NICKEL: STORIA, PROPRIETÀ, STRUTTURA, USI, RISCHI - CHIMICA - 2024

Il nichel è un simbolo chimico bianco del metallo di transizione è Ni. La sua durezza è maggiore di quella del ferro, oltre ad essere un buon conduttore di calore ed elettricità, ed in generale è considerato un metallo poco reattivo e altamente resistente alla corrosione. Allo stato puro, è d'argento con sfumature dorate.

Nel 1751, Axel Fredrik Cronsted, un chimico svedese, riuscì a isolarlo da un minerale noto come Kupfernickel (rame del diavolo), estratto da una miniera di cobalto in un villaggio svedese. All'inizio, Cronsted pensava che il minerale fosse rame, ma l'elemento isolato risultò essere di colore bianco, distinto dal rame.

Sfere di nichel in cui risplendono i suoi toni dorati. Fonte: René Rausch

Cronsted chiamò l'elemento nichel e in seguito fu stabilito che il minerale chiamato kupfernickel era nicolite (arseniuro di nichel).

Il nichel viene estratto principalmente da due depositi: rocce ignee e altre segregazioni del magma terrestre. I minerali sono di natura solforosa, come la pentladite. La seconda fonte di nichel sono le lateriti, con minerali ricchi di nichel come la garnierite.

La principale applicazione del nichel è nella formazione di leghe con molti metalli; ad esempio, è coinvolta nella produzione di acciaio inossidabile, un'attività industriale che consuma circa il 70% della produzione mondiale di nichel.

Inoltre, il nichel viene utilizzato in leghe come l'alnico, una lega di natura magnetica destinata alla fabbricazione di motori elettrici, altoparlanti e microfoni.

Il nichel iniziò ad essere utilizzato nella fabbricazione di monete a metà del XIX secolo. Tuttavia, il suo utilizzo è stato ora sostituito da quello di metalli meno costosi; sebbene continui ad essere utilizzato in alcuni paesi.

Il nichel è un elemento essenziale per le piante, poiché attiva l'enzima ureasi, coinvolto nella degradazione dell'urea in ammoniaca, utilizzabile dalle piante come fonte di azoto. Inoltre, l'urea è un composto tossico che provoca gravi danni alle piante.

Il nichel è un elemento di grande tossicità per l'uomo, ci sono prove che sia un agente cancerogeno. Inoltre, il nichel provoca dermatiti da contatto e lo sviluppo di allergie.

Storia

Antichità

L'uomo conosceva fin dall'antichità l'esistenza del nichel. Ad esempio, una percentuale di nichel del 2% è stata trovata negli oggetti in bronzo (3500 a.C.), presenti nelle terre attualmente appartenenti alla Siria.

Allo stesso modo, i manoscritti cinesi suggeriscono che il "rame bianco", noto come baitong, fu usato tra il 1700 e il 1400 aC Il minerale fu esportato in Gran Bretagna nel XVII secolo; ma il contenuto di nichel di questa lega (Cu-Ni) non fu scoperto fino al 1822.

Nella Germania medievale è stato trovato un minerale rossastro, simile al rame, e che aveva macchie verdi. I minatori cercarono di isolare il rame dal minerale, ma fallirono nel loro tentativo. Inoltre, il contatto con il minerale ha prodotto problemi di salute.

Per queste ragioni, i minatori attribuirono al minerale una condizione maligna e gli assegnarono nomi diversi che illustrassero questa condizione; come "Old Nick", anche kupfernickel (rame del diavolo). Ora è noto che il minerale in questione era la nicolite: arseniuro di nichel, NiAs.

Scoperta e produzione

Nel 1751, Axel Fredrik Cronsted cercò di isolare il rame dal kupfernickel, ottenuto da una miniera di cobalto situata vicino a Los Halsinglandt, un villaggio svedese. Ma è riuscito a ottenere solo un metallo bianco, fino ad allora sconosciuto e chiamato nichel.

A partire dal 1824, il nichel fu ottenuto come sottoprodotto della produzione del blu cobalto. Nel 1848, una fonderia fu fondata in Norvegia per lavorare il nichel presente nel minerale pirrotite.

Nel 1889, il nichel fu introdotto nella produzione di acciaio ei depositi scoperti in Nuova Caledonia fornirono il nichel per il consumo mondiale.

Proprietà

Aspetto

Bianco argenteo, brillante e con una leggera sfumatura dorata.

Peso atomico

58.9344 u

Numero atomico (Z)

28

Punto di fusione

1.455 ºC

Punto di ebollizione

2.730 ºC

Densità

-A temperatura ambiente: 8,908 g / mL

-Al punto di fusione (liquido): 7,81 g / mL

Calore di fusione

17,48 kJ / mol

Calore di vaporizzazione

379 kJ / mol

Capacità calorica molare

26,07 J / mol

elettronegatività

1.91 della scala Pauling

Energia ionizzata

Primo livello di ionizzazione: 737,1 kJ / mol

Secondo livello di ionizzazione: 1.753 kJ / mol

Terzo livello di ionizzazione: 3.395 kJ / mol

Radio atomica

Empirico 124 pm

Raggio covalente

124,4 ± 4 pm

Conduttività termica

90,9 W / (m · K)

Resistività elettrica

69,3 nΩ m a 20 ºC

Durezza

4.0 sulla scala di Mohs.

caratteristiche

Il nichel è un metallo duttile, malleabile e ha una durezza maggiore del ferro, essendo un buon conduttore elettrico e termico. È un metallo ferromagnetico a temperature normali, la sua temperatura di Curie è di 358ºC. A temperature superiori a questa, il nichel non è più ferromagnetico.

Il nichel è uno dei quattro elementi ferromagnetici, gli altri tre sono: ferro, cobalto e gadolinio.

Isotopi

Ci sono 31 isotopi di nichel, limitati da ⁴⁸ Ni e ⁷⁸ Ni.

Gli isotopi naturali sono cinque: ⁵⁸ Ni, con un'abbondanza del 68,27%; ⁶⁰ Ni, con un'abbondanza del 26,10%; ⁶¹ Ni, con un'abbondanza dell'1,13%; ⁶² Ni, con un'abbondanza del 3,59%; e ⁶⁴ Ni, con un'abbondanza dello 0,9%.

Il peso atomico di circa 59 u per il nichel mostra che non c'è una predominanza marcata in nessuno degli isotopi (anche se ⁵⁸ Ni è il più abbondante).

Struttura e configurazione elettronica

Il nichel metallico cristallizza in una struttura cubica centrata sulla faccia (fcc). Questa fase fcc è estremamente stabile e rimane invariata fino a pressioni prossime a 70 GPa; Ci sono poche informazioni bibliografiche riguardanti fasi o polimorfi di nichel ad alta pressione.

La morfologia dei cristalli di nichel è variabile, poiché possono essere disposti in modo tale da definire un nanotubo. Essendo una nanoparticella o un solido macroscopico, il legame metallico rimane lo stesso (in teoria); cioè, sono gli stessi elettroni di valenza che tengono insieme gli atomi di Ni.

Secondo le due possibili configurazioni elettroniche per il nickel:

3d ⁸ 4 s ²

3d ⁹ 4 s ¹

Dieci elettroni sono coinvolti nel legame metallico; otto o nove nell'orbitale 3d, insieme a due o uno nell'orbitale 4s. Si noti che la banda di valenza è praticamente piena, prossima a trasportare i suoi elettroni alla banda di conduzione; un fatto che spiega la sua conducibilità elettrica relativamente alta.

La struttura fcc del nichel è così stabile che viene persino adottata dall'acciaio quando viene aggiunto ad esso. Pertanto, anche il ferro inossidabile con un alto contenuto di nichel è fcc.

Numeri di ossidazione

Il nichel, sebbene possa non sembrare, ha anche numeri abbondanti o stati di ossidazione. Gli aspetti negativi sono evidenti sapendo che gli mancano solo due elettroni per completare i dieci del suo orbitale 3d; quindi, può guadagnare uno o due elettroni, con numeri di ossidazione -1 (Ni ^- ) o -2 (Ni ^2- ), rispettivamente.

Il numero di ossidazione più stabile per il nichel è +2, assumendo l'esistenza del catione Ni ²⁺ , che ha perso gli elettroni dell'orbitale 4s e ha otto elettroni nell'orbitale 3d (3d ⁸ ).

Inoltre, ci sono altri due numeri di ossidazione positivi: +3 (Ni ³⁺ ) e +4 (Ni ⁴⁺ ). A livello di scuola o di scuola superiore, si insegna che il nichel esiste solo come Ni (II) o Ni (III), perché sono i numeri di ossidazione più comuni che si trovano in composti molto stabili.

E quando è nichel metallico che fa parte di un composto, cioè con il suo atomo di Ni neutro, allora si dice che partecipi o si leghi con un numero di ossidazione pari a 0 (Ni ⁰ ).

Dove si trova il nichel?

Minerali e mare

Il nichel costituisce lo 0,007% della crosta terrestre, quindi la sua abbondanza è bassa. Ma è ancora il secondo metallo più abbondante dopo il ferro nel nucleo fuso della terra, noto come Nife. L'acqua di mare ha una concentrazione media di nichel di 5,6 · ^10-4 mg / L.

Si trova normalmente nelle rocce ignee, con la pentlandite, un minerale formato da ferro e solfuro di nichel, essendo una delle principali fonti di nichel:

Roccia composta da minerali pentlandite e pirrotite. Fonte: John Sobolewski (JSS)

La pentlandite minerale è presente a Sudbury, Ontario, Canada; uno dei principali depositi di questo metallo nel mondo.

La pentlandite ha una concentrazione di nichel tra il 3 e il 5%, essendo associata alla pirrotite, un solfuro di ferro ricco di nichel. Questi minerali si trovano nelle rocce, prodotti delle segregazioni del magma terrestre.

Lateriti

L'altra importante fonte di nichel sono le lateriti, costituite da terreni aridi nelle regioni calde. Sono poveri di silice e possiedono diversi minerali, tra cui: garnierite, un silicato di magnesio e nichel; e la limonite, un minerale di ferro

Viene utilizzato in lega con ferro principalmente per la produzione di acciaio inossidabile, poiché a questo scopo viene utilizzato il 68% della produzione di nichel.

Forma anche una lega con rame, resistente alla corrosione. Questa lega è composta per il 60% da nichel, per il 30% da rame e piccole quantità di altri metalli, in particolare il ferro.

Il nichel è utilizzato in leghe resistive, magnetiche e per altri scopi, come il nichel argento; e una lega composta da nichel e rame, ma non contiene argento. I tubi Ni-Cu sono utilizzati negli impianti di dissalazione, schermatura e nella fabbricazione di monete.

Il nichel fornisce tenacità e resistenza alla trazione alle leghe che creano resistenza alla corrosione. Oltre alle leghe con rame, ferro e cromo, è utilizzato in leghe con bronzo, alluminio, piombo, cobalto, argento e oro.

La lega Monel è composta per il 17% di nichel, per il 30% di rame e con tracce di ferro, manganese e silicio. È resistente all'acqua di mare, il che lo rende ideale per l'uso sulle eliche delle navi.

Azione protettiva

Il nichel reagendo con il fluoro forma uno strato protettivo per l'elemento fluoro, consentendo di utilizzare il nichel metallico o la lega di Monel nelle linee del gas fluoro.

Il nichel è resistente all'azione degli alcali. Per questo motivo viene utilizzato in contenitori contenenti idrossido di sodio concentrato. Viene anche utilizzato nella galvanica per creare una superficie protettiva per altri metalli.

Altri usi

Il nichel è usato come agente riducente per sei metalli del gruppo di minerali del platino in cui è combinato; principalmente platino e palladio. La schiuma o la rete di nichel viene utilizzata nella produzione di elettrodi per batterie alcaline.

Il nichel viene utilizzato come catalizzatore per l'idrogenazione di acidi grassi vegetali insaturi, essendo utilizzato nel processo di produzione della margarina. Il rame e la lega Cu-Ni hanno un'azione antibatterica su E. coli.

Nanoparticelle

Le nanoparticelle di nichel (NPs-Ni) trovano un'ampia varietà di utilizzo grazie alla loro maggiore area superficiale rispetto a un campione macroscopico. Quando questi NPs-Ni vengono sintetizzati da estratti vegetali, sviluppano attività antimicrobiche e antibatteriche.

Il motivo di quanto sopra è dovuto alla sua maggiore tendenza ad ossidarsi a contatto con l'acqua, formando cationi Ni ²⁺ e specie dell'ossigeno altamente reattive, che denaturano le cellule microbiche.

D'altra parte, gli NPs-Ni vengono utilizzati come materiale per elettrodi in celle a combustibile solido, fibre, magneti, fluidi magnetici, parti elettroniche, sensori di gas, ecc. Allo stesso modo, sono supporti catalitici, adsorbenti, agenti sbiancanti e depuratori di acque reflue.

-Compositi

Il cloruro di nichel, il nitrato e il solfato vengono utilizzati nei bagni di nichel nella galvanica. Inoltre, il suo sale solfato viene utilizzato nella preparazione di catalizzatori e mordenti per la tintura dei tessuti.

Il perossido di nichel viene utilizzato negli accumulatori. Le ferriti di nichel sono utilizzate come nuclei magnetici nelle antenne in varie apparecchiature elettriche.

Il nichel tertracarbonile fornisce monossido di carbonio per la sintesi di acrilati, da acetilene e alcoli. L'ossido combinato di bario e nichel (BaNiO ₃ ) serve come materia prima per la produzione di catodi di molte batterie ricaricabili, come Ni-Cd, Ni-Fe e Ni-H.

Ruolo biologico

Le piante richiedono la presenza di nichel per la loro crescita. È noto per essere utilizzato come cofattore da vari enzimi vegetali, inclusa l'ureasi; enzima che converte l'urea in ammoniaca, potendo utilizzare questo composto nel funzionamento delle piante.

Inoltre l'accumulo di urea produce un'alterazione nelle foglie delle piante. Il nichel funge da catalizzatore per promuovere la fissazione dell'azoto da parte dei legumi.

Le colture più sensibili alla carenza di nichel sono i legumi (fagioli ed erba medica), l'orzo, il frumento, le prugne e le pesche. La sua carenza si manifesta nelle piante con clorosi, caduta delle foglie e carenze di crescita.

In alcuni batteri, l'enzima ureasi dipende dal nichel, ma si ritiene che questi possano avere un'azione virulenta sugli organismi in cui vivono.

Altri enzimi batterici, come il superossido dismutasi, così come la gliossidasi presente nei batteri e alcuni parassiti, ad esempio nei tripanosomi, dipendono dal nichel. Tuttavia, gli stessi enzimi nelle specie superiori non dipendono dal nichel ma dallo zinco.

rischi

L'ingestione di grandi quantità di nichel è associata alla generazione e allo sviluppo di tumori polmonari, nasali, laringei e della prostata. Inoltre, provoca problemi respiratori, insufficienza respiratoria, asma e bronchite. I vapori di nichel possono causare irritazione ai polmoni.

Il contatto del nichel con la pelle può causare sensibilizzazione, che successivamente produce un'allergia, manifestata come eruzione cutanea.

L'esposizione della pelle al nichel può causare una dermatite nota come "prurito da nichel" in persone precedentemente sensibilizzate. Dopo la sensibilizzazione al nichel, persiste indefinitamente.

L'Agenzia internazionale per la ricerca sul cancro (IARC) ha inserito i composti del nichel nel Gruppo 1 (esistono prove sufficienti di cancerogenicità nell'uomo). Tuttavia, l'OSHA non regola il nichel come cancerogeno.

Si raccomanda che l'esposizione al nichel metallico e ai suoi composti non possa superare 1 mg / m ³ per otto ore di lavoro in una settimana lavorativa di quaranta ore. Il nichel carbonile e il solfuro di nichel sono composti altamente tossici o cancerogeni.

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