همه چیز درباره عنصر نیکل (Ni)

نیکل، (به انگلیسی : Nickel) با علامت اختصاری Ni و عدد اتمی 28، عنصری از جدول تناوبی در دستهفلزات واسطه است که در ادامه بیشتر با آن آشنا می شوید. با دانشچی همراه باشید. 

نیکل فلزی مقاوم، چکش‌خوار، نسبتاً کمیاب، براق با ساختار بلورین و مکعبی‌شکل به رنگ سفید و نقره‌ای است. این عنصر در سال 1751 توسط اکسل کرونزتت (به انگلیسی: Axel Cronstedt) دانشمند سوئدی کشف شد. از نظر خواص مغناطیسی و فعالیت شیمیایی شبیه به آهن و کبالت است. کانی‌های اصلی نیکل عبارتند از پنتلاندیت، پیروتیت (سولفیدهای نیکل و آهن) و گارنییریت (سیلیکات نیکل و منیزیم) هستند.

نیکل یکی از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده شهاب سنگ به‌شمار می‌آید. شهابسنگ‌های آهن و سیدریت شامل آلیاژهای آهن حدود 5 تا 20 درصد نیکل‌اند. نیکل تجاری به فرم‌های پنتلاندیت و پیروتیت است که این معادن در استان انتاریوی کانادا یافت می‌شود که این ناحیه حدود 30 درصد از نیکل دنیا را تأمین می‌کند. دیگر معادن این عنصر در کالدونیا، استرالیا، کوبا، اندونزی و در مناطق دیگر است. این عنصر رسانای جریان برق است و سطح آن براق و صیقلی است.

شناسنامه نیکل

عدد اتمی: 28

جرم اتمی:58?6934

نقطه ذوب: C°1435

نقطه جوش : C°2732

شعاع اتمی : Å 1?62

ظرفیت:2و3

رنگ: سفید – نقره ای

حالت استاندارد: جامد

نام گروه: 10

انرژی یونیزاسیون : Kj/mol 7.635

شکل الکترونی: 2 1s22s2p63s23 p63d 84s

شعاع یونی : Å 0?69

الکترونگاتیوی:1?91

حالت اکسیداسیون:2و3

دانسیته: 8?9

گرمای فروپاشی : Kj/mol 17.47

تاریخچه نیکل

استفاده از نیکل ، قدمت باستانی داشته ، به 3500 سال قبل از میلاد مسیح باز می‌گردد. برنزهایی که از سوریه امروزی یافت شده‌اند، حاوی حدودا 2% نیکل بوده و دست‌نوشته‌های چینی اشاره بر این دارند که مس سفید در 1400 تا 1700 سال قبل از میلاد مسیح در مشرق زمین استفاده می‌شد. اما از آنجا که معادن نیکل و مس در آن روزگار به‌راحتی مورد اشتباه قرار می‌گرفتند، تمام دانستنی های دقیقتر به دوران معاصر باز می‌گردد.

کانی‌هایی که حاوی نیکل هستند، از جهت رنگ‌دهی به شیشه کاربرد داشتند و از ارزشی فراوان بر خوردار بودند. در سال 1751 شخصی به نام “Baron Axel Fredrik” تلاشهایی را برای استخراج مس از معدن نیکل انجام داد و که در نتیجه فلزی سفید بدست آورد که آن را نیکل نامید.

اولین سکه خالص نیکلی در سال 1881 ساخته شد.

پیدایش نیکل

اکثر نیکل های بدست آمده از دو نوع معدن بدست آمده‌اند، اولی خاک های آجری رنگ بوده که مهمترین معدن سنگ نیکل هستند و دومی سولفید موجود در ماگمای زمین می‌باشد. منطقه Sudbury در Ontario کانادا 30% نیکل جهان را تولید می‌کند. معادن دیگر در روسیه استرالیا کوبا و اندونزی می‌باشند. با این وجود این باور وجود دارد که بیشتر نیکل موجود در زمین در هسته این سیاره تمرکز یافته است.

ویژگی های نیکل

نیکل یک فلز سفید نقره‌ای است که به‌خوبی جلا می‌گیرد. از گروه آهن‌ها است که سخت و قابل انعطاف بوده ، هادی جریان الکتریسیته می‌باشد و به‌راحتی با گوگرد و آرسنیک ترکیب می‌شود. با توجه به اینکه نیکل ، دوام زیادی در هوا داشته ، اکسیده نمی‌شود، برای تولید سکه‌های پول فلز کاری برنج و آهن و همچنین برای ساخت ابزار آلات شیمیایی در آلیاژهای خاص مانند نقره آلمانی کاربرد دارد و معمولا با کبالت همراه هست که هر دوی آنها در آهن‌های شهاب سنگی یافت می‌شوند. نیکل برای آلیاژهایی که بوجود می‌آورد، بسیار با ارزش می‌باشد.

معمولترین حالت اکسیداسیون نیکل ، 2+ است و این در حالی است که نیکل 3+ و 1+ نیز به‌ندرت مشاهده می‌شوند.

آلیاژهای نیکل

1- آلیاژ مس- نیکل (مونل)

نیکل و مس در همه نسبت ها در یکدیگر قابل انحلال هستند. مهمترین آلیاژهای مس-نیکل حاوی حدود 67% نیکل و 33% مس می باشد که مونل نامیده می شود. این آلیاژها دارای کاربردهای عالی در آب دریا هستند و مقاومت بالایی در برابر حمله حلال های کلردار، بیشتر اسیدها و همه قلیاها دارند.

2- آلیاژهای کروم- نیکل

کروم یکی از مهمترین عناصر آلیاژی برای مقاومت به خوردگی زیاد و مقاومت در دماهای بالا در آلیاژهای پایه نیکل است. این عنصر دارای انحلال پذیری حالت جامد بالادر حدود 30% در دمای اتاق، در نیکل می باشد. اینکونل 600 یک آلیاژ مهندسی استاندارد برای استفاده در محیط های شدیدا خورنده در دماهای بالا می باشد که یک آلیاژ Ni-Cr-Fe حاوی 15?5% کرم و 8% آهن است. این آلیاژ قابل عملیات حرارتی نمی باشد ولی می تواند بوسیله کارسرد استحکام یابد.

3- سوپر آلیاژ پایه نیکل

نیکل همچنین می تواند پایهای برای سوپر آلیاژ با مشخصات دما بالا- استحکام بالا باشد. سوپر آلیاژها، در موتور جت و توربین های گازی استفاده می شوند. سوپر آلیاژها از آهن، کبالت یا نیکل ساخته می شوند. سوپر آلیاژها همچنین شامل سایر فلزات مانند کروم، تنگستن، آلومینیوم و تیتانیوم می باشند. سوپر آلیاژها مقاوم به خوردگی (زنگ زدگی) بوده و خواص خود را در دمای بالا حفظ می کنند.

کاربردهای نیکل

نیکل دارای مصارف بسیار زیادی است :

1- تهیه فولادهای ضد زنگ ، آلیاژهای ویژه مانند آلیاژ نقره و نیکل جهت ساخت لوازم خانگی.

2- صنایع تولید باطری.

3- صنایع آبکاری کروم

4- تولید فولاد های ضدزنگ و آلیاژها : حدود 65% نیکل مصرفی جهان برای ساخت فولاد ضدزنگ Austenitic استفاده شده است و 12% از آن برای سوپر آلیاژها مانند آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند آلیاژ نقره آلمانی که شامل آلیاژ zn – Ni – Cu می باشد، استفاده می شود.

5- فولاد نیکل برای صفحات حفاظتی و گاوصندوق های ضد سرقت استفاده می باشد.

6- نیکل به هنگام ترکیب با عناصر دیگر برای ساختن آلیاژ ، مقاومت و استحکام فلز و مقاومت در برابر خوردگی آن را در بازه گسترده ای از دما افزایش می دهد لذا این فلز در صنعت آهن و فولاد ضروری است.

7- استفاده از آلیاژهای نیکل در صنایع هوا و فضا.

8- در صنایع تولید استیل که بیش از 50 درصد نیکل را مصرف می کند : محصولات حاصل از آن عبارتند از استیل در ظرفشویی ها ، لباس شویی ها ، ظروف آشپزخانه .

9- در صنایع آبکاری در بخش های آبکاری شده با نیکل برای دوچرخه ، موتور سیکلت ، جواهر آلات ، فریم عینک ، وسایل موسیقی که یک چهارم نیکل را مصرف می کنند.

10- مصرف نیکل در تانکر ها و قطارها در زمینه ساخت و ساز و ماشین آلات.

11- مصرف نیکل در صنایع خودروسازی : که مصرف نیکل در خودروسازی در دهه هفتاد به شدت کاهش یافت که علت آن کاهش مصرف میانگین آن در اتومبیل ها از 2 کیلوگرم در سال 1970 به 5 کیلوگرم در سال 1985 رسید.

12- در صنایع شیمیایی برای تولید استیل.

13- در صنایع ساخت و ساز و صنایع الکترونیک هر کدام 6% مصرف نیکل دارند.

14- مصرف استیل در ساختمان سازی رو به افزایش است زیرا در تجهیزات مربوط به غذا و تجهیزات کنترل محیط زیست مصرف می شود.

15- استفاده از آلیاژ نیکل – آهن در چارچوبه های سربی.

16- استفاده از آلیاژ مس – نیکل – قلع در فنرها ، گیره کاغذ و پایانه ها.

17- استفاده در تولید سکه در کشورهای کانادا ، هلند و جمهوری آفریقایی جنوبی.

18- انرژی الکتریکی و هسته ای : در صنعت برق و تولید نیرو ، استیل های نیکل دار کاربردهای گسترده ای در نیروگاه های هسته ای دارند و کاربرد روز افزونی در سیستم های زادیشگر برای زدایش دی اکسید گوگرد از نیروگاه های زغالی ، نفتی و گازی دارند.

19- کاتالیزور : مواد شیمیایی نیکل دار در تولید کاتالیزورهای نیکل مصرف می شوندکه در هیدروژنه کردن روغن نباتی ، در تصفیه روغن های سنگین ، تشدید کننده رنگ سرامیک و نمک نیکل در آبکاری به کار می رود. نیکل در قطعات ریز تقسیم شده یک کاتالیزور برای نفت های هیدروژنی است.

20- حفاری : مواد نیکل دار در صنعت نفت از سرمته حفاری تا لوله کشی و مخازن فرآوری طرح های پتروشیمی و ساخت سکوهای نفتی دریایی ایفا می کنند.

21- صنایع دریایی : در صنایع دریایی ، مواد نیکل دار در کشتی ها و پروژه های شیرین سازی آب شور دریا به کار می روند.

22- ظروف ضد حرارت برای استفاده در آزمایشگاه های شیمی.

23- نیکل مشتق شده ، یک کاتالیزور است که برای هیدروژنه کردن روغن سبزیجات بکار می رود.

24- آلیاژ کابل های انتقال حافظه در ساخت ربات ها.

25- آلیاژ آلنیکو برای تولید آهن ربا.

ایزوتوپ های نیکل

نیکلی که در طبیعت به وجود می آید از 5 ایزوتوپ پایدار تشکیل شده است که عبارتند از Ni-58 ، Ni-59 ، Ni-60 ، Ni-61 ، Ni-62 از بقیه فراوانتر می‌باشد و 59-Ni از بقیه پایدارتر بوده و نیمه عمر تجزیه آن حدودا 76000 سال می‌باشد. نیمه عمر تجزیه نیکل 63-Ni صد سال و نیکل Ni-56 ، در حدود 6?077 روز می‌باشد.

تمامی ایزوتوپ های رادیواکتیوی ، نیمه عمر تجزیه‌ای کمتر از 60 ساعت دارند و عمر تجزیه بیشتر آنها کمتر از سی ثانیه می‌باشد. Ni-56 در مقیاس و حجمهای بزرگ در ستاره‌های بسیار بزرگ تولید شده و انحنای نور این ستاره‌های بزرگ با تجزیه نیکل و کبالت و بعد از به آهن مرتبط است.

نیکل -59 یک عنصر هسته با عمر طولانی و نیمه عمر 76000 سال است. نیکل کاربردهای زیادی در زمین شناسی ایزوتوپی دارد. نیکل -59 برای تعیین تاریخ دوره‌های زمین شناسی کاربرد داشته و میزان غبار ته‌نشین شده در یخ های فرا زمینی را تعیین می‌کند. نیکل -60 محصول منقرض شده Fe می‌باشد، چرا که Fe-60 منقرض شده عمر زیادی داشته و پایداری آن در مواد سیستم خورشیدی که تمرکز بالایی دارند، گوناگونی زیادی را در ترکیبات ایزوتوپی Ni- 60 ایجاد می کند. بنابراین میزان Ni-60 موجود در مواد فرا زمینی می‌تواند ما را به حقیقت اصلی سیستم خورشیدی و تاریخچه اولیه آن رهنمون سازد.

هشدارها درباره نیکل

نیکل را نباید بیشتر از 0?05 mg/cm3 در مجاورت ترکیبات حلال قرار داد. همچنین به نظر می‌رسد که دود و سولفید نیکل ، سرطان زا باشد. نیکل کربنیک یک گاز بسیار سمی است. تماس نیکل با پوست افراد حساس ممکن است ایجاد آلرژی کند. مقداری مجاز نیکل مصرفی در محصولاتی که با دست انسان تماس دارد، مطابق اتحادیه اروپایی می‌باشد.

بر اساس یک گزارش منتشر شده در مجله Nature در سال 2002 ، محققین دریافته‌اند که مقدار نیکل موجود در سکه‌های یک و دو Euro بیشتر از حد استاندارد است. به نظر می‌رسد که این عمل بدلیل واکنشهای گالوانیک رخ می‌دهد.

اثرات نیکل بر سلامت انسان

مقدارنیکل در طبیعت بسیار کم است. انسان در زمینه های مختلف از نیکل استفاده میکند. یکی از عمده ترین کاربردهای نیکل، در صنعت فولاد است. از نیکل به عنوان یکی از اجزا سازنده فولاد و سایر محصولات فلزی استفاده میشود. حتی از نیکل در جواهرات هم استفاده میشود.

مواد غذایی به طور طبیعی دارای مقداری نیکل هستند. شکلات و چربی ها دارای مقدار بسیار زیادی نیکل هستند. در صورتیکه افراد از سبزیجات حاصل از مناطق آلوده به نیکل تغذیه کنند، مقدار زیادی نیکل وارد بدنشان میشود. نیکل در بافت گیاهان تجمع می یابد و در نتیجه مقدار نیکل در سبزیجات افزایش پیدا میکند. در شش های افراد سیگاری مقدار زیادی نیکل وجود دارد. همچنین نیکل در شوینده ها نیز مورد استفاده قرار میگیرد.

راههای ورود نیکل به بدن انسان از طریق هوا، آشامیدن آب، خوردن غذا و کشیدن سیگار است. ممکن است بر اثر تماس پوست با خاک یا آب آلوده به نیکل، مقداری نیکل وارد بدن انسان شود. مقدار اندک نیکل برای انسان ضروری است اما اگر مقدار آن افزایش یابد، برای سلامت انسان خطرناک است.

نتایج مصرف بالای نیکل به شرح زیر است (خطرات نیکل):

• شانس مبتلا شدن به سرطان ریه، سرطان بینی، سرطان حنجره و سرطان پروستات را افزایش میدهد.
• پس از اینکه فرد در معرض گاز نیکل قرار گرفت، دچار کسالت و سرگیجه میشود.
• آب آوردن ریه ها
• مشکلات تنفسی
• کاهش توانایی تولید مثل
• آسم و برونشیت مزمن
• حساسیتهایی از قبیل خارش پوست (به خصوص در هنگام استفاده از جواهرات)

تاثیرات زیست محیطی نیکل

کارخانه ها و سوزاندن زباله ها دو عامل اصلی در تولید نیکل و ورود آن به هوا میباشند. مقدار نیکلی که در هوا وجود دارد به مراتب از نیکل موجود در زمین بیشتر است. مدت زمان از بین رفتن نیکل موجود در هوا زیاد است. زمانیکه هرزآب ها جریان پیدا میکنند، مقداری نیکل را وارد آبهای سطحی میکنند.

بخش اعظم ترکیبات نیکل در طبیعت جذب ذرات خاک و رسوبات شده و در نهایت به صورت غیر متحرک درمی آیند. در زمین های اسیدی نیکل بسیار متحرک میشود و معمولاً در آبهایزیرزمینی شسته میشود.

شواهد چندانی درباره تاثیر نیکل بر سایر موجودات زنده به غیر از انسان وجود ندارد. در حال حاضر دانشمندان می دانند که غلظت بالای نیکل در خاک های ماسه ای به گیاهان صدمه میزند و همچنین غلظت بالای نیکل در آب های سطحی سبب کاهش تعداد و رشد جلبک ها میشود. رشد موجودات ذره بینی نیز در حضور نیکل کاهش پیدا میکند، اما معمولاً با گذشت زمان در برابر نیکل مقاوم میشوند.

مقدار اندک نیکل باید در غذای جانوران وجود داشته باشد. اما زمانیکه مقدار نیکل از حد مجاز خود فراتر رود، میتواند برای جانوران مضر و خطرناک باشد. جانورانی که در نزدیکی پالایشگاه زندگی میکنند، بر اثر دریافت مقدار زیاد نیکل به انواع مختلف سرطان مبتلا میشوند.

از آنجاییکه نیکل در بافتهای گیاهی و جانوری نمیتواند تجمع پیدا کند، اثری در زنجیره غذایی ندارد.

 

عنصر نیکل _ دانشچی