Das chemische Element Nickel hat die Ordnungszahl 28 und das Symbol Ni. Es ist ein glänzendes, silbrig-weißes Metall und enthält kleine Mengen Gold. Ein Übergangsmetall mit Duktilität und Härte ist Nickel. Obwohl reines Nickel chemisch reaktiv ist, dauert es länger als gewöhnlich, bis große Partikel mit Luft reagieren, da unter normalen Bedingungen eine Nickeloxid-Passivierungsschicht auf der Oberfläche wächst, um weitere Korrosion zu stoppen. In der Erdkruste werden jedoch nur Spuren von reinem natürlichem Nickel gefunden, typischerweise in ultramafischen Gesteinen und im Inneren größerer Nickel-Eisen-Meteoriten, die während ihrer Zeit außerhalb der Erdatmosphäre nicht mit Sauerstoff in Kontakt gekommen sind.
Eisen und meteorisches Nickel werden oft zusammen entdeckt, was auf ihren Ursprung als wesentliche Nebenprodukte der Supernova-Nukleosynthese hinweist. Es wird angenommen, dass der äußere und der innere Kern der Erde aus einer Eisen-Nickel-Kombination bestehen.
v. Chr. Um 3500 v. Chr. verwendeten die Menschen Nickel (in Form einer natürlichen meteorischen Nickel-Eisen-Legierung). Axel Fredrik Cronstedt in den Kobaltminen in Los, Hälsingland, Schweden, verwechselte das Erz zunächst mit einem Kupfermineral und trennte und kategorisierte 1751 erstmals Nickel als Element. Der Name des Elements leitet sich von Nickel ab, einer schelmischen Figur in der deutschen Bergbau-Folklore, die für die Widerstandsfähigkeit von Kupfer-Nickel-Erzen gegen die Kupferraffination steht. Das Eisenerz Limonit, das typischerweise 1-2 % Nickel enthält, ist eine wirtschaftlich wichtige Nickelquelle. Die natürlich vorkommenden Silikatmineralien, die als Pentlandit und Garnierit bekannt sind, sind zwei wichtige Nickelerzminerale. Zu den führenden Produktionsstandorten gehören Norilsk, Russland; Neukaledonien im Pazifik; und die Region Sudbury in Kanada.
Die anderen drei ferromagnetischen Elemente sind Eisen, Kobalt und Gadolinium. Nickel ist einer dieser vier Stoffe. Zwischen Permanentmagneten aus Eisen und Seltenerdmagneten liegen kraftmäßig Alnico-Magnete, die teilweise auf Nickelbasis sind. Das Metall wird hauptsächlich in Legierungen und Beschichtungen für Korrosionsbeständigkeit verwendet. Edelstahl macht mehr als 68 % der weltweiten Produktion aus. Es wird in verschiedenen Anwendungen wie 10 Nickel- und Kupferlegierungen, 9 % für Plattierungen, 7 % für legierte Stähle, 3 % für Gießereien und 4 % für wiederaufladbare Batterien in Elektrofahrzeugen (EV) verwendet. Obwohl Nickel häufig in Münzen verwendet wird, können Nickelallergien gelegentlich durch vernickelte Gegenstände ausgelöst werden.
Nickel ist eine Substanz, die in einer Vielzahl spezialisierter chemischer Industrieprozesse verwendet wird, darunter die Hydrierung von Kraftstoff, die Herstellung von Kathoden für wiederaufladbare Batterien, Pigmente und Metalloberflächenbehandlungen. Viele Bakterien und Pflanzen mit Enzymen, deren aktives Zentrum Nickel ist, akzeptieren Nickel als essentiellen Nährstoff.
Physikalische und atomare Eigenschaften von Nickel
Nickel ist ein hochglanzpolierbares silbrig-weißes Metall mit einem blassgoldenen Farbton. Nur vier Elemente – Eisen, Kobalt, Gadolinium und dieses Element – sind bei oder nahe Umgebungstemperatur ferromagnetisch. Die Temperatur, bei der Nickel nicht mehr magnetisch ist, wird als Curie-Temperatur bezeichnet und beträgt 355 °C. Der Atomradius von Nickel beträgt 0,124 nm und seine Einheitszelle ist ein flächenzentrierter Würfel mit einem Gitterparameter von 0,352 nm.
Drücke von mindestens 70 GPa reichen nicht aus, um diese Kristallstruktur aufzubrechen. Für Übergangsmetalle hat Nickel eine relativ hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und ist hart, formbar und duktil. Aufgrund der Entstehung und Wanderung von Versetzungen erreicht echtes Schüttgut nie die hohe Druckfestigkeit von 34 GPa, die für perfekte Kristalle erwartet wird.
Ni-Nanopartikel haben dies jedoch erreicht.
Meinungsverschiedenheiten über die Elektronenkonfiguration
Die zwei atomaren Elektronenkonfigurationen mit relativ ähnlichen Energien für Nickel sind [Ar] 3d8 4s2 und [Ar] 3d9 4s1. [Ar] repräsentiert die vollständige Argonkernstruktur. Es gibt einige Diskussionen darüber, welche Konfiguration die niedrigere Energie hat. [16] Die Elektronenkonfiguration von Nickel wird als [Ar] 4s2 3d8 angegeben, oft geschrieben als [Ar] 3d8 4s2. Die Madelung-Energieordnungsregel, die besagt, dass 4s vor 3d voll ist, ist mit dieser Konfiguration kompatibel. Der empirische Befund, dass der niedrigste Energiezustand des Nickelatoms das 3d8 4s2-Energieniveau ist – genauer gesagt das 3d8(3F) 4s2 3F, J = 4-Niveau – unterstützt diese Theorie.
Aufgrund der Feinstruktur ist jedoch jede dieser beiden Konfigurationen in mehrere Energieniveaus aufgeteilt, und die beiden Gruppen von Energieniveaus überlappen sich. Im Vergleich zu Ar] 3d8 4s2 ist die durchschnittliche Energie von Zuständen mit [Ar] 3d9 4s1 tatsächlich niedriger. Als Ergebnis wird die Grundzustandskonfiguration [Ar] 3d9 4s1 in der wissenschaftlichen Literatur zu atomaren Berechnungen aufgeführt.
Isotope von Nickel
Die Atomgewichte von Nickelisotopen reichen von 48 u (48Ni) bis 82 u (82Ni). Die fünf in der Natur vorkommenden stabilen Nickelisotope sind 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni und 64Ni, wobei 58Ni die höchste natürliche Häufigkeit aufweist (68,077 %).
Nickel-62 hat die höchste Bindungsenergie aller Nuklide mit einer Nukleonenbindungsenergie von 8,7946 MeV. Es hat eine höhere Bindungsenergie als 56Fe und 58Fe, zwei übliche Nuklide, die oft fälschlicherweise mit den höchsten Bindungsenergien aufgeführt werden. Während dies darauf hinzudeuten scheint, dass Nickel das häufigste schwere Element im Universum ist, kommt Eisen aufgrund der hohen Photointegrationsrate von Nickel in Sternen tatsächlich deutlich häufiger vor.
Der Nachkomme des längst erloschenen radioaktiven 60Fe ist Nickel-60 (Halbwertszeit 2,6 Millionen Jahre). Angesichts der langen Halbwertszeit von 60Fe und der Persistenz in Komponenten des Sonnensystems ist es möglich, Änderungen in der Isotopenzusammensetzung von 60Ni zu erkennen. Folglich kann die Prävalenz von 60Ni in Fremdkörpern Aufschluss über die Entstehung und frühe Entwicklung des Sonnensystems geben.
Es gibt mindestens 26 bekannte Radioisotope von Nickel; die stabilsten sind 76.000Ni, 59Ni und 63Ni (56 Tage) mit Halbwertszeiten von 6 Jahren. Alle anderen Radioisotope haben Halbwertszeiten von weniger als 60 Stunden und oft weniger als 30 Sekunden. Außerdem hat dieses Element einen Metazustand.
Das Verbrennen von Silizium führt zur Produktion von radioaktivem Nickel-56, das dann in erheblichen Mengen in Typ-Ia-Supernovae freigesetzt wird. Die Lichtkurven dieser Supernovae in der mittleren und späten Zeit sind konsistent geformt, wenn 56Ni nach dem Elektroneneinfang zu Kobalt-56 und dann zu Eisen-56 zerfällt. Nickel-59 ist ein kosmogenes Radionuklid mit einer langen Halbwertszeit von 76.000 Jahren.
Die Isotopengeologie hat 59Ni auf verschiedene Weise verwendet. 59Ni wurde verwendet, um die Menge an außerirdischem Staub in Eis und Sedimenten zu messen und das Alter von Meteoriten auf der Erde zu datieren. Nickel-110, dessen Halbwertszeit derzeit auf 78 Millisekunden geschätzt wird, spielt vermutlich eine wichtige Rolle bei der Supernova-Nukleosynthese von Elementen, die schwerer als Eisen sind. Das Isotop des schweren Elements mit dem höchsten bekannten Protonengehalt ist 1999Ni, das 48 gefunden wurde. 48Ni ist „doppelt magisch“ mit 28 Protonen und 20 Neutronen, genau wie 28Ni mit 50 Protonen und 78 Neutronen. Infolgedessen sind beide für Kerne mit einem so signifikanten Proton-Neutron-Ungleichgewicht ziemlich stabil.
Stützstrukturen für Kernreaktoren enthalten Nickel-63, eine Verunreinigung. Es entsteht durch den Neutroneneinfangprozess von Nickel-62. Kleine Mengen wurden auch in der Nähe von Atomwaffenteststandorten im Südpazifik gefunden.
Quelle: Wikipedia
Günceleme: 14/03/2023 13:14