ニッケル：歴史、特性、構造、用途、リスク - 化学

ニッケルは白化学記号は、Niである遷移金属です。その硬度は鉄よりも高く、熱と電気の伝導が良好であり、一般に、反応性が低く、腐食に強い金属と見なされています。純粋な状態では、それは黄金色の銀です。

1751年、スウェーデンの化学者であるアクセルフレドリッククロンステッドは、スウェーデンの村のコバルト鉱山から抽出されたクプファーニッケル（悪魔の銅）と呼ばれる鉱物からそれを分離することに成功しました。当初、クローンステッドは鉱物は銅であると考えていましたが、孤立した元素は銅とは異なり、白色であることがわかりました。

金色の色調が光るニッケル球。出典：RenéRausch

クロンステッドは元素をニッケルと名付け、クプファーニッケルと呼ばれる鉱物がニコライト（ヒ化ニッケル）であることが後に確立されました。

ニッケルは主に2つの堆積物から抽出されます：火成岩と地球のマグマの他の分離。鉱物は、ペントラダイトのように、硫黄を含んでいます。ニッケルの2番目の供給源はラテライトで、ガーニエライトなどのニッケルが豊富な鉱物です。

ニッケルの主な用途は、多くの金属との合金の形成です。たとえば、世界のニッケル生産の約70％を占める産業活動であるステンレス鋼の生産に関与しています。

さらに、ニッケルは、電気モーター、スピーカー、マイクロフォンの製造に向けられた磁性の合金であるアルニコなどの合金にも使用されます。

ニッケルは、19世紀半ばにコインの製造に使用されるようになりました。しかし、その使用は現在、より安価な金属の使用に取って代わられています。一部の国では引き続き使用されていますが。

ニッケルは、尿素のアンモニアへの分解に介入する酵素ウレアーゼを活性化するため、植物にとって不可欠な要素です。窒素は、植物が窒素源として使用できます。さらに、尿素は植物に深刻なダメージを与える有毒化合物です。

ニッケルは人間にとって大きな毒性の要素であり、発がん性物質であるという証拠があります。さらに、ニッケルは接触性皮膚炎とアレルギーの発症を引き起こします。

歴史

古代

その男は古くからニッケルの存在を知っていました。たとえば、現在シリアに属している土地に存在する青銅の物体（紀元前3500年）には、ニッケルの割合が2％含まれています。

同様に、中国の写本は、ベイトンとして知られている「白銅」が紀元前1700年から1400年の間に使用されたことを示唆しています。しかし、この合金（Cu-Ni）のニッケル含有量は1822年まで発見されていませんでした。

中世のドイツでは、銅に似た赤みがかった鉱物が見つかり、緑色の斑点がありました。鉱山労働者は銅を鉱石から分離しようとしましたが、その試みは失敗しました。さらに、ミネラルとの接触は健康問題を引き起こしました。

これらの理由により、鉱山労働者は鉱物を悪性の状態に起因すると見なし、この状態を示す別の名前を割り当てました。「オールドニック」のように、クプファーニッケル（悪魔の銅）も。現在、問題の鉱物はニコライトであることが知られています：ヒ化ニッケル、NiAs。

発見と生産

1751年、アクセルフレドリッククロンステドはスウェーデンの村ロスハルシングラント近くにあるコバルト鉱山から入手したクプファーニッケルから銅を分離しようとしました。しかし、彼は何とかホワイトメタルを入手することができました。

1824年以降、ニッケルはコバルトブルーの生産の副産物として入手されました。1848年に、鉱物磁硫鉄鉱に存在するニッケルを処理するために、製錬所がノルウェーに設立されました。

1889年、鉄鋼生産にニッケルが導入され、ニューカレドニアで発見された鉱床が世界の消費にニッケルを提供しました。

プロパティ

外観

シルバーホワイト、光沢があり、わずかに金色がかっています。

原子量

58.9344 u

原子番号（Z）

融点

1,455ºC

沸点

2,730ºC

密度

-室温で：8.908 g / mL

-融点（液体）：7.81 g / mL

融合熱

17.48 kJ / mol

気化熱

379 kJ / mol

モルカロリー容量

26.07 J / mol

電気陰性

ポーリングスケールで1.91

イオン化エネルギー

最初のイオン化レベル：737.1 kJ / mol

2番目のイオン化レベル：1,753 kJ / mol

イオン化の第3レベル：3,395 kJ / mol

原子ラジオ

経験値124 pm

共有結合半径

124.4±4 pm

熱伝導率

90.9 W /（m K）

電気抵抗率

20ºCで69.3nΩm

硬度

Mohsスケールで4.0。

特徴

ニッケルは延性があり、可鍛性のある金属であり、鉄よりも硬度が高く、優れた電気および熱伝導体です。常温では強磁性金属で、キュリー温度は358℃です。これより高い温度では、ニッケルはもはや強磁性ではありません。

ニッケルは4つの強磁性元素のうちの1つで、他の3つは鉄、コバルト、ガドリニウムです。

同位体

ニッケルには31の同位体があり、⁴⁸ Niと⁷⁸ Niに制限されています。

5つの自然の同位体がある：⁵⁸ 68.27パーセントの豊富なNiは、。⁶⁰ Ni、存在量は26.10％、⁶¹ Ni、1.13％の豊富さ。⁶² Ni、存在量3.59％。および⁶⁴ Ni、0.9％の存在量。

ニッケルの約59 uの原子量は、どの同位体にも顕著な優位性がないことを示しています（⁵⁸ Niが最も豊富ですが）。

構造と電子構成

金属ニッケルは結晶化して面心立方（fcc）構造になります。このfcc相は非常に安定しており、70 GPaに近い圧力まで変化しません。高圧下でのニッケルの相または多形に関する書誌情報はほとんどありません。

ニッケル結晶は、ナノチューブを定義するように配置できるため、形態はさまざまです。ナノ粒子または巨視的固体として、金属結合は同じままです（理論上）。つまり、Ni原子をまとめて保持するのは同じ価電子です。

ニッケルの2つの可能な電子構成によると：

3d ⁸ 4s ²

3d ⁹ 4s ¹

金属結合には10個の電子が関係しています。3D軌道では8または9、4S軌道では2または1です。価電子帯は事実上完全であり、その電子を伝導帯に輸送するのに近いことに注意してください。その比較的高い導電率を説明する事実。

ニッケルのfcc構造は非常に安定しているため、鋼に追加した場合でも採用されます。したがって、ニッケル含有量の高いステンレス鉄もfccです。

酸化数

ニッケルは、そのようには見えないかもしれませんが、数や酸化状態も豊富です。3D軌道の10を完成させるのに2つの電子が不足していることを知っていれば、マイナス面は明らかです。これにより、酸化数-1（Niの有する1個のまたは2つの電子を得ることができます^-または-2（Ni）の^2-それぞれ）。

ニッケルの最も安定した酸化数は+2です。これは、4s軌道の電子を失い、3d軌道（3d ⁸）に8個の電子を持つNi ²⁺カチオンの存在を前提としています。

また、+ 3（Ni ³⁺）と+4（Ni ⁴⁺）の2つの正の酸化数があります。学校や高校のレベルでは、ニッケルはNi（II）またはNi（III）としてのみ存在するように教えられています。これは、非常に安定した化合物に見られる最も一般的な酸化数であるためです。

化合物の一部である金属ニッケル、つまり中性のNi原子の場合、酸化数0（Ni ⁰）で参加または結合すると言われています。

ニッケルはどこにありますか？

ミネラルと海

ニッケルは地球の地殻の0.007％を構成するため、その存在量は少ないです。しかし、Nifeとして知られる、地球の溶融コアの鉄に次いで2番目に豊富な金属です。海水は5.6・10 ^-4 mg / Lの平均ニッケル濃度を持っています。

通常、火成岩、ペンタンダイト、鉄と硫化ニッケルから形成される鉱物に含まれ、ニッケルの主な供給源の1つです。

ペントランダイトと磁硫鉄鉱の鉱物で構成される岩。出典：John Sobolewski（JSS）

ペントランダイト鉱物はカナダのオンタリオ州サドベリーにあります。世界でこの金属の主要な堆積物の1つ。

ペントランダイトのニッケル濃度は3〜5％で、ニッケルに富む硫化鉄である磁硫鉄鉱と関連しています。これらの鉱物は、地球のマグマの分離の産物である岩石に含まれています。

ラテライト

ニッケルのもう1つの重要な供給源はラテライトであり、暑い地域の乾燥した土壌で構成されています。それらはシリカに乏しく、次のようないくつかのミネラルを持っています。褐鉄鉱、鉄鉱石

ニッケル生産の68％がこの目的に使用されるため、主にステンレス鋼の生産に鉄との合金で使用されます。

また、腐食に強い銅と合金を形成します。この合金は、60％のニッケル、30％の銅、および少量の他の金属、特に鉄で構成されています。

ニッケルは、抵抗合金、磁性、ニッケルシルバーなどの他の目的で使用されます。ニッケルと銅からなる合金ですが、銀は含まれていません。Ni-Cuチューブは、脱塩プラント、シールド、およびコインの製造に使用されます。

ニッケルは合金に靭性と引張強度を提供し、耐腐食性を構築します。銅、鉄、クロムとの合金に加えて、青銅、アルミニウム、鉛、コバルト、銀、金との合金にも使用されます。

モネル合金は、17％のニッケル、30％の銅で構成され、微量の鉄、マンガン、シリコンが含まれています。海水に強いので船のプロペラでの使用に最適です。

保護行動

ニッケルはフッ素と反応してフッ素元素の保護層を形成し、金属ニッケルまたはモネル合金をフッ素ガスラインで使用できます。

ニッケルはアルカリの作用に耐性があります。このため、濃水酸化ナトリウムを含む容器に使用されます。また、電気めっきで他の金属の保護面を作成するためにも使用されます。

その他の用途

ニッケルは、白金族の鉱物グループの6つの金属の還元剤として使用されます。主にプラチナとパラジウム。ニッケルフォームまたはメッシュは、アルカリ燃料電池の電極の製造に使用されます。

ニッケルは、マーガリンの製造プロセスで使用される不飽和植物脂肪酸の水素化の触媒として使用されます。銅とCu-Ni合金は、大腸菌に対して抗菌作用があります。

ナノ粒子

ニッケルナノ粒子（NPs-Ni）は、巨視的なサンプルと比較して表面積が大きいため、幅広い用途に使用できます。これらのNPs-Niが植物抽出物から合成されると、抗菌および抗菌活性が発現します。

上記の理由は、水と接触すると酸化し、Ni ²⁺カチオンと微生物細胞を変性する高反応性酸素種を形成する傾向が大きくなるためです。

一方、NPs-Niは、固体燃料電池、繊維、磁石、磁性流体、電子部品、ガスセンサーなどの電極材料として使用されています。同様に、それらは触媒担体、吸着剤、漂白剤および廃水浄化装置です。

-コンポジット

塩化ニッケル、硝酸塩、硫酸ニッケルは、電気めっきのニッケル浴で使用されます。さらに、その硫酸塩は、織物の染色のための触媒および媒染剤の調製に使用されます。

過酸化ニッケルは蓄電池に使用されています。ニッケルフェライトは、さまざまな電気機器のアンテナの磁気コアとして使用されます。

ニッケルテトラカルボニルは、アセチレンとアルコールからアクリレートを合成するための一酸化炭素を提供します。バリウムとニッケルの複合酸化物（BaNiO ₃）は、Ni-Cd、Ni-Fe、Ni-Hなどの多くの充電式電池のカソードを製造するための原料として機能します。

生物学的役割

植物はその成長のためにニッケルの存在を必要とします。それはウレアーゼを含む様々な植物酵素によって補因子として使用されることが知られています。尿素をアンモニアに変換する酵素で、植物の機能にこの化合物を使用できます。

さらに、尿素の蓄積は植物の葉に変化をもたらします。ニッケルはマメ科植物による窒素固定を促進する触媒として機能します。

ニッケル欠乏に最も敏感な作物は、マメ科植物（豆とアルファルファ）、大麦、小麦、プラムとモモです。その欠乏は、クロロシス、落葉および成長欠乏によって植物に現れる。

一部の細菌では、酵素ウレアーゼはニッケルに依存していますが、それらが生息する生物に対して毒性の強い作用を及ぼす可能性があると考えられています。

スーパーオキシドジスムターゼなどの他の細菌酵素、ならびに細菌および一部の寄生虫、たとえばトリパノソーマに存在するグリキシダーゼは、ニッケルに依存しています。しかし、高等種の同じ酵素はニッケルに依存せず、亜鉛に依存しています。

リスク

大量のニッケルの摂取は、肺癌、鼻癌、喉頭癌、前立腺癌の発生と発生に関連しています。さらに、呼吸障害、呼吸不全、喘息、気管支炎を引き起こします。ニッケルフュームは肺の炎症を引き起こす可能性があります。

皮膚とのニッケルの接触は感作を引き起こし、その後アレルギーを引き起こし、皮膚の発疹として現れます。

ニッケルへの皮膚曝露は、以前に感作された人々に「ニッケルかゆみ」として知られる皮膚炎を引き起こす可能性があります。ニッケルに感作すると、それは無期限に持続します。

国際がん研究機関（IARC）は、ニッケル化合物をグループ1に配置しました（ヒトにおける発がん性の十分な証拠があります）。ただし、OSHAは発癌物質としてニッケルを規制していません。

金属ニッケルとその化合物への曝露は、週40時間の作業で8時間、1 mg / m ³を超えないことが推奨されます。ニッケルカルボニルと硫化ニッケルは非常に有毒または発癌性の化合物です。

参考文献

ムハンマドイムランディンとアニーララニ。（2016）。ニッケルおよび酸化ニッケルナノ粒子の合成と安定化における最近の進歩：環境に優しい。International Journal of Analytical Chemistry、vol。2016、記事ID 3512145、14ページ、2016。doi.org/ 10.1155 / 2016/3512145。
Ravindhranath K、Ramamoorty M（2017）。浄水法における吸着剤としてのニッケルベースのナノ粒子-レビュー。オリエントJ化学2017-33（4）。
ウィキペディア。（2019）。ニッケル。から回復：en.wikipedia.org
ニッケル協会。（2018）。ステンレス鋼：ニッケルの役割。回収元：nickelinstitute.org
百科事典ブリタニカの編集者。（2019年3月20日）。ニッケル。百科事典ブリタニカ。リカバリー元：britannica.com
トロイ・ブッチェル。（2018年10月5日）。植物栽培におけるニッケルの役割。プロミックス。回収元：pthorticulture.com
レンテック。（2019）。周期表：ニッケル。から回復：lenntech.com
ベルテレンス。（2019年7月28日）。ニッケル金属プロファイル。回収元：thebalance.com
ヘルメンスティン、アンマリー、Ph.D。（2018年6月22日）。10ニッケル元素の事実。から回復：thoughtco.com
Dinni Nurhayani、Akhmad A. Korda。（2015）。大腸菌の懸濁液に対する銅-ニッケル合金の抗菌性、物理的および機械的特性に対するニッケル添加の影響。 AIP会議議事録1677、070023。doi.org / 10.1063 / 1.4930727

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