28 Ni ニッケル 58.693
遷移金属 d-block Period 4 Group 10

ニッケル

Ni · Element 28 · Nickel group

Tough, corrosion-resistant and magnetic — and the second-biggest ingredient in stainless steel.

20°Cでの状態 固体
原子量 58.693 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ar] 3d⁸ 4s²

構造

ニッケル原子

環の上の点を示す図ではありません。占有された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

性質一覧

各バーは、その性質についてニッケルが118元素の中でどこに位置するかを示しています。

物理的

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%

同定

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 Handbook of Chemistry and Physics · NIST。~が付いた値は、測定値ではなく予測値です。

縮尺どおりの大きさ

How big is a ニッケル atom?

Radius 124 pm — that is 0.124 nm, so about 4032 million of them side by side would span a millimetre.

熱範囲

Solid, liquid, gas — and when

ニッケル is liquid over a 1458 K window, from 1728 K to 3186 K.

位置

表での位置

ニッケル sits in period 4, group 10. Everything in group 10 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

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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と汎用性に優れているため、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が、失望のあまり「kupfernickel」(オールド・ニックの銅)にちなんで名付けたこの元素は、現代技術に絶対不可欠なものとなっています。 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、鉱石中で似た外観を示すため、当初は銅と間違えられていました。ニッケルを本当に注目すべきものにしているのは、非常に優れた耐食性と、極端な温度でも強度を維持できる能力です。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。 ニッケルが絶対に不可欠な理由は、ステンレス鋼の主要成分だからです。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、台所の流し台から化学プラント、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用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、水素の気体を吸収する独特の能力があり、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を作る役割です。これらの「スマートメタル」は元の形を記憶し、加熱するとその形に戻るため、医療用ステント、眼鏡フレーム、航空宇宙用途に最適です。

The discovery of ニッケル

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、1751年に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るとき、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を「kupfernickel」(「悪魔の銅」の意味)と名付けました。銅鉱石に似ているにもかかわらず銅を生じず、精錬時に有毒なヒ素の煙を発生させたためです。

体系的な研究

Cronstedtの慎重な分析によって、kupfernickelには、それまで知られていた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、まず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作りました。

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、鉄道建設に続い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、鉄さびの影響を受けやすい鋼を耐食性合金へと変え、化学プラント、食品加工設備、建築上の優れた構造物を作ります。この汎用性の高い金属は、非常に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を可能にします。

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成形性を備えています。304形ステンレス鋼(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

ニッケル基超合金は、InconelやHastelloyのように、1000°Cを超える温度でも強度と耐酸化性を維持します。これらの合金は、極端な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、化学処理設備を可能にします。ニッケル超合金から鋳造された単結晶タービン翼によって、現代のエンジンはかつて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提供します。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、電子部品に耐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コーティングを形成するため、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:目に見えないところで広く活躍

  • 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
    • 台所の流し台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材
    • 船舶のプロペラ軸と継手
  • 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
    • 建物の外壁と外装システム
    • 建築用金具と設備
    • 橋の部品と構造要素
    • 屋根と雨どいのシステム

由来

天然での存在

84 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 81% of elements

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。地球の核にはかなりの濃度のニッケルが含まれています。一方、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、ニッケルが鉄・ニッケル核に集中しているため、これは地球全体における真の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・超苦鉄質火成岩に伴う硫化物鉱床に存在します。

主なニッケル鉱床

カナダ・オンタリオ州のサドベリー盆地は、18.5億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両方から金属が濃集しました。ロシアのノリリスク・タルナフは、大規模火成岩区の形成に伴うもう一つの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、高温多湿の環境で超苦鉄質岩が強い化学風化を受けることで形成されます。これらの鉱床は通常、酸化物鉱物とケイ酸塩鉱物中に1〜3%のニッケルを含み、特殊な乾式製錬または湿式製錬技術が必要です。

海底の可能性

海底塊状硫化物マンガン団塊は、陸上の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。深海採掘技術の開発はこれらの資源に注目していますが、環境面および技術面の課題は依然として大きいものです。

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、職場での総合的な管理が必要です。

健康への影響

ニッケルアレルギーは、宝飾品、衣服の留め具、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)は非常に有毒な気体で、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:ニッケル金属および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)—非常に有毒
  • 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ます

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ぎます。皮膚の保護と低アレルギー性の代替品は、敏感な人におけるニッケルアレルギーの発症予防に役立ちます。

簡単な回答

ニッケル:よくある質問

What is ニッケル?

ニッケル (symbol Ni) is element 28 on the periodic table, a 遷移金属 in period 4, group 10. Tough, corrosion-resistant and magnetic — and the second-biggest ingredient in stainless steel. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of ニッケル?

ニッケル's ground-state electron configuration is [Ar] 3d⁸ 4s², giving 4 occupied shells holding 2, 8, 16, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of ニッケル?

ニッケル melts at 1728 K (1454.9 °C) and boils at 3186 K (2912.9 °C).

What is the atomic mass of ニッケル?

The standard atomic weight of ニッケル is 58.693 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is ニッケル?

ニッケル has a density of 8.908 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of ニッケル is about 8.9× heavier.

What is the electronegativity of ニッケル?

ニッケル has a Pauling electronegativity of 1.91. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered ニッケル, and when?

ニッケル was discovered in 1751 by Axel Fredrik Cronstedt. It is named after german Kupfernickel, "devil's copper".

How common is ニッケル on Earth?

ニッケル makes up about 84 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.