28 Ni 58.693
过渡金属 d-block Period 4 Group 10

Ni · Element 28 · Nickel group

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

20°C时的状态 固态
原子量 58.693 u
ELECTRON CONFIGURATION [Ar] 3d⁸ 4s²

结构

镍 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。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

性质表

每个条形图都显示镍在全部118种元素中该性质的排名位置。

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

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
d
晶体结构面心立方
氧化态-2, -1, 0, +1, +2, +3, +4
发现时间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 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 镍 atom?

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

热范围

Solid, liquid, gas — and when

镍 is liquid over a 1458 K window, from 1728 K to 3186 K.

所在位置

在表中的位置

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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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,让现代世界平稳运转!这种银白色过渡金属极其耐用且用途广泛,从你口袋里的硬币到核反应堆中的不锈钢,处处都能见到它的身影。德国矿工无法从含镍矿石中提取铜,便沮丧地以“kupfernickel”(老尼克的铜)为其命名;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相似,它最初被误认为是铜。镍真正令人瞩目之处,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。它能够耐受会破坏其他金属的海水、酸和碱,因此非常适合海洋应用和化学加工。 镍之所以至关重要,是因为它是不锈钢的关键成分,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得脆弱。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! 镍还具有引人入胜的磁性质。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,是制造形状记忆合金,例如镍钛诺(镍-钛合金)。这些“智能金属”能够记住原始形状,并在受热时恢复该形状,因此非常适合用于医疗支架、眼镜架和航空航天领域。

The discovery of 镍

具有欺骗性的铜矿石

瑞典矿物学家Axel Fredrik Cronstedt(1722-1765)于1751年发现了镍。当时,他正试图从kupfernickel矿石(现称砷镍矿,NiAs)中提取铜。德国矿工将这种难处理的矿石命名为“kupfernickel”(意为“魔鬼的铜”),因为它看起来像铜矿石,却无法产出铜,而且冶炼时会产生有毒的砷烟。

系统研究

Cronstedt的细致分析揭示,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

随着新喀里多尼亚红土矿处理技术的发展,商业化镍生产于19世纪60年代开始。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材料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。

应用

镍的用途

镍:腐蚀克星

镍将容易生锈的铁制钢材转变为耐腐蚀合金,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出色的化学稳定性,同时支持最微小的电子元件和最大的工业基础设施。

提升不锈钢性能

含8-12%镍的奥氏体不锈钢,与铁素体不锈钢相比,具有更强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实现出色的强度与耐腐蚀性。

高温合金应用

像Inconel和Hastelloy这样的镍基高温合金,在超过1000°C的温度下仍能保持强度和抗氧化性。这些合金使喷气发动机高温部件、燃气轮机部件和化学加工设备能够在极端条件下运行。由镍基高温合金铸造的单晶涡轮叶片,使现代发动机实现了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,具有可靠的储能性能和出色的循环寿命。锂离子电池越来越多地使用富镍正极材料(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。

电镀与涂层

镍电镀为汽车零部件、管道装置和电子元件提供防腐保护及装饰性表面。化学镀镍无需电连接即可在复杂形状表面形成均匀涂层,是计算机硬盘、航空航天部件和精密仪器制造的重要工艺。

镍:无处不在却常被忽视

  • 厨房与餐饮服务
    • 不锈钢炊具和餐具
    • 餐厅设备和食品加工机械
    • 厨房水槽和商用食品制备台面
    • 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
  • 电子与技术
    • 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
    • 制药生产设备
    • 工业管道和储存系统
  • 建筑与建筑设计
    • 建筑外墙和幕墙系统
    • 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

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

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90ppm镍,但由于镍集中在铁镍地核中,这一数值远不能代表镍在整个行星中的真实丰度。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形成于18.5亿年前的陨石撞击,含有世界级的镍、铜和铂族元素矿床。撞击熔化了原有岩石,并使来自地球和撞击陨石的金属发生富集。俄罗斯的诺里尔斯克—塔尔纳赫是另一个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。这些矿床通常在氧化物和硅酸盐矿物中含有1-3%的镍,需要采用专门的火法冶金或湿法冶金技术进行处理。

海底潜在资源

随着陆地矿床逐渐枯竭,海底块状硫化物锰结核成为新兴的镍资源。深海采矿技术的发展正聚焦于这些资源,但环境和技术挑战仍然十分严峻。

处理

安全

镍安全:过敏与致癌风险

镍是最常见的金属过敏原,女性中有10-15%、男性中有2-5%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。四羰基镍(Ni(CO)₄)是一种极毒的气体,即使在低浓度下也可能导致肺水肿和死亡。硫化镍和氧化镍被列为人类致癌物,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1mg/m³(8小时TWA)
  • NIOSH REL:镍及其化合物为0.015mg/m³(10小时TWA)
  • 四羰基镍:0.001ppm(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、局部排风通风和医学监测能够预防镍相关健康影响。皮肤防护和低过敏性替代品有助于防止敏感人群产生镍过敏。

快速回答

镍:常见问题

What is 镍?

镍 (symbol Ni) is element 28 on the periodic table, a 过渡金属 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 镍?

镍'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 镍?

镍 melts at 1728 K (1454.9 °C) and boils at 3186 K (2912.9 °C).

What is the atomic mass of 镍?

The standard atomic weight of 镍 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 镍?

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

What is the electronegativity of 镍?

镍 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 镍, and when?

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

How common is 镍 on Earth?

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