НИКЕЛ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИЛОЖЕНИЯ, РИСКОВЕ - ХИМИЯ - 2025

На никел е преходен метал бяло химически символ е Ni. Твърдостта му е по-голяма от тази на желязото, освен че е добър проводник на топлина и електричество и като цяло се счита за метал, който не е много реактивен и е силно устойчив на корозия. В чисто състояние е сребро със златисти оттенъци.

През 1751 г. Аксел Фредрик Кронстед, шведски химик, успява да го изолира от минерал, известен като Kupfernickel (дяволска мед), извлечен от кобалтова мина в шведско село. Отначало Кронстед смятал, че минералът е мед, но изолираният елемент се оказва бял на цвят, различен от мед.

Никелови сфери, в които свети златните му тонове. Източник: Рене Рауш

Cronsted нарече елемента никел и по-късно беше установено, че минералът, наречен kupfernickel, е николит (никелов арсенид).

Никелът се добива главно от две находища: магматични скали и други сегрегации на земната магма. Минералите са със сяра в природата, като пентладит. Вторият източник на никел са латеритите, с богати на никел минерали като гарниерит.

Основното приложение на никела е във формирането на сплави с много метали; например, той участва в производството на неръждаема стомана, индустриална дейност, която изразходва около 70% от световното производство на никел.

В допълнение, никелът се използва в сплави като alnico, сплав с магнитна природа, предназначен за производството на електродвигатели, високоговорители и микрофони.

Никелът започва да се използва при направата на монети в средата на 19 век. Въпреки това употребата му вече е заменена от употребата на по-евтини метали; въпреки че продължава да се използва в някои страни.

Никелът е основен елемент за растенията, тъй като той активира ензима уреаза, който се намесва в разграждането на урея до амоняк, който може да се използва от растенията като източник на азот. Освен това, карбамидът е токсично съединение, което причинява сериозни щети на растенията.

Никелът е елемент на голяма токсичност за хората, има доказателства, че е канцерогенен агент. В допълнение, никелът причинява контактен дерматит и развитието на алергии.

история

античност

Човекът знаеше от древни времена за съществуването на никел. Например процент никел от 2% е намерен в бронзови предмети (3500 г. пр. Н. Е.), Присъстващи в земи, които понастоящем принадлежат на Сирия.

По същия начин китайските ръкописи предполагат, че "бяла мед", известна като байтонг, е била използвана между 1700 и 1400 г. пр. Н. Е. Минералът е бил изнесен във Великобритания през 17 век; но съдържанието на никел в тази сплав (Cu-Ni) е открито чак през 1822г.

В средновековна Германия е открит червеникав минерал, подобен на мед и който има зелени петна. Миньорите се опитаха да изолират медта от рудата, но не успяха в опита си. В допълнение, контактът със здравословните проблеми, причинени от минерала.

Поради тези причини миньорите приписват злокачествено състояние на минерала и му присвояват различни имена, които илюстрират това състояние; като "Стария Ник", също и купуферниккел (мед на дявола). Сега е известно, че въпросният минерал е бил николит: никелов арсенид, NiAs.

Откриване и производство

През 1751 г. Аксел Фредрик Кронстед се опитва да изолира мед от куферникел, получен от мина за кобалт, разположена близо до Лос Халсингланд, шведско село. Но той успя само да се сдобие с бял метал, който дотогава беше неизвестен и го нарече никел.

От 1824 г. никелът се получава като страничен продукт от производството на кобалтово синьо. През 1848 г. в Норвегия е създадена централа за преработка на никел в минералния пиротит.

През 1889 г. никелът е въведен в производството на стомана, а откритите в Нова Каледония находища осигуряват никела за световно потребление.

Имоти

Външен вид

Сребристо бяло, лъскаво и с лек златист нюанс.

Атомно тегло

58.9344 ф

Атомно число (Z)

28

Точка на топене

1,455 ºC

Точка на кипене

2730 ° C

плътност

-Стайна температура: 8.908 g / mL

-Точка на топене (течност): 7,81 g / mL

Топлина от синтез

17.48 kJ / mol

Топлина от изпаряване

379 kJ / mol

Моларен калоричен капацитет

26,07 J / mol

Електроотрицателност

1.91 по скалата на Полинг

Йонизационна енергия

Първо ниво на йонизация: 737,1 kJ / mol

Второ ниво на йонизация: 1,753 kJ / mol

Трето ниво на йонизация: 3,395 kJ / mol

Атомно радио

Емпиричен 124 ч

Ковалентен радиус

124,4 ± 16:00

Топлопроводимост

90,9 W / (m K)

Електрическо съпротивление

69,3 nΩ m при 20 ° C

твърдост

4.0 по скалата на Mohs.

характеристики

Никелът е пластичен, ковък метал и има по-голяма твърдост от желязото, като е добър електрически и термичен проводник. Това е феромагнетичен метал при нормални температури, като температурата му в Кюри е 358 ° C. При температури, по-високи от тази, никелът вече не е феромагнетичен.

Никелът е един от четирите феромагнитни елемента, останалите три са: желязо, кобалт и гадолиний.

Изотопи

Има 31 изотопа на никел, ограничени от ⁴⁸ Ni и ⁷⁸ Ni.

Има пет естествени изотопа: ⁵⁸ Ni, с изобилие от 68,27%; ⁶⁰ Ni, с изобилие от 26.10%; ⁶¹ Ni, с изобилие от 1,13%; ⁶² Ni, с изобилие от 3,59%; и ⁶⁴ Ni, с изобилие от 0,9%.

Атомното тегло от около 59 u за никел показва, че няма забележимо преобладаване в нито един от изотопите (въпреки че ⁵⁸ Ni е най-разпространеният).

Структура и електронна конфигурация

Никелният металик кристализира в кубична (FCC) структура, насочена към лицето. Тази фаза Fcc е изключително стабилна и остава непроменена до налягания, близки до 70 GPa; Има малко библиографска информация относно фазите или полиморфите на никела под високо налягане.

Морфологията на никеловите кристали е променлива, тъй като те могат да бъдат подредени по такъв начин, че да определят нанотръба. Като наночастица или макроскопско твърдо вещество металната връзка остава същата (на теория); това е същите валентни електрони, които държат Ni атомите заедно.

Според двете възможни електронни конфигурации за никел:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

В металната връзка участват десет електрона; или осем, или девет в 3d орбитала, заедно с две или една в 4-те орбитали. Обърнете внимание, че валентната лента е практически пълна, близо до транспортиране на нейните електрони до проводимата лента; факт, който обяснява сравнително високата му електрическа проводимост.

Fcc структурата на никела е толкова стабилна, че дори се възприема от стомана, когато се добави към нея. По този начин, неръждаемото желязо с високо съдържание на никел също е fcc.

Окислителни числа

Никелът, въпреки че може да не изглежда като него, също има изобилен брой или окислителни състояния. Негативите са очевидни като знаят, че на него му липсват само два електрона, за да завършат десетте от своята 3D орбитала; по този начин, той може да получи един или два електрона, имащи окислителни числа -1 (Ni ^-) или -2 (Ni ^2-), съответно.

Най-стабилното окислително число за никел е +2, ако се приеме съществуването на катиона Ni ²⁺, който е загубил електроните от 4s орбитала и има осем електрона в 3d орбитала (3d ⁸).

Също така има два други положителни окислителни числа: +3 (Ni ³⁺) и +4 (Ni ⁴⁺). В училищни или средни училищни нива никел се учи само да съществува като Ni (II) или Ni (III), тъй като те са най-често срещаните окислителни числа, намиращи се в много стабилни съединения.

И когато металният никел е част от съединение, тоест с нейния неутрален атом Ni, тогава се казва, че той участва или се свързва с окислително число 0 (Ni ⁰).

Къде е намерен никел?

Минерали и море

Никелът представлява 0,007% от земната кора, така че изобилието му е малко. Но все пак това е вторият най-разпространен метал след желязо в земното разтопено ядро, известен като Nife. Морската вода има средна концентрация на никел 5,6 · 10 ^-4 mg / L.

Обикновено се намира в магматични скали с пентландит, минерал, образуван от желязо и никелов сулфид, който е един от основните източници на никел:

Скала, съставена от минерали пенлендит и пиротит. Източник: Джон Соболевски (JSS)

Минералът пентландит присъства в Съдбъри, Онтарио, Канада; едно от основните находища на този метал в света.

Пентландитът има концентрация на никел между 3 и 5%, свързан с пиротит, железен сулфид, богат на никел. Тези минерали се намират в скалите, продукти от сегрегациите на земната магма.

Laterites

Другият важен източник на никел са латеритите, съставени от сухи почви в горещи райони. Те са бедни на силициев диоксид и притежават няколко минерала, включително: гарниерит, магнезиев никелов силикат; и лимонит, желязна руда

Използва се в сплав с желязо главно за производството на неръждаема стомана, тъй като 68% от производството на никел се използва за тази цел.

Освен това образува сплав с мед, устойчива на корозия. Тази сплав е съставена от 60% никел, 30% мед и малки количества други метали, особено желязо.

Никелът се използва в резистивни сплави, магнитни и за други цели, като никелово сребро; и сплав, състояща се от никел и мед, но не съдържа сребро. Ni-Cu тръби се използват в инсталации за обезсоляване, екраниране и изработка на монети.

Никелът осигурява здравина и якост на опън на сплави, които изграждат устойчивост на корозия. Освен сплави с мед, желязо и хром, той се използва в сплави с бронз, алуминий, олово, кобалт, сребро и злато.

Монелната сплав е съставена от 17% никел, 30% мед и със следи от желязо, манган и силиций. Той е устойчив на морска вода, което го прави идеален за използване на корабни витла.

Защитно действие

Реакцията на никел с флуор образува защитен слой за флуорния елемент, което позволява метални никели или монелни сплави да се използват в газопроводите на флуор.

Никелът е устойчив на действието на основите. Поради тази причина се използва в контейнери, съдържащи концентриран натриев хидроксид. Използва се и при галванопластика за създаване на защитна повърхност за други метали.

Други приложения

Никелът се използва като редуциращ агент за шест метала от групата на минерали от платина, в които се комбинира; главно платина и паладий. Никелевата пяна или мрежата се използва при производството на електроди за батерии с алкално гориво.

Никелът се използва като катализатор за хидрирането на ненаситени растителни мастни киселини, като се използва в процеса на производство на маргарин. Медта и сплавът Cu-Ni имат антибактериално действие върху E. coli.

Наночастиците

Никеловите наночастици (NPs-Ni) намират голямо разнообразие от употреба поради по-голямата си повърхност в сравнение с макроскопска проба. Когато тези NPs-Ni се синтезират от растителни екстракти, те развиват антимикробни и антибактериални активности.

Причината за гореспоменатото се дължи на по-голямата му склонност към окисляване при контакт с вода, образувайки катиони на Ni ²⁺ и високореактивни кислородни видове, които денатурират микробните клетки.

От друга страна, NPs-Ni се използват като електроден материал в твърди горивни клетки, влакна, магнити, магнитни течности, електронни части, сензори за газ и др. По същия начин те са каталитични носители, адсорбенти, избелващи агенти и пречистватели на отпадни води.

-Composites

Никел хлорид, нитрат и сулфат се използват в никелови вани при галванопластика. Освен това, неговата сулфатна сол се използва при приготвянето на катализатори и разтвори за боядисване на текстил.

В батериите за съхранение се използва никелов пероксид. Феритите на никела се използват като магнитни ядра в антени в различни електрически съоръжения.

Никеловият тетракарбонил осигурява въглероден оксид за синтеза на акрилати от ацетилен и алкохоли. Комбинираният оксид на барий и никел (BaNiO ₃) служи като суровина за производството на катоди на много акумулаторни батерии, като Ni-Cd, Ni-Fe и Ni-H.

Биологична роля

За растежа им е необходимо наличието на никел. Известно е, че се използва като кофактор от различни растителни ензими, включително уреаза; ензим, който превръща уреята в амоняк, като е в състояние да използва това съединение във функционирането на растенията.

Освен това, натрупването на урея води до промяна в листата на растенията. Никелът действа като катализатор за насърчаване на фиксирането на азот от бобовите растения.

Най-чувствителните към недостиг на никел култури са бобовите растения (боб и люцерна), ечемикът, пшеницата, сливите и прасковите. Недостигът му се проявява в растенията чрез хлороза, падане на листата и недостиг на растеж.

При някои бактерии ензимната уреаза зависи от никела, но се счита, че те могат да имат вирулентно действие върху организмите, които обитават.

Други бактериални ензими, като супероксид дисмутаза, както и гликсидазата, присъстваща в бактерии и някои паразити, например в трипанозоми, зависят от никела. Същите ензими при по-високите видове обаче не зависят от никела, а от цинка.

Рискове

Поглъщането на големи количества никел се свързва с генерирането и развитието на рак на белия дроб, носа, ларинкса и простатата. В допълнение, той причинява дихателни проблеми, дихателна недостатъчност, астма и бронхит. Изпаренията на никела могат да причинят дразнене на белите дробове.

Контактът с никел с кожата може да причини сенсибилизация, която впоследствие предизвиква алергия, проявяваща се като кожен обрив.

Излагането на кожа на никел може да причини дерматит, известен като "никел сърбеж" при по-рано чувствителни хора. При сенсибилизация към никел, тя се запазва за неопределено време.

Международната агенция за изследвания на рака (IARC) е поставила никелови съединения в група 1 (има достатъчно доказателства за канцерогенност при хората). OSHA обаче не регулира никела като канцероген.

Препоръчва се излагането на метален никел и неговите съединения да не надвишава 1 mg / m ³ за осем часа работа в рамките на четиридесет часова работна седмица. Никел карбонил и никелов сулфид са силно токсични или канцерогенни съединения.

Препратки

1. Мохамед Имран Дин и Анеела Рани. (2016 г.). Последни постижения в синтеза и стабилизирането на наночастиците на никел и никелов оксид: зелена адепт. Международно списание за аналитична химия, кн. 2016, артикул ID 3512145, 14 страници, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Наночастици на базата на никел като адсорбенти в методите за пречистване на водата - преглед. Ориент J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Никел. Възстановено от: en.wikipedia.org
4. Никелов институт. (2018). Неръждаема стомана: ролята на никела. Възстановено от: nickelinstitute.org
5. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (20 март 2019 г.). Никел. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
6. Троя Буечел. (05 октомври 2018 г.). Роля на никела в отглеждането на растения. PROMIX. Възстановени от: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Периодична таблица: Никел. Възстановена от: lenntech.com
8. Бел Теренс. (28 юли 2019 г.). Никел метален профил. Възстановени от: thebalance.com
9. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (22 юни 2018 г.). 10 факта на никеловия елемент. Възстановено от: thinkco.com
10. Дини Нурхаяни и Ахмад А. Корда. (2015). Ефектът от добавянето на никел върху антимикробните, физичните и механичните свойства на медно-никеловата сплав срещу суспензии на Escherichia coli. Материали за конференцията на AIP 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727