NIKAL: POVIJEST, SVOJSTVA, STRUKTURA, NAČINI UPORABE, RIZICI - KEMIJA - 2026

Nikla je prijelazni metal bijela kemijska oznaka je Ni. Tvrdoća mu je veća od željeza, osim što je dobar provodnik topline i električne energije, i općenito se smatra metalom koji nije vrlo reaktivan i vrlo je otporan na koroziju. U svom je čistom stanju srebro sa zlatnim nijansama.

Godine 1751. švedski kemičar Axel Fredrik Cronsted uspio ga je izolirati iz minerala poznatog kao Kupfernickel (đavolov bakar), izvađen iz rudnika kobalta u švedskom selu. Isprva je Cronsted mislio da je mineral bakar, ali se pokazalo da je izolirani element bijele boje, različit od bakra.

Nikalne sfere u kojima svjetlucaju njeni zlatni tonovi. Izvor: René Rausch

Cronsted je element nazvao nikelom, a kasnije je utvrđeno da je mineral zvan kupfernickel bio nikolit (nikl-arsenid).

Nikal se izvlači uglavnom iz dva ležišta: magnetskih stijena i drugih segregacija zemljine magme. Minerali su sumporni u prirodi, poput pentladita. Drugi izvor nikla su lateriti s mineralima bogatim niklom, poput garnierita.

Glavna primjena nikla je u stvaranju legura s mnogo metala; na primjer, uključen je u proizvodnju nehrđajućeg čelika, industrijsku djelatnost koja troši oko 70% svjetske proizvodnje nikla.

Osim toga, nikl se koristi u legurama kao što je alnico, legura magnetske prirode namijenjena proizvodnji elektromotora, zvučnika i mikrofona.

Nikal se počeo primjenjivati ​​u izradi kovanica sredinom 19. stoljeća. Međutim, njegova je upotreba sada zamijenjena onom jeftinijih metala; iako se i dalje koristi u nekim zemljama.

Nikal je bitan element za biljke, jer aktivira enzim ureazu koji intervenira u razgradnji uree do amonijaka, a biljke mogu koristiti kao izvor dušika. Nadalje, urea je toksičan spoj koji biljkama nanosi ozbiljnu štetu.

Nikal je element velike toksičnosti za ljude, postoje dokazi da je kancerogeni agens. Osim toga, nikal uzrokuje kontaktni dermatitis i razvoj alergija.

Povijest

antika

Čovjek je od davnina znao za postojanje nikla. Na primjer, postotak nikla od 2% pronađen je u brončanim predmetima (3500. godine prije Krista), prisutnim u zemljama koje trenutno pripadaju Siriji.

Također, kineski rukopisi sugeriraju da se "bijeli bakar", poznat kao baitong, koristio između 1700. i 1400. godine prije Krista. Mineral je u 17. stoljeću izvezen u Veliku Britaniju; ali sadržaj nikla u ovoj leguri (Cu-Ni) otkriven je tek 1822. godine.

U srednjovjekovnoj Njemačkoj pronađen je crvenkasti mineral, sličan bakru i koji je imao zelene mrlje. Rudari su pokušali izolirati bakar iz rude, ali nisu uspjeli. Osim toga, kontakt sa mineralima uzrokovanim zdravstvenim problemima.

Iz tih razloga, rudari su mineral pripisivali zloćudnom stanju i dodijelili mu različita imena koja ilustriraju to stanje; poput "Old Nick", također kupfernickel (bakar vraga). Sada je poznato da je predmetni mineral bio nikolin: nikl-arsenid, NiAs.

Otkriće i produkcija

1751. Axel Fredrik Cronsted pokušao je izolirati bakar iz kupfernickela, dobivenog iz rudnika kobalta koji se nalazio u blizini švedskog sela Los Halsinglandt. Ali uspio je samo nabaviti bijeli metal, koji je do sada bio nepoznat i nazvao ga niklom.

Počev od 1824. godine, nikl je dobiven kao nusproizvod proizvodnje kobaltno plave boje. 1848. osnovana je topionica u Norveškoj za preradu nikla u mineralnom pirotiitu.

Godine 1889. nikl je uveden u proizvodnju čelika, a nalazišta otkrivena u Novoj Kaledoniji pružala su nikl svjetskoj potrošnji.

Svojstva

Izgled

Srebrno bijele, sjajne i s blagim zlatnim tonom.

Atomska težina

58.9344 u

Atomski broj (Z)

28

Talište

1,455 ºC

Vrelište

2.730 ºC

Gustoća

-Na sobnoj temperaturi: 8.908 g / mL

-Na talištu (tekućina): 7,81 g / ml

Toplina fuzije

17,48 kJ / mol

Toplina isparavanja

379 kJ / mol

Molarni kalorijski kapacitet

26,07 J / mol

Elektronegativnost

1,91 na Paulingovoj skali

Energija ionizacije

Prva razina ionizacije: 737,1 kJ / mol

Druga razina ionizacije: 1.753 kJ / mol

Treća razina ionizacije: 3.395 kJ / mol

Atomski radio

Empirijski 124 pm

Kovalentni polumjer

124,4 ± 16 sati

Toplinska vodljivost

90,9 W / (m K)

Električni otpor

69,3 nΩ m na 20 ºC

Tvrdoća

4,0 na Mohsovoj skali.

karakteristike

Nikal je duktilni i plastični metal i ima veću tvrdoću od željeza, dobar je električni i toplinski vodič. To je feromagnetski metal pri normalnim temperaturama, čija je Curie temperatura 358 ° C. Na temperaturama višim od ove, nikal više nije feromagnetski.

Nikal je jedan od četiri feromagnetska elementa, a ostala tri su: željezo, kobalt i gadolinij.

izotopi

Postoje 31 izotopi nikla, ograničeni na ⁴⁸ Ni i ⁷⁸ Ni.

Postoji pet prirodnih izotopa: ⁵⁸ Ni, s obiljem od 68,27%; ⁶⁰ Ni, s obiljem od 26,10%; ⁶¹ Ni, s obiljem od 1,13%; ⁶² Ni, s obiljem 3,59%; i ⁶⁴ Ni, s obiljem od 0,9%.

Atomska masa od oko 59 u za nikl pokazuje da ne postoji izrazita prevladavanje nijednog izotopa (iako je ⁵⁸ Ni najzastupljeniji).

Struktura i elektronička konfiguracija

Nikal metalik kristalizira u kubičnu (fcc) strukturu lica. Ova faza fcc je izuzetno stabilna i ostaje nepromijenjena do tlaka blizu 70 GPa; Malo je bibliografskih podataka o fazama ili polimorfima nikla pod visokim tlakom.

Morfologija kristala nikla je promjenjiva, budući da se mogu slagati na način da definiraju nanocjevčicu. Kao nanočestica ili makroskopska krutina, metalna veza ostaje ista (u teoriji); to jest, to su isti valentni elektroni koji zajedno drže Ni atome.

Prema dvije moguće elektroničke konfiguracije za nikl:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Deset elektrona je uključeno u metalnu vezu; bilo osam ili devet u 3D orbitali, zajedno s dvije ili jednom u orbiti 4s. Imajte na umu da je valentni pojas praktički pun, blizu prijevoza svojih elektrona u kondukcijski pojas; činjenica koja objašnjava njegovu relativno visoku električnu vodljivost.

Nikelova fcc struktura je toliko stabilna da je čak prihvaća i čelik kada joj se doda. Dakle, nehrđajuće željezo s visokim udjelom nikla također je fcc.

Oksidacijski brojevi

Nikal, iako se možda ne čini tako, također ima obilje broja ili oksidacijskih stanja. Negativni elementi očito su svjesni da mu nedostaju dva elektrona da bi dovršili deset svojih 3D orbitala; na taj način može dobiti jedan ili dva elektrona koji imaju oksidacijske brojeve -1 (Ni ^-) ili -2 (Ni ^2-).

Najstabilniji oksidacijski broj nikla je +2, pod pretpostavkom postojanja Ni ²⁺ kationa, koji je izgubio elektrone 4s orbitale i ima osam elektrona u 3d orbitali (3d ⁸).

Također, postoje i dva pozitivna oksidacijska broja: +3 (Ni ³⁺) i +4 (Ni ⁴⁺). U školskoj ili srednjoškolskoj razini nikl se uči da postoji samo kao Ni (II) ili Ni (III), a to je zato što su oni najčešći oksidacijski brojevi koji se nalaze u vrlo stabilnim spojevima.

A kad je metalni nikal dio spoja, to jest s njegovim neutralnim Ni atomom, tada se kaže da sudjeluje ili se veže s brojem oksidacije 0 (Ni ⁰).

Gdje se nalazi nikal?

Minerali i more

Nikal čini 0,007% zemljine kore, tako da je njegova brojnost mala. No, to je još uvijek drugi najzastupljeniji metal nakon željeza u zemljinoj otopljenoj jezgri, poznat kao Nife. Morska voda ima prosječnu koncentraciju nikla 5,6 · 10 ^-4 mg / L.

Obično se nalazi u magnetskim stijenama, pentlanditu, mineralu stvorenom od željeza i nikl-sulfida, koji je jedan od glavnih izvora nikla:

Kamen sastavljen od minerala pentlandita i pirotiita. Izvor: John Sobolewski (JSS)

Mineralni pentlandit prisutan je u Sudburyju, Ontario, Kanada; jedno od glavnih ležišta ovog metala u svijetu.

Pentlandit ima koncentraciju nikla između 3 i 5%, povezan je s pirotiitom, željeznim sulfidom bogatim niklom. Ti se minerali nalaze u stijenama, proizvodima segregacija zemljine magme.

Laterites

Drugi važan izvor nikla su lateriti, sačinjeni od sušnih tla u vrućim krajevima. Oni su siromašni silicijom i posjeduju nekoliko minerala, uključujući: garnierit, silikat magnezijevog nikla; a limonit, željezna ruda

Koristi se u leguri sa željezom uglavnom za proizvodnju nehrđajućeg čelika, jer se za tu svrhu koristi 68% proizvodnje nikla.

Također tvori leguru s bakrom, otpornu na koroziju. Ova legura se sastoji od 60% nikla, 30% bakra i male količine drugih metala, posebno željeza.

Nikal se koristi u otpornim legurama, magnetskim i u druge svrhe, poput nikal srebra; i legura koja se sastoji od nikla i bakra, ali ne sadrži srebro. Ni-Cu cijevi koriste se u postrojenjima za desalinizaciju, oklopom i u proizvodnji kovanica.

Nikal pruža čvrstoću i vlačnu čvrstoću legurama koje stvaraju otpornost na koroziju. Pored legura s bakrom, željezom i kromom koristi se u legurama s broncom, aluminijom, olovom, kobaltom, srebrom i zlatom.

Monelova legura sastoji se od 17% nikla, 30% bakra i s tragovima željeza, mangana i silicija. Otporan je na morsku vodu, što ga čini idealnim za upotrebu na brodskim propelerima.

Zaštitno djelovanje

Nikal koji reagira sa fluorom tvori zaštitni sloj za fluor-element, koji omogućava upotrebu metalnog nikla ili Monelove legure u plinovodima fluora.

Nikal je otporan na djelovanje alkalija. Iz tog razloga se koristi u spremnicima koji sadrže koncentrirani natrijev hidroksid. Također se koristi pri galvanizaciji za stvaranje zaštitne površine za druge metale.

Ostale uporabe

Nikal se koristi kao redukcijsko sredstvo za šest metala iz platinske skupine minerala u kojima se kombinira; uglavnom platina i paladij. Nikalna pjena ili mreža koristi se u proizvodnji elektroda za baterije na bazi alkalnih goriva.

Nikal se koristi kao katalizator za hidrogenaciju nezasićenih biljnih masnih kiselina, a koristi se u procesu izrade margarina. Bakar i legura Cu-Ni imaju antibakterijsko djelovanje na E. coli.

nanočestice

Nanočestice nikla (NPs-Ni) nalaze se u širokoj uporabi zbog veće površine u usporedbi s makroskopskim uzorkom. Kad se ti NP-Ni sintetiziraju iz biljnih ekstrakata, razvijaju antimikrobno i antibakterijsko djelovanje.

Razlog za gore navedeno je zbog njegove veće sklonosti oksidaciji u kontaktu s vodom, formirajući Ni2 ⁺ katione i visoko reaktivne vrste kisika, koji denaturiraju mikrobne stanice.

S druge strane, NP-Ni koriste se kao elektrodni materijali u ćelijama s krutim gorivima, vlaknima, magnetima, magnetskim tekućinama, elektroničkim dijelovima, senzorima plina itd. Isto tako, oni su katalitički nosači, adsorbensi, izbjeljivači i pročišćivači otpadnih voda.

-Composites

Nikal-klorid, nitrati i sulfat koriste se u nikalnim kupkama za galvaniziranje. Nadalje, njegova sulfatna sol koristi se u pripremi katalizatora i sredstva za bojenje tekstila.

Nikal peroksid koristi se u akumulatorima. Niteri feriti koriste se kao magnetska jezgra u antenama u raznim električnim uređajima.

Nikl tertrakarbonil pruža ugljični monoksid za sintezu akrilata iz acetilena i alkohola. Kombinirani oksid barija i nikla (BaNiO ₃) služi kao sirovina za proizvodnju katoda mnogih punjivih baterija, poput Ni-Cd, Ni-Fe i Ni-H.

Biološka uloga

Biljke zahtijevaju prisustvo nikla za svoj rast. Poznato je da se koristi kao kofaktor raznim biljnim enzimima, uključujući ureazu; enzim koji pretvara ureu u amonijak, koristeći ovaj spoj u funkcioniranju biljaka.

Pored toga, nakupljanje uree proizvodi promjene u lišću biljke. Nikal djeluje kao katalizator za promicanje dušične fiksacije mahunarki.

Usjevi najosjetljiviji na nedostatak nikla su mahunarke (grah i lucerka), ječam, pšenica, šljive i breskve. Njegov se nedostatak u biljkama očituje klorozom, padom lišća i manjkom rasta.

U nekim bakterijama enzim ureaza ovisi o niklu, ali smatra se da one mogu imati virulentno djelovanje na organizme koje naseljavaju.

Ostali bakterijski enzimi, kao što je superoksid dismutaza, kao i gliksidaza prisutna u bakterijama i nekim parazitima, na primjer u tripanosomima, ovise o niklu. Međutim, isti enzimi u viših vrsta ne ovise o niklu već o cinku.

rizici

Unošenje velike količine nikla povezano je s stvaranjem i razvojem karcinoma pluća, nosa, grkljana i prostate. Uz to, uzrokuje respiratorne probleme, respiratorno zatajenje, astmu i bronhitis. Isparenja nikla mogu uzrokovati iritaciju pluća.

Dodir nikla s kožom može uzrokovati preosjetljivost, što kasnije stvara alergiju, što se očituje kao kožni osip.

Izloženost kože niklom može prouzrokovati dermatitis poznat kao "svrbež nikla" u prethodno osjetljivih ljudi. Nakon preosjetljivosti na nikl, ostaje u nedogled.

Međunarodna agencija za istraživanje raka (IARC) smjestila je spojeve nikla u skupinu 1 (postoji dovoljno dokaza o kancerogenosti kod ljudi). Međutim, OSHA ne regulira nikal kao karcinogen.

Preporučuje se da izloženost metalnom niklu i njegovim spojevima ne može prelaziti 1 mg / m ³ tijekom osam sati rada tijekom četrdeset sati rada. Nikal karbonil i nikl sulfid visoko su toksični ili kancerogeni spojevi.

Reference

1. Muhammed Imran Din i Aneela Rani. (2016). Nedavni napredak u sintezi i stabilizaciji nanočestica nikla i oksida niklja: zelena adekvatnost. Međunarodni časopis za analitičku kemiju, god. 2016, ID članka 3512145, 14 stranica, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Nano čestice na bazi nikla kao adsorbensi u metodama pročišćavanja vode - pregled. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nikal. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
4. Institut nikla. (2018.). Nehrđajući čelik: Uloga nikla. Oporavilo od: nickelinstitute.org
5. Urednici Encyclopaedia Britannica. (20. ožujka 2019.). Nikal. Encyclopædia Britannica. Oporavilo od: britannica.com
6. Troy Buechel. (05. listopada 2018.). Uloga nikla u uzgoju biljaka. Promix. Oporavilo od: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Periodna tablica: Nikal. Oporavilo od: lenntech.com
8. Bell Terence. (28. srpnja 2019.). Nikalni metalni profil. Oporavilo od: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (22. lipnja 2018.). 10 činjenica o elementu nikla. Oporavilo od: misel.com
10. Dinni Nurhayani i Akhmad A. Korda. (2015). Učinak dodatka nikla na antimikrobna, fizikalna i mehanička svojstva legure bakra-nikla protiv suspenzija Escherichia coli. Zbornik AIP konferencije 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727