NIKL: HISTORIE, VLASTNOSTI, STRUKTURA, POUŽITÍ, RIZIKA - CHEMIE - 2025

Nikl je přechodný kov bílá chemická značka je Ni. Jeho tvrdost je vyšší než tvrdost železa, kromě toho, že je dobrým vodičem tepla a elektřiny, a obecně se považuje za kov, který není příliš reaktivní a je vysoce odolný vůči korozi. Ve svém čistém stavu je stříbrná se zlatými odstíny.

V roce 1751 se švédskému chemikovi Axelu Fredrikovi Cronstedovi podařilo izolovat ho od minerálu zvaného Kupfernickel (ďábelská měď) extrahovaného z kobaltového dolu ve švédské vesnici. Zpočátku si Cronsted myslel, že minerál je měď, ale izolovaný prvek se ukázal jako bílý, odlišný od mědi.

Niklové koule, ve kterých prosvítají jeho zlaté tóny. Zdroj: René Rausch

Cronsted pojmenoval element nikl a později bylo zjištěno, že minerálem zvaným kupfernickel byl nikl (arsenid niklu).

Nikl se získává hlavně ze dvou ložisek: vyvřelých hornin a dalších segregací magmatu Země. Minerály jsou v přírodě sirné, jako je pentladit. Druhým zdrojem niklu jsou laterity s minerály bohatými na nikl, jako je garnierit.

Hlavní použití niklu je ve formě slitin s mnoha kovy; například se podílí na výrobě nerezové oceli, což je průmyslová činnost, která spotřebovává asi 70% světové produkce niklu.

Kromě toho se nikl používá ve slitinách, jako je alnico, slitina magnetické povahy určená k výrobě elektrických motorů, reproduktorů a mikrofonů.

Nikl se začal používat při výrobě mincí v polovině 19. století. Jeho použití však bylo nyní nahrazeno používáním levnějších kovů; i když se v některých zemích stále používá.

Nikl je pro rostliny podstatným prvkem, protože aktivuje enzymovou ureázu, která zasahuje do degradace močoviny na amoniak, kterou mohou rostliny použít jako zdroj dusíku. Kromě toho je močovina toxická sloučenina, která způsobuje rostlinám vážné poškození.

Nikl je prvkem velké toxicity pro člověka, existuje důkaz, že je karcinogenní. Kromě toho nikl způsobuje kontaktní dermatitidu a rozvoj alergií.

Dějiny

Starověk

Muž věděl od dávných dob existenci niklu. Například procento niklu 2% bylo nalezeno v bronzových objektech (3500 př.nl), přítomných v zemích, které v současné době patří Sýrii.

Podobně čínské rukopisy naznačují, že „bílá měď“, známá jako baitong, byla používána v letech 1700 až 1400 př. Nl. Minerál byl v 17. století vyvážen do Velké Británie; ale obsah niklu v této slitině (Cu-Ni) byl objeven až v roce 1822.

Ve středověkém Německu byl nalezen načervenalý minerál podobný mědi, který měl zelené skvrny. Horníci se pokusili izolovat měď od rudy, ale při svém pokusu selhali. Kromě toho kontakt s minerálem způsobil zdravotní problémy.

Z těchto důvodů horníci připsali minerál malignímu stavu a přiřadili mu různá jména, která tento stav ilustrují; jako "Old Nick", také kupfernickel (měď ďábla). Nyní je známo, že dotčeným minerálem byl nikot: arsenid niklu, NiAs.

Objev a výroba

V roce 1751 se Axel Fredrik Cronsted pokusil izolovat měď od kupfernickelu získaného z kobaltového dolu v blízkosti švédské vesnice Los Halsinglandt. Podařilo se mu však získat pouze bílý kov, který byl dosud neznámý a nazýval ho niklem.

Od roku 1824 byl nikl získán jako vedlejší produkt při výrobě kobaltové modři. V roce 1848 byla v Norsku zřízena huť na zpracování niklu přítomného v minerálním pyrrhotitu.

V roce 1889 byl do výroby oceli zaveden nikl a ložiska objevená v Nové Kaledonii poskytla niklu světovou spotřebu.

Vlastnosti

Vzhled

Stříbřitě bílý, lesklý a jemně zlatý odstín.

Atomová hmotnost

58,9344 u

Atomové číslo (Z)

28

Bod tání

1 455 ° C

Bod varu

2730 ° C

Hustota

- Při pokojové teplotě: 8,908 g / ml

- Bod tání (kapalina): 7,81 g / ml

Teplo fúze

17,48 kJ / mol

Odpařovací teplo

379 kJ / mol

Molární kalorická kapacita

26,07 J / mol

Elektronegativita

1,91 v Paulingově stupnici

Ionizační energie

První úroveň ionizace: 737,1 kJ / mol

Druhá úroveň ionizace: 1,753 kJ / mol

Třetí úroveň ionizace: 3 395 kJ / mol

Atomové rádio

Empirické 124 hodin

Kovalentní poloměr

124,4 ± 4 pm

Tepelná vodivost

90,9 W / (m K)

Elektrický odpor

69,3 nΩ m při 20 ° C

Tvrdost

4,0 na Mohsově stupnici.

vlastnosti

Nikl je tvárný, tvárný kov a má větší tvrdost než železo, je dobrým elektrickým a tepelným vodičem. Je to feromagnetický kov při normální teplotě, jeho Curieova teplota je 358 ° C. Při teplotách vyšších než tento už nikl již není feromagnetický.

Nikl je jedním ze čtyř feromagnetických prvků, další tři jsou: železo, kobalt a gadolinium.

Izotopy

Existuje 31 izotopů niklu, omezených na ⁴⁸ Ni a ⁷⁸ Ni.

Existuje pět přírodních izotopů: ⁵⁸ Ni, s hojností 68,27%; ⁶⁰ Ni, s hojností 26,10%; ⁶¹ Ni, s hojností 1,13%; ⁶² Ni, s hojností 3,59%; a ⁶⁴ Ni, s hojností 0,9%.

Atomová hmotnost asi 59 u pro nikl ukazuje, že v žádném z izotopů není výrazná dominance (i když ⁵⁸ Ni je nejhojnější).

Struktura a elektronická konfigurace

Niklový kov krystalizuje do krychlové (fcc) struktury zaměřené na obličej. Tato fcc fáze je extrémně stabilní a zůstává nezměněna až do tlaků blízkých 70 GPa; Existuje málo bibliografických informací o fázích nebo polymorfech niklu pod vysokým tlakem.

Morfologie niklových krystalů je proměnná, protože mohou být uspořádány tak, že definují nanotrubici. Jako nanočástice nebo makroskopická pevná látka zůstává kovová vazba stejná (teoreticky); to znamená, že jsou to stejné valenční elektrony, které drží atomy Ni pohromadě.

Podle dvou možných elektronických konfigurací pro nikl:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Do kovové vazby je zapojeno deset elektronů; buď osm nebo devět v 3d orbitále, spolu s dvěma nebo jedním ve 4s orbitále. Všimněte si, že valenční pás je prakticky plný, blízký transportu svých elektronů do vodivého pásma; skutečnost, která vysvětluje jeho relativně vysokou elektrickou vodivost.

Niklová fcc struktura je tak stabilní, že je dokonce přijata ocelí, když je k ní přidána. Nerezové železo s vysokým obsahem niklu je tedy také fcc.

Oxidační čísla

Nikl, i když se to nemusí zdát, má také hojná čísla nebo oxidační stavy. Negativy jsou zřejmé, protože vědí, že postrádá dva elektrony k dokončení deseti svých 3d orbitálů; tak může získat jeden nebo dva elektrony, které mají oxidační čísla -1 (Ni ^-) nebo -2 (Ni ^2-).

Nejstabilnější oxidační číslo pro nikl je +2, za předpokladu existence kationtu Ni ²⁺, který ztratil elektrony 4s orbitálu a má osm elektronů v 3d orbitále (3d ⁸).

Existují také dvě další pozitivní oxidační čísla: +3 (Ni ³⁺) a +4 (Ni ⁴⁺). Ve škole nebo na střední škole se nikl učí pouze jako Ni (II) nebo Ni (III), což je proto, že jsou to nejčastější oxidační čísla nalezená ve velmi stabilních sloučeninách.

A když je to kovový nikl, který je součástí sloučeniny, tj. S jeho neutrálním atomem Ni, pak se říká, že se účastní nebo se váže s oxidačním číslem 0 (Ni ⁰).

Kde je nikl nalezen?

Minerály a moře

Nikl představuje 0,007% zemské kůry, takže jeho hojnost je nízká. Je to však stále druhý nejhojnější kov po železě v roztaveném jádru Země, známé jako Nife. Mořská voda má průměrnou koncentraci niklu 5,6 · 10 ^-4 mg / l.

Obvykle se vyskytuje v vyvřelých horninách, pentlanditu, minerálu vytvořeném ze železa a sulfidu niklu, který je jedním z hlavních zdrojů niklu:

Hornina složená z minerálů pentlanditu a pyrrhotitu. Zdroj: John Sobolewski (JSS)

Minerální pentlandit je přítomen v Sudbury, Ontario, Kanada; jeden z hlavních ložisek tohoto kovu na světě.

Pentlandit má koncentraci niklu mezi 3 a 5% a je spojen s pyrrhotitem, sirníkem železa bohatým na nikl. Tyto minerály se nacházejí ve skalách, produktech segregací magmatu Země.

Laterity

Dalším důležitým zdrojem niklu jsou laterity tvořené suchými půdami v horkých oblastech. Jsou chudí na oxid křemičitý a mají několik minerálů, včetně: garnieritu, křemičitanu hořečnatého a niklu; a limonit, železná ruda

Používá se ve slitině se železem zejména pro výrobu nerezové oceli, protože 68% výroby niklu se používá pro tento účel.

Vytváří také slitinu s mědí, odolnou vůči korozi. Tato slitina je tvořena 60% niklu, 30% mědi a malým množstvím jiných kovů, zejména železa.

Nikl se používá v odporových slitinách, magnetických a pro jiné účely, jako je niklové stříbro; a slitinu sestávající z niklu a mědi, ale neobsahuje stříbro. Zkumavky Ni-Cu se používají v odsolovacích zařízeních, stínění a při výrobě mincí.

Nikl poskytuje houževnatost a pevnost v tahu slitinám, které vytvářejí odolnost vůči korozi. Kromě slitin s mědí, železem a chromem se používá ve slitinách s bronzem, hliníkem, olovem, kobaltem, stříbrem a zlatem.

Slitina Monel je vyrobena ze 17% niklu, 30% mědi a se stopami železa, manganu a křemíku. Je odolný vůči mořské vodě, díky čemuž je ideální pro použití na lodních lodních lodích.

Ochranná akce

Nikl reagující s fluorem tvoří ochrannou vrstvu pro fluorový prvek, což umožňuje použití kovového niklu nebo slitiny Monel v potrubích fluoru.

Nikl je odolný vůči působení alkálií. Z tohoto důvodu se používá v nádobách obsahujících koncentrovaný hydroxid sodný. Používá se také při galvanizaci k vytvoření ochranného povrchu pro jiné kovy.

Další použití

Nikl se používá jako redukční činidlo pro šest kovů ze skupiny platin minerálů, ve kterých je kombinován; hlavně platina a palladium. Niklová pěna nebo síťovina se používá při výrobě elektrod pro alkalické palivové baterie.

Nikl se používá jako katalyzátor pro hydrogenaci nenasycených rostlinných mastných kyselin a používá se při výrobě margarinu. Měď a slitina Cu-Ni mají antibakteriální účinek na E. coli.

Nanočástice

Niklové nanočástice (NPs-Ni) nacházejí širokou škálu použití kvůli jejich větší ploše ve srovnání s makroskopickým vzorkem. Když jsou tyto NPs-Ni syntetizovány z rostlinných extraktů, vyvíjejí antimikrobiální a antibakteriální aktivity.

Důvodem výše uvedeného je jeho větší tendence k oxidaci při kontaktu s vodou, vytváření kationtů Ni2 ⁺ a vysoce reaktivních kyslíkových látek, které denaturují mikrobiální buňky.

Na druhé straně se NPs-Ni používají jako elektrodový materiál v buňkách na tuhá paliva, vlákna, magnety, magnetické kapaliny, elektronické součástky, plynové senzory atd. Rovněž se jedná o katalytické nosiče, adsorbenty, bělidla a čističky odpadních vod.

- Kompozity

Chlorid nikelnatý, dusičnan a síran se používají v galvanických lázních niklu. Kromě toho se jeho sulfátová sůl používá při přípravě katalyzátorů a mořidel pro barvení textilu.

Peroxid niklu se používá v akumulátorech. Niklové ferity se používají jako magnetická jádra v anténách v různých elektrických zařízeních.

Tetrakarbonyl niklu poskytuje oxid uhelnatý pro syntézu akrylátů z acetylenu a alkoholů. Kombinovaný oxid barya a niklu (BaNiO ₃) slouží jako surovina pro výrobu katod mnoha dobíjecích baterií, jako jsou Ni-Cd, Ni-Fe a Ni-H.

Biologická role

Rostliny vyžadují pro svůj růst přítomnost niklu. Je známo, že je používán jako kofaktor různými rostlinnými enzymy, včetně ureázy; enzym, který přeměňuje močovinu na amoniak, protože je schopen tuto sloučeninu použít při fungování rostlin.

Kromě toho akumulace močoviny způsobuje změnu v listech rostlin. Nikl působí jako katalyzátor pro podporu fixace dusíku luštěninami.

Nejcitlivějšími plodinami na nedostatek niklu jsou luštěniny (fazole a vojtěška), ječmen, pšenice, švestky a broskve. Jeho nedostatek se u rostlin projevuje chlorózou, pádem listů a nedostatkem růstu.

U některých bakterií je enzymová ureáza závislá na niklu, ale předpokládá se, že tyto mohou mít virulentní účinek na organismy, které obývají.

Jiné bakteriální enzymy, jako je superoxiddismutáza, stejně jako glyoxidáza přítomná v bakteriích a některých parazitech, například v trypanosomech, jsou závislé na niklu. Stejné enzymy u vyšších druhů však nejsou závislé na niklu, ale na zinku.

Rizika

Požití velkého množství niklu je spojeno s tvorbou a rozvojem plic, nazálních, hrtanových a prostatických nádorů. Kromě toho způsobuje respirační problémy, respirační selhání, astma a bronchitidu. Niklové výpary mohou způsobit podráždění plic.

Kontakt niklu s pokožkou může způsobit senzibilizaci, která následně vyvolá alergii, projevující se jako kožní vyrážka.

Expozice niklu kůži může u dříve senzibilizovaných lidí způsobit dermatitidu známou jako „svědění niklu“. Po senzibilizaci na nikl přetrvává na neurčito.

Mezinárodní agentura pro výzkum rakoviny (IARC) zařadila sloučeniny niklu do skupiny 1 (existuje dostatečný důkaz karcinogenity u lidí). OSHA však nereguluje nikl jako karcinogen.

Doporučuje se, aby expozice kovovému niklu a jeho sloučeninám nepřekročila 1 mg / m ³ po dobu osmi hodin práce ve čtyřicetihodinovém pracovním týdnu. Karbonyl niklu a sulfid niklu jsou vysoce toxické nebo karcinogenní sloučeniny.

Reference

1. Muhammad Imran Din a Aneela Rani. (2016). Nedávné pokroky v syntéze a stabilizaci nanočástic niklu a oxidu nikelnatého: zelená adeptness. International Journal of Analytical Chemistry, sv. 2016, ID článku 3512145, 14 stránek, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Niklové částice na bázi niklu jako adsorbenty v metodách čištění vody - přehled. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nikl. Obnoveno z: en.wikipedia.org
4. Nickel Institute. (2018). Nerezová ocel: Role niklu. Obnoveno z: nickelinstitute.org
5. Editors of Encyclopaedia Britannica. (20. března 2019). Nikl. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com
6. Troy Buechel. (05.10.2018). Role niklu v pěstování rostlin. Promix. Obnoveno z: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Periodická tabulka: Nickel. Obnoveno z: lenntech.com
8. Bell Terence. (28. července 2019). Niklový kovový profil. Obnoveno z: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. června 2018). 10 skutečností o niklu. Obnoveno z: thinkco.com
10. Dinni Nurhayani a Akhmad A. Korda. (2015). Vliv přidání niklu na antimikrobiální, fyzikální a mechanické vlastnosti slitiny mědi a niklu proti suspenzím Escherichia coli. AIP Conference Sborníky 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727