鎳

鎳,近似銀白色、硬而有延展性並具有鐵磁性的金屬元素,它能夠高度磨光和抗腐蝕。鎳屬於親鐵元素。在地核中含鎳最高,是天然的鎳鐵合金。在地殼中鐵鎂質岩石含鎳高於矽鋁質岩石,例如橄欖岩含鎳為花崗岩的1000倍,輝長岩含鎳為花崗岩的80倍。

2017年10月27日,世界衛生組織國際癌症研究機構公布的致癌物清單初步整理參考,鎳化合物在一類致癌物清單中,

金屬鈷, 金屬鎳和含有66-67%鎳、13-16%鉻和7%鐵的合金粉末的體內植入異物、鎳金屬和鎳合金在2B類致癌物清單中。

基本介绍

  • 中文名:鎳
  • 外文名:Nickel
  • 元素符號:Ni
  • 原子量:58.69
  • 危險性:無
  • CAS號:7440-02-0
  • 發現人:克朗斯塔特
  • 原子序數:28
  • 金屬性質:過渡性金屬
  • 熔點:1453.0℃
  • 延展性:一般
  • 耐腐蝕性:強
  • 耐氧化性:強
  • 主要用途:軍工、航空航天、機械、不鏽鋼等
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發現簡史

隕石包含著鐵和鎳,早期它們被作為上好的鐵使用。因為這種金屬不生鏽,它被秘魯的土著看作是銀。一種含有鋅鎳的合金被叫做白銅,在公元前200年的中國被使用。有些甚至延伸到了歐洲。
在1751年,工作於斯德哥爾摩(瑞典首都)的Alex Fredrik Cronstedt研究一種新的金屬——叫做紅砷鎳礦(NiAs)——其來自瑞典的海爾辛蘭的Los。他以為其包含銅,但他提取出的是一種新的金屬,他宣布並命名為nickel(鎳)於1754年。許多化學家認為它是鈷,砷,鐵和銅的合金——這些元素以微量的污染物出現。直到1775年純淨的鎳才被Torbern Bergman製取,這才確認了它是一種元素。

礦產分布

世界上紅土鎳礦分布在赤道線南北30度以內的熱帶國家,集中分布在環太平洋的熱帶―亞熱帶地區,主要有:美洲的古巴、巴西;東南亞的印度尼西亞、菲律賓;大洋洲的澳大利亞、新喀里多尼亞、巴布亞紐幾內亞等。中國鎳礦分布就大區來看,主要分布在西北、西南和東北,其保有儲量占全國總儲量的比例分別為76.8%、12.1%、4.9%。就各省(區)來看,甘肅儲量最多,占全國鎳礦總儲量的62%,其次是新疆(11.6%)、雲南(8.9%)、吉林(4.4%)、湖北(3.4%)和四川(3.3%)。其中甘肅金昌的銅鎳共生礦床,鎳資源儲量巨大,僅次於加拿大薩德伯里鎳礦,居世界第二,亞洲第一。
鎳礦石鎳礦石

物理性質

有良好延展性,具有中等硬度。
鎳是銀白色金屬,具有磁性和良好的可塑性。有好的耐腐蝕性,鎳近似銀白色、硬而有延展性並具有鐵磁性金屬元素,它能夠高度磨光和抗腐蝕。溶於硝酸後,呈綠色。主要用於合金(如鎳鋼和鎳銀)及用作催化劑(如蘭尼鎳,尤指用作氫化的催化劑)
密度8.902克/立方厘米
熔點1453℃
沸點2732℃
鎳

化學性質

化學特性

外圍電子排布3d84s2,位於第四周期第Ⅷ族。化學性質較活潑,但比鐵穩定。室溫時在空氣中難氧化,不易與濃硝酸反應。細鎳絲可燃,加熱時與鹵素反應,在稀酸中緩慢溶解。能吸收相當數量氫氣。
鎳不溶於水,常溫下在潮濕空氣中表面形成緻密的氧化膜,能阻止本體金屬繼續氧化。在稀酸中可緩慢溶解,釋放出氫氣而產生綠色的正二價鎳離子Ni2+;耐強鹼。鎳可以在純氧中燃燒,發出耀眼白光。同樣的,鎳也可以在氯氣和氟氣中燃燒。對氧化劑溶液包括硝酸在內,均不發生反應。鎳是一個中等強度的還原劑。鎳鹽酸、硫酸、有機酸和鹼性溶液對鎳的浸蝕極慢。鎳在稀硝酸緩慢溶解。發煙硝酸能使鎳表面鈍化而具有抗腐蝕性。鎳同鉑、鈀一樣,鈍化時能吸大量的氫,粒度越小,吸收量越大。鎳的重要鹽類為硫酸鎳和氯化鎳。實驗室中也常用到硝酸鎳,帶有結晶水,化學式為Ni(NO3)2·6H2O,綠色透明的顆粒,易吸收空氣中的水蒸汽。與鐵,鈷相似,在常溫下對水和空氣都較穩定,能抗鹼性腐蝕,故實驗室中可以用鎳坩堝熔融硫酸鎳(NiSO4)能與鹼金屬硫酸鹽形成礬 Ni(SO4)2o6H2O(MI為鹼金屬離子)。+2價鎳離子能形成配位化合物。常壓下,鎳即可與一氧化碳反應,形成劇毒的四羰基鎳(Ni(CO)4),加熱後它又會分解成金屬鎳和一氧化碳。
Ni(NO3)2·6H2ONi(NO3)2·6H2O
原子序數28
原子量58.71
金屬半徑124.6皮米
第一電離能741.1kJ/mol
電負性1.8
主要氧化數+2、+3、+4

鎳(Ⅱ)化合物

1.氧化鎳:NiC2O4= NiO + CO + CO2
2.氫氧化鎳:Ni2++2OH-= Ni(OH)2
3.硫酸鎳 2Ni+2H2SO4+2HNO3= 2NiSO4+NO2+NO+3H2O
NiO+H2SO4= NiSO4+H2O
NiCO3+H2SO4= NiSO4+CO2+H2O
4.鹵化鎳:NiF2、NiCl2、NiBr2、NiI2

鎳(Ⅲ) 化合物

1.氧化高鎳
4NiO+O2==2Ni2O3
2Ni(OH)2+Br2+2OH-==Ni2O3+2Br-+3H2O
2Ni2O3+4H2SO4==4NiSO4+O2+4H2O
Ni2O3+6HCl==2NiCl2+Cl2+3H2O
4NiCO3+O2==2Ni2O3+4CO2
2Ni(OH)2+NaClO+H2O==2Ni(OH)3+NaCl
2Ni(OH)3+6HCl==2NiCl2+Cl2+6H2O

配合物

1.氨配位化合物:[Ni(NH3)6]2+
2.氰配位化合物:[Ni(CN)4]2-
3.螯合物:[Ni(en)3]2+
4.羰基配位化合物
(a) Ni(CO)4
(b)(C2H5)2Ni

毒理學簡介

羰基鎳

金屬鎳幾乎沒有急性毒性,一般的鎳鹽毒性也較低,但羰基鎳卻能產生很強的毒性。羰基鎳以蒸氣形式迅速由呼吸道吸收,也能由皮膚少量吸收,前者是作業環境中毒物侵入人體的主要途徑。羰基鎳在濃度為3.5μg/m3時就會使人感到有如燈煙的臭味,低濃度時人有不適感覺。吸收羰基鎳後可引起急性中毒,10分鐘左右就會出現初期症狀,如:頭暈、頭疼、步態不穩,有時噁心、嘔吐、胸悶;後期症狀是在接觸12至36小時後再次出現噁心、嘔吐、高燒、呼吸困難、胸部疼痛等。接觸高濃度時發生急性化學肺炎,最終出現肺水腫和呼吸道循環衰竭而致死亡接觸致死量時,事故發生後4至11日死亡。人的鎳中毒特有症狀是皮膚炎、呼吸器官障礙及呼吸道癌。
致突變性:腫瘤性轉化:倉鼠胚胎5µmol/L。
生殖毒性:大鼠經口最低中毒劑量(TDL0):158mg/kg(多代用),胚胎中毒,胎鼠死亡。
致癌性:IARC致癌性評論:動物為陽性反應。
遷移轉化:天然水中的鎳常以鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽以及某些無機和有機絡合物的形式溶解於水。水中的可溶性離子能與水結合形成水合離子(Ni(H2O)6)2+,與胺基酸、胱氨酸、富里酸等形成可溶性有機絡離子,它們可以隨水流遷移。鎳在水中的遷移,主要是形成沉澱和共沉澱以及在晶形沉積物中向底質遷移,這種遷移的鎳共占總遷移量的80%;溶解形態和固體吸附形態的遷移僅占5%。為此,水體中的鎳大部分都富集在底質沉積物中,沉積物含鎳量可達18~47ppm,為水中含鎳量的38000~92000倍。土壤中的鎳主要來源於岩石風化、大氣降塵、灌溉用水(包括含鎳廢水)、農田施肥、植物和動物遺體的腐爛等。植物生長和農田排水又可以從土壤中帶走鎳。通常,隨污灌進入土壤的鎳離子被土訓無機和有機複合體所吸附,主要累積在表層。

同位素


同位素 豐度 半衰期 衰變模式 衰變能量 衰變產物
MeV
56Ni 人造 6.077天 電子捕獲 2.136 56Co
58Ni 68.077 % 穩定
59Ni 人造 76,000年 電子捕獲 1.072 59Co
60Ni 26.233 % 穩定
61Ni 1.14 % 穩定
62Ni 3.634 % 穩定
63Ni 人造 100.1年 β衰變 2.137 63Cu
64Ni 0.926 % 穩定

儲運條件

儲存於陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。包裝要求密封,不可與空氣接觸。應與氧化劑、酸類等分開存放,切忌混儲。採用防爆型照明、通風設施。

製備方法

1.電解法。將富集的硫化物礦焙燒成氧化物,用炭還原成粗鎳,再經電解得純金屬鎳。
2.羰基化法。將鎳的硫化物礦與一氧化碳作用生成四羰基鎳,加熱後分解,又得純度很高的金屬鎳
3.氫氣還原法。用氫氣還原氧化鎳,可得金屬鎳。
4.在鼓風爐中混入氧置換硫,加熱鎳礦可得到鎳的氧化物。而此種氧化物再和與鐵反應過的酸液進行作用就能得到鎳金屬。
5.礦石經煅燒成氧化物後,再用水煤氣或炭還原得到鎳。

生理功能

致敏性:鎳是最常見的致敏性金屬,約有20%左右的人對鎳離子過敏,女性患者的人數要高於男性患者,在與人體接觸時,鎳離子可以通過毛孔和皮脂腺滲透到皮膚裡面去,從而引起皮膚過敏發炎,其臨床表現為皮炎和濕疹。一旦出現致敏,鎳過敏能常無限期持續。患者所受的壓力、汗液、大氣與皮膚的濕度和磨擦會加重鎳過敏的症狀。鎳過敏性皮炎臨床表現為瘙癢、丘疹性或丘疹水皰性的皮炎,伴有苔蘚化。
臨床觀察:在較高等動物與人的體內,鎳的生化功能尚未了解。但體外實驗,動物實驗和臨床觀察提供了有價值的結果。
1.體外實驗顯示了鎳硫胺素焦磷酸(輔羧酶)、磷酸吡哆醛、卟啉、蛋白質和肽的親和力,並證明鎳也與RNA和DNA結合。
2.鎳缺乏時肝內6種脫氫酶減少,包括葡萄糖-6-磷酸脫氫酶、乳酸脫氫酶、異檸檬酸脫氫酶、蘋果酸脫氫酶和谷氨酸脫氫酶。這些酶參與生成NADH、無氧糖酵解、三羧循環和由胺基酸釋放氮。而且鎳缺乏時顯示肝細胞和線粒體結構有變化,特別是區域網路質不規整,線粒體氧化功能降低。
3.貧血病人血鎳含量減少,而且鐵吸收減少,鎳有刺激造血功能的作用,人和動物補充鎳後紅細胞、血紅素及白細胞增加。
生理需要:由於膳食中每日攝入鎳70~260μg/d,人的需要量是根據動物實驗結果推算的,可能需要量為25~35μg/d。
過量表現:每天攝入可溶性鎳250mg會引起中毒。有些人比較敏感,攝入600μg即可引起中毒。依據動物實驗,慢性超量攝取或超量暴露,可導致心肌、腦、肺、肝和腎退行性變。
有資料顯示:每天喝含鎳高的水會增加癌症發病率,特別是己患癌症在放化療期間應必須杜絕與鎳產品接觸。市場上經銷的部份陶瓷製食用具應慎重選擇使用,平時生活中拿一個含鎳高的陶瓷具做飲水具,會提高發病機會。
另外,也有一些非正規廠家生產的性藥品也有鎳的高成份。所以對鎳與人身健康應高度重視.
缺乏症:動物實驗顯示缺乏鎳可出現生長緩慢,生殖力減弱。

套用領域

因為鎳的抗腐蝕性佳,常被用在電鍍上。鎳鎘電池含有鎳。
電解鎳電解鎳
主要用於合金(配方)(如鎳鋼和鎳銀)及用作催化劑(如拉內鎳,尤指用作氫化的催化劑),可用來製造貨幣等,鍍在其他金屬上可以防止生鏽。主要用來製造不鏽鋼和其他抗腐蝕合金,如鎳鋼、鎳鉻鋼及各種有色金屬合金,含鎳成分較高的銅鎳合金,就不易腐蝕。也作加氫催化劑和用於陶瓷製品、特種化學器皿、電子線路、玻璃著綠色以及鎳化合物製備等等。
電解鎳:電解鎳是使用電解法支撐的鎳,用它製造的不鏽鋼和各種合金鋼被廣泛地用於飛機、坦克、艦艇、雷達、飛彈、宇宙飛船和民用工業中的機器製造、陶瓷顏料、永磁材料、電子遙控等領域。
電解鎳電解鎳

市場發展

2006年1-12月,中國鎳累計產量為111280.01噸,與2005年同期相比增長了22.07%;2007年1-12月,中國鎳累計產量為115772.10噸,與2006年同期相比增長了8.51%;2008年1-10月,中國鎳累計產量為112209.99噸,與2007年同期相比增長了8.99%。
中國鎳行業在不斷發展的同時,也存在一些問題,如鎳礦中多為低品味,露采比例很小,可采儲量僅占總儲量的10%,開採和冶煉的技術相對較為落後;選礦一般採用弱酸或弱鹼介質浮選工藝,選礦能力為430萬噸/年;中國鎳冶煉除幾家大型企業以外普遍採用火法的選鋶熔煉技術,精煉鎳主要採用硫化鎳陽極隔膜電解和硫酸選擇性浸出——電積工藝,與世界先進技術還有一定差距,因此中國開採和冶煉的成本居高不下。
2010年預計中國鎳消費量將達到40萬噸/年以後,中國將成為世界最大的鎳消費國。2010年中國鎳金屬基礎儲量只有230萬噸左右,2010-2013年來中國鎳礦勘探沒有重大進展,如果就按照這樣消費下去的話,10年後中國的鎳礦資源將逐漸消耗殆盡。
2012年10月5日,中國新疆省地礦部門和礦產企業經4年勘查,在新疆若羌縣發現百萬噸級特大型鎳礦,已探得鎳金屬資源量128萬噸。
《2013-2017年中國金屬鎳行業全景調研及投資前景預測報告》資料顯示,中國和美國為最大消費國。Higo稱,2013年中國鎳生鐵產量將增至35萬噸。鎳生鐵為低級鐵礦石的替代品。中國不鏽鋼生產商鎳生鐵使用量增加將抑制其對鎳的風險偏好,拖累鎳價。他表示,中國需求將增加8.5%至83萬噸,而包括生鐵在內的產量將增長10%至54萬噸。中國需求占全球總量的47%。
截至2013年5月23日,中國庫存180,024噸。2013年全球不鏽鋼產量或自1月預估增長1.7%至3,650萬噸。中國產量將增加3.7%至1,680萬噸。根據國際不鏽鋼論壇,亞洲不鏽鋼產量占全球總量的70%。
中國鎳供給有兩個部分組成,一部分是新產鎳精礦供應,這部分占鎳總供給量的72.9%,另一部分來自再生鎳占27.1%,隨著經濟建設和鋼鐵工業的發展,鎳的需求量不斷增加。
南非:Nkomati鎳礦,位於南非共和國東部Mpumalanga地區,距離約翰內斯堡300公里處,1997年投產,為南非的第一座鎳礦。分為兩個礦床:高含量礦、低含量礦。高含量礦送至Rustenburg冶煉廠進行冶煉,低含量礦送至博斯瓦納和辛巴威進行冶煉。2007年進行擴產可行性研究,預計2010年擴產項目投產。2010年產能與產能4000噸左右(金屬量)。擴產後,開採壽命將從2023年延長至2030年,並將逐步改為露天開採。

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