28 Ni ニッケル 58.693
遷移金属 dブロック 4周期 10族

ニッケル

Ni · 元素 28 · 遷移金属

強く、耐食性があり、磁性を持つ元素です。そしてステンレス鋼の成分として2番目に多く使われています。

20°Cでの状態 固体
原子量 58.693 u
電子配置[Ar] 3d⁸ 4s²

構造

ニッケルの原子

リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

物性表

各バーは、その性質についてニッケルが118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。

物理的性質

密度 8.908 g/cm³ 57%
融点 1728 K 71%
沸点 3186 K 65%
比熱 0.444 J/g·K
熱伝導率 90.9 W/m·K 79%

原子

原子半径 124 pm 16%
共有結合半径 124 pm
ファンデルワールス半径 163 pm

電子

電気陰性度 1.91 65%
イオン化エネルギー 737.1 kJ/mol 58%
電子親和力 111.9 kJ/mol 75%

存在

地殻中の存在度 84 mg/kg 81%

同一性

元素記号Ni
原子番号28
原子量58.6934 u
分類遷移金属
ブロックd
結晶構造面心立方構造
酸化数-2, -1, 0, +1, +2, +3, +4
発見年1751
発見者Axel Fredrik Cronstedt

出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。

大きさ、実寸比

ニッケルの原子はどのくらいの大きさですか?

半径124 pmです。これは0.124 nmなので、約4.03百万個を横に並べると1ミリメートルになります。

熱範囲

固体、液体、気体—そしてそのとき

ニッケルは、1728 Kから3186 Kまでの1458 Kの範囲で液体です。

位置

表での位置

ニッケルは周期4、族10に位置します。 族10のすべての元素は最外殻電子数が同じであるため、非常によく似た性質を示します。

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物語

ニッケルとは何か、そしてどのように発見されたか

ニッケルは、現代社会を円滑に動かし続ける、強靭で耐食性に優れた金属です。この銀白色の遷移金属は非常に耐久性が高く用途も広いため、ポケットの硬貨から原子炉のステンレス鋼まで、あらゆるものに使われています。ニッケルを含む鉱石から銅を取り出せなかったドイツの鉱夫たちは、いら立ちのあまり、この元素を「kupfernickel」(老いたニックの銅)にちなんで名付けました。現在、ニッケルは現代技術に欠かせない存在となっています。 1751年にスウェーデンの化学者Axel Fredrik Cronstedtによって発見されたニッケルは、鉱石中での見た目が似ていたため、当初は銅と間違えられていました。ニッケルが本当に注目すべきなのは、並外れた耐食性と、極端な温度でも強度を保つ能力です。他の金属なら破壊される海水、酸、アルカリにも耐えられるため、海洋用途や化学処理に最適です。 ニッケルが欠かせない理由は次のとおりです。ニッケルはステンレス鋼の主要成分であり、オーステナイト系ステンレス鋼合金の8~12%を占めています。ニッケルがなければ、ステンレス鋼は耐食性を失い、もろくなります。つまりニッケルは、台所のシンクから化学工場、国際宇宙ステーションまで、私たちのインフラを文字どおり支えているのです。 ニッケルには興味深い磁気的性質もあります。鉄やコバルトと同じ強磁性体ですが、358°C(キュリー温度と呼ばれます)で磁性を失います。この性質は、自動温度制御装置や火災スプリンクラーシステムに利用されています。またニッケルには、水素ガスを吸収するという独特の能力があり、水素貯蔵や燃料電池への応用に役立ちます。 ニッケルの特に興味深い特徴の一つは、ニチノール(ニッケル・チタン)のような形状記憶合金の製造に使われることです。これらの「スマート金属」は元の形状を記憶し、加熱するとその形状に戻るため、医療用ステント、眼鏡フレーム、航空宇宙用途に最適です。

ニッケルの発見

人を惑わせた銅鉱石

Axel Fredrik Cronstedt(1722~1765)は、スウェーデンの鉱物学者で、kupfernickel鉱石(現在はニッケリン、NiAsとして知られています)から銅を取り出そうとしていた1751年にニッケルを発見しました。ドイツの鉱夫たちは、この厄介な鉱石が銅鉱石に似ているにもかかわらず銅を産出せず、製錬すると有毒なヒ素の煙を出したため、「kupfernickel」(「悪魔の銅」の意味)と名付けました。

系統的な調査

Cronstedtの慎重な分析により、kupfernickelには、既知のすべての元素とは異なる性質を持つ、未知の白色金属が含まれていることが明らかになりました。彼の分離技術では、鉱石を焙焼してヒ素を除去し、その後、得られた酸化物を木炭で還元して金属ニッケルを製造しました。

産業の発展

商業的なニッケル生産は、1860年代にニューカレドニアのラテライト処理技術が開発されたことで始まりました。1883年、鉄道建設に伴ってサドベリー鉱床が発見されると、ニッケルは実験室の珍しい物質から戦略的な工業材料へと変わり、ステンレス鋼の開発と現代冶金を可能にしました。

用途

ニッケルの用途

ニッケル:腐食と戦う金属

ニッケルは、鋼をさびやすい鉄から、化学工場、食品加工設備、建築上の傑作を造る耐食性合金へと変えます。この用途の広い金属は、優れた化学的安定性によって、最小の電子部品から最大の産業インフラまで実現しています。

ステンレス鋼の改良

オーステナイト系ステンレス鋼は8~12%のニッケルを含み、フェライト系鋼種と比べて優れた耐食性と加工性を備えています。304型ステンレス鋼(クロム18%、ニッケル8%)は、食品加工、製薬、建築用途で広く使われています。二相ステンレス鋼はニッケルによってフェライト相とオーステナイト相のバランスを取り、海洋用途や化学用途で優れた強度と耐食性を実現します。

超合金への応用

インコネルやハステロイなどのニッケル基超合金は、1000°Cを超える温度でも強度と耐酸化性を維持します。これらの合金により、極限条件下で作動するジェットエンジンの高温部、ガスタービン部品、化学処理設備が可能になります。ニッケル基超合金から鋳造された単結晶タービン翼によって、現代のエンジンは前例のない効率と信頼性を実現しています。

電池技術

ニッケル水素(NiMH)電池はToyota Priusのようなハイブリッド車に電力を供給し、優れたサイクル寿命を持つ信頼性の高いエネルギー貯蔵を実現します。リチウムイオン電池では、電気自動車用途において、コバルトへの依存を減らしながらエネルギー密度を高めるため、ニッケルを多く含む正極(NCM 811:ニッケル80%、コバルト10%、マンガン10%)がますます使われています。

電気めっきとコーティング

ニッケル電気めっきは、自動車部品、配管器具、電子部品に防食性と装飾仕上げを与えます。無電解ニッケルめっきは、電気接続なしで複雑な形状にも均一な被膜を形成でき、コンピューターのハードディスク、航空宇宙部品、精密計測機器に不可欠です。

ニッケル:見えないところでも活躍

  • キッチンと食品サービス
    • ステンレス製の調理器具と食器
    • レストラン設備と食品加工機械
    • 台所のシンクと業務用食品調理台
    • 飲料の醸造・蒸留設備
  • 輸送
    • ハイブリッド車の電池システム(Toyota Prius、Honda Insight)
    • ステンレス製排気システム
    • 航空機エンジンの部品と構造体
    • 船舶のプロペラ軸と金具
  • 電子機器と技術
    • コンピューターのハードディスク部品
    • スマートフォンと電子機器の筐体
    • 充電式電池システム
    • プリント基板部品
  • 化学産業
    • 化学処理設備と反応器
    • 石油精製用触媒担体
    • 医薬品製造設備
    • 産業用配管と貯蔵システム
  • 建設と建築
    • 建物のファサードと外装システム
    • 建築用金具と設備
    • 橋梁部品と構造要素
    • 屋根と雨どいのシステム

起源

自然界での存在

地殻に84 mg/kg存在し、81%の元素より存在度が高い

ニッケル:隕石から地球まで

ニッケルは主に、恒星内元素合成の際の中性子捕獲過程によって形成され、鉄隕石中で最も存在度の高い元素の一つです。地球の核には大量のニッケルが含まれており、地殻中のニッケルは、原始的な蓄積と後の隕石衝突の両方に由来します。

地球上での分布

地球の地殻には約90 ppmのニッケルが含まれていますが、鉄・ニッケル核に集中しているため、惑星全体における真のニッケル存在度を大幅に過小評価しています。地表のニッケルは主に、熱帯の風化によって形成されたラテライト鉱床と、苦鉄質・超苦鉄質火成岩に関連する硫化物鉱床に存在します。

主要なニッケル鉱床

カナダのオンタリオ州にあるサドベリー盆地は、18億5000万年前の隕石衝突によって形成され、世界有数のニッケル・銅・白金族元素鉱床を含んでいます。衝突によって既存の岩石が溶融し、地球由来の物質と衝突した隕石の双方から金属が濃集しました。ロシアのノリリスク・タルナフも、大規模火成岩区の形成に関連する主要な硫化物鉱床です。

ラテライト資源

ニューカレドニア、フィリピン、インドネシアの熱帯ラテライト鉱床は、高温多湿の条件下で超苦鉄質岩が激しく化学風化することで形成されます。これらの鉱床には通常、酸化物鉱物やケイ酸塩鉱物中に1~3%のニッケルが含まれており、特殊な乾式製錬または湿式製錬の処理技術が必要です。

海底の可能性

海底塊状硫化物とマンガン団塊は、陸上鉱床が枯渇するにつれて、新たなニッケル資源となる可能性があります。深海採鉱技術の開発はこれらの資源に重点を置いていますが、環境面と技術面の課題は依然として大きいままです。

取り扱い

安全性

ニッケルの安全性:アレルギーと発がん性に関する懸念

ニッケルは最も一般的な金属アレルゲンであり、宝飾品や職業上の曝露を通じて、女性の10〜15%、男性の2〜5%に影響を及ぼします。一部のニッケル化合物には発がん性のリスクもあり、包括的な職場管理が必要です。

健康への影響

ニッケルアレルギーは、宝飾品、衣類の留め具、職業上の曝露によって接触皮膚炎を引き起こします。ニッケルカルボニル(Ni(CO)₄)は極めて毒性の強い気体で、低濃度でも肺水腫や死亡を引き起こす可能性があります。硫化ニッケルと酸化ニッケルはヒトに対する発がん物質に分類され、主に職業上曝露した作業者に肺がんや鼻腔がんを引き起こします。

曝露限界

  • OSHA PEL:ニッケル金属と可溶性化合物について1 mg/m³(8時間TWA)
  • NIOSH REL:ニッケルおよびその化合物について0.015 mg/m³(10時間TWA)
  • ニッケルカルボニル:0.001 ppm(8時間TWA)—極めて毒性が強い
  • 発がん性ニッケル化合物:工学的管理によって曝露を最小限に抑える

安全対策

個人用保護具、局所排気換気、健康監視によって、ニッケルに関連する健康影響を防止できます。皮膚の保護と低アレルギー性の代替品は、敏感な人がニッケルアレルギーを発症するのを防ぐのに役立ちます。

簡単な回答

ニッケル:よくある質問

ニッケルとは何ですか?

ニッケル(記号Ni)は周期表の元素28で、4周期、10族の遷移金属です。 強く、耐食性があり、磁性を持つ元素です。そしてステンレス鋼の成分として2番目に多く使われています。 室温では固体です。

ニッケルの電子配置はどのようなものですか?

ニッケルの基底状態の電子配置は[Ar] 3d⁸ 4s²で、2, 8, 16, 2という分布の電子殻が4個あります。

ニッケルの融点と沸点は何ですか?

ニッケルの融点は1728 K(1454.9 °C)、沸点は3186 K(2912.9 °C)です。

ニッケルの原子量は何ですか?

ニッケルの標準原子量は58.693 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。

ニッケルの密度はどのくらいですか?

ニッケルの密度は8.908 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、ニッケルの塊は約8.9倍重いです。

ニッケルの電気陰性度はどのくらいですか?

ニッケルのポーリング電気陰性度は1.91です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 この中間の範囲の値では、強いイオン結合よりも共有結合を形成する傾向があります。

ニッケルを発見したのは誰で、いつですか?

ニッケルは1751年にAxel Fredrik Cronstedtによって発見されました。 ドイツ語のKupfernickel、「悪魔の銅」にちなんで名付けられました。

地球上でニッケルはどのくらい一般的ですか?

地球の地殻におけるニッケルの割合は約84 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。