NICKEL: GESCHICHTE, EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, VERWENDUNG, RISIKEN - CHEMIE - 2025

Das Nickel ist ein Übergangsmetall. Das weiße chemische Symbol ist Ni. Seine Härte ist größer als die von Eisen und ein guter Wärme- und Stromleiter. Im Allgemeinen wird es als ein Metall angesehen, das nicht sehr reaktiv und sehr korrosionsbeständig ist. In seinem reinen Zustand ist es Silber mit goldenen Farbtönen.

1751 gelang es Axel Fredrik Cronsted, einem schwedischen Chemiker, es aus einem Mineral zu isolieren, das als Kupfernickel (Teufelskupfer) bekannt ist und aus einer Kobaltmine in einem schwedischen Dorf gewonnen wurde. Zuerst dachte Cronsted, dass das Mineral Kupfer sei, aber das isolierte Element hatte eine weiße Farbe, die sich von Kupfer unterschied.

Nickelkugeln, in denen die goldenen Töne durchscheinen. Quelle: René Rausch

Cronsted nannte das Element Nickel und es wurde später festgestellt, dass das Mineral Kupfernickel Nikolith (Nickelarsenid) war.

Nickel wird hauptsächlich aus zwei Lagerstätten gewonnen: magmatischen Gesteinen und anderen Entmischungen des Erdmagmas. Die Mineralien sind von Natur aus schwefelhaltig wie Pentladit. Die zweite Nickelquelle sind Laterite mit nickelreichen Mineralien wie Garnierit.

Die Hauptanwendung von Nickel ist die Bildung von Legierungen mit vielen Metallen; Zum Beispiel ist es an der Herstellung von Edelstahl beteiligt, einer industriellen Tätigkeit, die etwa 70% der weltweiten Nickelproduktion verbraucht.

Darüber hinaus wird Nickel in Legierungen wie Alnico verwendet, einer Legierung magnetischer Natur, die zur Herstellung von Elektromotoren, Lautsprechern und Mikrofonen bestimmt ist.

Mitte des 19. Jahrhunderts wurde Nickel zur Herstellung von Münzen verwendet. Seine Verwendung wurde jedoch inzwischen durch die Verwendung billigerer Metalle ersetzt. obwohl es in einigen Ländern weiterhin verwendet wird.

Nickel ist ein wesentliches Element für Pflanzen, da es das Enzym Urease aktiviert, das in den Abbau von Harnstoff zu Ammoniak eingreift, das von Pflanzen als Stickstoffquelle verwendet werden kann. Darüber hinaus ist Harnstoff eine giftige Verbindung, die Pflanzen ernsthaft schädigt.

Nickel ist ein Element von großer Toxizität für den Menschen. Es gibt Hinweise darauf, dass es ein krebserregendes Mittel ist. Darüber hinaus verursacht Nickel Kontaktdermatitis und die Entwicklung von Allergien.

Geschichte

Antike

Der Mann kannte seit der Antike die Existenz von Nickel. Zum Beispiel wurde ein Nickelanteil von 2% in Bronzeobjekten (3500 v. Chr.) Gefunden, die in Ländern vorhanden sind, die derzeit zu Syrien gehören.

Chinesische Manuskripte legen auch nahe, dass "weißes Kupfer", bekannt als Köder, zwischen 1700 und 1400 v. Chr. Verwendet wurde. Das Mineral wurde im 17. Jahrhundert nach Großbritannien exportiert. Der Nickelgehalt dieser Legierung (Cu-Ni) wurde jedoch erst 1822 entdeckt.

Im mittelalterlichen Deutschland wurde ein rötliches Mineral gefunden, das Kupfer ähnelte und grüne Flecken aufwies. Die Bergleute versuchten, das Kupfer vom Erz zu isolieren, scheiterten jedoch bei ihrem Versuch. Darüber hinaus verursachte der Kontakt mit dem Mineral gesundheitliche Probleme.

Aus diesen Gründen führten die Bergleute das Mineral auf einen bösartigen Zustand zurück und wiesen ihm verschiedene Namen zu, die diesen Zustand veranschaulichten. als "Old Nick" auch Kupfernickel (Teufelskupfer). Nun ist bekannt, dass es sich bei dem fraglichen Mineral um Nikolith handelte: Nickelarsenid, NiAs.

Entdeckung und Produktion

Im Jahr 1751 versuchte Axel Fredrik Cronsted, Kupfer aus Kupfernickel zu isolieren, das aus einer Kobaltmine in der Nähe des schwedischen Dorfes Los Halsinglandt gewonnen wurde. Es gelang ihm jedoch nur, ein bisher unbekanntes Weißmetall zu erhalten, das er Nickel nannte.

Ab 1824 wurde Nickel als Nebenprodukt bei der Herstellung von Kobaltblau gewonnen. 1848 wurde in Norwegen eine Schmelze gegründet, um das im Mineral Pyrrhotit enthaltene Nickel zu verarbeiten.

1889 wurde Nickel in die Stahlproduktion eingeführt, und die in Neukaledonien entdeckten Lagerstätten lieferten das Nickel für den weltweiten Verbrauch.

Eigenschaften

Aussehen

Silberweiß, glänzend und leicht goldfarben.

Atomares Gewicht

58.9344 u

Ordnungszahl (Z)

28

Schmelzpunkt

1.455 ºC

Siedepunkt

2.730 ºC

Dichte

- Bei Raumtemperatur: 8,908 g / ml

- Beim Schmelzpunkt (flüssig): 7,81 g / ml

Schmelzwärme

17,48 kJ / mol

Verdampfungswärme

379 kJ / mol

Molare Kalorienkapazität

26,07 J / mol

Elektronegativität

1,91 auf der Pauling-Skala

Ionisationsenergie

Erster Ionisationsgrad: 737,1 kJ / mol

Zweiter Ionisationsgrad: 1.753 kJ / mol

Dritter Ionisationsgrad: 3.395 kJ / mol

Atomradio

Empirisch 124 Uhr

Kovalenter Radius

124,4 ± 16 Uhr

Wärmeleitfähigkeit

90,9 W / (m K)

Elektrischer widerstand

69,3 nΩ m bei 20 ºC

Härte

4,0 auf der Mohs-Skala.

Eigenschaften

Nickel ist ein duktiles, formbares Metall und hat eine größere Härte als Eisen, da es ein guter elektrischer und thermischer Leiter ist. Es ist ein ferromagnetisches Metall bei normalen Temperaturen, seine Curie-Temperatur beträgt 358 ° C. Bei höheren Temperaturen ist Nickel nicht mehr ferromagnetisch.

Nickel ist eines der vier ferromagnetischen Elemente, die anderen drei sind Eisen, Kobalt und Gadolinium.

Isotope

Es gibt 31 Nickelisotope, begrenzt durch ⁴⁸ Ni und ⁷⁸ Ni.

Es gibt fünf natürliche Isotope: ⁵⁸ Ni mit einer Häufigkeit von 68,27%; ⁶⁰ Ni mit einer Häufigkeit von 26,10%; ⁶¹ Ni mit einer Häufigkeit von 1,13%; ⁶² Ni mit einer Häufigkeit von 3,59%; und ⁶⁴ Ni mit einer Häufigkeit von 0,9%.

Das Atomgewicht von etwa 59 u für Nickel zeigt, dass in keinem der Isotope eine deutliche Vorherrschaft besteht (obwohl ⁵⁸ Ni am häufigsten vorkommt).

Struktur und elektronische Konfiguration

Nickelmetall kristallisiert zu einer flächenzentrierten kubischen (fcc) Struktur. Diese fcc-Phase ist extrem stabil und bleibt bis zu Drücken nahe 70 GPa unverändert; Es gibt wenig bibliografische Informationen über Phasen oder Polymorphe von Nickel unter hohem Druck.

Die Morphologie von Nickelkristallen ist variabel, da sie so angeordnet werden können, dass sie eine Nanoröhre definieren. Als Nanopartikel oder makroskopischer Feststoff bleibt die Metallbindung (theoretisch) gleich; das heißt, es sind dieselben Valenzelektronen, die die Ni-Atome zusammenhalten.

Nach den zwei möglichen elektronischen Konfigurationen für Nickel:

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

An der Metallbindung sind zehn Elektronen beteiligt; entweder acht oder neun im 3D-Orbital, zusammen mit zwei oder eins im 4s-Orbital. Es ist zu beachten, dass das Valenzband praktisch voll ist und nahe daran ist, seine Elektronen zum Leitungsband zu transportieren. eine Tatsache, die seine relativ hohe elektrische Leitfähigkeit erklärt.

Die fcc-Struktur von Nickel ist so stabil, dass sie beim Hinzufügen sogar von Stahl übernommen wird. Somit ist auch rostfreies Eisen mit einem hohen Nickelgehalt fcc.

Oxidationszahlen

Nickel hat, obwohl es nicht so scheint, auch reichlich Zahlen oder Oxidationsstufen. Die Negative sind offensichtlich, wenn man weiß, dass ihm nur zwei Elektronen fehlen, um die zehn seiner 3D-Umlaufbahn zu vervollständigen. Somit kann es ein oder zwei Elektronen mit Oxidationszahlen -1 (Ni ^- ) bzw. -2 (Ni ^2- ) gewinnen.

Die stabilste Oxidationszahl für Nickel ist +2, unter der Annahme, dass das Ni ²⁺ -Kation vorhanden ist , das die Elektronen des 4s-Orbitals verloren hat und acht Elektronen im 3d-Orbital (3d ⁸ ) hat.

Es gibt auch zwei andere positive Oxidationszahlen: +3 (Ni ³⁺ ) und +4 (Ni ⁴⁺ ). In der Schule oder im Gymnasium wird Nickel nur als Ni (II) oder Ni (III) gelehrt, da dies die häufigsten Oxidationszahlen sind, die in sehr stabilen Verbindungen vorkommen.

Und wenn metallisches Nickel Teil einer Verbindung ist, dh mit ihrem neutralen Ni-Atom, dann soll es an einer Oxidationszahl von 0 (Ni ⁰ ) teilnehmen oder daran binden .

Wo ist Nickel gefunden?

Mineralien und Meer

Nickel macht 0,007% der Erdkruste aus, daher ist seine Häufigkeit gering. Aber es ist immer noch das zweithäufigste Metall nach Eisen im geschmolzenen Erdkern, bekannt als Nife. Meerwasser hat eine durchschnittliche Nickelkonzentration von 5,6 · 10 ^-4 mg / l.

Es kommt normalerweise in magmatischen Gesteinen vor, wobei Pentlandit, ein Mineral aus Eisen und Nickelsulfid, eine der Hauptquellen für Nickel ist:

Gestein aus den Mineralien Pentlandit und Pyrrhotit. Quelle: John Sobolewski (JSS)

Das Mineral Pentlandit ist in Sudbury, Ontario, Kanada, vorhanden. eine der Hauptvorkommen dieses Metalls in der Welt.

Pentlandit hat eine Nickelkonzentration zwischen 3 und 5%, die mit Pyrrhotit, einem nickelsicher Eisensulfid, assoziiert ist. Diese Mineralien kommen in Gesteinen vor, Produkten der Entmischung des Erdmagmas.

Lateriten

Die andere wichtige Nickelquelle sind Laterite, die aus trockenen Böden in heißen Regionen bestehen. Sie sind arm an Kieselsäure und besitzen mehrere Mineralien, darunter: Garnierit, ein Magnesium-Nickelsilikat; und Limonit, ein Eisenerz

Es wird in Legierungen mit Eisen hauptsächlich zur Herstellung von Edelstahl verwendet, da 68% der Nickelproduktion für diesen Zweck verwendet werden.

Es bildet auch eine Legierung mit Kupfer, die korrosionsbeständig ist. Diese Legierung besteht aus 60% Nickel, 30% Kupfer und geringen Mengen anderer Metalle, insbesondere Eisen.

Nickel wird in Widerstandslegierungen, magnetisch und für andere Zwecke wie Neusilber verwendet; und eine Legierung, die aus Nickel und Kupfer besteht, aber kein Silber enthält. Ni-Cu-Röhren werden in Entsalzungsanlagen, zur Abschirmung und zur Herstellung von Münzen verwendet.

Nickel verleiht Legierungen Zähigkeit und Zugfestigkeit, wodurch Korrosionsbeständigkeit aufgebaut wird. Neben Legierungen mit Kupfer, Eisen und Chrom wird es in Legierungen mit Bronze, Aluminium, Blei, Kobalt, Silber und Gold verwendet.

Die Monel-Legierung besteht aus 17% Nickel, 30% Kupfer und weist Spuren von Eisen, Mangan und Silizium auf. Es ist beständig gegen Meerwasser, was es ideal für den Einsatz auf Schiffspropellern macht.

Schutzmaßnahme

Mit Fluor reagierendes Nickel bildet eine Schutzschicht für das Fluorelement, wodurch die Verwendung von metallischem Nickel oder einer Monel-Legierung in den Fluorgasleitungen ermöglicht wird.

Nickel ist beständig gegen Alkalien. Aus diesem Grund wird es in Behältern verwendet, die konzentriertes Natriumhydroxid enthalten. Es wird auch beim Galvanisieren verwendet, um eine Schutzfläche für andere Metalle zu schaffen.

Andere Verwendungen

Nickel wird als Reduktionsmittel für sechs Metalle aus der Platingruppe der Mineralien verwendet, in denen es kombiniert ist. hauptsächlich Platin und Palladium. Nickelschaum oder -gewebe wird bei der Herstellung von Elektroden für Batterien mit alkalischem Kraftstoff verwendet.

Nickel wird als Katalysator für die Hydrierung ungesättigter pflanzlicher Fettsäuren verwendet und bei der Herstellung von Margarine verwendet. Kupfer und die Cu-Ni-Legierung wirken antibakteriell auf E. coli.

Nanopartikel

Nickel-Nanopartikel (NPs-Ni) finden aufgrund ihrer größeren Oberfläche im Vergleich zu einer makroskopischen Probe eine breite Anwendung. Wenn diese NPs-Ni aus Pflanzenextrakten synthetisiert werden, entwickeln sie antimikrobielle und antibakterielle Aktivitäten.

Der Grund für das oben erwähnte liegt in seiner größeren Neigung, bei Kontakt mit Wasser zu oxidieren, wobei Ni ²⁺ -Kationen und hochreaktive Sauerstoffspezies gebildet werden, die mikrobielle Zellen denaturieren.

Andererseits werden NPs-Ni als Elektrodenmaterial in festen Brennstoffzellen, Fasern, Magneten, magnetischen Flüssigkeiten, elektronischen Teilen, Gassensoren usw. verwendet. Ebenso handelt es sich um katalytische Träger, Adsorbentien, Bleichmittel und Abwasserreiniger.

-Komposite

Nickelchlorid, Nitrat und Sulfat werden in Nickelbädern beim Galvanisieren verwendet. Darüber hinaus wird sein Sulfatsalz zur Herstellung von Katalysatoren und Beizmitteln zum Färben von Textilien verwendet.

Nickelperoxid wird in Speicherbatterien verwendet. Nickelferrite werden als Magnetkerne in Antennen in verschiedenen elektrischen Geräten verwendet.

Nickel-tertracarbonyl liefert Kohlenmonoxid für die Synthese von Acrylaten aus Acetylen und Alkoholen. Das kombinierte Oxid von Barium und Nickel (BaNiO ₃ ) dient als Rohstoff für die Herstellung von Kathoden vieler wiederaufladbarer Batterien wie Ni-Cd, Ni-Fe und Ni-H.

Biologische Rolle

Pflanzen benötigen für ihr Wachstum Nickel. Es ist bekannt, dass es von verschiedenen Pflanzenenzymen, einschließlich Urease, als Cofaktor verwendet wird; Enzym, das Harnstoff in Ammoniak umwandelt und diese Verbindung für die Funktion von Pflanzen verwenden kann.

Zusätzlich führt die Anreicherung von Harnstoff zu einer Veränderung der Blätter der Pflanzen. Nickel wirkt als Katalysator zur Förderung der Stickstofffixierung durch Hülsenfrüchte.

Die Pflanzen, die am empfindlichsten gegen Nickelmangel sind, sind Hülsenfrüchte (Bohnen und Luzerne), Gerste, Weizen, Pflaumen und Pfirsiche. Sein Mangel manifestiert sich in Pflanzen durch Chlorose, Laubfall und Wachstumsmängel.

Bei einigen Bakterien ist das Enzym Urease von Nickel abhängig, es wird jedoch angenommen, dass diese eine virulente Wirkung auf die Organismen haben können, in denen sie leben.

Andere bakterielle Enzyme wie Superoxiddismutase sowie die in Bakterien und einigen Parasiten, beispielsweise in Trypanosomen, vorhandene Glyxidase sind von Nickel abhängig. Dieselben Enzyme in höheren Spezies sind jedoch nicht von Nickel, sondern von Zink abhängig.

Risiken

Die Aufnahme großer Mengen Nickel ist mit der Entstehung und Entwicklung von Lungen-, Nasen-, Kehlkopf- und Prostatakrebs verbunden. Darüber hinaus verursacht es Atemprobleme, Atemversagen, Asthma und Bronchitis. Nickeldämpfe können Lungenreizungen verursachen.

Nickelkontakt mit der Haut kann zu einer Sensibilisierung führen, die anschließend eine Allergie hervorruft, die sich als Hautausschlag manifestiert.

Die Exposition der Haut gegenüber Nickel kann bei zuvor sensibilisierten Personen zu einer Dermatitis führen, die als „Nickeljuckreiz“ bezeichnet wird. Bei der Sensibilisierung gegen Nickel bleibt es auf unbestimmte Zeit bestehen.

Die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) hat Nickelverbindungen in Gruppe 1 eingestuft (es gibt ausreichende Hinweise auf Karzinogenität beim Menschen). OSHA reguliert Nickel jedoch nicht als Karzinogen.

Es wird empfohlen, dass die Exposition gegenüber metallischem Nickel und seinen Verbindungen 1 mg / m ³ für acht Stunden Arbeit in einer vierzigstündigen Arbeitswoche nicht überschreiten darf. Nickelcarbonyl und Nickelsulfid sind hochtoxische oder krebserregende Verbindungen.

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