ניקל: היסטוריה, מאפיינים, מבנה, שימושים, סיכונים - כִּימִיָה - 2025

ניקל היא מתכת מעבר סמל כימי לבן הוא Ni. הקשיות שלו גדולה מזו של הברזל, בנוסף להיותו מוליך טוב של חום וחשמל, ובכלל, היא נחשבת למתכת שאינה מגיבה במיוחד ועמידה מאוד בפני קורוזיה. במצבו הטהור, זה כסף עם גוונים זהובים.

בשנת 1751 הצליח אקסל פרדריק קרונסטד, כימאי שוודי, לבודד אותו ממינרל המכונה קופפרניקל (נחושת השטן), שהוצא ממכרה קובלט בכפר שוודי. בתחילה, קראונסטד חשב שהמינרל הוא נחושת, אך האלמנט המבודד התגלה כצבע לבן, שונה מהנחושת.

כדוריות ניקל בהן גווני הזהב שלה מאירים. מקור: רנה ראוש

קרונסטד כינה את היסוד ניקל, ובהמשך התברר כי המינרל שנקרא קופפרניקל היה ניקוליט (ניקל ארסניד).

ניקל מופק בעיקר משני משקעים: סלעים דלקתיים ושכונות אחרות של מאגמת כדור הארץ. המינרלים גופריתיים, כמו פנטלדיט. המקור השני לניקל הוא לייטריטים, עם מינרלים עשירים בניקל כמו גרניירייט.

היישום העיקרי של ניקל הוא ביצירת סגסוגות עם מתכות רבות; לדוגמה, הוא מעורב בייצור נירוסטה, פעילות תעשייתית הצורכת כ -70% מייצור הניקל בעולם.

בנוסף, ניקל משמש בסגסוגות כמו אלניקו, סגסוגת בעלת אופי מגנטי המיועדת לייצור מנועים חשמליים, רמקולים ומיקרופונים.

ניקל החל לשמש לייצור מטבעות באמצע המאה ה -19. עם זאת, השימוש בו הוחלף כעת על ידי מתכות יקרות פחות; למרות שממשיכים להשתמש בו במדינות מסוימות.

ניקל הוא מרכיב חיוני לצמחים, מכיוון שהוא מפעיל את השתן האנזים, המעורב בשפלת האוריאה לאמוניה, הניתן לשימוש על ידי הצמחים כמקור לחנקן. יתר על כן, אוריאה היא תרכובת רעילה הגורמת נזק קשה לצמחים.

ניקל הוא מרכיב של רעילות רבה לבני אדם, יש עדויות לכך שהוא סוכן מסרטן. בנוסף, ניקל גורם לדרמטיטיס מגע והתפתחות אלרגיות.

הִיסטוֹרִיָה

יָמֵי קֶדֶם

האיש ידע מאז ימי קדם את קיומו של ניקל. לדוגמה, אחוז ניקל של 2% נמצא בחפצי ברונזה (3500 לפני הספירה), שנמצאים בארצות השייכות כיום לסוריה.

כמו כן, בכתבי יד סיניים עולה כי "נחושת לבנה", המכונה baitong, שימשה בין 1700 ל 1400 לפני הספירה. המינרל ייצא לבריטניה במאה ה -17; אך תוכן הניקל של הסגסוגת הזו (Cu-Ni) לא התגלה עד 1822.

בגרמניה של ימי הביניים נמצא מינרל אדמדם, הדומה לנחושת, ובו היו כתמים ירוקים. הכורים ניסו לבודד את הנחושת מהעפרה, אך נכשלו בניסיונם. בנוסף, מגע עם המינרל ייצר בעיות בריאותיות.

מסיבות אלה, הכורים ייחסו את המינרל למצב ממאיר והקצו לו שמות שונים שהמחישו מצב זה; כמו "ניק הזקן", גם קופפרניקל (נחושת של השטן). כעת ידוע כי המינרל המדובר היה ניקוליט: ארסניד ניקל, NiAs.

גילוי והפקה

בשנת 1751 ניסה אקסל פרדריק קרונסטד לבודד נחושת מקופפרניקל, שהושג ממכרה קובלט שנמצא ליד לוס האלסינגלנד, כפר שוודי. אבל הוא הצליח להשיג רק מתכת לבנה, שעד כה לא הייתה ידועה וקראה לזה ניקל.

החל משנת 1824, ניקל הושג כתוצר לוואי לייצור כחול קובלט. בשנת 1848 הוקם בנורבגיה בית-מלאכה לעיבוד הניקל שנמצא במינרל פירמהוט.

בשנת 1889 הוכנס ניקל לייצור פלדה, וההפקדות שהתגלו בקלדוניה החדשה סיפקו את הניקל לצריכה עולמית.

נכסים

מראה חיצוני

לבן כסוף, זוהר ובעל גוון זהוב קל.

משקל אטומי

58.9344 u

מספר אטומי (Z)

28

נקודת המסה

1,455 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

2,730 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

-טמפרטורת החדר: 8.908 גרם / מ"ל

בנקודת התכה (נוזל): 7.81 גרם / מ"ל

חום של היתוך

17.48 ק"ג / מול

חום האידוי

379 ק"ג / מול

יכולת קלורית מולקולרית

26.07 J / mol

אלקטרונגטיביות

1.91 בסולם פאולינג

אנרגיית יינון

רמת יינון ראשונה: 737.1 kJ / mol

רמת יינון שנייה: 1,753 kJ / mol

דרגה שלישית של יינון: 3,395 ק"ג / מול

רדיו אטומי

אמפירי 124 בערב

רדיוס קוולנטי

124.4 ± 16:00

מוליכות תרמית

90.9 W / (m K)

התנגדות חשמלית

69.3 ננומטר ב 20 מעלות צלזיוס

קַשִׁיוּת

4.0 בסולם מוהס.

מאפיינים

ניקל הוא מתכת רקועה וניתנת לניפוח ובעלת קשיות גבוהה יותר מברזל, בהיותו מוליך חשמלי ותרמי טוב. זוהי מתכת פרומגנטית בטמפרטורות רגילות, טמפרטורת הקארי שלה היא 358 מעלות צלזיוס. בטמפרטורות גבוהות יותר מזה, ניקל כבר אינו פרומגנטי.

ניקל הוא אחד מארבעת היסודות הפרומגנטיים, ושלושת האחרים הם: ברזל, קובלט וגדוליניום.

איזוטופים

ישנם 31 איזוטופים של ניקל, המוגבלים על ידי ⁴⁸ Ni ו- ⁷⁸ Ni.

ישנם חמישה איזוטופים טבעיים: ⁵⁸ ני, עם שפע של 68.27%; ⁶⁰ ני, עם שפע של 26.10%; ⁶¹ ני, עם שפע של 1.13%; ⁶² ני, עם שפע של 3.59%; ו- ⁶⁴ Ni, עם שפע של 0.9%.

המשקל האטומי של כ 59- u עבור ניקל מראה שאין דומיננטיות ניכרת באף אחד מהאיזוטופים (למרות ש- ⁵⁸ Ni הוא השופע ביותר).

מבנה ותצורה אלקטרונית

ניקל מתכתי מתגבש למבנה מעוקב פנים (fcc). שלב ה- Fcc הזה יציב ביותר, ונשאר ללא שינוי עד לחצים הקרובים ל -70 GPa; אין מעט מידע ביבליוגרפי לגבי שלבים או פולימורפים של ניקל בלחץ גבוה.

המורפולוגיה של גבישי ניקל משתנה, מכיוון שניתן לסדר אותם באופן שהם מגדירים ננו-צינור. כנוזל חלקיקי או מוצק מקרוסקופי, הקשר המתכתי נשאר זהה (בתיאוריה); כלומר, אותם אלקטרונים ערכיים מחזיקים את אטומי ה- Ni יחד.

על פי שתי התצורות האלקטרוניות האפשריות לניקל:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

עשרה אלקטרונים מעורבים בקשר המתכתי; או שמונה או תשע במסלול ה 3d, יחד עם שניים או אחד במסלול 4s. שימו לב שפס הערכיות הוא כמעט מלא, קרוב להובלת האלקטרונים שלו לפס ההולכה; עובדה שמסבירה את המוליכות החשמלית הגבוהה יחסית.

מבנה ה- fcc של ניקל כל כך יציב שהוא אפילו מאומץ על ידי פלדה כשהוא מתווסף אליו. לפיכך, ברזל אל חלד עם תכולת ניקל גבוהה הוא גם fcc.

מספרי חמצון

ניקל, למרות שזה לא נראה כך, יש גם מספרים רבים או מצבי חמצון. השליליות ברורות מאליהן בידיעה שזה פשוט חסר שני אלקטרונים כדי להשלים את עשר מסלול התלת מימד שלה; לפיכך, הוא יכול להשיג אלקטרון אחד או שניים, בעלי מספר חמצון -1 (Ni ^- ) או -2 (Ni ^2- ), בהתאמה.

מספר החמצון היציב ביותר עבור ניקל הוא +2, בהנחה שקיומו של הקטיון Ni ²⁺ , שאיבד את האלקטרונים של המסלול 4s ויש לו שמונה אלקטרונים במסלול ה 3d (3d ⁸ ).

כמו כן, ישנם שני מספרים נוספים של חמצון חיובי: +3 (Ni ³⁺ ) ו- +4 (Ni ⁴⁺ ). ברמת בתי הספר או בתיכון, מלמדים את הניקל להתקיים כ- Ni (II) או Ni (III), מכיוון שהם מספרים החמצון הנפוצים ביותר שנמצאים בתרכובות יציבות מאוד.

וכאשר מדובר בניקל מתכתי שהוא חלק מתרכובת, כלומר עם האטום הניטרלי הניטרלי שלו, אז אומרים שהוא משתתף או נקשר עם מספר חמצון של 0 (Ni ⁰ ).

היכן נמצא ניקל?

מינרלים וים

ניקל מהווה 0.007% מקרום כדור הארץ, כך ששפעו נמוך. אבל, זו עדיין המתכת השנייה בשופעה ביותר אחרי ברזל בליבה המותכת של כדור הארץ, המכונה Nife. מי ים ריכוז ניקל ממוצע של 5.6 · 10 ^-4 מ"ג / ל.

בדרך כלל הוא נמצא בסלעים דלקתיים, פנטלנדיט, מינרל הנוצר מברזל וניקל סולפיד, והוא אחד המקורות העיקריים לניקל:

סלע המורכב ממינרלים פנטלנדיט ופיררוטיט. מקור: ג'ון סובולבסקי (JSS)

המינרל פנטלנדיט קיים בסודברי, אונטריו, קנדה; אחד הפיקדונות העיקריים של מתכת זו בעולם.

לפנטלנדיט יש ריכוז ניקל בין 3 ל- 5%, והוא קשור לפירוחוט, גופרתי ברזל עשיר בניקל. מינרלים אלה נמצאים בסלעים, תוצרים של הפרדות המאגמה של כדור הארץ.

לטריטים

המקור החשוב הנוסף לניקל הוא לטריטים המורכבים מקרקעות צחיחות באזורים חמים. הם עניים בסיליקה ובעלי מספר מינרלים, ביניהם: גרנייה, סיליקט ניקל מגנזיום; ולימונית, עפרת ברזל

הוא משמש בסגסוגת עם ברזל בעיקר לייצור נירוסטה, שכן 68% מייצור הניקל משמש למטרה זו.

זה גם יוצר סגסוגת עם נחושת, עמיד בפני קורוזיה. סגסוגת זו מורכבת מ -60% ניקל, 30% נחושת וכמויות קטנות של מתכות אחרות, בעיקר ברזל.

ניקל משמש בסגסוגות התנגדות, מגנטיות ולמטרות אחרות, כגון כסף ניקל; וסגסוגת המורכבת מניקל ונחושת, אך אינה מכילה כסף. צינורות Ni-Cu משמשים במפעלי התפלה, סיכוך וייצור מטבעות.

ניקל מספק קשיחות וחוזק מתיחה לסגסוגות הבונות עמידות בפני קורוזיה. בנוסף לסגסוגות עם נחושת, ברזל וכרום, הוא משמש בסגסוגות עם ברונזה, אלומיניום, עופרת, קובלט, כסף וזהב.

סגסוגת מונל מורכבת מ -17% ניקל, 30% נחושת ועם עקבות של ברזל, מנגן וסיליקון. הוא עמיד בפני מי ים, מה שהופך אותם לאידיאליים לשימוש על מדחפי אוניות.

פעולת מגן

ניקל המגיב עם פלואור מהווה שכבת הגנה על יסוד הפלואור, ומאפשר להשתמש בניקל מתכתי או סגסוגת מונל בקווי הגז הפלואור.

ניקל עמיד לפעולה של אלקליות. מסיבה זו הוא משמש במיכלים המכילים נתרן הידרוקסיד מרוכז. זה משמש גם אלקטרוליטי כדי ליצור משטח מגן עבור מתכות אחרות.

שימושים אחרים

ניקל משמש כחומר הפחתה לשש מתכות מקבוצת המינרלים הפלטינה בה הוא משולב; בעיקר פלטינה ופלדיום. קצף ניקל או רשת משמש בייצור אלקטרודות לסוללות דלק אלקליות.

ניקל משמש כזרז להתמצת מימן של חומצות שומן צמחיות בלתי רוויות, ומשמש בתהליך ייצור מרגרינה. נחושת וסגסוגת Cu-Ni פועלים באופן אנטיבקטריאלי על E. coli.

חלקיקים ננו

חלקיקים ניקליים (NPs-Ni) מוצאים מגוון רחב של שימושים בגלל שטח הפנים הגדול שלהם לעומת מדגם מקרוסקופי. כאשר NPs-Ni אלה מסונתזים מתמציות צמחים, הם מפתחים פעילויות אנטי-מיקרוביאליות ואנטיבקטריאליות.

הסיבה לאמור לעיל נובעת מהנטייה הגדולה יותר שלה להתחמצן במגע עם מים, ויוצרים קטיונים Ni ²⁺ ומינים חמצן מגיבים מאוד, שמלווים את התאים החיידקים.

מצד שני, NPs-Ni משמשים כחומר אלקטרודה בתאי דלק מוצקים, סיבים, מגנטים, נוזלים מגנטיים, חלקים אלקטרוניים, חיישני גז וכו '. כמו כן, הם תומכים קטליטיים, סופגים, חומרי הלבנה ומטהרי שפכים.

-חומרים מרוכבים

ניקל כלוריד, חנקתי וסולפט משמשים באמבטיות ניקל בהתחשמלות. יתר על כן, מלח הגופרתי שלו משמש בהכנת זרזים ומורנדנטים לצביעה של טקסטיל.

מי חמצן ניקל משמשים בסוללות אחסון. Ferrites ניקל משמשים כליבות מגנטיות באנטנות בציוד חשמלי שונה.

ניקל טרטרקארבוניל מספק פחמן חד חמצני לסינתזה של אקרילטים, מאצטילן ואלכוהולים. התחמוצת המשולבת של בריום וניקל (BaNiO ₃ ) משמשת כחומר גלם לייצור קתודות של סוללות נטענות רבות, כמו Ni-Cd, Ni-Fe ו- Ni-H.

תפקיד ביולוגי

צמחים דורשים נוכחות של ניקל לצמיחתם. ידוע שהוא משמש כקופקטור על ידי אנזימים צמחיים שונים, כולל אורז; אנזים שממיר אוריאה לאמוניה, היכול להשתמש בתרכובת זו בתפקודם של צמחים.

בנוסף, הצטברות אוריאה מייצרת שינוי בעלים של הצמחים. ניקל משמש כזרז לקידום קיבוע החנקן על ידי קטניות.

הגידולים הרגישים ביותר למחסור בניקל הם קטניות (שעועית ואספסת), שעורה, חיטה, שזיפים ואפרסקים. חסרונו בא לידי ביטוי בצמחים על ידי כלורוזיס, נפילת עלים ומחסור בגדילה.

בכמה חיידקים, אורז האנזים תלוי בניקל, אך זה נחשב כי אלה יכולים להיות בעלי פעולה ארסית על האורגניזמים שהם חיים.

אנזימים חיידקיים אחרים, כמו סופר-אוקסיד דיסמוטאז, כמו גם הגליקידז הקיים בחיידקים ובכמה טפילים, למשל בטריפנוסומים, תלויים בניקל. עם זאת, אותם אנזימים במינים גבוהים אינם תלויים בניקל אלא באבץ.

סיכונים

בליעת כמויות גדולות של ניקל קשורה לייצור והתפתחות סרטן ריאות, אף, גרון וערמונית. בנוסף, זה גורם לבעיות נשימה, אי ספיקת נשימה, אסטמה ודלקת סימפונות. אדי ניקל עלולים לגרום לגירוי ריאות.

מגע ניקל עם העור יכול לגרום לרגישות, שמייצרת לאחר מכן אלרגיה המתבטאת כפריחה בעור.

חשיפת עור לניקל עלולה לגרום לדלקת עור המכונה "גירוד ניקל" אצל אנשים שהרגישו בעבר. לאחר רגישות לניקל הוא נמשך ללא הגבלת זמן.

הסוכנות הבינלאומית לחקר הסרטן (IARC) הציבה תרכובות ניקל בקבוצה 1 (יש עדויות מספקות למחלות סרטן אצל בני אדם). עם זאת, OSHA אינו מסדיר ניקל כמסרטן.

מומלץ כי החשיפה ניקל מתכתיות ותרכובותיו לא יכולה להיות גדול מ 1 מ"ג / מ ³ במשך שמונה שעות עבודה בשבוע עבודה בן ארבעים שעות. ניקל קרבוניל וניקל סולפיד הם תרכובות רעילות מאוד או מסרטנות.

הפניות

1. מוחמד אימרן דין ואנאלה רני. (2016). ההתקדמות האחרונה בסינתזה ויציבות של חלקיקים מחומרים ניקליים ותחמוצת ניקל: מיומנות ירוקה. כתב העת הבינלאומי לכימיה אנליטית, כרך א '. 2016, תעודת זהות 3512145, 14 עמודים, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). חלקיקי ננו מבוססי ניקל כחומרים סופגים בשיטות לטיהור מים - סקירה. אוריינט ג'יי צ'ם 2017-33 (4).
3. ויקיפדיה. (2019). ניקל. התאושש מ: en.wikipedia.org
4. מכון ניקל. (2018). נירוסטה: תפקיד ניקל. התאושש מ: nickelinstitute.org
5. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (20 במרץ, 2019). ניקל. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
6. טרוי ביכל. (05 באוקטובר 2018). תפקידו של ניקל בגידול צמחים. פרומיקס. התאושש מ: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). טבלה תקופתית: ניקל. התאושש מ: lenntech.com
8. בל טרנס. (28 ביולי 2019). פרופיל מתכת ניקל. התאושש מ: thebalance.com
9. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (22 ביוני 2018). 10 עובדות על ניקל. התאושש מ: thoughtco.com
10. דיני נורחאיני ואחמד א 'קורדה. (2015). ההשפעה של תוספת ניקל על תכונות אנטי-מיקרוביאליות, פיזיות ומכניות של סגסוגת נחושת-ניקל כנגד מתלים של Escherichia coli. הליכי ועידת AIP 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727