NIKELJ: ZGODOVINA, LASTNOSTI, STRUKTURA, UPORABE, TVEGANJA - KEMIJA - 2025

Niklja je prehodna kovina bele kemijski simbol je Ni. Njegova trdota je večja od železa, poleg tega, da je dober prevodnik toplote in električne energije, na splošno pa velja za kovino, ki ni zelo reaktivna in je zelo odporna proti koroziji. V svojem čistem stanju je srebro z zlatimi odtenki.

Leta 1751 ga je švedskemu kemiku Axelu Fredriku Cronstedu uspelo izolirati iz minerala, znanega kot Kupfernickel (hudičev baker), ki je bil pridobljen iz rudnika kobalta v švedski vasi. Cronsted je sprva menil, da je mineral baker, vendar se je izolirani element izkazal za belo barvo, ločeno od bakra.

Nikelj kroglice, v katerih sijejo njeni zlati toni. Vir: René Rausch

Cronsted je element imenoval nikelj in pozneje je bilo ugotovljeno, da je mineral, imenovan kupfernickel, nikolit (nikelj arzenid).

Nikelj se pridobiva predvsem iz dveh nahajališč: magnetnih kamnin in drugih segregacij zemeljske magme. Minerali so žveplovi v naravi, kot je pentladit. Drugi vir niklja je laterit z minerali, bogatimi z nikljem, kot je garnierit.

Glavna uporaba niklja je pri nastajanju zlitin z veliko kovinami; na primer je vključena v proizvodnjo nerjavečega jekla, industrijsko dejavnost, ki porabi približno 70% svetovne proizvodnje niklja.

Poleg tega se nikelj uporablja v zlitinah, kot je alnico, zlitina magnetne narave, namenjena proizvodnji elektromotorjev, zvočnikov in mikrofonov.

Nikelj se je začel uporabljati pri izdelavi kovancev v sredini 19. stoletja. Vendar je njegovo uporabo zdaj nadomestila uporaba manj dragih kovin; čeprav se še vedno uporablja v nekaterih državah.

Nikelj je za rastline bistven element, saj aktivira encim ureaza, ki posega v razgradnjo sečnine do amoniaka, ki jo rastline lahko uporabljajo kot vir dušika. Poleg tega je sečnina strupena spojina, ki rastlinam povzroča resno škodo.

Nikelj je element velike strupenosti za ljudi, obstajajo dokazi, da je kancerogen. Poleg tega nikelj povzroča kontaktni dermatitis in razvoj alergij.

Zgodovina

Antika

Človek je že od antičnih časov vedel za obstoj niklja. Na primer, nikeljni odstotek 2% je bil najden v bronastih predmetih (3500 pr.n.št.), ki so prisotni v deželah, ki trenutno pripadajo Siriji.

Tudi kitajski rokopisi kažejo, da je bil "beli baker", znan kot baitong, uporabljen med letoma 1700 in 1400 pred našim štetjem. Mineral je bil v 17. stoletju izvožen v Veliko Britanijo; toda vsebnost niklja v tej zlitini (Cu-Ni) je bila odkrita šele leta 1822.

V srednjeveški Nemčiji so našli rdečkast mineral, podoben bakru in ki je imel zelene lise. Rudarji so poskušali izolirati baker iz rude, a v poskusu niso uspeli. Poleg tega je stik z mineralnimi zdravstvenimi težavami.

Zaradi tega so rudarji mineral pripisovali malignemu stanju in mu dodelili različna imena, ki ponazarjajo to stanje; kot "Old Nick", tudi kupfernickel (baker hudiča). Zdaj je znano, da je bil zadevni mineral nikolin: nikelov arsenid, NiA.

Odkrivanje in produkcija

Leta 1751 je Axel Fredrik Cronsted poskušal izolirati baker iz kupfernickela, pridobljenega iz rudnika kobalta, ki se nahaja v bližini švedske vasi Los Halsinglandt. A le uspel je dobiti belo kovino, ki je bila doslej neznana in jo je imenovala nikelj.

Od leta 1824 je bil niklje pridobljen kot stranski proizvod pri proizvodnji kobaltovega modrega. Leta 1848 so na Norveškem ustanovili talilnico za predelavo niklja, ki je prisoten v mineralnem pirotiitu.

Leta 1889 je bil niklja uveden v proizvodnjo jekla, nahajališča, odkrita na Novi Kaledoniji, pa so zagotavljala nikelj za svetovno porabo.

Lastnosti

Videz

Srebrno bele, sijoče in z rahlim zlatim odtenkom.

Atomska teža

58.9344 u

Atomska številka (Z)

28

Tališče

1,455 ºC

Vrelišče

2.730 ºC

Gostota

-Na sobni temperaturi: 8.908 g / ml

-To tališče (tekočina): 7,81 g / ml

Vročina fuzije

17,48 kJ / mol

Toplota izparevanja

379 kJ / mol

Molarna kalorična zmogljivost

26,07 J / mol

Elektronegativnost

1,91 po Paulingovi lestvici

Ionizacijska energija

Prva stopnja ionizacije: 737,1 kJ / mol

Druga stopnja ionizacije: 1.753 kJ / mol

Tretja stopnja ionizacije: 3.395 kJ / mol

Atomski radio

Empirični 124 pm

Kovalentni polmer

124,4 ± 16:00

Toplotna prevodnost

90,9 W / (m K)

Električni upor

69,3 nΩ m pri 20 ° C

Trdota

4,0 po Mohsovi lestvici.

značilnosti

Nikelj je duktilna, kovinska kovina in ima večjo trdoto kot železo, saj je dober električni in toplotni prevodnik. To je feromagnetna kovina pri normalnih temperaturah, njena temperatura Curie je 358 ° C. Pri temperaturah, višjih od tega, nikelj ni več feromagnetni.

Nikelj je eden od štirih feromagnetnih elementov, drugi trije: železo, kobalt in gadolinij.

Izotopi

Obstaja 31 izotopov niklja, omejenih z ⁴⁸ Ni in ⁷⁸ Ni.

Obstaja pet naravnih izotopov: ⁵⁸ Ni, z obiljem 68,27%; ⁶⁰ Ni, z obiljem 26,10%; ⁶¹ Ni, z obiljem 1,13%; ⁶² Ni, z obiljem 3,59%; in ⁶⁴ Ni, z obilico 0,9%.

Atomska teža okoli 59 u za nikelj kaže, da v nobenem od izotopov ni izrazite prevlade (čeprav je ⁵⁸ Ni najprimernejši).

Struktura in elektronska konfiguracija

Nikelj kovina kristalizira v kubično (fcc) strukturo, ki je usmerjena v obraz. Ta faza fcc je izjemno stabilna in ostane nespremenjena do tlakov, ki so blizu 70 GPa; Bibliografskih informacij o fazah ali polimorfi niklja pod visokim pritiskom je malo.

Morfologija kristalov niklja je spremenljiva, saj so lahko razporejeni tako, da definirajo nanocevko. Kot nano delci ali makroskopska trdna snov ostaja kovinska vez enaka (v teoriji); to je isti valenčni elektroni, ki držijo atome Ni skupaj.

Glede na dve možni elektronski konfiguraciji za nikelj:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

V kovinsko vez je vključenih deset elektronov; bodisi osem bodisi devet v 3d orbitali, skupaj z dvema ali enim v orbiti 4s. Upoštevajte, da je valenčni pas praktično poln, blizu prenosa svojih elektronov v prevodni pas; dejstvo, ki pojasnjuje njegovo relativno visoko električno prevodnost.

Nikelova fcc struktura je tako stabilna, da jo celo jeklo prevzame ob dodajanju. Tako je nerjaveče železo z visoko vsebnostjo niklja tudi fcc.

Oksidacijske številke

Kljub temu, da se niklja ne zdi tako, ima tudi obilno število oksidacijskih stanj. Negativnosti so očitno vedele, da mu manjka dva elektrona, da bi dokončal deset svojih 3d orbital; tako lahko pridobi en ali dva elektrona z oksidacijskimi števili -1 (Ni ^- ) ali -2 (Ni ^2- ).

Najstabilnejše oksidacijsko število za nikelj je +2, ob predpostavki, da obstaja kation Ni ²⁺ , ki je izgubil elektrone 4s orbitale in ima v 3d orbitali osem elektronov (3d ⁸ ).

Obstajata še dve številki pozitivne oksidacije: +3 (Ni ³⁺ ) in +4 (Ni ⁴⁺ ). Na šolah ali srednjih šolah niklja učijo, da obstaja le kot Ni (II) ali Ni (III), ker je to najpogostejše oksidacijsko število, ki ga najdemo v zelo stabilnih spojinah.

In ko je kovinski nikelj del spojine, torej z njenim nevtralnim atomom Ni, potem naj bi sodelovalo ali se vezivalo z oksidacijskim številom 0 (Ni ⁰ ).

Kje najdemo nikelj?

Minerali in morje

Nikelj predstavlja 0,007% zemeljske skorje, zato je njegova številčnost majhna. Ampak to je še vedno druga najpogostejša kovina po železu v zemeljskem staljenem jedru, znana kot Nife. Morska voda ima povprečno koncentracijo niklja 5,6 · 10 ^-4 mg / L.

Običajno ga najdemo v magnetnih kamninah, pentlanditu, mineralu, dobljenem iz železovega in nikljevega sulfida, ki je eden glavnih virov niklja:

Kamnina, sestavljena iz mineralov pentlandita in pirotiita. Vir: John Sobolewski (JSS)

Mineral pentlandit je prisoten v Sudburyju v Ontariu v Kanadi; eno glavnih nahajališč te kovine na svetu.

Pentlandit ima koncentracijo niklja med 3 in 5%, povezan je s pirotiitom, železovim sulfidom, bogatim z nikelom. Ti minerali najdemo v kamninah, izdelkih ločitev zemeljske magme.

Lakiranci

Drugi pomemben vir niklja so lateriti, sestavljeni iz sušnih tal v vročih regijah. Slabe so kremena in imajo več mineralov, med drugim: garnierit, magnezijev nikelj silikat; in limonit, železova ruda

Uporablja se v zlitini z železom predvsem za proizvodnjo nerjavečega jekla, saj se v ta namen porabi 68% proizvodnje niklja.

Prav tako tvori zlitino z bakrom, odporno proti koroziji. Ta zlitina je sestavljena iz 60% niklja, 30% bakra in majhnih količin drugih kovin, zlasti železa.

Nikelj se uporablja v uporovnih zlitinah, magnetnih in za druge namene, na primer nikljevo srebro; in zlitine, ki je sestavljena iz niklja in bakra, vendar ne vsebuje srebra. Ni-Cu cevi se uporabljajo v napravah za razsoljevanje, zaščito in pri izdelavi kovancev.

Nikelj zagotavlja trdnost in natezno trdnost zlitinam, ki tvorijo odpornost proti koroziji. Poleg zlitin z bakrom, železom in kromom se uporablja v zlitinah z bronom, aluminijem, svincem, kobaltom, srebrom in zlatom.

Monelova zlitina je sestavljena iz 17% niklja, 30% bakra in s sledovi železa, mangana in silicija. Odporen je na morsko vodo, zaradi česar je idealen za uporabo na ladijskih propelerjih.

Zaščitno delovanje

Nikelj, ki reagira s fluorom, tvori zaščitno plast za fluor-element, ki omogoča uporabo kovinskih nikljev ali Monelove zlitine v plinovodih fluora.

Nikelj je odporen proti delovanju alkalij. Zaradi tega se uporablja v posodah, ki vsebujejo koncentrirani natrijev hidroksid. Uporablja se tudi pri galvanizaciji za ustvarjanje zaščitne površine za druge kovine.

Druge uporabe

Nikelj se uporablja kot redukcijsko sredstvo za šest kovin iz platinske skupine mineralov, v katerih je kombinirano; v glavnem platina in paladij. Nikelova pena ali mreža se uporablja pri izdelavi elektrod za baterije z alkalnimi gorivi.

Nikelj se uporablja kot katalizator za hidrogenacijo nenasičenih rastlinskih maščobnih kislin, ki se uporablja v postopku izdelave margarine. Baker in zlitina Cu-Ni delujeta proti bakteriji E. coli.

Nanodelci

Nikeljni nanodelci (NPs-Ni) najdejo široko uporabo zaradi večje površine v primerjavi z makroskopskim vzorcem. Ko se ti NPs-Ni sintetizirajo iz rastlinskih ekstraktov, razvijejo protimikrobno in antibakterijsko delovanje.

Razlog za zgoraj omenjeno je zaradi njegove večje nagnjenosti k oksidaciji v stiku z vodo, pri čemer tvorijo Ni ²⁺ katione in visoko reaktivne kisikove vrste, ki denaturirajo mikrobne celice.

Po drugi strani pa se NP-Ni uporabljajo kot elektrodni material v trdih gorivnih celicah, vlaknih, magnetih, magnetnih tekočinah, elektronskih delih, senzorjih za plin itd. Prav tako so to katalitični nosilci, adsorbenti, belilna sredstva in čistilci odpadne vode.

-Kompoziti

V nikelj kopelih pri galvanizaciji uporabljamo nikljev klorid, nitrat in sulfat. Poleg tega se njegova sulfatna sol uporablja za pripravo katalizatorjev in polnil za barvanje tekstila.

V akumulatorskih baterijah se uporablja nikljev peroksid. Nikelovi feriti se uporabljajo kot magnetna jedra v antenah v različnih električnih napravah.

Nikelj tertrakarbonil zagotavlja ogljikov monoksid za sintezo akrilatov iz acetilena in alkoholov. Kombinirani barijev in nikljev oksid (BaNiO ₃ ) služi kot surovina za izdelavo katod številnih polnilnih baterij, kot so Ni-Cd, Ni-Fe in Ni-H.

Biološka vloga

Rastline za svojo rast potrebujejo prisotnost niklja. Znano je, da ga kot kofaktor uporabljajo različni rastlinski encimi, vključno z ureazo; encim, ki sečnino pretvori v amonijak, ki lahko to spojino uporablja pri delovanju rastlin.

Poleg tega kopičenje sečnine povzroči spremembo v listih rastlin. Nikelj deluje kot katalizator za pospeševanje fiksacije dušika s stročnicami.

Posevki, ki so najbolj občutljivi za pomanjkanje niklja, so stročnice (fižol in lucerna), ječmen, pšenica, slive in breskve. Njeno pomanjkanje se pri rastlinah kaže s klorozo, padcem listov in pomanjkanjem rasti.

V nekaterih bakterijah je encim ureaza odvisen od niklja, vendar velja, da imajo lahko virusno delovanje na organizme, ki jih naseljujejo.

Drugi bakterijski encimi, kot je superoksid dismutaza, kot tudi glikoksidaza, prisotna v bakterijah in nekaterih parazitih, na primer v tripanosomih, so odvisni od niklja. Vendar isti encimi pri višjih vrstah niso odvisni od niklja, temveč od cinka.

Tveganja

Zaužitje velikih količin niklja je povezano z nastajanjem in razvojem pljučnih, nosnih, laringealnih in prostate. Poleg tega povzroča težave z dihali, odpoved dihal, astmo in bronhitis. Dim niklja lahko povzroči draženje pljuč.

Stik niklja s kožo lahko povzroči preobčutljivost, ki posledično povzroči alergijo, ki se kaže kot kožni izpuščaj.

Kožna izpostavljenost nikelu lahko pri prej preobčutljivih ljudeh povzroči dermatitis, znan kot "nikelj srbeč". Po preobčutljivosti za nikelj vztraja v nedogled.

Mednarodna agencija za raziskave raka (IARC) je nikljeve spojine uvrstila v 1. skupino (dovolj je dokazov o rakotvornosti pri ljudeh). Vendar OSHA niklina ne ureja kot rakotvorna snov.

Priporočljivo je, da izpostavljenost kovinskemu niklu in njegovim spojinam pri osemurnem delovnem tednu ne bo presegla 1 mg / m ³ . Nikelj karbonil in nikljev sulfid sta zelo strupeni ali rakotvorni spojini.

Reference

1. Muhammad Imran Din in Aneela Rani. (2016). Nedavni napredek v sintezi in stabilizaciji nanodelcev nikljevega in oksidnega oksida: zelena nagnjenost. International Journal of Analytical Chemistry, vol. 2016, ID članka 3512145, 14 strani, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Nano delci na osnovi niklja kot adsorbenti pri metodah čiščenja vode - pregled. Orient J Chem 2017–33 (4).
3. Wikipedija. (2019). Nikelj. Pridobljeno: en.wikipedia.org
4. Inštitut niklja. (2018). Nerjaveče jeklo: Vloga niklja. Pridobljeno: nickelinstitute.org
5. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (20. marec 2019). Nikelj. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
6. Troy Buechel. (05.10.2018). Vloga niklja pri gojenju rastlin. Promix. Pridobljeno: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Periodična tabela: Nikelj. Pridobljeno: lenntech.com
8. Bell Terence. (28. julij 2019). Nikelj kovinski profil. Pridobljeno od: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, dr. (22. junij 2018). 10 dejstva o nikljevem elementu. Pridobljeno: misel.com
10. Dinni Nurhayani in Akhmad A. Korda. (2015). Vpliv dodatka niklja na protimikrobne, fizikalne in mehanske lastnosti bakro-nikljeve zlitine proti suspenzijam Escherichia coli. Zbornik konferenc AIP 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727