元素

28 镍 硬币的元素

镍是一种非常耐腐蚀的金属,广泛用于制造各种耐腐蚀合金以及电镀工艺,大量闪闪发光的硬币都是用镍合金制作的。氢氧化氧镍也在电池正极材料领域发挥着重要的用途。此外,镍还具有重要的生理功能,是人体必须的微量元素,但同时过量的镍也具有一定的危害性,在使用时需注意安全,防止过敏。

镍的基本物理性质

分类 过渡金属
原子序号原子量 58.69
电子配置 3d84s2
密度 8902kg / m 
熔点 1453°C
沸点 2732°C
形状 银白色金属
发现者 Alex Fredrik Cronstedt
主要的同位素 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni, 64Ni
用途例 磁性材料、电池正极材料(氢氧化氧镍)、电镀、耐腐蚀合金
前后的元素 钴-镍-铜

镍的发现

是一种使用历史非常悠久的元素,在人类物质文明发展过程中起着重要作用。由于镍和铁的熔点较接近,镍曾被古人误认为是高质量的铁。在古代,中国、埃及和巴比伦人都曾用含镍很高的陨铁制作器物,另外由于镍不生锈,这种金属也被秘鲁土著人看做是银。白即铜镍合金早在公元前200年就被我国古人发明和使用了。

1751年,瑞典科学家Alex Fredrik Cronstedt研究一种新的“包含铜的钴矿”(红镍矿(NiAs))时,他提取并分离出了一种新的金属,并于1754年宣布并命名为nickel(镍)。镍的名字来源于德国矿工神话中的恶魔“老尼克”。但是Cronstedt提取的镍并不纯净,直到1775年,纯净的镍才被Torbern Bergman制取,这才确认了它是一种元素。[1]

镍单质和红砷镍矿

工业中的镍

镍具有非常优良的抗氧化,抗腐蚀特性,因此,它是一种制造耐腐蚀合金的重要原料。镍被广泛用于加工制造不锈钢,这一行业消耗了大量的镍矿石,全球2/3的初级镍矿都用于不锈钢的生产。含镍的不锈钢既能抵抗大气、蒸汽和水的腐蚀,又能耐酸、碱、盐的腐蚀,故被广泛地应用于化工、冶金、建筑等行业,如制作石油化工、纺织、轻工、核能等工业中要求焊接的容器、塔、槽、管道等以及制造尿素生产中的合成塔、洗涤塔、冷凝塔、汽提塔等耐蚀高压设备。根据含镍比例不同,含镍不锈钢主要分又可分为:奥氏体不锈钢,奥氏体-铁素体双相不锈钢,沉淀硬化不锈钢。[2]

镍的能提高合金的强度,保持其良好的塑性和韧性。含镍合金主要应用于制造化工生产上的耐酸塔、医疗器械,日常用品,及用于改造桥梁、修造军舰等。此外,镍也被用于制造记忆合金,镍-钛合金是最为重要的记忆合金,在航空航天等领域发挥着重要的用途。

由于镍具有很好的抗腐蚀性,所以它也是电镀领域一种非常重要材料,镀镍层的抗腐蚀性能通常比镀锌层的抗腐蚀性能高20%-25%以上。电镀镍层在空气中的稳定性很高,结晶极其细小,并且具有优良的抛光性能,镀层硬度比较高可以提高制品表面的耐磨性,广泛应用于光学仪器镀覆,防护装饰性镀层,铸造结晶器电子元件等。很多硬币表面都镀有镍,或者用镍合金制作。[3]

镍钛记忆合金 含有镍镀层的电镀制品镍合金

 

镍的化合物也具有非常广泛的用途,氢氧化氧镍是一种非常重要的电池正极材料,主要用于镍镉电池和镍氢电池。镍镉电池具有较高的能量密度和不错的循环性能,在高温环境下表现良好,但是由于镉的毒性以及电池具有记忆效应,已经快被淘汰了。镍氢电池无毒绿色无污染,电池储量比镍镉电池多30%,而且比镍镉电池更轻,使用寿命更长,但是它价格比镍镉电池要昂贵。目前镍氢电池主要应用于移动通讯,笔记本等领域。[4]

镍氢电池与镍镉电池

除此之外,镍以及镍的化合物也是重要的催化剂,在工业催化以及催化前沿都发挥着重要的作用。

 

五颜六色的镍离子

由于镍具有很多的价电子,因此它具有很多价态,当不同价态的镍离子和不同的配体结合时,会形成众多的配合物,这些配合物都具有很多不同的颜色。[5]


[Ni(NH3)6]2+, [Ni(C2H4(NH2)2)]2+, [NiCl4]2−, [Ni(H2O)6]2+的溶液

含结晶水的硫酸镍锑化镍

 

镍的生理功能及毒性

是人体必需的生命元素,它在人体内含量极微,正常情况下,成人体内含镍约10mg,血液中正常浓度为0.11μg/ ml。在激素作用和生物大分子的结构稳定性上及新陈代谢过程中都有镍的参与,人体对镍的日需要量为0.3mg。镍缺乏可能会导致糖尿病、贫血、肝硬化、尿毒症以及磷脂质代谢异常等病症。

但镍同时也是最常见的致敏性金属,约有20%左右的人对镍离子过敏,在与人体接触时,镍离子可以通过毛孔和皮脂腺渗透到皮肤里面去,从而引起皮肤过敏发炎,其临床表现为瘙痒、丘疹性或丘疹水泡性皮炎和湿疹,伴有苔藓化。一旦出现致敏症状,镍过敏能无限期持续。因此在生产生活中,应避免长时间与含镍物质接触。此外,镍也可能是白血病的致病因素之一。白血病人血清中镍含量是健康人的2-5倍,且患病程度与血清中镍的含量明显相关。故测定血清中镍含量可以作为诊断白血病的辅助指标。[6]

 

参考文献

[1]Weeks, Mary Elvira (1932). “The discovery of the elements: III. Some eighteenth-century metals”. Journal of Chemical Education. 9: 22. Bibcode:1932JChEd…9…22Wdoi:10.1021/ed009p22

[2]avis, Joseph R. (2000). “Uses of Nickel”. ASM Specialty Handbook: Nickel, Cobalt, and Their Alloys. ASM International. pp. 7–13. ISBN 978-0-87170-685-0.

[3] baike.asianmetal.cn/metal/ni/application.shtml

[4]程少群. 化学电源 [M]. 北京:化学工业出版社, 2008.

[5] Lascelles, Keith; Morgan, Lindsay G.; Nicholls, David and Beyersmann, Detmar (2005) “Nickel Compounds” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim. doi:10.1002/14356007.a17_235.pub2

[6] http://baike.asianmetal.cn/metal/ni/health.shtml

 

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