NIKKEL: GESCHIEDENIS, EIGENSCHAPPEN, STRUCTUUR, GEBRUIK, RISICO'S - CHEMIE - 2025

Het nikkel is een overgangsmetaal, wit chemisch symbool is Ni. De hardheid is groter dan die van ijzer, naast een goede geleider van warmte en elektriciteit, en in het algemeen wordt het beschouwd als een metaal dat niet erg reactief is en zeer goed bestand is tegen corrosie. In zijn pure staat is het zilver met gouden tinten.

In 1751 slaagde Axel Fredrik Cronsted, een Zweedse chemicus, erin om het te isoleren van een mineraal dat bekend staat als Kupfernickel (duivelskoper), gewonnen uit een kobaltmijn in een Zweeds dorp. Aanvankelijk dacht Cronsted dat het mineraal koper was, maar het geïsoleerde element bleek wit van kleur te zijn, verschillend van koper.

Nikkelsferen waarin de gouden tinten doorschijnen. Bron: René Rausch

Cronsted noemde het element nikkel en later werd vastgesteld dat het mineraal kupfernickel nicoliet (nikkelarsenide) was.

Nikkel wordt voornamelijk gewonnen uit twee afzettingen: stollingsgesteenten en andere segregaties van het magma van de aarde. De mineralen zijn zwavelhoudend van aard, zoals pentladiet. De tweede bron van nikkel zijn laterieten, met nikkelrijke mineralen zoals garnieriet.

De belangrijkste toepassing van nikkel is de vorming van legeringen met veel metalen; Het is bijvoorbeeld betrokken bij de productie van roestvrij staal, een industriële activiteit die ongeveer 70% van de wereldproductie van nikkel verbruikt.

Bovendien wordt nikkel gebruikt in legeringen zoals alnico, een legering van magnetische aard die bestemd is voor de fabricage van elektromotoren, luidsprekers en microfoons.

Nikkel werd in het midden van de 19e eeuw gebruikt bij het maken van munten. Het gebruik ervan is nu echter vervangen door dat van minder dure metalen; hoewel het in sommige landen nog steeds wordt gebruikt.

Nikkel is een essentieel element voor planten, omdat het het enzym urease activeert dat tussenkomt bij de afbraak van ureum tot ammoniak, dat door planten kan worden gebruikt als stikstofbron. Bovendien is ureum een ​​giftige stof die ernstige schade toebrengt aan planten.

Nikkel is een element met een grote toxiciteit voor mensen, er zijn aanwijzingen dat het een kankerverwekkende stof is. Bovendien veroorzaakt nikkel contactdermatitis en de ontwikkeling van allergieën.

Geschiedenis

Oudheid

De man wist sinds de oudheid het bestaan ​​van nikkel. Zo werd een nikkelpercentage van 2% gevonden in bronzen voorwerpen (3500 v.Chr.), Aanwezig in landen die momenteel tot Syrië behoren.

Ook suggereren Chinese manuscripten dat "wit koper", bekend als baitong, werd gebruikt tussen 1700 en 1400 voor Christus. Het mineraal werd in de 17e eeuw naar Groot-Brittannië geëxporteerd; maar het nikkelgehalte van deze legering (Cu-Ni) werd pas in 1822 ontdekt.

In het middeleeuwse Duitsland werd een roodachtig mineraal gevonden, vergelijkbaar met koper, en dat groene vlekken had. De mijnwerkers probeerden het koper van het erts te isoleren, maar slaagden er niet in. Bovendien veroorzaakte contact met het mineraal gezondheidsproblemen.

Om deze redenen schreven de mijnwerkers het mineraal toe aan een kwaadaardige aandoening en gaven ze het verschillende namen die deze aandoening illustreerden; zoals "Old Nick", ook wel kupfernickel (koper van de duivel). Nu is bekend dat het mineraal in kwestie nicoliet was: nikkelarsenide, NiAs.

Ontdekking en productie

In 1751 probeerde Axel Fredrik Cronsted koper te isoleren uit kupfernickel, verkregen uit een kobaltmijn in de buurt van Los Halsinglandt, een Zweeds dorp. Maar hij slaagde er alleen in om een ​​wit metaal te bemachtigen, dat tot nu toe onbekend was en het nikkel noemde.

Vanaf 1824 werd nikkel verkregen als bijproduct bij de productie van kobaltblauw. In 1848 werd in Noorwegen een smelterij opgericht om het nikkel uit het mineraal pyrrhotiet te verwerken.

In 1889 werd nikkel geïntroduceerd in de staalproductie en de afzettingen die in Nieuw-Caledonië werden ontdekt, leverden het nikkel voor wereldconsumptie.

Eigendommen

Verschijning

Zilverachtig wit, glanzend en met een lichte gouden tint.

Atoomgewicht

58.9344 u

Atoomnummer (Z)

28

Smeltpunt

1.455 ºC

Kookpunt

2.730 ºC

Dichtheid

-Bij kamertemperatuur: 8,908 g / ml

-Bij smeltpunt (vloeistof): 7,81 g / ml

Warmte van fusie

17,48 kJ / mol

Warmte van verdamping

379 kJ / mol

Molaire calorische capaciteit

26,07 J / mol

Elektronegativiteit

1,91 op de schaal van Pauling

Ionisatieenergie

Eerste ionisatieniveau: 737,1 kJ / mol

Tweede ionisatieniveau: 1.753 kJ / mol

Derde ionisatieniveau: 3.395 kJ / mol

Atomaire radio

Empirisch 124 uur

Covalente straal

124,4 ± 16 uur

Warmtegeleiding

90,9 W / (m · K)

Elektrische weerstand

69,3 nΩ m bij 20 ºC

Hardheid

4.0 op de schaal van Mohs.

kenmerken

Nikkel is een ductiel, smeedbaar metaal en heeft een grotere hardheid dan ijzer, omdat het een goede elektrische en thermische geleider is. Het is een ferromagnetisch metaal bij normale temperaturen, met een Curietemperatuur van 358ºC. Bij hogere temperaturen is nikkel niet langer ferromagnetisch.

Nikkel is een van de vier ferromagnetische elementen, de andere drie zijn: ijzer, kobalt en gadolinium.

Isotopen

Er zijn 31 isotopen van nikkel, begrensd door ⁴⁸ Ni en ⁷⁸ Ni.

Er zijn vijf natuurlijke isotopen: ⁵⁸ Ni, met een overvloed van 68,27%; ⁶⁰ Ni, met een overvloed van 26,10%; ⁶¹ Ni, met een overvloed van 1,13%; ⁶² Ni, met een overvloed van 3,59%; en ⁶⁴ Ni, met een overvloed van 0,9%.

Het atoomgewicht van ongeveer 59 u voor nikkel laat zien dat er geen duidelijke overheersing is in een van de isotopen (hoewel ⁵⁸ Ni de meest voorkomende is).

Structuur en elektronische configuratie

Metallisch nikkel kristalliseert tot een kubische (fcc) structuur met het midden van het oppervlak. Deze fcc-fase is extreem stabiel en blijft ongewijzigd tot drukken in de buurt van 70 GPa; Er is weinig bibliografische informatie over fasen of polymorfen van nikkel onder hoge druk.

De morfologie van nikkelkristallen is variabel, omdat ze zo kunnen worden gerangschikt dat ze een nanobuisje definiëren. Als nanodeeltje of macroscopische vaste stof blijft de metaalbinding (in theorie) hetzelfde; dat wil zeggen, dezelfde valentie-elektronen houden de Ni-atomen bij elkaar.

Volgens de twee mogelijke elektronische configuraties voor nikkel:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

Bij de metaalbinding zijn tien elektronen betrokken; ofwel acht of negen in de 3d-orbitaal, samen met twee of één in de 4s-orbitaal. Merk op dat de valentieband praktisch vol is, bijna om zijn elektronen naar de geleidingsband te transporteren; een feit dat zijn relatief hoge elektrische geleidbaarheid verklaart.

De fcc-structuur van nikkel is zo stabiel dat het zelfs door staal wordt overgenomen wanneer het eraan wordt toegevoegd. Zo is roestvrij ijzer met een hoog nikkelgehalte ook fcc.

Oxidatienummers

Nikkel, hoewel het misschien niet zo lijkt, heeft ook overvloedige aantallen of oxidatietoestanden. De negatieven zijn duidelijk, wetende dat het slechts twee elektronen mist om de tien van zijn 3d orbitaal te voltooien; het kan dus een of twee elektronen krijgen, met respectievelijk oxidatienummers -1 (Ni ^- ) of -2 (Ni ^2- ).

Het meest stabiele oxidatiegetal voor nikkel is +2, aangenomen dat het Ni ²⁺ -kation bestaat , dat elektronen heeft verloren in de 4s-orbitaal en acht elektronen heeft in de 3d-orbitaal (3d ⁸ ).

Er zijn ook twee andere positieve oxidatiegetallen: +3 (Ni ³⁺ ) en +4 (Ni ⁴⁺ ). Op school- of middelbare schoolniveau wordt nikkel alleen geleerd om te bestaan ​​als Ni (II) of Ni (III), wat komt omdat dit de meest voorkomende oxidatiecijfers zijn die worden aangetroffen in zeer stabiele verbindingen.

En als het het metallische nikkel is dat deel uitmaakt van een verbinding, dat wil zeggen met zijn neutrale Ni-atoom, dan wordt gezegd dat het deelneemt of bindt met een oxidatiegetal van 0 (Ni ⁰ ).

Waar wordt nikkel gevonden?

Mineralen en zee

Nikkel vormt 0,007% van de aardkorst, dus de overvloed is laag. Maar het is nog steeds het tweede meest voorkomende metaal na ijzer in de gesmolten kern van de aarde, bekend als Nife. Zeewater heeft een gemiddelde nikkelconcentratie van 5,6 · ^10-4 mg / l.

Het wordt normaal gesproken aangetroffen in stollingsgesteenten, pentlandiet, een mineraal gevormd uit ijzer en nikkelsulfide, dat een van de belangrijkste bronnen van nikkel is:

Gesteente samengesteld uit mineralen pentlandiet en pyrrhotiet. Bron: John Sobolewski (JSS)

Het mineraal pentlandiet is aanwezig in Sudbury, Ontario, Canada; een van de belangrijkste afzettingen van dit metaal ter wereld.

Pentlandiet heeft een nikkelconcentratie tussen 3 en 5% en wordt geassocieerd met pyrrhotiet, een ijzersulfide dat rijk is aan nikkel. Deze mineralen worden gevonden in gesteenten, producten van de segregaties van het magma van de aarde.

Laterieten

De andere belangrijke bron van nikkel zijn laterieten, die bestaan ​​uit droge bodems in hete streken. Ze zijn arm aan silica en bezitten verschillende mineralen, waaronder: garnieriet, een magnesiumnikkelsilicaat; en limoniet, een ijzererts

Het wordt in een legering met ijzer voornamelijk gebruikt voor de productie van roestvrij staal, aangezien 68% van de nikkelproductie voor dit doel wordt gebruikt.

Het vormt ook een legering met koper, bestand tegen corrosie. Deze legering is samengesteld uit 60% nikkel, 30% koper en kleine hoeveelheden andere metalen, vooral ijzer.

Nikkel wordt gebruikt in resistieve legeringen, magnetisch en voor andere doeleinden, zoals nikkelzilver; en een legering bestaande uit nikkel en koper, maar bevat geen zilver. Ni-Cu-buizen worden gebruikt in ontziltingsinstallaties, afscherming en bij het maken van munten.

Nikkel biedt taaiheid en treksterkte aan legeringen die weerstand tegen corrosie opbouwen. Naast legeringen met koper, ijzer en chroom wordt het gebruikt in legeringen met brons, aluminium, lood, kobalt, zilver en goud.

De Monel-legering is samengesteld uit 17% nikkel, 30% koper en met sporen van ijzer, mangaan en silicium. Het is bestand tegen zeewater, waardoor het ideaal is voor gebruik op scheepsschroeven.

Beschermende actie

Nikkel dat reageert met fluor vormt een beschermende laag voor het fluorelement, waardoor metallisch nikkel of monellegering kan worden gebruikt in de fluorgasleidingen.

Nikkel is bestand tegen de werking van alkaliën. Om deze reden wordt het gebruikt in containers die geconcentreerd natriumhydroxide bevatten. Het wordt ook gebruikt bij galvaniseren om een ​​beschermend oppervlak voor andere metalen te creëren.

Andere gebruiken

Nikkel wordt gebruikt als reductiemiddel voor zes metalen van de platinagroep van mineralen waarin het wordt gecombineerd; voornamelijk platina en palladium. Nikkelschuim of gaas wordt gebruikt bij de vervaardiging van elektroden voor alkalinebatterijen.

Nikkel wordt gebruikt als katalysator voor de hydrogenering van onverzadigde plantaardige vetzuren, die worden gebruikt bij het maken van margarine. Koper en de Cu-Ni-legering hebben een antibacteriële werking op E. coli.

Nanodeeltjes

Nikkelnanodeeltjes (NPs-Ni) kunnen op grote schaal worden gebruikt vanwege hun grotere oppervlak in vergelijking met een macroscopisch monster. Wanneer deze NPs-Ni worden gesynthetiseerd uit plantenextracten, ontwikkelen ze antimicrobiële en antibacteriële activiteiten.

De reden voor het bovengenoemde is te wijten aan de grotere neiging om te oxideren in contact met water, waarbij Ni ^{2 +} -kationen en zeer reactieve zuurstofsoorten worden gevormd , die microbiële cellen denatureren.

Aan de andere kant worden NPs-Ni gebruikt als elektrodemateriaal in vaste brandstofcellen, vezels, magneten, magnetische vloeistoffen, elektronische onderdelen, gassensoren, enz. Evenzo zijn het katalytische dragers, adsorbentia, bleekmiddelen en afvalwaterzuiveraars.

-Samenstellingen

Nikkelchloride, nitraat en sulfaat worden gebruikt in nikkelbaden bij galvaniseren. Bovendien wordt het sulfaatzout ervan gebruikt bij de bereiding van katalysatoren en beitsmiddelen voor het verven van textiel.

Nikkelperoxide wordt gebruikt in accu's. Nikkelferrieten worden gebruikt als magnetische kernen in antennes in verschillende elektrische apparatuur.

Nikkel-tertracarbonyl levert koolmonoxide voor de synthese van acrylaten, uit acetyleen en alcoholen. Het gecombineerde oxide van barium en nikkel (BaNiO ₃ ) dient als grondstof voor de vervaardiging van kathodes van vele oplaadbare batterijen, zoals Ni-Cd, Ni-Fe en Ni-H.

Biologische rol

Planten hebben de aanwezigheid van nikkel nodig voor hun groei. Het is bekend dat het als cofactor wordt gebruikt door verschillende plantenenzymen, waaronder urease; enzym dat ureum omzet in ammoniak en deze verbinding kan gebruiken bij het functioneren van planten.

Bovendien veroorzaakt de ophoping van ureum een ​​verandering in de bladeren van de planten. Nikkel werkt als een katalysator om de stikstofbinding door peulvruchten te bevorderen.

De gewassen die het meest gevoelig zijn voor nikkeltekort zijn peulvruchten (bonen en alfalfa), gerst, tarwe, pruimen en perziken. Het tekort komt tot uiting in planten door chlorose, bladval en groeistoornissen.

Bij sommige bacteriën is het enzym urease afhankelijk van nikkel, maar er wordt aangenomen dat deze een virulente werking kunnen hebben op de organismen die ze bewonen.

Andere bacteriële enzymen, zoals superoxide-dismutase, evenals de glyxidase die aanwezig is in bacteriën en sommige parasieten, bijvoorbeeld in trypanosomen, zijn afhankelijk van nikkel. Dezelfde enzymen in hogere soorten zijn echter niet afhankelijk van nikkel maar van zink.

Risico's

De inname van grote hoeveelheden nikkel wordt in verband gebracht met het ontstaan ​​en de ontwikkeling van long-, neus-, larynx- en prostaatkanker. Bovendien veroorzaakt het ademhalingsproblemen, ademhalingsfalen, astma en bronchitis. Nikkeldampen kunnen longirritatie veroorzaken.

Nikkelcontact met de huid kan sensibilisatie veroorzaken, die vervolgens een allergie veroorzaakt, die zich manifesteert als huiduitslag.

Blootstelling van de huid aan nikkel kan bij eerder gesensibiliseerde mensen een dermatitis veroorzaken die bekend staat als "nikkel jeuk". Bij sensibilisatie voor nikkel blijft het voor onbepaalde tijd bestaan.

Het Internationaal Agentschap voor Kankeronderzoek (IARC) heeft nikkelverbindingen in Groep 1 geplaatst (er is voldoende bewijs van carcinogeniteit bij mensen). OSHA reguleert nikkel echter niet als kankerverwekkend.

Het wordt aanbevolen dat blootstelling aan metallisch nikkel en zijn verbindingen niet hoger mag zijn dan 1 mg / m ³ gedurende acht uur werk in een werkweek van veertig uur. Nikkelcarbonyl en nikkelsulfide zijn zeer giftige of kankerverwekkende verbindingen.

Referenties

1. Muhammad Imran Din en Aneela Rani. (2016). Recente vorderingen in de synthese en stabilisatie van nikkel- en nikkeloxide-nanodeeltjes: een groene vaardigheid. International Journal of Analytical Chemistry, vol. 2016, artikel-ID 3512145, 14 pagina's, 2016. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Ravindhranath K, Ramamoorty M. (2017). Op nikkel gebaseerde nanodeeltjes als adsorbentia in waterzuiveringsmethoden - een overzicht. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Nikkel. Hersteld van: en.wikipedia.org
4. Nickel Institute. (2018). Roestvrij staal: de rol van nikkel. Hersteld van: nickelinstitute.org
5. De redactie van Encyclopaedia Britannica. (20 maart 2019). Nikkel. Encyclopædia Britannica. Hersteld van: britannica.com
6. Troy Buechel. (5 oktober 2018). De rol van nikkel in de plantenteelt. Promix. Hersteld van: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Periodiek systeem: nikkel. Hersteld van: lenntech.com
8. Bell Terence. (28 juli 2019). Nikkel metalen profiel. Hersteld van: thebalance.com
9. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juni 2018). 10 feiten over nikkelelementen. Hersteld van: thoughtco.com
10. Dinni Nurhayani en Akhmad A. Korda. (2015). Het effect van nikkeltoevoeging op antimicrobiële, fysische en mechanische eigenschappen van koper-nikkellegeringen tegen suspensies van Escherichia coli. AIP Conference Proceedings 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727