Nikiel (Ni,łac.niccolum) –pierwiastek chemiczny oliczbie atomowej 28. Jest biało-srebrzystymmetalem o lekkim złotym zabarwieniu. Nikiel należy do grupymetali przejściowych, charakteryzuje się typową dla tej grupy metali twardością iciągliwością. Czysty nikiel wykazuje stosunkowo dużą aktywność chemiczną, która jest szczególnie widoczna kiedy metal jest w postaci proszku[7], co zwiększa powierzchnię, na której zachodzi reakcja. W większych bryłach metalu, w temperaturze pokojowej jest mało aktywny chemicznie, reaguje on powoli zpowietrzem ze względu natworzenie się ochronnej warstwytlenkowej na powierzchni[8]. Jest jednak na tyle podatny nautlenianie, że wskorupie ziemskiej nie występuje on wpostaci rodzimej, wyjątkiem sąmeteorytyżelazowo-niklowe, w których występuje w postacistopu z żelazem. Uważa się, że stop żelazowo-niklowy znajduje się wjądrze Ziemi[9]. Ze względu na powolne tempo utleniania w temperaturze pokojowej uznaje się go za metal odporny nakorozję. Dawniej stosowany był doplaterowania żelaza imosiądzu stosowanego w aparaturze chemicznej, a także w pewnych stopach utrzymujących połysk, jaknowe srebro.
Nikiel jest jednym z czterech pierwiastków (obokżelaza,kobaltu igadolinu), które sąferromagnetykami w temperaturze pokojowej.Trwałe magnesy wykonane zalniko, zawierające do 26% niklu, są pod względem mocy pomiędzy magnesami trwałymi opartymi nażelazie a magnesami opartymi nametalach ziem rzadkich. Metal jest głównie używany do produkcji stopów; około 60% światowej produkcji jest używane w produkcjistali nierdzewnej. Inne stopy inadstopy stanowią większość pozostałych zastosowań niklu, a tylko ok. 3% światowej produkcji jest wykorzystywana do produkcji związków. Pierwiastek ma wiele niszowych zastosowań, takich jakkatalizator whydrogenacji, produkcji soli używanych wgalwanotechnice czy barwieniuceramiki[7].
Nikiel jest srebrzysto-białym metalem z delikatnym złotym odcieniem charakteryzujący się bardzo wysokim połyskiem. Należy dometali przejściowych, który jest twardy iciągliwy. Jest jednym z czterech metali będącychferromagnetykami w pobliżu temperatury pokojowej (inne tożelazo,kobalt igadolin). Jegotemperatura Curie wynosi 355 °C (powyżej tej temperatury staje sięparamagnetykiem). Komórka sieciowa niklu jest ściennie-centrowanym sześcianem z parametrem sieci przestrzennej na poziomie 0,352 nm, co dajepromień atomowy 0,124 nm.Sieć krystaliczna jest stabilna do ciśnienia 70 GPa. Ma 29izotopów z przedziału mas 50–78, z których 5 (58, 60, 61, 62, 64) jest trwałych.
Atom niklu ma dwie konfiguracje [Ar] 3d8 4s2 i [Ar] 3d9 4s1, (symbol [Ar] odnosi się dostruktury elektronowejargonu), które są bardzo bliskie siebie energetycznie. Co do jedynej konfiguracji elektronowej niklu toczy się dyskusja, gdyż struktura [Ar] 4s2 3d8, która może być również zapisana jako [Ar] 3d8 4s2, jest zgodna zregułą Madelunga (Hunda), która przewiduje, że 4s jest zapełniona przed 3d. Stwierdzenie to wsparte jest wynikami doświadczalnymi, które potwierdzają, że najniższy stan energetyczny atomu niklu występuje przy 3d8 4s2, a szczególnie przy 3d8(3F,J = 4 poziom). Średnia energia konfiguracji [Ar] 3d9 4s1 jest w rzeczywistości niższa niż średnia energia stanu konfiguracji [Ar] 3d8 4s2 Z tego powodu przyjmuje się stan podstawowy konfiguracji atomu niklu jako [Ar] 3d9 4s1[10].
Izotopy niklu posiadają zakresmasy atomowej od (48Ni) do 78 u (78Ni). Naturalnie występujący nikiel składa się z pięciu stabilnych izotopów:58Ni,60Ni,61Ni,62Ni i64Ni, z58Ni, który jest najbardziej rozpowszechnionym izotopem niklu (68,077% występowania w naturze). Izotopy niklu cięższe niż 62 u nie mogą być wytworzone na drodzefuzji jądrowej bez utraty energii.Nikiel-62 ma najwyższą średniąenergię jądrową wiązanianukleonu wnuklidzie – 8,7946 MeV/nukleon. Jego energia wiązania jest wyższa niż energie wiązania izotopów żelaza 56 i 58, które błędnie uważa się za najmocniej związane nuklidy[11].
Stabilny izotop Ni-60 jestproduktem rozpaduwygasłego radionuklidu Fe-60 (czas półtrwania 2,6 mln lat). Ponieważ Fe-60 ma długi okres półtrwania, jego obecność w materiale zUkładu Słonecznego może tworzyć obserwowalne zmiany w składzie izotopowym Ni-60. Stąd też zawartość Ni-60 w materiale pozaziemskim może dostarczać wskazówek co do genezy i kształtowania się Układu Słonecznego.
Scharakteryzowano 18radioizotopów niklu, spośród których najtrwalszymi są; nikiel-59 o okresie półtrwania 76 tysięcy lat, nikiel-63 – 100,1 lat, i nikiel-56 – 6,077 dnia.Pozostałe radioizotopy nie są trwalsze niż 60 godzin, z czego większość posiada okres półtrwania krótszy niż 30 sekund[12]. Radioaktywny nikiel-56 jest produkowany w procesie „spalania” krzemu w gwiazdach oraz późniejsze uwolnienie go wwybuchusupernowej typu Ia.Krzywa blasku tych supernowych w środkowym i końcowym okresie odpowiada rozpadowi poprzezwychwyt elektronu niklu-56 do kobaltu-56 i ostatecznie dożelaza-56.
Nikiel-59 znalazł zastosowanie wgeochemii izotopowej, między innymi dodatowania ziemskiego wieku meteorytów i określania zawartości pozaziemskiego pyłu w lodzie i osadach. Nuklid Ni-48, odkryty w 1999 roku jest najbogatszym wprotony ciężkim izotopem. Z 28 protonami i 20neutronami Ni-48 jestpodwójnie magiczny i stąd wyjątkowo stabilny[13].
Mimo że nikiel został wyizolowany i sklasyfikowany dopiero w 1751 roku wykazano, że był wykorzystywany od niepamiętnych czasów. Obecność niklu w przedmiotach metalowych była przypadkowa. Wchodzi w skład niektórych wczesnychartefaktów wykonanych zbrązu imiedzi. Najwcześniejsze znalezisko zawierające 2,73% niklu datowane jest na ok. 3500–3100 r. p.n.e. (niektóre źródła wskazują nawet na 4600–4100 r. p.n.e.[16]) i pochodzi z obszaruAntiochii[17]. Inne starożytne artefakty, zawierające ponad 9% niklu zostały odnalezione na terenieMohendżo-Daro. Pierwszym znanym artefaktem wykonanym z meteorytu żelazowo-niklowego jest topór Yueh pochodzący z okresudynastii Shang (1600–1046 r. p.n.e.)[18][16].
Prawdopodobnie pierwszym świadomym zastosowaniem niklu było stosowanie go w stopie używanym do biciamonet. Pierwsze monety zawierające nikiel (pak-fong,pai-t'ung lub biała miedź – opisana przez Du Halde w 1736) były używane wkrólestwach Chin w okresie ok. 700–220 r. p.n.e. WKrólestwie Greko-Baktryjskim monety Euthydemus II, Pantaleon i Agathocles z okresu 200–195 r. p.n.e. były bite ze stopu zawierającego 18,5–20,9% Ni, 75,5–77,9% Cu, 1,6–1,7% Fe oraz innych domieszek. Nikiel w monetach pojawił się na nowo po przeszło 2000 lat i stosowany jest do dziś. W historii pojawiają się wzmianki o broni „pochodzącej z nieba”, co potwierdziły badania znalezisk. Znane są XV-wieczne egzemplarzemalajskichkrisów wykonanych zżelaza meteorycznego[19][20][21]. Informacja o niklu pojawia się także w dziele „aes album”Libaviusa z 1597 r[17].
Nikiel w historii
Harpun z kłanarwala z ostrzem z meteorycznego żelaza
Wzmianki o wydobywaniu niklu pochodzą z ok. XVI – XVII wieku odgórnikówsaksońskich z obszaruRudaw. Nazwę zawdzięcza próbom wydobywania i przetwarzanianikielinu (NiAs), uważanego za rudęmiedzi[22]. Górnicy za brak miedzi w rudzie i za pogorszenie zdrowia (w wyniku obecnościarsenu) obwiniali złe duchy lub Old Nicka. Nazywali tę rudękupper icell,kupfernickel,kupper nicklichten, co oznaczało diabelska lub fałszywa miedź[17]. Nikiel, mimo że znany był już wcześniej, został odkryty i sklasyfikowany dopiero w 1751 roku przezAxela Fredericka Cronsedta, a nazwa pierwiastkanickel pojawiła się oficjalnie w 1754 w jego dzieleContinuation of Results and Experiments on the Los Cobalt Ore[17][22]. Z powodu zanieczyszczenia próbka nie wykazywała ciągliwości (cecha charakterystyczna dla metali), więc Cronstedt zaklasyfikował nikiel dopółmetali[17]. Właściwości czystego niklu zostały opisane[23] w 1804 roku przez J.B. Richtera. Pierwiastek został opisany „idealny”, „szlachetny” metal charakteryzujący się doskonałą ciągliwością, twardością i odpornością na korozję[17]. Około 1830 roku stopy niklowo-miedziowe były znane pod nazwą „niemieckie srebro” (nowe srebro). Oprócz wyglądu przypominającegosrebro stopy te (o przybliżonym składzie 40% Cu, 32% Ni, 25%Zn i 3% Fe) cechowała łatwość wytwarzania i odlewania. Był odporny na matowienie i był tani w produkcji[7]. Wzrost wykorzystania niklu nastąpił od 1857, kiedyStany Zjednoczone wprowadziły do obiegu monetę zawierającą 12%; wkrótce inne kraje podążyły tym trendem. Mimo że czysty nikiel był produkowany na skalę przemysłową od 1838 do 1876 roku światowa produkcja niklu utrzymywała się na poziomie poniżej tysiącaton rocznie[7]. Zapotrzebowanie gwałtownie wzrosło w latach 1870–1880, kiedy Henri Marbeau weFrancji i James Riley wSzkocji opracowali dobrej jakości stopy żelazowo-niklowe i stal niklową[24] oraz powstały pierwsze niklowepowłoki galwaniczne. Wzrost wykorzystania niklu w przemyśle nastąpił od lat 90. XIX wieku kiedy stopy stalowo-niklowe były wykorzystywane w pancerzachokrętów[7].W 1863 naNowej KaledoniiJuliusz Garnier odkrył złoża niklu (jakogarnieryt). Ta niewielka wyspa do 1905 roku była największym producentem niklu na świecie. Od roku 1905 do lat 50. XX wieku rolę tę przejęłaKanada dzięki wydobyciu w obszarzeniecki Sudbury. Nikiel w ilościach powyżej 20 tys. ton rocznie wydobywany jest w 15 krajach na świecie, a łączna roczna produkcja w roku 2016 wyniosła ponad 2,2 mln ton[25].
Występuje w skorupie ziemskiej w ilości ok. 80ppm w postaciminerałówgarnieryt ipentlandyt. Rudy dzieli się na tlenkowe, siarczkowe i arsenkowe, w zależności od ich składu chemicznego.
W Polsce rudy niklu były wydobywane i przetwarzane wSzklarach do 1982 roku.
Nikiel wykorzystuje się głównie do pokrywania mniej szlachetnegożelaza i stali (elektroliza), gdzie zwiększa wytrzymałość i odporność nakorozję. Stale takie wykorzystuje się w przemyśle samochodowym. Jego stopy z miedzią służą do produkcji monet.
Sieć krystaliczna niklu ma zdolnośćabsorpcji atomów wodoru. W silnie rozdrobnionym metalu, znanym jakonikiel Raneya, może się zmieścić około 17 razy więcej wodoru niż wynosi jego objętość. Dzięki tej właściwości wykorzystywany jest jakokatalizator w procesachredukcji, m.in. whydrogenizacji (chemicznym utwardzaniu) tłuszczów. Jest składnikiembaterii niklowo-kadmowych.
Nikiel bywa używany do produkcji oprawek okularów i taniej biżuterii.
Stopy na bazie niklu, żelaza i kobaltu nazywane sąnadstopami. Stosuje się je w przemyśle energetycznym ze względu na żaroodporność i małe pełzanie w wysokich temperaturach.
↑ Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang.abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi 58,6934 ± 0,0004. Duże różnice w składzie izotopowym tego pierwiastka w źródłach naturalnych nie pozwalają na podanie wartości masy atomowej z większą dokładnością. Zob.Prohaska i in. 2021 ↓, s. 584.
↑The Nickel Industry: Occurrence, Recovery, and Consumption. W: J.R. Davis: ASM Specialty Handbook: Nickel, Cobalt, and Their Alloys. ASM International, 2000.DOI:10.1361/ncta2000p003.ISBN 0-87170-685-7. (ang.). Brak numerów stron w książce
↑Geoffrey Brown: The Inaccessible Earth:An Integrated Approach to Geophysics and Geochemistry. Springer, 1993, s. 105.ISBN 0-412-48160-X. (ang.).
↑Eric R. Scerri: The Periodic Table: Its Story and Its Significance. Oxford University Press, 2006, s. 239.ISBN 978-1511398268. (ang.).
↑M.P. Fewell. The atomic nuclide with the highest mean binding energy. „American Journal of Physics”. 63 (7), s. 653–658, 1995.DOI:10.1119/1.17828. (ang.).
↑G.G.AudiG.G.,O.O.BersillonO.O.,J.J.BlachotJ.J.,A.H.A.H.WapstraA.H.A.H.,The Nubase evaluation of nuclear and decay properties, „Nuclear Physics A”, 729 (1), 2003, s. 3–128,DOI: 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
↑abE. Photos. The Question of Meteoritic versus Smelted Nickel-Rich Iron: Archaeological Evidence and Experimental Results. „World Archaeology”. 20 (3), s. 403–421, 1989.DOI:10.1080/00438243.1989.9980081.JSTOR:124562.
2.PNG)
