Šilumos laidumas

90,9 W / (m K)

Elektrinė varža

69,3 nΩ m esant 20 ºC

Kietumas

4.0 pagal Moho skalę.

charakteristikos

Nikelis yra kalusis, kalusis metalas ir turi didesnį kietumą nei geležis, nes yra geras elektros ir šilumos laidininkas. Tai normalios temperatūros feromagnetinis metalas, kurio Curie temperatūra yra 358ºC. Aukštesnėje nei nikelio temperatūroje nikelis nebėra feromagnetinis.

Nikelis yra vienas iš keturių feromagnetinių elementų, kiti trys yra: geležis, kobaltas ir gadolinis.

Izotopai

Yra 31 nikelio izotopas, kuriuos riboja ⁴⁸ Ni ir ⁷⁸ Ni.

Yra penki natūralūs izotopai: ⁵⁸ Ni, kurių gausa 68,27%; ⁶⁰ Ni, kurio gausa yra 26,10%; ⁶¹ Ni, kurio gausu 1,13%; ⁶² Ni, kuriame gausu 3,59%; ir ⁶⁴ Ni, kurių gausu 0,9%.

Maždaug 59 u nikelio atominė masė rodo, kad nė vienas iš izotopų neturi reikšmingo vyravimo (nors ⁵⁸ Ni yra gausiausias).

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

Metalo nikelis kristalizuojasi į veidą, kurio centre yra kubinė (fcc) struktūra. Ši fcc fazė yra ypač stabili ir nesikeičia iki slėgio, artimo 70 GPa; Apie nikelio fazes ar polimorfus esant aukštam slėgiui yra mažai bibliografinės informacijos.

Nikelio kristalų morfologija yra įvairi, nes jie gali būti išdėstyti taip, kad apibrėžtų nanovamzdelį. Kaip nanodalelės arba makroskopinė kieta medžiaga, metalinis ryšys išlieka tas pats (teoriškai); y., tai yra tie patys valentiniai elektronai, kurie kartu laiko Ni atomus.

Pagal dvi galimas nikelio elektronines konfigūracijas:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Dešimt elektronų dalyvauja metaliniame ryšyje; aštuoni ar devyni 3D orbitalėje kartu su dviem arba vienas 4 s orbitalėje. Atkreipkite dėmesį, kad valentinė juosta yra beveik pilna, arti jos elektronų pernešimo į laidumo juostą; faktas, paaiškinantis jo santykinai aukštą elektrinį laidumą.

Nikelio fcc struktūra yra tokia stabili, kad pridedant jį net plienas jį priima. Taigi nerūdijantis geležis, turinti daug nikelio, taip pat yra fcc.

Oksidacijos skaičiai

Nikelis, nors ir gali neatrodyti, taip pat turi gausų skaičių ar oksidacijos būsenas. Negatyvai yra akivaizdūs žinant, kad jam trūksta dviejų elektronų, kad būtų galima užpildyti dešimties 3D orbitalių skaičių; taigi, jis gali įgyti vieną ar du elektronus, kurių oksidacijos skaičius yra atitinkamai -1 (Ni ^- ) arba -2 (Ni ^2- ).

Stabiliausias nikelio oksidacijos skaičius yra +2, darant prielaidą, kad egzistuoja Ni ²⁺ katijonas , praradęs 4s orbitos elektronus ir turintis aštuonis elektronus 3d orbitalėje (3d ⁸ ).

Taip pat yra dar du teigiami oksidacijos skaičiai: +3 (Ni ³⁺ ) ir +4 (Ni ⁴⁺ ). Mokyklos ar vidurinės mokyklos lygmenyje nikelis mokomas egzistuoti tik kaip Ni (II) arba Ni (III), nes jie yra labiausiai paplitę labai stabilių junginių oksidacijos skaičiai.

O kai metalinis nikelis yra junginio dalis, ty jo neutralus Ni atomas, tada jis dalyvauja arba jungiasi su oksidacijos skaičiumi 0 (Ni ⁰ ).

Kur randamas nikelis?

Mineralai ir jūra

Nikelis sudaro 0,007% žemės plutos, todėl jo nedaug. Tačiau jis vis dar yra antras gausiausias metalas po geležies žemės išlydytoje šerdyje, žinomas kaip Nife. Jūros vandens vidutinė nikelio koncentracija yra 5,6 · ^10–4 mg / L.

Paprastai jis randamas dujinėse uolienose, pentlandite, minerale, susidarančiame iš geležies ir nikelio sulfido, kuris yra vienas iš pagrindinių nikelio šaltinių:

Uola, sudaryta iš pentlandito ir pirotito mineralų. Šaltinis: John Sobolewski (JSS)

Mineralinio pentlandito yra Sudberyje (Ontarijas, Kanada); vienas pagrindinių šio metalo telkinių pasaulyje.

Pentlandito nikelio koncentracija yra nuo 3 iki 5%, nes jis susijęs su pirrhotitu - geležies sulfidu, kuriame gausu nikelio. Šie mineralai randami uolienose, žemės magmos atsiskyrimo produktuose.

Lateritai

Kitas svarbus nikelio šaltinis yra lateritai, sudaryti iš sausringų dirvožemių karštuose regionuose. Jie turi mažai silicio dioksido ir turi keletą mineralų, įskaitant: garnieritą, magnio nikelio silikatą; ir limonitas, geležies rūda

Jis daugiausia naudojamas nerūdijančio plieno gamyboje lydinyje su geležimi, nes 68% nikelio produkcijos yra naudojama šiam tikslui.

Tai taip pat sudaro lydinį su variu, atspariu korozijai. Šį lydinį sudaro 60% nikelio, 30% vario ir nedideli kitų metalų, ypač geležies, kiekiai.

Nikelis naudojamas atspariuose lydiniuose, magnetiniuose ir kitiems tikslams, tokiems kaip nikelio sidabras; ir lydinį, susidedantį iš nikelio ir vario, tačiau jame nėra sidabro. Ni-Cu vamzdžiai naudojami gėlinimo įrenginiuose, ekranuose ir monetose gaminti.

Nikelis suteikia lydiniams tvirtumą ir atsparumą tempimui, kurie yra atsparūs korozijai. Be lydinių su variu, geležimi ir chromu, jis naudojamas lydiniuose su bronza, aliuminiu, švinu, kobaltu, sidabru ir auksu.

„Monel“ lydinys yra sudarytas iš 17% nikelio, 30% vario ir geležies, mangano bei silicio pėdsakų. Jis atsparus jūros vandeniui, todėl jį idealiai tinka naudoti laivų sraigtuose.

Apsauginis veiksmas

Nikelis, reaguodamas su fluoru, sudaro apsauginį fluoro elemento sluoksnį, leidžiantį metalo nikelį ar Monelio lydinį naudoti fluoro dujų linijose.

Nikelis yra atsparus šarmų veikimui. Dėl šios priežasties jis naudojamas induose, kuriuose yra koncentruoto natrio hidroksido. Jis taip pat naudojamas galvanizuojant, kad būtų sukurtas apsauginis kitų metalų paviršius.

Kiti naudojimo būdai

Nikelis yra naudojamas kaip reduktorius šešiems metalams iš platinos grupės mineralų, kuriuose jis yra sujungtas; daugiausia platinos ir paladžio. Nikelio putplastis arba tinklelis yra naudojami šarminių degalų akumuliatorių elektrodų gamyboje.

Nikelis yra naudojamas kaip nesočiųjų augalinių riebalų rūgščių hidrinimo katalizatorius, naudojamas margarino gamyboje. Varis ir Cu-Ni lydinys turi antibakterinį poveikį E. coli.

Nanodalelės

Nikelio nanodalelės (NPs-Ni) yra plačiai naudojamos dėl jų didesnio paviršiaus ploto, palyginti su makroskopiniu pavyzdžiu. Susintetinus šiuos NP-Ni iš augalų ekstraktų, jie sukuria antimikrobinį ir antibakterinį poveikį.

Aukščiau paminėta priežastis yra didesnė jo tendencija oksiduotis susilietus su vandeniu, sudarydama Ni ²⁺ katijonus ir labai reaguojančias deguonies rūšis, kurios denatūruoja mikrobų ląsteles.

Kita vertus, NPs-Ni naudojami kaip elektrodo medžiaga kietojo kuro elementuose, pluoštuose, magnetuose, magnetiniuose skysčiuose, elektroninėse dalyse, dujų davikliuose ir kt. Be to, jie yra katalizinės atramos, adsorbentai, balikliai ir nuotekų valikliai.

-Kompozitai

Nikelio chloridas, nitratas ir sulfatas naudojami nikelio voniose galvanizuojant. Be to, jo sulfato druska naudojama gaminant katalizatorius ir šarminius dažus tekstilės gaminiams dažyti.

Nikelio peroksidas naudojamas akumuliatoriuose. Nikelio feritai naudojami kaip magnetinės šerdys antenose įvairiuose elektros įrenginiuose.

Nikelio tertracarbonilas suteikia anglies monoksidą akrilatų sintezei iš acetileno ir alkoholių. Kombinuotas bario ir nikelio oksidas (BaNiO ₃ ) yra žaliava daugelio įkraunamų baterijų, tokių kaip Ni-Cd, Ni-Fe ir Ni-H, katodų gamybai.

Biologinis vaidmuo

Augalams augti reikalingas nikelis. Yra žinoma, kad jis kaip kofaktorius naudojamas įvairių augalų fermentų, įskaitant ureazę; fermentas, paverčiantis karbamidą amoniaku, galintis panaudoti šį junginį augalų veikimui.

Be to, kaupiantis karbamidui, pakito augalų lapai. Nikelis veikia kaip katalizatorius, skatinantis ankštinių augalų fiksavimą azotu.

Javai, jautriausi nikelio trūkumui, yra ankštiniai augalai (pupelės ir liucerna), miežiai, kviečiai, slyvos ir persikai. Jo trūkumas augaluose pasireiškia chlorozėmis, lapų kritimu ir augimo trūkumais.

Kai kuriose bakterijose fermento ureazė priklauso nuo nikelio, tačiau manoma, kad tai gali turėti virulentišką poveikį organizmams, kuriuose jie gyvena.

Kiti bakterijų fermentai, tokie kaip superoksido dismutazė, taip pat bakterijose ir kai kuriuose parazituose, pvz., Trippanosomose, esanti glikoksidazė priklauso nuo nikelio. Tačiau tie patys fermentai aukštesnėse rūšyse priklauso ne nuo nikelio, bet nuo cinko.

Pavojai

Nurijus didelius nikelio kiekius, atsiranda plaučių, nosies, gerklų ir prostatos vėžys. Be to, tai sukelia kvėpavimo sutrikimus, kvėpavimo nepakankamumą, astmą ir bronchitą. Nikelio garai gali sudirginti plaučius.

Nikelio sąlytis su oda gali sukelti sensibilizaciją, kuri vėliau sukelia alergiją, pasireiškiančią odos bėrimu.

Nikelio sąlytis su oda gali sukelti dermatitą, vadinamą „nikelio niežėjimu“ anksčiau sensibilizuotiems žmonėms. Jautrinant nikelį, jis išlieka neribotą laiką.

Tarptautinė vėžio tyrimų agentūra (IARC) nikelio junginius įtraukė į 1 grupę (yra pakankamai įrodymų apie kancerogeniškumą žmonėms). Tačiau OSHA nereglamentuoja nikelio kaip kancerogeno.

Rekomenduojama, kad metalo nikelio ir jo junginių poveikis aštuonioms darbo valandoms per keturiasdešimties valandų darbo savaites neviršytų 1 mg / m ³ . Nikelio karbonilas ir nikelio sulfidas yra labai toksiški arba kancerogeniniai junginiai.

Nuorodos

1. Muhamedas Imranas Dinas ir Aneela Rani. (2016). Naujausi nikelio ir nikelio oksido nanodalelių sintezės ir stabilizavimo pasiekimai: ekologiškas prisitaikymas. Tarptautinis analitinės chemijos žurnalas, t. 2016 m., ID ID 3512145, 14 puslapių, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Nikelio pagrindu pagamintos nanodalelės kaip adsorbentai vandens valymo metoduose - apžvalga. „Orient J Chem 2017-33“ (4).
3. Vikipedija. (2019 m.). Nikelis. Atkurta iš: en.wikipedia.org
4. Nikelio institutas. (2018 m.). Nerūdijantis plienas: nikelio vaidmuo. Atkurta iš: nickelinstitute.org
5. Enciklopedijos „Britannica“ redaktoriai. (2019 m. Kovo 20 d.). Nikelis. „Encyclopædia Britannica“. Atkurta iš: britannica.com
6. Troy Buechel. (2018 m. Spalio 05 d.). Nikelio vaidmuo augalų auginime. „Promix“. Atkurta iš: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019 m.). Periodinė lentelė: Nikelis. Atkurta iš: lenntech.com
8. Varpas Terence'as. (2019 m. Liepos 28 d.). Nikelio metalo profilis. Atkurta iš: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018 m. Birželio 22 d.). 10 nikelio elemento faktų. Atgauta iš: thinkco.com
10. Dinni Nurhayani ir Akhmad A. Korda. (2015). Nikelio pridėjimo įtaka vario-nikelio lydinio antimikrobinėms, fizinėms ir mechaninėms savybėms prieš Escherichia coli suspensijas. AIP konferencijos medžiaga 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727