Nikkeli (Ni) — siirtymämetalli: ominaisuudet, rakenne ja käyttökohteet

Tutustu nikkeliin (Ni): siirtymämetallin ominaisuudet, rakenne ja monipuoliset käyttökohteet teollisuudessa ja arjessa.

Nikkeli (kemiallinen merkki Ni) on alkuaine. Sen järjestysluku on 28 ja atomimassa noin 58,69 amua. Sillä on 28 protonia. Se on siirtymämetalli.

Perusominaisuudet

• Atomitiedot: elektronikonfiguraatio [Ar] 3d8 4s2.
• Tila ja ulkonäkö: kiiltävä, hopeanhohtoinen metalli, pehmeä ja taottava.
• Tiheys: noin 8,91 g/cm³.
• Sulamispiste: noin 1455 °C; kiehumispiste: noin 2913 °C.
• Kidejärjestys: pintalämpötilassa kuutiollinen pintakeskinen (fcc).
• Magnetisuus: nikkeli on ferromagneettinen huoneenlämpötilassa; Curie-piste noin 627 K (noin 354 °C), jonka yläpuolella ferromagnetismi sammuu.
• Tavalliset oksidaatiotilat: 0 (metallinen) ja +2 (useimmin); myös +3 ja muut oksidaatiot esiintyvät tietyissä yhdisteissä.

Rakenne ja kemiallinen käyttäytyminen

Nikkeli muodostaa metallisidoksia, mikä antaa sille hyvän johtavuuden ja muokattavuuden. Nikkeli-ioni (Ni2+) on yleisin kemiallisissa yhdisteissä ja se muodostaessaan suoloja ja kompleksiyhdisteitä on tärkeä katalyytteinä ja kemiallisissa prosesseissa. Nikkeli kestää korroosiota hyvin ja sen pinnalle muodostuu usein ohut oksidikerros, joka suojaa kantametallia.

Esiintyminen ja tuotanto

Nikkeli esiintyy maankuoren mineraaleissa, kuten pentlandiitissa ((Ni,Fe)9S8), garnieriitissa ja lateriittimalmeissa. Suurimmat tuotantomenetelmät ovat:

• Pyrometallurgia: sulatus ja rikastus rikki- ja sulfidimalmeista.
• Hydrometallurgia: erityisesti lateriittimalmeista liuotus- ja saostusmenetelmillä.
• Puhtaanaminen: elektrolyyttinen talteenotto ja jatkofinnirointi tuottavat korkean puhtausasteen nikkeliä.

Luonnossa esiintyy useita stabiileja isotooppeja; yleisimmät ovat Ni-58 ja Ni-60 (Ni-58 noin 68 %, Ni-60 noin 26 %).

Käyttökohteet

Nikkelin tärkeimmät käyttökohteet ovat moninaisia:

• Ruostumattomat teräkset ja seokset: suurin osa nikkelin kulutuksesta liittyy ruostumattoman teräksen valmistukseen, missä nikkeli parantaa korroosionkestävyyttä ja muovattavuutta.
• Alloyt ja superseokset: Inconel-, Monel- ja muut nikkelipohjaiset superseokset kestävät korkeita lämpötiloja ja korroosiota, joten niitä käytetään turbiineissa, kemianteollisuudessa ja avaruustekniikassa.
• Galvanointi ja pinnoitus: nikkelipinnoitusta käytetään korroosion suojaukseen ja koristeellisena pinnoitteena.
• Akkuteknologia: nikkeli on olennainen osa Ni–Cd- ja Ni–MH-akuissa sekä tärkeä komponentti litiumioniakkujen NMC-tyypeissä (nisäkkäiden ja sähköajoneuvojen akut).
• Katalyytit: Raney-nikkeli ja muut nikkelipohjaiset katalyytit ovat laajasti käytössä hydrogenoinnissa ja orgaanisessa synteesissä.
• Magneetit ja sähkökomponentit: nikkeliä käytetään erikoismagneeteissa ja sähköisissä liittimissä.
• Kolikot ja koristeet: historiallisesti nikkeliä on käytetty kolikoiden seosaineena ja koristepinnoitteena.

Terveys ja ympäristö

• Nikkeli voi aiheuttaa kosketusallergiaa (niille herkistyneet saavat helposti kontaktidermatiitin). Allergia on yleinen nikkelille altistuvilla.
• Pitkäaikainen altistuminen ja tietyt nikkeliyhdisteet ovat yhteydessä hengityselinsairauksiin ja voivat olla karsinogeenisia, erityisesti teollisuusaltistuksissa (niukkalyijyiset hengityspäästöt ja pöly).
• Ympäristössä nikkeli voi olla myrkyllistä vesieliöille suurina pitoisuuksina; metallin kierrätys ja päästöjen hallinta ovat siksi tärkeitä.
• Kierrätys: nikkeli on korkean taloudellisen arvonsa vuoksi hyvin kierrätetty, erityisesti ruostumattomasta teräksestä.

Historia ja talous

Nikkeli löydettiin 1700‑luvun puolivälissä; Wilhelm Hisinger ja Axel Fredrik Cronstedt liitetään usein nikkelin eristämiseen ja tunnistamiseen uudeksi metalliksi vuonna 1751. Nykyisin nikkelin kysyntä on vahassa yhteydessä ruostumattoman teräksen ja akkuteollisuuden kehitykseen, ja metallin markkinahinta on alttiina teollisuuden sykliin ja sähköajoneuvojen kasvavalle akkuvaatimukselle.

Yhteenvetona: nikkeli on monikäyttöinen ja teollisesti erittäin tärkeä siirtymämetalli, jolla on hyvät mekaaniset ominaisuudet, korroosionkestävyys ja merkittävä rooli moderneissa seoksissa, akuissa ja katalyytteina. Samaan aikaan nikkelin terveys- ja ympäristövaikutukset edellyttävät huolellista hallintaa ja kierrätystä.

Ominaisuudet

Fysikaaliset ominaisuudet

Nikkeli on hopeanvalkoinen metalli. Se on helposti kiillotettava (kiiltävä). Se on magneettinen. Se ei ole magneettinen, kun sitä kuumennetaan yli 355 °C (671 °F). Se ei ole pehmeää kuten monet muut metallit. Se voidaan helposti venyttää langoiksi. Se ei ole radioaktiivinen.

Kemialliset ominaisuudet

Nikkeli ei ole reaktiivinen metalli. Se liukenee hitaasti happoihin. Se ei ruostu kuten rauta. Se muodostaa ohuen nikkeli(II)oksidikerroksen, joka estää korroosiota. Alumiinilla on samanlainen vaikutus.

Kemialliset yhdisteet

Nikkeliä esiintyy kahdessa hapetusasteessa: +2, nikkeli(II), ja +3, nikkeli(III). Nikkeli(II) on yleisempi. Hapetusasteessa +2 oleva nikkeli on vihreää. Nikkeli(II)kloridi on yleinen +2 hapetusasteen yhdiste. Nikkeli(II)oksidi on yleensä tummanvihreä, mutta joskus se on harmaa. Tämä johtuu siitä, että osa nikkelistä on hapetusasteessa +3 (nikkeli(III)). Nikkeli(III)-yhdisteet ovat hapettavia aineita. Myös ne ovat harmahtavia. Nikkeliyhdisteet voivat olla vihreitä, sinisiä, harmaita tai mustia.

Nikkeli(II)-yhdisteet

Nikkeli(II)-yhdisteet eivät ole erittäin reaktiivisia. Ne ovat yleensä vihreitä tai sinisiä. Ne ovat myrkyllisiä ja ärsyttävät ihoa. Jotkut niistä ovat syöpää aiheuttavia.

• Nikkeli(II)karbonaatti, vihreä
• Nikkeli(II)kloridi, vihertävä
• Nikkeli(II)hydroksidi, vaaleanvihreä
• Nikkeli(II)nitraatti, vihertävä
• Nikkeli(II)oksidi, harmaa tai vaaleanvihreä
• Nikkeli(II)sulfaatti, sinivihreä

Nikkeli(III)-yhdisteet

Nikkeli(III)-yhdisteet ovat mustia tai harmaita.

• Nikkeli(III)oksidi

 
Nikkeli(II)kloridi  


Nikkeli(II)sulfaatti  

Esiintyminen

Nikkeliä ei tavallisesti esiinny metallina maaperässä. Joskus meteoriiteissa on nikkeliä ja rautametallia. Tavallisesti nikkeli on mineraaleissa. Yleisin nikkelimineraali on pentlandiitti. On olemassa sulfidisia ja lateriittisia nikkelimalmeja. Eniten nikkeliä louhitaan Filippiineillä. Muita suuria kaivosmaita ovat Venäjä, Kanada ja Australia.

Yleinen nikkelimalmi  

Käyttää

Kuusikymmentäkahdeksan prosenttia kaikesta tuotetusta nikkelistä käytetään ruostumattoman teräksen valmistukseen. Nikkeliä käytetään myös nikromissa, joka on nimi nikkeli-kromiseokselle, ja muissa seoksissa. Nikkeliä käytetään magneeteissa. Nikkeliä käytetään kalliissa erikoisseoksissa, joita kutsutaan superseoksiksi.

Nikkelisulfaattia käytetään ladattavissa paristoissa. Litiumioniakku sisältää jopa 15 % nikkeliä, kun taas litiumpitoisuus on alle 1 %. Myös nikkelikadmiumakussa käytetään nikkeliä. Nikkeliyhdisteitä käytetään myös nikkelin elektrolyyttiseen pinnoittamiseen esineisiin. Nikkeliä ja joitakin sen yhdisteitä käytetään myös katalysaattorina.

Ruostumattomasta teräksestä valmistettu pallo  

Hae kirjaimella