NICHEL: ISTORIC, PROPRIETĂȚI, STRUCTURĂ, UTILIZĂRI, RISCURI - CHIMIE - 2025

Nichel este un metal de tranziție simbol chimic este alb Ni. Duritatea sa este mai mare decât cea a fierului, pe lângă faptul că este un bun conductor al căldurii și al energiei electrice și, în general, este considerat un metal care nu este foarte reactiv și este foarte rezistent la coroziune. În stare pură, este argintiu cu nuanțe aurii.

În 1751, Axel Fredrik Cronsted, un chimist suedez, a reușit să-l izoleze de un mineral cunoscut sub numele de Kupfernickel (cupru al diavolului), extras dintr-o mină de cobalt dintr-un sat suedez. La început, Cronsted a crezut că mineralul este cuprul, dar elementul izolat s-a dovedit a fi alb, diferit de cupru.

Sfere de nichel în care strălucesc tonurile ei aurii. Sursa: René Rausch

Cronsted a numit elementul nichel și s-a stabilit ulterior că mineralul numit kupfernickel era nicolit (arsenidă de nichel).

Nichelul este extras în principal din două zăcăminte: roci igrene și alte segregări ale magmei terestre. Mineralele sunt de natură sulfuroasă, precum pentladitul. A doua sursă de nichel sunt lateritele, cu minerale bogate în nichel, precum garnierita.

Principala aplicare a nichelului constă în formarea aliajelor cu multe metale; de exemplu, este implicat în producția de oțel inoxidabil, o activitate industrială care consumă aproximativ 70% din producția mondială de nichel.

În plus, nichelul este utilizat în aliaje precum alnico, un aliaj de natură magnetică destinat fabricării de motoare electrice, boxe și microfoane.

Nichelul a început să fie folosit la confecționarea monedelor la mijlocul secolului XIX. Cu toate acestea, utilizarea sa a fost acum înlocuită de cea a metalelor mai puțin costisitoare; deși continuă să fie utilizat în unele țări.

Nichelul este un element esențial pentru plante, deoarece activează enzima urează care intervine în degradarea ureei la amoniac, care poate fi folosită de plante ca sursă de azot. Mai mult, ureea este un compus toxic care provoacă daune grave plantelor.

Nichelul este un element de mare toxicitate pentru oameni, există dovezi de a fi un agent cancerigen. În plus, nichelul provoacă dermatită de contact și dezvoltarea de alergii.

Istorie

Antichitate

Omul știa încă din cele mai vechi timpuri existența nichelului. De exemplu, un procent de nichel de 2% a fost găsit în obiecte din bronz (3500 î.e.n.), prezente în țările care aparțin în prezent Siriei.

De asemenea, manuscrisele chineze sugerează că „cupru alb”, cunoscut sub numele de baitong, a fost folosit între 1700 și 1400 î.Hr. Mineralul a fost exportat în Marea Britanie în secolul al XVII-lea; dar conținutul de nichel al acestui aliaj (Cu-Ni) nu a fost descoperit până în 1822.

În Germania medievală, s-a găsit un mineral roșiatic, similar cu cuprul și care avea pete verzi. Minerii au încercat să izoleze cuprul de minereu, dar nu au reușit în încercarea lor. În plus, contactul cu mineralul produce probleme de sănătate.

Din aceste motive, minerii au atribuit mineralul unei afecțiuni maligne și i-au atribuit nume diferite care ilustrau această afecțiune; ca „Old Nick”, de asemenea kupfernickel (cupru al diavolului). Acum se știe că mineralul în cauză era nicolit: arsenid de nichel, NiAs.

Descoperire și producție

În 1751, Axel Fredrik Cronsted a încercat să izoleze cuprul de kupfernickel, obținut dintr-o mină de cobalt, situată în apropiere de Los Halsinglandt, un sat suedez. Dar a reușit doar să obțină un metal alb, care până atunci nu era cunoscut și îl numea nichel.

Începând cu 1824, nichelul a fost obținut ca produs secundar al producției de albastru de cobalt. În 1848, o funditorie a fost înființată în Norvegia pentru a prelucra nichelul prezent în pirotita minerală.

În 1889, nichelul a fost introdus în producția de oțel, iar depozitele descoperite în Noua Caledonie au furnizat nichelul pentru consumul mondial.

Proprietăți

Aspect

Alb argintiu, lucios și cu o ușoară tentă aurie.

Greutate atomica

58.9344 u

Număr atomic (Z)

28

Punct de topire

1.455 ºC

Punct de fierbere

2,730 ºC

Densitate

-La temperatura camerei: 8.908 g / ml

-La punctul de topire (lichid): 7,81 g / ml

Căldură de fuziune

17,48 kJ / mol

Căldură de vaporizare

379 kJ / mol

Capacitate calorică molară

26,07 J / mol

electronegativitate

1.91 pe scara Pauling

Energie de ionizare

Primul nivel de ionizare: 737,1 kJ / mol

Al doilea nivel de ionizare: 1.753 kJ / mol

Al treilea nivel de ionizare: 3.395 kJ / mol

Radio atomic

Empiric 124 pm

Raza covalentă

124,4 ± 4 pm

Conductivitate termică

90,9 W / (m K)

Rezistență electrică

69,3 nΩ m la 20 ºC

Duritate

4.0 pe scara Mohs.

caracteristici

Nichelul este un metal ductil, maleabil și are o duritate mai mare decât fierul, fiind un bun conductor electric și termic. Este un metal feromagnetic la temperaturi normale, temperatura Curie fiind de 358ºC. La temperaturi mai mari decât aceasta, nichelul nu mai este feromagnetic.

Nichelul este unul dintre cele patru elemente feromagnetice, celelalte trei fiind: fierul, cobaltul și gadoliniul.

izotopi

Există 31 izotopi de nichel, limitați cu ⁴⁸ Ni și ⁷⁸ Ni.

Există cinci izotopi naturali: ⁵⁸ Ni, cu o abundență de 68,27%; ⁶⁰ Ni, cu o abundență de 26,10%; ⁶¹ Ni, cu o abundență de 1,13%; ⁶² Ni, cu o abundență de 3,59%; și ⁶⁴ Ni, cu o abundență de 0,9%.

Greutatea atomică de aproximativ 59 u pentru nichel arată că nu există o predominanță marcată în niciunul dintre izotopi (chiar dacă ⁵⁸ Ni este cel mai abundent).

Structura și configurația electronică

Nichelul metalic se cristalizează într-o structură cubică (fcc) centrată pe față. Această fază fcc este extrem de stabilă și rămâne neschimbată până la presiuni apropiate de 70 GPa; Există puține informații bibliografice cu privire la fazele sau polimorfele de nichel sub presiune ridicată.

Morfologia cristalelor de nichel este variabilă, deoarece acestea pot fi aranjate astfel încât să definească un nanotub. Ca o nanoparticula sau solid macroscopic, legătura metalică rămâne aceeași (în teorie); adică sunt aceiași electroni de valență care mențin atomii Ni împreună.

Conform celor două configurații electronice posibile pentru nichel:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Zece electroni sunt implicați în legătura metalică; fie opt sau nouă în orbitalul 3d, împreună cu două sau una în orbitalul 4s. Rețineți că banda de valență este practic plină, aproape de a-și transporta electronii către banda de conducere; un fapt care explică conductivitatea electrică relativ ridicată.

Structura fcc a nichelului este atât de stabilă, încât este chiar adoptată de oțel atunci când este adăugată la acesta. Astfel, fierul inoxidabil cu un conținut ridicat de nichel este, de asemenea, fcc.

Numere de oxidare

Nichelul, deși poate să nu pară, are, de asemenea, un număr abundent sau stări de oxidare. Negativele sunt evident știind că îi lipsește doar doi electroni pentru a completa cele zece din orbitalul său 3d; astfel, poate câștiga unul sau doi electroni, având numere de oxidare -1 (Ni ^- ) sau , respectiv, 2 (Ni ^2- ).

Cel mai stabil număr de oxidare pentru nichel este +2, presupunând existența cationului Ni ²⁺ , care a pierdut electronii orbitalului 4s și are opt electroni în orbitalul 3d (3d ⁸ ).

De asemenea, există alte două numere de oxidare pozitive: +3 (Ni ³⁺ ) și +4 (Ni ⁴⁺ ). La nivel școlar sau liceal, nichelul este învățat să existe doar sub formă de Ni (II) sau Ni (III), ceea ce se datorează faptului că sunt cele mai frecvente numere de oxidare care se găsesc în compuși foarte stabili.

Și atunci când este nichel metalic care face parte dintr-un compus, adică cu atomul său de Ni neutru, atunci se spune că participă sau se leagă cu un număr de oxidare de 0 (Ni ⁰ ).

Unde se găsește nichel?

Minerale și mare

Nichelul constituie 0,007% din scoarța terestră, deci abundența sa este scăzută. Dar, este încă al doilea cel mai abundent metal după fierul din miezul topit al pământului, cunoscut sub numele de Nife. Apa de mare are o concentrație medie de nichel de 5,6 · 10 ^-4 mg / L.

În mod normal se găsește în rocile ignee, cu pentlandit, un mineral format din fier și sulfură de nichel, fiind una dintre principalele surse de nichel:

Stâncă compusă din minerale pentlandite și pirotite. Sursa: John Sobolewski (JSS)

Pentlanditul mineral este prezent în Sudbury, Ontario, Canada; unul dintre principalele depozite ale acestui metal în lume.

Pentlanditul are o concentrație de nichel între 3 și 5%, fiind asociat cu pirotita, o sulfură de fier bogată în nichel. Aceste minerale se găsesc în roci, produse ale segregărilor magmei terestre.

lateritele

Cealaltă sursă importantă de nichel sunt lateritele, formate din soluri aride din regiunile fierbinți. Sunt săraci în silice și au mai multe minerale, printre care: garnierită, un silicat de nichel de magneziu; și limonitul, un minereu de fier

Este utilizat în aliaj cu fier în principal pentru producerea oțelului inoxidabil, deoarece 68% din producția de nichel este utilizată în acest scop.

De asemenea, formează un aliaj cu cupru, rezistent la coroziune. Acest aliaj este format din 60% nichel, 30% cupru și cantități mici de alte metale, în special fier.

Nichelul este utilizat în aliaje rezistive, magnetice și în alte scopuri, cum ar fi argintul nichel; și un aliaj format din nichel și cupru, dar nu conține argint. Tuburile Ni-Cu sunt utilizate la uzinele de desalinizare, la ecranare și la confecționarea monedelor.

Nichelul asigură rezistență la rezistență la coroziune. Pe lângă aliajele cu cupru, fier și crom, este utilizat în aliaje cu bronz, aluminiu, plumb, cobalt, argint și aur.

Aliajul Monel este format din 17% nichel, 30% cupru și cu urme de fier, mangan și siliciu. Este rezistent la apa de mare, ceea ce îl face ideal pentru utilizarea pe elice de nave.

Acțiune de protecție

Nichelul care reacționează cu fluorul formează un strat protector pentru elementul fluor, permițând utilizarea nichelului metalic sau a aliajului Monel în liniile de gaz fluor.

Nichelul este rezistent la acțiunea alcalinilor. Din acest motiv este utilizat în containere care conțin hidroxid de sodiu concentrat. De asemenea, este utilizat în galvanizare pentru a crea o suprafață de protecție pentru alte metale.

Alte utilizări

Nichelul este utilizat ca agent reducător pentru șase metale din grupul de minerale de platină în care este combinat; în principal platină și paladiu. Spuma de nichel sau plasă este utilizată la fabricarea electrozilor pentru bateriile cu combustibil alcalin.

Nichelul este utilizat ca catalizator pentru hidrogenarea acizilor grași nesaturați vegetali, fiind utilizat în procesul de fabricare a margarinei. Cuprul și aliajul Cu-Ni au acțiune antibacteriană asupra E. coli.

Nanoparticulele

Nanoparticulele de nichel (NPs-Ni) găsesc o mare varietate de utilizări datorită suprafeței lor mai mari în comparație cu un eșantion macroscopic. Atunci când aceste NP-Ni sunt sintetizate din extracte de plante, dezvoltă activități antimicrobiene și antibacteriene.

Motivul menționat mai sus se datorează tendinței sale mai mari de oxidare în contact cu apa, formând cationi Ni ²⁺ și specii de oxigen extrem de reactive, care denaturează celulele microbiene.

Pe de altă parte, NPs-Ni sunt utilizate ca material electrod în celule de combustibil solid, fibre, magneți, fluide magnetice, piese electronice, senzori de gaz etc. De asemenea, sunt suporturi catalitice, adsorbanți, agenți de albire și purificatori de ape uzate.

-Composites

Clorura de nichel, nitratul și sulfatul sunt utilizate în băile de nichel la electroplacare. Mai mult, sarea sulfatată este utilizată la prepararea catalizatorilor și mordanților pentru vopsirea textilelor.

Peroxidul de nichel este utilizat în bateriile de stocare. Feritele nichel sunt utilizate ca nuclee magnetice în antene în diverse echipamente electrice.

Tertracarbonilul de nichel furnizează monoxid de carbon pentru sinteza acrilatelor, din acetilenă și alcooli. Oxidul combinat de bariu și nichel (BaNiO ₃ ) servește ca materie primă pentru fabricarea catodelor cu multe baterii reîncărcabile, cum ar fi Ni-Cd, Ni-Fe și Ni-H.

Rolul biologic

Plantele necesită prezența nichelului pentru creșterea lor. Se știe că este utilizat ca cofactor de diferite enzime vegetale, inclusiv de ureeză; enzimă care transformă urea în amoniac, fiind capabil să folosească acest compus în funcționarea plantelor.

În plus, acumularea de uree produce o modificare a frunzelor plantelor. Nichelul acționează ca un catalizator pentru a promova fixarea azotului prin leguminoase.

Culturile cele mai sensibile la deficiența de nichel sunt leguminoasele (fasolea și lucerna), orzul, grâul, prunele și piersicile. Deficiența sa se manifestă la plante prin cloroză, căderea frunzelor și deficiențe de creștere.

În unele bacterii, ureza enzimelor depinde de nichel, dar se consideră că acestea pot avea o acțiune virulentă asupra organismelor pe care le locuiesc.

Alte enzime bacteriene, cum ar fi superoxid dismutaza, precum și glicidaza prezentă în bacterii și unii paraziți, de exemplu în tripanosomi, sunt dependente de nichel. Cu toate acestea, aceleași enzime la speciile superioare nu depind de nichel, ci de zinc.

riscuri

Ingerarea unor cantități mari de nichel este asociată cu generarea și dezvoltarea cancerului pulmonar, nazal, laringian și prostatic. În plus, provoacă probleme respiratorii, insuficiență respiratorie, astm bronsic și bronșită. Fumii de nichel pot provoca iritații pulmonare.

Contactul de nichel cu pielea poate provoca sensibilizare, care produce ulterior o alergie, manifestată ca erupție cutanată.

Expunerea pielii la nichel poate provoca o dermatită cunoscută sub numele de „mâncărime cu nichel” la persoanele sensibilizate anterior. La sensibilizarea la nichel, persistă la nesfârșit.

Agenția Internațională de Cercetare a Cancerului (IARC) a plasat compuși de nichel în Grupul 1 (există dovezi suficiente de cancerigenitate la om). Cu toate acestea, OSHA nu reglează nichelul ca cancerigen.

Se recomandă ca expunerea la nichel metalic și compușii săi să nu depășească 1 mg / m ³ pentru opt ore de muncă într-o săptămână de lucru de patruzeci de ore. Nichel carbonil și sulfura de nichel sunt compuși foarte toxici sau cancerigeni.

Referințe

1. Muhammad Imran Din și Aneela Rani. (2016). Progrese recente în sinteza și stabilizarea nanoparticulelor de nichel și oxid de nichel: o adeptitate verde. Revista internațională de chimie analitică, vol. 2016, articolul ID 3512145, 14 pagini, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Particule Nano pe bază de nichel ca adsorbanți în metodele de purificare a apei - o revizuire. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nichel. Recuperat de la: en.wikipedia.org
4. Institutul de nichel. (2018). Oțel inoxidabil: rolul nichelului. Recuperat de la: nickelinstitute.org
5. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (20 martie 2019). Nichel. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
6. Troia Buechel. (05 octombrie 2018). Rolul nichelului în cultivarea plantelor. PROMIX. Recuperat din: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Tabelul periodic: Nichel. Recuperat de la: lenntech.com
8. Bell Terence. (28 iulie 2019). Profil metalic nichel. Recuperat de la: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (22 iunie 2018). 10 fapte de nichel. Recuperat de la: thinkco.com
10. Dinni Nurhayani & Akhmad A. Korda. (2015). Efectul adăugării de nichel asupra proprietăților antimicrobiene, fizice și mecanice ale aliajului de cupru-nichel împotriva suspensiilor de Escherichia coli. Procesul conferinței AIP 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727