NIĶELIS: VĒSTURE, ĪPAŠĪBAS, STRUKTŪRA, LIETOJUMI, RISKI - ĶĪMIJA - 2025

Niķelis ir pārejas metāls balts ķīmiskais simbols ir Ni. Tā cietība ir lielāka nekā dzelzs, papildus tam, ka tas ir labs siltuma un elektrības vadītājs, un kopumā tas tiek uzskatīts par metālu, kas nav ļoti reaktīvs un ir ļoti izturīgs pret koroziju. Tīrā stāvoklī tas ir sudrabs ar zelta nokrāsām.

1751. gadā zviedru ķīmiķim Akselam Fredrikam Kronstedam izdevās to izolēt no minerāla, kas pazīstams kā Kupfernickel (velna varš) un ko ieguva no kobalta raktuves Zviedrijas ciematā. Sākumā Cronsted domāja, ka minerāls ir varš, bet izolētais elements izrādījās balts, atšķirīgs no vara.

Niķeļa sfēras, kurās spīd zelta krāsas toņi. Avots: René Rausch

Cronsted nosauca elementu par niķeli, un vēlāk tika noskaidrots, ka minerāls, ko sauc par kupfernickel, bija nikolīts (niķeļa arsenīds).

Niķeli iegūst galvenokārt no divām atradnēm: citur nezināmiem iežiem un citām zemes magmas segregācijām. Minerāliem ir sēra raksturs, piemēram, pentladītam. Otrs niķeļa avots ir laterīti, kuros ir minerāliem bagāti minerāli, piemēram, garnierīts.

Niķeļa galvenais pielietojums ir sakausējumu veidošanā ar daudziem metāliem; piemēram, tas ir iesaistīts nerūsējošā tērauda ražošanā - rūpnieciskā darbība, kas patērē apmēram 70% no pasaules niķeļa ražošanas.

Turklāt niķelis tiek izmantots sakausējumos, piemēram, alnico, magnētiska rakstura sakausējumā, kas paredzēts elektromotoru, skaļruņu un mikrofonu ražošanai.

Niķeli monētu izgatavošanā sāka izmantot 19. gadsimta vidū. Tomēr tagad tā lietošana ir aizstāta ar lētāku metālu izmantošanu; kaut arī dažās valstīs to turpina izmantot.

Niķelis ir būtisks elements augiem, jo ​​tas aktivizē fermentu ureāzi, kas iejaucas urīnvielas sadalīšanās procesā līdz amonjakam, ko augi var izmantot kā slāpekļa avotu. Turklāt urīnviela ir toksisks savienojums, kas nopietni kaitē augiem.

Niķelis ir lielas toksicitātes elements cilvēkiem, ir pierādījumi, ka tas ir kancerogēns. Turklāt niķelis izraisa kontaktdermatītu un alerģiju attīstību.

Vēsture

Senatne

Cilvēks kopš seniem laikiem zināja niķeļa esamību. Piemēram, niķeļa procentuālais daudzums 2% tika atrasts bronzas priekšmetos (3500.g. pirms mūsu ēras), kas atrodas zemēs, kuras patlaban pieder Sīrijai.

Arī ķīniešu rokraksti liecina, ka "baltais varš", kas pazīstams kā baitong, tika izmantots no 1700. līdz 1400. gadam pirms mūsu ēras. Minerālu uz Lielbritāniju eksportēja 17. gadsimtā; bet šī sakausējuma (Cu-Ni) niķeļa saturs netika atklāts līdz 1822. gadam.

Viduslaiku Vācijā tika atrasts sarkanīgs minerāls, līdzīgs varam un kuram bija zaļi plankumi. Kalnračnieki mēģināja izolēt varu no rūdas, taču mēģinājumā tas neizdevās. Turklāt saskare ar minerālu rada veselības problēmas.

Šo iemeslu dēļ kalnračiem minerālu attiecināja uz ļaundabīgu stāvokli un piešķīra tam dažādus nosaukumus, kas ilustrēja šo stāvokli; piemēram, "Vecais Niks", arī kupfernickel (velna varš). Tagad ir zināms, ka minētais minerāls bija nikolīts: niķeļa arsenīds, NiAs.

Atklāšana un producēšana

1751. gadā Aksels Fredriks Kronsteds mēģināja izolēt varu no kupfernickel, kas iegūts no kobalta raktuvēm, kas atrodas netālu no Zviedrijas ciemata Los Halsinglandt. Bet viņam izdevās tikai iegūt baltu metālu, kas līdz šim nebija zināms, un to sauca par niķeli.

Sākot ar 1824. gadu niķeli ieguva kā kobalta zilās ražošanas blakusproduktu. 1848. gadā Norvēģijā tika izveidota kausēšanas iekārta, lai apstrādātu niķeli, kas atrodas minerālā pirotātē.

1889. gadā tērauda ražošanā tika ieviests niķelis, un Jaunkaledonijā atklātās atradnes nodrošināja niķeļa patēriņu pasaulē.

Īpašības

Izskats

Sudrabaini balta, mirdzoša un ar nelielu zeltainu nokrāsu.

Atomsvars

58,9344 u

Atomu skaitlis (Z)

28

Kušanas punkts

1,455 ºC

Vārīšanās punkts

2730 ºC

Blīvums

- istabas temperatūrā: 8,908 g / ml

-Kušanas temperatūra (šķidrums): 7,81 g / ml

Saplūšanas karstums

17,48 kJ / mol

Iztvaikošanas siltums

379 kJ / mol

Molārā kaloritāte

26.07 J / mol

Elektronegativitāte

1,91 pēc Pingainga skalas

Jonizācijas enerģija

Pirmais jonizācijas līmenis: 737,1 kJ / mol

Otrais jonizācijas līmenis: 1,753 kJ / mol

Trešais jonizācijas līmenis: 3395 kJ / mol

Atomu radio

Empīriskais 12:00

Kovalentais rādiuss

124,4 ± 4 pm

Siltumvadītspēja

90,9 W / (m K)

Elektriskā pretestība

69,3 nΩ m pie 20 ºC

Cietība

4.0 pēc Mosa skalas.

raksturojums

Niķelis ir kaļams, kaļams metāls, un tam ir lielāka cietība nekā dzelzs, jo tas ir labs elektriskais un siltumvadītājs. Tas ir feromagnētisks metāls normālā temperatūrā, tā Kirija temperatūra ir 358ºC. Temperatūrā, kas augstāka par šo, niķelis vairs nav feromagnētisks.

Niķelis ir viens no četriem feromagnētiskajiem elementiem, pārējie trīs ir: dzelzs, kobalts un gadolīnijs.

Izotopi

Ir 31 niķeļa izotops, ko ierobežo ⁴⁸ Ni un ⁷⁸ Ni.

Ir pieci dabiskie izotopi: ⁵⁸ Ni, ar pārpilnību 68,27%; ⁶⁰ Ni, ar pārpilnību 26,10%; ⁶¹ Ni, ar pārpilnību 1,13%; ⁶² Ni, ar pārpilnību 3,59%; un ⁶⁴ Ni, ar pārpilnību 0,9%.

Niķeļa atomsvars aptuveni 59 u liecina, ka nevienā no izotopiem nav izteikta pārsvara (kaut arī ⁵⁸ Ni ir visizplatītākais).

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

Metāliskais niķelis izkristalizējas kubiskā (fcc) struktūrā, kuras centrā ir seja. Šī fcc fāze ir ārkārtīgi stabila un paliek nemainīga līdz spiedienam tuvu 70 GPa; Par zemu spiedienu niķeļa fāzēm vai polimorfiem ir maz bibliogrāfiskas informācijas.

Niķeļa kristālu morfoloģija ir mainīga, jo tos var sakārtot tā, lai tie definētu nanocaurules. Kā nanodaļiņu vai makroskopiska cieta viela metāliskā saite paliek nemainīga (teorētiski); tas ir, tie paši valences elektroni, kas kopā satur Ni atomus.

Saskaņā ar divām iespējamām niķeļa elektroniskām konfigurācijām:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Metāliskajā saitē ir iesaistīti desmit elektroni; vai nu astoņi, vai deviņi 3d orbitālē, kopā ar diviem vai viens 4 s orbitālē. Ņemiet vērā, ka valences josla ir praktiski pilna, tuvu elektronu transportēšanai uz vadīšanas joslu; fakts, kas izskaidro tā salīdzinoši augsto elektrisko vadītspēju.

Niķeļa fcc struktūra ir tik stabila, ka to pievieno pat tērauds. Tādējādi nerūsējošais dzelzs ar augstu niķeļa saturu ir arī fcc.

Oksidācijas skaitļi

Niķelim, kaut arī tas var nešķist, tomēr ir arī daudz skaitļu vai oksidācijas stāvokļu. Negatīvas ir acīmredzamas, zinot, ka tai vienkārši trūkst divu elektronu, lai pabeigtu savu trīsdimensiju orbitāli; tādējādi tas var iegūt vienu vai divus elektronus, attiecīgi ar oksidācijas skaitļiem -1 (Ni ^- ) vai -2 (Ni ^2- ).

Stabilākais niķeļa oksidācijas skaitlis ir +2, pieņemot, ka pastāv Ni ²⁺ katjons , kurš ir zaudējis 4s orbitāles elektronus un 3d orbitālē ir astoņi elektroni (3d ⁸ ).

Ir arī divi citi pozitīvi oksidācijas skaitļi: +3 (Ni ³⁺ ) un +4 (Ni ⁴⁺ ). Skolas vai vidusskolas līmenī niķelim māca eksistēt tikai kā Ni (II) vai Ni (III), jo tie ir visizplatītākie oksidācijas skaitļi, kas atrodami ļoti stabilos savienojumos.

Un, ja metāliskais niķelis ir daļa no savienojuma, tas ir, ar tā neitrālo Ni atomu, tad saka, ka tas piedalās vai saistās ar oksidācijas numuru 0 (Ni ⁰ ).

Kur ir niķelis?

Minerāli un jūra

Niķelis veido 0,007% no zemes garozas, tāpēc tā izplatība ir zema. Bet tas joprojām ir otrs visbagātākais metāls pēc dzelzs zemes izkausētajā kodolā, pazīstams kā Nife. Jūras ūdenī vidējā niķeļa koncentrācija ir 5,6 · ^10–4 mg / L.

Parasti tas atrodas nezināmos iežos, pentlandītā - minerālā, kas veidojas no dzelzs un niķeļa sulfīda un ir viens no galvenajiem niķeļa avotiem:

Akmens, kas sastāv no pentlandīta un pirothotīta minerāliem. Avots: John Sobolewski (JSS)

Minerālvielu pentlandīts atrodas Sudberī, Ontārio, Kanādā; viena no galvenajām šī metāla atradnēm pasaulē.

Pentlandīta niķeļa koncentrācija ir no 3 līdz 5%, un tas ir saistīts ar pirotītu, dzelzs sulfīdu, kas bagāts ar niķeli. Šie minerāli ir sastopami klintīs, zemes magmas segregācijas produktos.

Laterīti

Otrs svarīgais niķeļa avots ir laterīti, ko veido neauglīgas augsnes karstajos reģionos. Viņiem ir slikta silīcija dioksīds un tiem piemīt vairākas minerālvielas, tai skaitā: garnierīts, magnija niķeļa silikāts; un limonīts, dzelzs rūda

To galvenokārt izmanto sakausējumā ar dzelzi nerūsējošā tērauda ražošanai, jo 68% no niķeļa produkcijas tiek izmantoti šim nolūkam.

Tas arī veido sakausējumu ar varu, izturīgs pret koroziju. Šo sakausējumu veido 60% niķeļa, 30% vara un neliels daudzums citu metālu, īpaši dzelzs.

Niķeli izmanto rezistīvos sakausējumos, magnētiskos un citiem mērķiem, piemēram, niķeļa sudraba; un sakausējumu, kas sastāv no niķeļa un vara, bet nesatur sudrabu. Ni-Cu caurules izmanto atsāļošanas iekārtās, ekranēšanā un monētu izgatavošanā.

Niķelis sakausējumiem nodrošina izturību un stiepes izturību, kas palielina izturību pret koroziju. Papildus sakausējumiem ar varu, dzelzi un hromu to izmanto sakausējumos ar bronzu, alumīniju, svinu, kobaltu, sudrabu un zeltu.

Monela sakausējumu veido 17% niķeļa, 30% vara un dzelzs, mangāna un silīcija pēdas. Tas ir izturīgs pret jūras ūdeni, kas padara to par ideālu lietošanai uz kuģu dzenskrūvēm.

Aizsardzības darbība

Niķelis, reaģējot ar fluoru, veido fluora elementa aizsargslāni, ļaujot metālisko niķeli vai Monela sakausējumu izmantot fluora gāzes vados.

Niķelis ir izturīgs pret sārmu iedarbību. Šī iemesla dēļ to izmanto traukos, kas satur koncentrētu nātrija hidroksīdu. To izmanto arī galvanizācijā, lai izveidotu aizsargājošu virsmu citiem metāliem.

Citi lietojumi

Niķeli izmanto kā reducētāju sešiem metāliem no platīna grupas minerāliem, kuros tas ir apvienots; galvenokārt platīns un pallādijs. Niķeļa putas vai sietu izmanto sārmainā kurināmā akumulatoru elektrodu ražošanā.

Niķeli izmanto kā nepiesātinātu augu taukskābju hidrēšanas katalizatoru, un to izmanto margarīna iegūšanas procesā. Varam un Cu-Ni sakausējumam ir antibakteriāla iedarbība uz E. coli.

Nanodaļiņas

Niķeļa nanodaļiņas (NPs-Ni) ir plaši izmantotas, ņemot vērā to lielāku virsmas laukumu salīdzinājumā ar makroskopisko paraugu. Kad šie NP-Ni tiek sintezēti no augu ekstraktiem, tie attīsta pretmikrobu un antibakteriālas aktivitātes.

Iepriekšminētā iemesls ir tā lielāka tendence oksidēties saskarē ar ūdeni, veidojot Ni ²⁺ katjonus un ļoti reaģējošas skābekļa sugas, kas denaturē mikrobu šūnas.

No otras puses, NPs-Ni tiek izmantoti kā elektrodu materiāls cietā kurināmā elementos, šķiedras, magnēti, magnētiskie šķidrumi, elektroniskās detaļas, gāzes sensori utt. Tāpat tie ir katalītiskie nesēji, adsorbenti, balināšanas līdzekļi un notekūdeņu attīrītāji.

-Kompozīti

Niķeļa hlorīds, nitrāts un sulfāts tiek izmantoti niķeļa vannās galvanizācijas procesā. Turklāt tā sulfāta sāli izmanto katalizatoru un kodinātāju sagatavošanā tekstilizstrādājumu krāsošanai.

Niķeļa peroksīds tiek izmantots akumulatoros. Niķeļa ferīti tiek izmantoti kā magnētiski serdeņi dažādu elektrisko iekārtu antenās.

Niķeļa tertrakarbonils nodrošina oglekļa monoksīdu akrilātu sintēzei no acetilēna un spirtiem. Bārija un niķeļa kombinētais oksīds (BaNiO ₃ ) kalpo par izejvielu daudzu uzlādējamu bateriju, piemēram, Ni-Cd, Ni-Fe un Ni-H, katodu ražošanā.

Bioloģiskā loma

Augiem augšanai nepieciešama niķeļa klātbūtne. Ir zināms, ka to kā kofaktoru izmanto dažādi augu fermenti, ieskaitot ureāzi; ferments, kas pārvērš urīnvielu amonjakā, spējot izmantot šo savienojumu augu darbībā.

Turklāt urīnvielas uzkrāšanās rada izmaiņas augu lapās. Niķelis darbojas kā katalizators, lai veicinātu slāpekļa fiksāciju pākšaugos.

Kultūras, kas ir visjutīgākās pret niķeļa trūkumu, ir pākšaugi (pupas un lucerna), mieži, kvieši, plūmes un persiki. Tā deficīts augos izpaužas ar hlorozi, lapu krišanu un augšanas trūkumiem.

Dažās baktērijās ureāzes enzīms ir atkarīgs no niķeļa, taču tiek uzskatīts, ka tiem var būt virulenta iedarbība uz organismiem, kurus viņi apdzīvo.

No niķeļa ir atkarīgi citi baktēriju fermenti, piemēram, superoksīda dismutāze, kā arī baktērijās un dažos parazītos, piemēram, trippanosomās, esošā glicidāze. Tomēr tie paši enzīmi augstākās sugās nav atkarīgi no niķeļa, bet no cinka.

Riski

Liela daudzuma niķeļa uzņemšana ir saistīta ar plaušu, deguna, balsenes un prostatas vēža veidošanos un attīstību. Turklāt tas izraisa elpošanas problēmas, elpošanas mazspēju, astmu un bronhītu. Niķeļa izgarojumi var izraisīt plaušu kairinājumu.

Niķeļa saskare ar ādu var izraisīt sensibilizāciju, kas vēlāk izraisa alerģiju, kas izpaužas kā izsitumi uz ādas.

Niķeļa iedarbība uz ādu var izraisīt dermatītu, ko iepriekš sensibilizēti cilvēki sauc par “niķeļa niezi”. Ja sensibilizē niķeli, tas saglabājas bezgalīgi.

Starptautiskā vēža pētījumu aģentūra (IARC) niķeļa savienojumus ir iedalījusi 1. grupā (ir pietiekami pierādījumi par kancerogenitāti cilvēkiem). Tomēr OSHA neregulē niķeli kā kancerogēnu.

Ieteicams, lai metāliskā niķeļa un tā savienojumu iedarbība nepārsniegtu 1 mg / m ³ astoņās darba stundās četrdesmit stundu darba nedēļā. Niķeļa karbonilgrupa un niķeļa sulfīds ir ļoti toksiski vai kancerogēni savienojumi.

Atsauces

1. Muhameds Imrans Dīns un Aneela Rani. (2016). Nesenie sasniegumi niķeļa un niķeļa oksīda nanodaļiņu sintēzē un stabilizācijā: zaļa spēja. Starptautiskais analītiskās ķīmijas žurnāls, sēj. 2016. gads, ID ID 3512145, 14 lapas, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Uz niķeļa balstītas nanodaļiņas kā adsorbenti ūdens attīrīšanas metodēs - pārskats. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019. gads). Niķelis. Atgūts no: en.wikipedia.org
4. Niķeļa institūts. (2018). Nerūsējošais tērauds: niķeļa loma. Atgūts no: nickelinstitute.org
5. Enciklopēdijas Britannica redaktori. (2019. gada 20. marts). Niķelis. Encyclopædia Britannica. Atgūts no: britannica.com
6. Trojs Bučels. (2018. gada 5. oktobris). Niķeļa loma augu audzēšanā. Promix. Atgūts no: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019. gads). Periodiskā tabula: niķelis. Atgūts no: lenntech.com
8. Bells Terence. (2019. gada 28. jūlijs). Niķeļa metāla profils. Atgūts no: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. gada 22. jūnijs). 10 fakti par niķeļa elementu. Atgūts no: domaco.com
10. Dinni Nurhayani & Akhmad A. Korda. (2015). Niķeļa pievienošanas ietekme uz vara-niķeļa sakausējuma pretmikrobu, fizikālajām un mehāniskajām īpašībām pret Escherichia coli suspensijām. AIP konferences materiāli 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727