Níquel

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Níquel
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28 Ni

PD
Sistema periódico de elementos.28 Ni
Apariencia de una sustancia simple.
Muestra de níquel
Propiedades del átomo
Nombre, símbolo, número Níquel / Niccolum (Ni), 28
Grupo , período , bloque 10 (obsoleto 8), 4,
elemento d
Masa atómica
( masa molar )
58.6934(4) [1]  a. m.e.  ( g / mol )
Configuración electrónica [Ar] 3d 8 4s 2
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2
Radio del átomo 124 horas
Propiedades químicas
radio covalente 115  p. m.
Radio de iones (+2e) 69  h
Electronegatividad 1,91 (escala de Pauling)
Potencial de electrodo -0.25V
Estados de oxidación 0, +2, +3
Energía de ionización
(primer electrón)
736,2 (7,63)  kJ / mol  ( eV )
Propiedades termodinámicas de una sustancia simple.
Densidad (en n.a. ) 8,902 g/cm³
Temperatura de fusión 1726K (1453  ° C , 2647°F)
Temperatura de ebullición 3005K (2732  ° C , 4949°F)
Oud. calor de fusión 17,61 kJ/mol
Oud. calor de evaporacion 378,6 kJ/mol
Capacidad calorífica molar 26,1 [2]  J/(K mol)
Volumen molar 6,6  cm³ / mol
La red cristalina de una sustancia simple.
Estructura de celosía FCC cúbico
Parámetros de celosía 3,524  Å
Debye temperatura 375K  _
Otras características
Conductividad térmica (300 K) 90,9 W/(m·K)
número CAS 7440-02-0
isótopos de vida más larga
Isótopo Prevalencia
_
Media vida Canal de descomposición producto de descomposición
58 Ni 68.077% estable - -
59 Ni cantidades reastrables 7.6⋅10 4  años EZ 59Co_ _
60Ni _ 26,223% estable - -
61 Ni 1.140% estable - -
62 Ni 3.635% estable - -
63 Ni sintetizador 100 años β- _ 63 Cu
64 Ni 0.926% estable - -
28 Níquel
Ni58.6934
3d 8 4s 2

Níquel ( símbolo químico  - Ni , del lat.  Ni ccolum ) - un elemento químico del décimo grupo (según la clasificación obsoleta  - un subgrupo lateral del octavo grupo, VIIIB), el cuarto período del sistema periódico de elementos químicos de D. I. Mendeleev , con número atómico 28.

La sustancia simple níquel  es un metal de transición dúctil , maleable , de color blanco plateado . A temperaturas ordinarias en el aire, se cubre con una fina película de óxido . Químicamente inactivo.

Origen del nombre

El elemento obtuvo su nombre del nombre del espíritu de las montañas (cf. Níquel alemán   - travieso) de la mitología alemana, que "arrojaba" a los buscadores de cobre con un mineral rojo similar al mineral de cobre (ahora conocido como níquel ).

Historia

El níquel se descubrió en 1751. Sin embargo, mucho antes de eso, los mineros sajones conocían muy bien el mineral, que en apariencia se parecía al cobre y se usaba en la fabricación de vidrio para teñirlo de verde. Todos los intentos de obtener cobre de este mineral fueron infructuosos, y por lo tanto a fines del siglo XVII. el mineral se llamó Kupfernickel, que se traduce como "Cobre terco" o "Cobre travieso" [3] [4] [5] [6] . Ahora se sabe que el kupferníquel es un mineral de níquel  - arseniuro de níquel NiAs. Este mineral fue estudiado en 1751 por el mineralogista sueco A. Kronstedt . Consiguió obtener del mineral óxido verde y, mediante su reducción, un nuevo metal blanco, al que bautizó en honor al espíritu con el nombre del mineral - níquel [7] . En alemán moderno, "kupfernickel" se llama cuproníquel de aleación [8] .

Nikkel es una mala palabra en el lenguaje de los mineros. Se formó a partir de Nicolaus distorsionado, una palabra genérica que tenía varios significados. Pero principalmente la palabra Nicolás sirvió para caracterizar a las personas de dos caras; además, significaba "un pequeño espíritu travieso", "holgazán engañoso", etc. En la literatura rusa de principios del siglo XIX. se utilizaron los nombres "nikolan" (Sherer, 1808 y Zakharov, 1810), "nicol" y "nickel" (Dvigubsky, 1824).

Propiedades físicas

El níquel es un metal blanco plateado que no se deslustra cuando se expone al aire. Tiene una red cúbica centrada en las caras con un período a = 0.35238 nm, grupo espacial Fm3m . En su forma pura, es muy plástico y puede procesarse a presión. Es un ferroimán con un punto Curie de 358 °C.

Propiedades químicas

Los átomos de níquel tienen una configuración electrónica externa 3d 8 4s 2 . El estado de oxidación de Ni(II) es el más estable para el níquel .

El níquel forma compuestos con estados de oxidación +1, +2, +3 y +4. Al mismo tiempo, los compuestos de níquel con un estado de oxidación de +4 son raros e inestables [10] . El óxido de níquel Ni 2 O 3 es un agente oxidante fuerte.

El níquel se caracteriza por una alta resistencia a la corrosión: es estable en el aire , en el agua, en los álcalis y en varios ácidos [11] . La resistencia química se debe a su tendencia a la pasivación, la formación de una densa película de óxido en su superficie, que tiene un efecto protector. El níquel se disuelve activamente en ácido nítrico diluido :

y en sulfúrico concentrado caliente:

Con ácido clorhídrico y sulfúrico diluido, la reacción procede lentamente. El ácido nítrico concentrado pasiva el níquel, pero cuando se calienta, la reacción continúa [12] (el principal producto de la reducción del nitrógeno es el NO 2 ).

Con el monóxido de carbono CO, el níquel forma fácilmente el carbonilo volátil y altamente tóxico Ni(CO) 4 .

El polvo de níquel finamente disperso es pirofórico (se autoinflama en el aire).

El níquel se quema solo en forma de polvo. Forma dos óxidos NiO y Ni 2 O 3 y, respectivamente, dos hidróxidos Ni(OH) 2 y Ni(OH) 3 . Las sales de níquel solubles más importantes son acetato, cloruro, nitrato y sulfato. Las soluciones acuosas de sales suelen ser de color verde y las sales anhidras son de color amarillo o marrón amarillento. Las sales insolubles incluyen oxalato y fosfato (verde), tres sulfuros: NiS (negro), Ni 3 S 2 (bronce amarillento) y Ni 3 S 4 (blanco plateado). El níquel también forma numerosos compuestos complejos y de coordinación. Por ejemplo, el dimetilglioximato de níquel Ni(C 4 H 6 N 2 O 2 ) 2 , que da un color rojo claro en medios ácidos, se usa ampliamente en el análisis cualitativo para la detección de níquel.

Las soluciones acuosas de sales de níquel(II) contienen el ion hexaaquanickel(II) [Ni(H 2 O) 6 ] 2+ . Cuando se agrega una solución de amoníaco a una solución que contiene estos iones, precipita hidróxido de níquel (II), una sustancia gelatinosa de color verde. Este precipitado se disuelve cuando se le añade un exceso de amoníaco debido a la formación de iones hexaamina-níquel(II) [Ni(NH 3 ) 6 ] 2+ .

El níquel forma complejos con estructuras tetraédricas y cuadradas planas. Por ejemplo, el complejo tetracloroníquelato(II) [NiCl 4 ] 2− tiene una estructura tetraédrica, mientras que el complejo tetracianónicoquelato(II) [Ni(CN) 4 ] 2− tiene una estructura plana cuadrada.

En el análisis cualitativo y cuantitativo , se utiliza una solución alcalina de butanodioxima, también conocida como dimetilglioxima y reactivo de Chugaev , para detectar iones de níquel (II) . El hecho de que esta sustancia sea un reactivo para el níquel fue establecido en 1905 por L.A. Chugaev [13] [14] . Cuando interactúa con los iones de níquel (II), se forma un compuesto de coordinación rojo bis (butanodiondioximato) níquel (II). Es un compuesto quelato y el ligando butanodiondioximato es bidentado.

Estar en la naturaleza

El níquel es bastante común en la naturaleza: su contenido en la corteza terrestre es de aprox. 0,01% (masa). Se encuentra en la corteza terrestre sólo en forma ligada; los meteoritos de hierro contienen níquel nativo (del 5 al 25%). Su contenido en rocas ultrabásicas es aproximadamente 200 veces superior al de las ácidas (1,2 kg/t y 8 g/t). En las rocas ultramáficas, la cantidad predominante de níquel está asociada con olivinos que contienen 0,13 a 0,41 % de Ni. Reemplaza isomórficamente al hierro y al magnesio . Una pequeña proporción de níquel está presente como sulfuros . El níquel exhibe propiedades siderófilas y calcofílicas. Con un mayor contenido de azufre en el magma , aparecen sulfuros de níquel junto con cobre , cobalto , hierro y platinoides . En un proceso hidrotermal , junto con el cobalto, el arsénico y el azufre, ya veces con el bismuto , el uranio y la plata , el níquel forma concentraciones elevadas como arseniuros y sulfuros de níquel. El níquel se encuentra comúnmente en minerales de cobre y níquel que contienen sulfuro y arsénico.

En plantas, en promedio, 5⋅10 −5 por ciento en peso de níquel, en animales marinos - 1.6⋅10 −4 , en animales terrestres - 1⋅10 −6 , en el cuerpo humano - 1.2⋅10 −6 . Se sabe mucho sobre el níquel en los organismos. Se ha establecido, por ejemplo, que su contenido en la sangre humana cambia con la edad, que en los animales aumenta la cantidad de níquel en el cuerpo y, finalmente, que hay algunas plantas y microorganismos - "concentradores" de níquel, que contienen miles e incluso cientos de miles de veces más níquel que el medio ambiente.

Yacimientos de mineral de níquel

Los principales yacimientos de minerales de níquel se encuentran en Canadá , Rusia ( región de Murmansk, región de Norilsk, Ural , región de Voronezh [15] ), Sudáfrica, Albania, Grecia, Nueva Caledonia, Ucrania [16] y Cuba.

Indonesia tiene las mayores reservas de níquel del mundo (21 millones de toneladas). Produce la mayor cantidad de níquel por año (más de 340 mil toneladas) [17] .

Isótopos naturales de níquel

El níquel natural contiene 5 isótopos estables: 58 Ni (68,27 %), 60 Ni (26,10 %), 61 Ni (1,13 %), 62 Ni (3,59 %), 64 Ni (0,91 %). También hay isótopos de níquel creados artificialmente, los más estables son 59 Ni (vida media 100 mil años), 63 Ni (100 años) y 56 Ni (6 días).

Conseguir

Las reservas totales de níquel en minerales a principios de 1998 se estiman en 135 millones de toneladas, incluidas las confiables - 49 millones de toneladas. Los principales minerales de níquel - niquelina (kupfernickel) NiAs, millerita NiS, pentlandita (FeNi) 9 S 8  - también contienen arsénico , hierro y azufre; Las inclusiones de pentlandita también ocurren en la pirrotita ígnea . Otros minerales de los que también se extrae el Ni contienen impurezas de Co, Cu, Fe y Mg. A veces, el níquel es el producto principal del proceso de refinación, pero más a menudo se obtiene como subproducto en otras tecnologías de metales. De las reservas confiables, según diversas fuentes, del 40 al 66% del níquel se encuentra en "minerales de níquel oxidado" (ONR), el 33% - en sulfuro, el 0,7% - en otros. A partir de 1997, la proporción de níquel producido por el procesamiento de OHP fue de alrededor del 40% de la producción mundial. En condiciones industriales, OHP se divide en dos tipos: magnesiano y ferruginoso.

Los minerales refractarios de magnesio, por regla general, se someten a fundición eléctrica para obtener ferroníquel (5–50 % Ni + Co, según la composición de la materia prima y las características tecnológicas).

Los minerales más ferruginosos - lateríticos se procesan por métodos hidrometalúrgicos utilizando lixiviación con carbonato amónico o lixiviación en autoclave con ácido sulfúrico . Según la composición de la materia prima y los esquemas tecnológicos aplicados, los productos finales de estas tecnologías son: óxido de níquel (76–90 % Ni), sinterizado (89 % Ni), concentrados de sulfuro de diversas composiciones, así como níquel metálico electrolítico. , polvos de níquel y cobalto.

Los minerales de nontronita menos ferruginosos se funden en mata . En las empresas que operan en un ciclo completo, otro esquema de procesamiento incluye la conversión, la tostación de la mata y la fundición eléctrica del óxido de níquel para obtener níquel metálico. En el camino, el cobalto extraído se produce en forma de metal y/o sales [18] . Otra fuente de níquel: en las cenizas de los carbones de Gales del Sur en Inglaterra - hasta 78 kg de níquel por tonelada. El mayor contenido de níquel en algunos carbones, aceites y esquistos indica la posibilidad de concentración de níquel por materia orgánica fósil. Las razones de este fenómeno aún no han sido dilucidadas.

“Durante mucho tiempo, el níquel no se pudo obtener en forma plástica debido al hecho de que siempre tiene una pequeña mezcla de azufre en forma de sulfuro de níquel, ubicado en capas delgadas y quebradizas en los límites del metal. La adición de una pequeña cantidad de magnesio al níquel fundido convierte el azufre en un compuesto con magnesio, que se libera en forma de granos sin perturbar la plasticidad del metal” [19] .

La mayor parte del níquel se obtiene a partir de garnierita y piritas magnéticas.

  1. El mineral de silicato se reduce con polvo de carbón en hornos tubulares rotatorios a gránulos de hierro y níquel (5-8% Ni), que luego se purifican a partir de azufre, se calcinan y se tratan con una solución de amoníaco. Después de que la solución se acidifica, se obtiene un metal electrolíticamente a partir de ella.
  2. Método carbonilo (método Mond). Primero, se obtiene mata de cobre-níquel a partir de mineral de sulfuro, sobre el cual se pasa CO a alta presión. Se forma tetracarbonilníquel [Ni(CO)4] fácilmente volátil, cuya descomposición térmica produce un metal especialmente puro.
  3. Método aluminotérmico de recuperación de níquel del mineral de óxido: 3NiO + 2Al = 3Ni + Al 2 O 3

Aplicación

En 2015, el 67% del consumo de níquel fue para la producción de acero inoxidable, el 17% para aleaciones libres de hierro, el 7% para niquelado y el 9% para otras aplicaciones como baterías, pulvimetalurgia y productos químicos [20] .

Aleaciones

El níquel es la base de la mayoría de las superaleaciones  , materiales de alta temperatura utilizados en la industria aeroespacial para piezas de centrales eléctricas.

Niquelado

El niquelado  es la creación de una capa de níquel en la superficie de otro metal para protegerlo de la corrosión. Se lleva a cabo mediante galvanoplastia utilizando electrolitos que contienen sulfato de níquel (II), cloruro de sodio, hidróxido de boro, tensioactivos y sustancias brillantes y ánodos de níquel solubles. El espesor de la capa de níquel resultante es de 12 a 36 µm. La estabilidad del brillo de la superficie puede garantizarse mediante un cromado posterior (espesor de la capa de cromo: 0,3 micras).

El niquelado sin corriente se realiza en una solución de una mezcla de cloruro de níquel (II) e hipofosfito de sodio en presencia de citrato de sodio :

El proceso se lleva a cabo a pH 4-6 y 95 °C [21] .

Fabricación de baterías

Producción de baterías de hierro-níquel, níquel- cadmio , níquel-zinc, níquel-hidrógeno .

Tecnología química

Muchos procesos de ingeniería química utilizan níquel Raney como catalizador .

Tecnologías de radiación

El nucleido 63 Ni que emite partículas β tiene una vida media de 100,1 años y se utiliza en krytrons , así como detectores de captura de electrones (ECD) en cromatografía de gases.

Medicina

Acuñación

El níquel se usa ampliamente en la producción de monedas en muchos países [22] . En los Estados Unidos, la moneda de 5 céntimos se denomina coloquialmente " nickel " [23] .

Industria de la música

El níquel también se utiliza para la producción de bobinados de cuerdas para instrumentos musicales .

Precios del níquel

Durante 2012 los precios del níquel oscilaron entre $15.500 y $17.600 por tonelada.

En octubre de 2021, los precios en Shanghái alcanzaron los 24.067,64 dólares la tonelada y en Londres los 20.705 dólares la tonelada [24] .

Rol biológico

El níquel es uno de los oligoelementos necesarios para el desarrollo normal de los organismos vivos. Sin embargo, poco se sabe sobre su papel en los organismos vivos. Se sabe que el níquel participa en reacciones enzimáticas en animales y plantas. En los animales se acumula en los tejidos queratinizados, especialmente en las plumas.

En el siglo XX se descubrió que el páncreas es muy rico en níquel. Cuando se administra después de la insulina , el níquel prolonga la acción de la insulina y, por lo tanto, aumenta la actividad hipoglucemiante. El níquel afecta los procesos enzimáticos , la oxidación del ácido ascórbico , acelera la transición de los grupos sulfhidrilo a disulfuro.

Acción fisiológica

El níquel y sus compuestos son tóxicos y cancerígenos [25] [26] [27] [28] .

El níquel es el principal causante de alergias ( dermatitis de contacto ) a los metales que entran en contacto con la piel (joyas, relojes, tachuelas de vaqueros). El níquel fue nombrado alérgeno del año en 2008 por la Contact Dermatitis Society of America [29] . La Unión Europea ha restringido el contenido de níquel en los productos que entran en contacto con la piel humana [30] .

En Rusia, no existe una prohibición sobre el uso de níquel en joyería y equipos médicos debido a su inercia química [31] .

El níquel puede inhibir la acción de la adrenalina y disminuir la presión arterial. . La ingesta excesiva de níquel en el cuerpo causa vitíligo . El níquel se deposita en el páncreas y las glándulas paratiroides . .

El aumento del contenido de níquel en los suelos conduce a enfermedades endémicas: aparecen formas feas en las plantas y enfermedades oculares en los animales asociadas con la acumulación de níquel en la córnea. . Dosis tóxica (para ratas) - 50 mg . Particularmente dañinos son los compuestos volátiles de níquel, en particular, su tetracarbonilo Ni(CO) 4 . El MPC de los compuestos de níquel en el aire oscila entre 0,0002 y 0,001 mg/m 3 (para varios compuestos).

Notas

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg , Glenda O'Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Pesos atómicos de los elementos 2011 (Informe Técnico IUPAC  )  // Química Pura y Aplicada . - 2013. - Vol. 85 , núm. 5 . - P. 1047-1078 . -doi : 10.1351 / PAC-REP-13-03-02 .
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