28 Ni 镍 58.693
过渡金属 d区 第4周期 第10族

镍

Ni · 元素28 · 过渡金属

坚韧、耐腐蚀且具有磁性——也是不锈钢中含量第二高的成分。

20°C时的状态 固态
原子量 58.693 u
电子排布[Ar] 3d⁸ 4s²

结构

镍原子

这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

属性表

每个条形图显示镍在全部118种元素中该属性所处的位置。

物理

密度 8.908 g/cm³ 57%
熔点 1728 K 71%
沸点 3186 K 65%
比热容 0.444 J/g·K
热导率 90.9 W/m·K 79%

原子

原子半径 124 pm 16%
共价半径 124 pm
范德华半径 163 pm

电子

电负性 1.91 65%
电离能 737.1 kJ/mol 58%
电子亲和能 111.9 kJ/mol 75%

存在情况

地壳中的丰度 84 mg/kg 81%

身份

符号Ni
原子序数28
原子量58.6934 u
类别过渡金属
区d
晶体结构面心立方
氧化态-2, -1, 0, +1, +2, +3, +4
发现1751
发现者Axel Fredrik Cronstedt

来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。

尺寸,按比例显示

镍的原子有多大?

半径124 pm——即0.124 nm,因此大约4.03百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。

温度范围

固态、液态、气态——以及转变时机

镍在1458 K的范围内呈液态,温度从1728 K到3186 K。

所在位置

在表中的位置

镍位于第4周期、第10族。 第10族中的所有元素具有相同的最外层电子数,因此它们的性质非常相似。

其他过渡金属

所有过渡金属

背后的故事

镍是什么,以及我们如何发现它

镍是一种坚韧、耐腐蚀的金属,让现代世界顺畅运转!这种银白色过渡金属非常耐用且用途广泛,从你口袋里的硬币到核反应堆中的不锈钢,几乎无处不在。德国矿工无法从含镍矿石中提取铜,因而沮丧地以“kupfernickel”(老尼克的铜)为镍命名;如今,这种元素已成为现代技术不可或缺的一部分。 1751年,瑞典化学家Axel Fredrik Cronstedt发现了镍。由于镍在矿石中的外观与铜相似,最初被误认为是铜。镍真正非凡之处在于其出色的耐腐蚀性,以及在极端温度下保持强度的能力。它能够承受会摧毁其他金属的海水、酸和碱,因此非常适合海洋应用和化学加工。 镍之所以不可或缺,关键在于它是不锈钢的重要成分,占奥氏体不锈钢合金的8-12%。没有镍,不锈钢会失去耐腐蚀性并变脆。这意味着镍实际上支撑着我们的基础设施——从厨房水槽,到化工厂,再到国际空间站! 镍还具有迷人的磁性。它像铁和钴一样具有铁磁性,但在358°C时会失去磁性,这一温度称为居里温度。这种性质被用于自动温度控制装置和消防喷淋系统。镍还具有吸收氢气的独特能力,因此可用于储氢和燃料电池应用。 镍最酷的用途之一,是制造镍钛合金等形状记忆合金。这些“智能金属”能够记住原来的形状,并在受热时恢复该形状,因此非常适合用于医疗支架、眼镜框和航空航天领域。

镍的发现

具有欺骗性的铜矿石

Axel Fredrik Cronstedt(1722-1765)是一位瑞典矿物学家,他于1751年在尝试从kupfernickel矿石中提取铜时发现了镍。kupfernickel矿石现在称为砷镍矿(NiAs)。德国矿工将这种令人困扰的矿石命名为“kupfernickel”(意为“魔鬼的铜”),因为它看起来像铜矿石,却无法产出铜,冶炼时还会产生有毒的砷烟。

系统研究

Cronstedt的细致分析表明,kupfernickel含有一种此前未知的白色金属,其性质不同于所有已知元素。他的分离技术包括焙烧矿石以除去砷,然后用木炭还原所得氧化物,制得金属镍。

工业发展

19世纪60年代,随着新喀里多尼亚红土矿加工技术的发展,商业化镍生产开始。1883年铁路建设后发现萨德伯里矿床,使镍从实验室中的新奇物质转变为战略性工业材料,并推动了不锈钢的发展和现代冶金学的进步。

用途

镍的用途

镍:对抗腐蚀的金属

镍将容易生锈的铁转变为耐腐蚀合金,用于建造化工厂、食品加工设备和建筑杰作。这种用途广泛的金属凭借显著的化学稳定性,既支持最小型的电子元件,也支持规模最大的工业基础设施。

增强不锈钢性能

含8-12%镍的奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢相比,具有更优异的耐腐蚀性和成形性。304型不锈钢(18%铬,8%镍)广泛用于食品加工、制药和建筑领域。双相不锈钢利用镍平衡铁素体和奥氏体状态,从而在海洋和化学应用中获得出色的强度与耐腐蚀性。

高温合金应用

Inconel和Hastelloy等镍基高温合金能够在超过1000°C的温度下保持强度和抗氧化性。这些合金使喷气发动机高温部件、燃气轮机部件以及在极端条件下运行的化学加工设备成为可能。由镍基高温合金铸造的单晶涡轮叶片,使现代发动机达到前所未有的效率和可靠性。

电池技术

镍氢(NiMH)电池为Toyota Prius等混合动力汽车提供动力,具有可靠的储能能力和出色的循环寿命。锂离子电池越来越多地采用富镍正极材料(NCM 811:80%镍,10%钴,10%锰),以提高能量密度,同时减少电动汽车应用对钴的依赖。

电镀和涂层

镍电镀为汽车零部件、管道配件和电子元件提供防腐保护和装饰性表面。化学镀镍无需电连接即可在复杂几何形状表面形成均匀涂层,这对计算机硬盘、航空航天部件和精密仪器至关重要。

镍:无处不在却不易察觉

  • 厨房和餐饮服务
    • 不锈钢炊具和餐具
    • 餐厅设备和食品加工机械
    • 厨房水槽和商业食品准备台面
    • 饮料酿造和蒸馏设备
  • 交通运输
    • 混合动力汽车电池系统(Toyota Prius、Honda Insight)
    • 不锈钢排气系统
    • 飞机发动机部件和结构
    • 船用螺旋桨轴和配件
  • 电子产品和技术
    • 计算机硬盘部件
    • 智能手机和电子设备外壳
    • 可充电电池系统
    • 印刷电路板元件
  • 化学工业
    • 化学加工设备和反应器
    • 石油精炼催化剂载体
    • 制药设备
    • 工业管道和储存系统
  • 建筑和建筑设计
    • 建筑立面和覆层系统
    • 建筑五金和装置
    • 桥梁部件和结构元件
    • 屋面和排水槽系统

来源

自然存在

地壳中含量为84 mg/kg · 比81%的元素更丰富

镍:从陨石到地球

镍主要通过恒星核合成过程中的中子俘获过程形成,是铁陨石中丰度最高的元素之一。地核含有大量镍,而地壳中的镍则来自原始积累和后来的陨石轰击。

地球分布

地壳中约含90 ppm的镍,但由于镍集中在铁镍地核中,这一数值远不能代表镍在地球上的真实丰度。地表镍主要存在于热带风化形成的红土矿床以及与镁铁质和超镁铁质火成岩有关的硫化物矿床中。

主要镍矿床

加拿大安大略省的萨德伯里盆地由18.5亿年前的陨石撞击形成,含有世界级的镍、铜和铂族元素矿床。撞击熔化了原有岩石,并集中来自地球和撞击陨石的金属。俄罗斯的诺里尔斯克—塔尔纳赫是另一处与大型火成岩省形成有关的主要硫化物矿床。

红土资源

新喀里多尼亚、菲律宾和印度尼西亚的热带红土矿床,是在炎热潮湿条件下超镁铁质岩石经历强烈化学风化形成的。这些矿床通常含有1-3%的镍,存在于氧化物和硅酸盐矿物中,需要采用专门的火法冶金或湿法冶金加工技术。

海底潜在资源

随着陆地矿床逐渐枯竭,海底块状硫化物和锰结核成为新兴的镍资源。深海采矿技术的开发重点关注这些资源,但环境和技术挑战仍然十分严峻。

处理

安全

镍安全:过敏和致癌风险

镍是最常见的金属过敏原,女性和男性分别有10-15%和2-5%的人会因首饰和职业接触而受到影响。某些镍化合物还具有致癌风险,因此需要采取全面的工作场所控制措施。

健康影响

镍过敏会因首饰、衣物扣件和职业接触引起接触性皮炎。羰基镍(Ni(CO)₄)是一种极毒的气态物质,低浓度下也可能导致肺水肿和死亡。硫化镍和氧化镍被归类为人类致癌物,主要会使职业接触者患肺癌和鼻癌。

接触限值

  • OSHA PEL:镍金属和可溶性化合物为1 mg/m³(8小时TWA)
  • NIOSH REL:镍及其化合物为0.015 mg/m³(10小时TWA)
  • 羰基镍:0.001 ppm(8小时TWA)——极毒
  • 致癌性镍化合物:通过工程控制将接触降至最低

安全措施

个人防护装备、局部排风和医学监测可以预防镍相关健康影响。皮肤防护和低致敏替代品有助于防止敏感人群发生镍过敏。

快速解答

镍:常见问题

镍是什么?

镍(符号Ni)是元素周期表中的第28号元素,属于4周期10族的过渡金属。 坚韧、耐腐蚀且具有磁性——也是不锈钢中含量第二高的成分。 在室温下为固态。

镍的电子排布是什么?

镍的基态电子排布为[Ar] 3d⁸ 4s²,共有4个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 16, 2。

镍的熔点和沸点是多少?

镍在1728 K(1454.9 °C)熔化,在3186 K(2912.9 °C)沸腾。

镍的原子量是多少?

镍的标准原子量为58.693 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。

镍的密度是多少?

镍的密度为8.908 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此镍块约重8.9倍。

镍的电负性是多少?

镍的鲍林电负性为1.91。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 处于这一中间范围的数值通常对应共价键,而不是强离子键。

谁发现了镍,是在什么时候?

镍由Axel Fredrik Cronstedt于1751年发现。 它以德语 Kupfernickel,“魔鬼的铜”命名。

镍在地球上有多常见?

镍约占地壳的84 mg/kg——不常见,但并不稀有。