Historia

Nikiel (Ni) jest pierwiastkiem chemicznym, którego nazwa wywodzi się od słowa niemieckiego kupfernickel oznaczającego fałszywa miedź. Został odkryty przez Axela Cronstedta w 1751r. W starożytności używano go do produkcji monet (bilon grecki z 235r. p. n. e.).

Występowanie

Nikiel jest pierwiastkiem dość powszechnie występującym w przyrodzie, w postaci związanej. W ziemskiej skorupie stanowi 0,016%, tak więc ma większy udział od ołowiu, miedzi czy cynku. Jedynie w meteorytach można znaleźć go w metalicznej formie (np. może on zawierać: 91% Fe, 8% Ni, 0,6% Co). Jego złoża charakteryzują się dużym rozproszeniem. Do najobfitszych złóż należą: na Kubie, w Rosji, w Kanadzie, w Chinach oraz Australii. Jest eksploatowany w niewielkich ilościach z uwagi na małą opłacalność (duże rozproszenie złóż).

Najważniejsze minerały zawierające nikiel:

  • gersdorfit
  • piryt żelazowo - niklowy
  • milleryt
  • chloantyt
  • breithauptyt
  • smaltyn
  • nikielin
Właściwości fizyczne

Metal ten posiada charakterystyczny srebrzystobiałą barwę o szarym połysku. Jest pierwiastkiem łatwo polerowanym. Wykazuje stosunkowo wysokie przewodnictwo zarówno cieplne (stanowi około 15% rezystancji Ag) jak i elektryczne. Posiada własności piroforyczne w stanie rozdrobnionym oraz ferromagnetyczne. Jego temperatura Curie wynosi 357°C. Występuje w postaci pięciu izotopów (o dużej trwałości).

Jest metalem trudnotopliwym (1450°C), dobrze ciągliwym, wytrzymałym mechanicznie, łatwo daje się spawać, kuć oraz walcować. Używa się go do pokrywania innych metali, nie rdzewieje (koroduje). Jako nietoksyczny dla organizmów może być dość szeroko stosowany.

Znane są dwie odmiany krystalograficzne niklu: heksagonalna oraz regularna płasko centrowana.

Pierwiastek w postaci czystej uzyskuje się dzięki metodzie topienia strefowego.

W Tabeli 1 przedstawiono pozostałe własności fizyczne.

Własność fizyczna

Wartość

Liczba atomowa

28

Konfiguracja elektronowa

[Ar] 3d84s2

Masa atomowa

58,69 u

Gęstość w 293K

8902 kg×m3

Temperatura topnienia

1728K

Temperatura wrzenia

3003K

Przewodnictwo cieplne

88W /mK

Moduł Younga

205 Gpa

Wytrzymałość na rozerwanie

0,5 Gpa

Ciepło właściwe

439J/ kg K

Ciepło parowania w 3193K

6485KJ/ kg

Promień atomowy

124,6 pm

Tabela 1. Własności fizyczne niklu

Właściwości chemiczne

Nikiel należy do pierwiastków d-elektronowych (przejściowych). Nie zalicza się do substancji reaktywnych. Reaguje z rozcieńczonymi kwasami o charakterze mineralnym. Ulega pasywacji pod wpływem stężonego kwasu azotowego (V). Najczęściej występuje on na +2 stopniu utlenienia.

Pozostałe właściwości chemiczne zamieszczono w Tabeli 2:

Właściwość

Wartość

Stopienie utlenienia

-1, 0, +3, +4, +5

Powinowactwo elektronowe

156 kJ/mol

Energia jonizacji

Ni -> Ni+ + 736,7 kJ/mol

Ni+ -> Ni2+ + 1753 kJ/mol

Ni2+ -> Ni3+ + 3393 kJ/mol

Elektroujemność

Według Paulinga: 1,91

Absolutna: 4,40 eV

Tabela 2. Właściwości chemiczne dla niklu

  • Metal ten ma zdolność pochłaniania wodoru, a proces ten zachodzi tym łatwiej, im bardziej podgrzewany jest metal.
  • Właściwości piroforyczne są charakterystyczne dla bardzo rozdrobnionego pierwiastka.
  • Spala się jasnym płomieniem w atmosferze czystego tlenu.
  • W podwyższonej temperaturze (powyżej 400°C) reaguje z : Si, P, S, B, Br2, I2, Cl2, F2.
  • Nikiel słabo reaguje z węglem.
  • W reakcji z glinem powstaje glinek niklu (III).
  • Nikiel ulega reakcji z parą wodną, a w wyniku tego procesu tworzy się wodór oraz tlenek niklu.
  • W temperaturze powyżej 300°C w obecności NH3 powstaje azotek niklu - Ni3N.
  • W sproszkowanej postaci metal ten ulega reakcji z fluorowcowodorami, np. z kwasem fluorowodorowym tworzy się fluorek niklu - NiF2).
  • Do około 200°C czysty nikiel nie podlega przekształceniu pod wpływem suchych gazów.
  • Siarkowodór powoduje powstanie czarnego zabarwienia, pochodzącego od tworzącego się siarczku niklu - NiS.
  • Pod wpływem CS2 w podwyższonej temperaturze (350°C) otrzymuje się Ni2S.
  • Tlenek niklu (II) - NiO powstaje na wskutek reakcji tlenków azotu z niklem.
  • W kwasach mineralnych (rozcieńczonych) nikiel roztwarza się oraz następuje wydzielenie wodoru.
  • W stężonym kwasie azotowym (V) metal ten ulega pasywacji, zaś z rozcieńczonym reaguje gwałtownie z wydzieleniem tlenków azotu.

Ważniejsze związki niklu:

  • tlenek niklowy (II) NiO - szarozielony
  • wodorotlenek niklowy (II) Ni(OH)2 - jabłkowozielony
  • sole dobrze rozpuszczające się w wodzie:
      • azotan niklu (II) Ni(NO3)2
      • chlorek niklu (II) NiCl2
      • siarczan (VI) niklu (II) NiSO4
  • sole nie rozpuszczające się w wodzie: siarczek niklu (II) NiS - czarny
  • związki na +3 stopniu utlenienia wykazują małą odporność na czynniki atmosferyczne oraz chemiczne
  • Znane są również związki kompleksowe, najczęściej z poniższymi ligandami:
      • NH3
      • NCS
      • NC-
  • Wchodzi w skład związków organicznych
Otrzymywanie

Otrzymywanie niklu jest procesem dość skomplikowanym. Rudę, zawierającą ten metal, za pomocą żużlowania krzemianów, przekształcić należy w siarczek. Oddzielenie siarczku niklu od miedzi przy użyciu metod mechanicznych nie nastręcza żadnych problemów. Zbiera się poszczególne frakcje: lekkie siarczki sodu oraz miedzi, siarczek niklu pozostaje stopiony. Otrzymaną sól należy wyprażyć na powietrzu, a w wyniku tego procesu powstaje tlenek niklu (II). Metaliczny nikiel otrzymuje się z niego poprzez redukcję węglem drzewnym w postaci sproszkowanej.

Zastosowanie

Metalu tego używa się do elektrolicznego pokrywania metali bardziej aktywnych (mniej szlachetnych; stojących w szeregu napięciowym wyżej niż Ni), głownie stali oraz żelaza. Pierwiastek ten ma wiele zalet, bo

w postaci warstewki chroni przed korozją i zwiększa wytrzymałość. Takie właściwości są wykorzystywane przez przemysł samochodowy.

Dzięki szczególnej własności absorpcji gazowego wodoru (aż do 17-krotnej objętości samego metalu) przez silnie rozdrobniony nikiel, jest powszechnie wykorzystywany jako katalizator. Największe znaczenie ma jego udział w procesie utwardzania tłuszczów (hydrogenizacji lipidów).

Ponadto używa się go również w nowoczesnych ogniwach - bateriach niklowo-kadmowych.

Nikiel wraz z miedzią (stop) jest wykorzystywany do wyrobu monet.