Ni · Elemento 28 · Metallo di transizione
Tenace, resistente alla corrosione e magnetico — e il secondo ingrediente più importante dell'acciaio inossidabile.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca nichel tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 124 pm — cioè 0,124 nm, quindi ne servirebbero circa 4,03 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Nichel è liquido in un intervallo di 1458 K, da 1728 K a 3186 K.
Dove si trova
Nichel si trova nel periodo 4, gruppo 10. Tutti gli elementi del gruppo 10 hanno lo stesso numero di elettroni esterni, per questo si comportano in modo così simile.
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Tutti i metalli di transizioneLa storia
Il nichel è il metallo tenace e resistente alla corrosione che fa funzionare senza intoppi il mondo moderno. Questo metallo di transizione bianco-argenteo è così durevole e versatile da essere usato in tutto, dalle monete che tenete in tasca all'acciaio inossidabile dei reattori nucleari. Chiamato "kupfernickel" (il rame del vecchio Nick) da frustrati minatori tedeschi che non riuscivano a estrarre il rame dai minerali contenenti nichel, questo elemento è diventato assolutamente indispensabile per la tecnologia moderna. Scoperto nel 1751 dal chimico svedese Axel Fredrik Cronstedt, il nichel fu inizialmente scambiato per rame a causa del suo aspetto simile nei minerali. Ciò che rende il nichel davvero straordinario è la sua eccezionale resistenza alla corrosione e la capacità di mantenere la propria resistenza a temperature estreme. Può sopportare acqua di mare, acidi e alcali che distruggerebbero altri metalli, rendendolo perfetto per le applicazioni marine e la lavorazione chimica. Ecco cosa rende il nichel assolutamente essenziale: è l'ingrediente chiave dell'acciaio inossidabile, costituendo l'8-12% delle leghe di acciaio inossidabile austenitico. Senza nichel, l'acciaio inossidabile perderebbe la sua resistenza alla corrosione e diventerebbe fragile. Ciò significa che il nichel sostiene letteralmente le nostre infrastrutture: dai lavelli da cucina agli impianti chimici fino alla Stazione Spaziale Internazionale. Il nichel possiede anche affascinanti proprietà magnetiche. È ferromagnetico come il ferro e il cobalto, ma perde il magnetismo a 358°C (la cosiddetta temperatura di Curie). Questa proprietà viene utilizzata nei controlli automatici della temperatura e nei sistemi antincendio a sprinkler. Il nichel ha inoltre la capacità unica di assorbire il gas idrogeno, risultando utile per lo stoccaggio dell'idrogeno e nelle applicazioni delle celle a combustibile. Una delle caratteristiche più interessanti del nichel è il suo ruolo nella produzione di leghe a memoria di forma come il Nitinol (nichel-titanio). Questi "metalli intelligenti" possono ricordare la loro forma originale e tornarvi quando vengono riscaldati, rendendoli perfetti per stent medicali, montature per occhiali e applicazioni aerospaziali.
Axel Fredrik Cronstedt (1722-1765), mineralogista svedese, scoprì il nichel nel 1751 mentre tentava di estrarre il rame dal minerale kupfernickel (oggi noto come nichelina, NiAs). I minatori tedeschi avevano chiamato questo minerale problematico "kupfernickel" (che significa "rame del diavolo") perché assomigliava al minerale di rame, ma non produceva rame e liberava fumi tossici di arsenico durante la fusione.
L'accurata analisi di Cronstedt rivelò che il kupfernickel conteneva un metallo bianco precedentemente sconosciuto, con proprietà diverse da quelle di tutti gli elementi noti. Le sue tecniche di isolamento prevedevano l'arrostimento del minerale per rimuovere l'arsenico, seguito dalla riduzione dell'ossido risultante con carbone per produrre nichel metallico.
La produzione commerciale di nichel iniziò negli anni 1860 con lo sviluppo della lavorazione delle lateriti della Nuova Caledonia. La scoperta dei depositi di Sudbury nel 1883, avvenuta in seguito alla costruzione della ferrovia, trasformò il nichel da curiosità di laboratorio a materiale industriale strategico, rendendo possibile lo sviluppo dell'acciaio inossidabile e della metallurgia moderna.
Applicazioni
Il nichel trasforma l'acciaio, ottenuto dal ferro soggetto alla ruggine, in leghe resistenti alla corrosione con cui si costruiscono impianti chimici, attrezzature per la lavorazione degli alimenti e meraviglie architettoniche. Questo metallo versatile rende possibili sia i più piccoli componenti elettronici sia le più grandi infrastrutture industriali grazie alla sua straordinaria stabilità chimica.
Gli acciai inossidabili austenitici contenenti l'8-12% di nichel offrono una resistenza alla corrosione e una formabilità superiori rispetto ai gradi ferritici. L'acciaio inossidabile di tipo 304 (18% di cromo, 8% di nichel) è predominante nelle applicazioni alimentari, farmaceutiche e architettoniche. Gli acciai inossidabili duplex usano il nichel per bilanciare gli stati ferritico e austenitico, ottenendo resistenza e resistenza alla corrosione eccezionali per applicazioni marine e chimiche.
Le superleghe a base di nichel come Inconel e Hastelloy mantengono la resistenza e la resistenza all'ossidazione a temperature superiori a 1000°C. Queste leghe rendono possibili le sezioni calde dei motori a reazione, i componenti delle turbine a gas e le apparecchiature per la lavorazione chimica che operano in condizioni estreme. Le pale delle turbine a cristallo singolo fuse con superleghe di nichel consentono ai motori moderni di raggiungere efficienza e affidabilità senza precedenti.
Le batterie al nichel-metallo idruro (NiMH) alimentano veicoli ibridi come la Toyota Prius, offrendo un accumulo energetico affidabile con un'eccellente durata ciclica. Le batterie agli ioni di litio usano sempre più spesso catodi ricchi di nichel (NCM 811: 80% di nichel, 10% di cobalto, 10% di manganese) per migliorare la densità energetica riducendo al contempo la dipendenza dal cobalto nelle applicazioni dei veicoli elettrici.
La nichelatura elettrolitica offre protezione dalla corrosione e finiture decorative per componenti automobilistici, rubinetteria e componenti elettronici. La nichelatura chimica crea rivestimenti uniformi su geometrie complesse senza collegamenti elettrici, essenziali per i dischi rigidi dei computer, i componenti aerospaziali e la strumentazione di precisione.
Da dove proviene
84 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 81% degli elementi
Il nichel si forma principalmente attraverso processi di cattura dei neutroni durante la nucleosintesi stellare e rappresenta uno degli elementi più abbondanti nei meteoriti ferrosi. Il nucleo terrestre contiene concentrazioni significative di nichel, mentre il nichel della crosta deriva sia dall'accumulo primordiale sia dal successivo bombardamento meteoritico.
La crosta terrestre contiene circa 90 parti per milione di nichel, sebbene ciò sottostimi notevolmente la reale abbondanza planetaria del nichel a causa della sua concentrazione nel nucleo ferro-nichel. Il nichel superficiale si trova principalmente in depositi lateritici formati dall'alterazione tropicale e in depositi di solfuri associati a rocce ignee mafiche e ultramafiche.
Il bacino di Sudbury in Ontario, Canada, formatosi dall'impatto di un meteorite 1,85 miliardi di anni fa, contiene depositi di nichel-rame-elementi del gruppo del platino di livello mondiale. L'impatto fuse le rocce esistenti e concentrò i metalli provenienti sia dalle fonti terrestri sia dal meteorite impattante. Norilsk-Talnakh in Russia rappresenta un altro importante deposito di solfuri associato alla formazione di una grande provincia ignea.
I depositi lateritici tropicali in Nuova Caledonia, Filippine e Indonesia si formano attraverso l'intensa alterazione chimica delle rocce ultramafiche in condizioni calde e umide. Questi depositi contengono tipicamente l'1-3% di nichel in minerali ossidati e silicatici e richiedono tecniche specializzate di lavorazione pirometallurgica o idrometallurgica.
I solfuri massivi dei fondali marini e i noduli di manganese rappresentano risorse emergenti di nichel, mentre i depositi terrestri si esauriscono. Lo sviluppo delle tecnologie per l'estrazione in acque profonde si concentra su queste risorse, sebbene restino significative difficoltà ambientali e tecniche.
Manipolazione
Il nichel è l'allergene metallico più comune e colpisce il 10-15% delle donne e il 2-5% degli uomini attraverso gioielli ed esposizione professionale. Alcuni composti del nichel presentano inoltre rischi cancerogeni che richiedono controlli completi sul luogo di lavoro.
L'allergia al nichel causa dermatite da contatto dovuta a gioielli, chiusure degli indumenti ed esposizione professionale. Il carbonile di nichel (Ni(CO)₄) è un gas estremamente tossico che può causare edema polmonare e morte a basse concentrazioni. I solfuri e gli ossidi di nichel sono classificati come cancerogeni per l'uomo e causano principalmente tumori polmonari e nasali nei lavoratori esposti professionalmente.
I dispositivi di protezione individuale, la ventilazione mediante aspirazione locale e la sorveglianza medica prevengono gli effetti sulla salute legati al nichel. La protezione della pelle e le alternative ipoallergeniche aiutano a prevenire lo sviluppo dell'allergia al nichel nelle persone sensibili.
Risposte rapide
Nichel (simbolo Ni) è l'elemento 28 nella tavola periodica, appartenente a Metallo di transizione nel periodo 4, gruppo 10. Tenace, resistente alla corrosione e magnetico — e il secondo ingrediente più importante dell'acciaio inossidabile. A temperatura ambiente è un solido.
[Ar] 3d⁸ 4s², con 4 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 16, 2.Nichel fonde a 1728 K (1454.9 °C) ed entra in ebollizione a 3186 K (2912.9 °C).
La massa atomica standard di Nichel è 58.693 u. Si tratta di una media ponderata dei suoi isotopi presenti in natura, per questo raramente è un numero intero.
Nichel ha una densità di 8.908 g/cm³. L'acqua ha una densità di 1.0 g/cm³, quindi un blocco di Nichel è circa 8.9× più pesante.
Nichel ha un'elettronegatività di Pauling pari a 1.91. La scala va da 0.70 (francio, il meno incline ad attirare elettroni) a 3.98 (fluoro, il più incline). I valori in questa fascia intermedia tendono a formare legami covalenti anziché legami fortemente ionici.
Nichel è stato scoperto nel 1751 da Axel Fredrik Cronstedt. Prende il nome da tedesco Kupfernickel, "rame del diavolo".
Nichel costituisce informazioni 84 mg/kg della crosta terrestre: è poco comune, ma non raro.