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镍(拼音:niè,注音:ㄋㄧㄝˋ,粤拼:nip6;英语:Nickel),是一种化学元素,其化学符号为Ni,原子序数为28,原子量为58.6934 u。镍是一种有光泽的银白色金属,其银白色带一点淡金色。镍属于过渡金属,质硬,具延展性。纯镍的化学活性相当高,这种活性可以在反应表面积最大化的粉末状态下看到,但大块的镍金属与周围的空气反应缓慢,因为其表面已形成了一层带保护性质的氧化物。即使如此,由于镍与氧之间的活性够高,所以在地球表面还是很难找到自然的金属镍。地球表面的自然镍都被封在较大的镍铁陨石里面,这是因为陨石在太空的时候接触不到氧气的缘故。在地球上,这种自然镍总会和铁结合在一起,这点反映出它们都是超新星核合成主要的最终产物。一般认为地球的地核就是由镍铁混合物所组成的[3]。
镍的使用(天然的陨镍铁合金)最早可追溯至公元前3500年。阿克塞尔·弗雷德里克·克龙斯泰特于1751年最早分离出镍,并将它界定为化学元素,尽管他最初把镍矿石误认为铜的矿物。镍的外语名字来自德国矿工传说中同名的淘气妖精(Nickel,与英语中魔鬼别称"Old Nick"相近),这是由于镍铜矿不能用炼铜的方法炼出铜来,所以被比拟成妖魔。镍最经济的主要来源为铁矿石褐铁矿,含镍量一般为1-2%。镍的其他重要矿物包括硅镁镍矿及镍黄铁矿。镍的主要生产地包括加拿大的索德柏立区(一般认为该处是陨石撞击坑)、太平洋的新喀里多尼亚及俄罗斯的诺里尔斯克。
镍是一种有光泽的银白色金属,其银白色带一点淡金色,可被高度磨光。只有四种元素在室温或其附近具有铁磁性,镍就是其中一种,其余三种为铁、钴及钆。其居里温度为355 °C,即大块的镍在这个温度以上就会失去磁性[10]。镍是面心立方晶系的,晶格参数0.352 nm,计算出的原子半径为0.124 nm。这种晶体结构在70 GPa以下的压力中都是稳定的。镍坚硬、有延展性、对过渡金属来说具有较高的导电率和热导率。[11]理想的镍晶体的抗压强度预测为34 GPa,但由于晶体位错的形成和运动,在真正的大块镍中永远不会有这么高的强度。不过,这个抗压强度已经在纳米粒子中达到。[12]
镍原子共有两种电子排列:[Ar] 4s2 3d8及[Ar] 4s1 3d9,而两者的能量非常接近(符号[Ar]指的是其核心结构与氩相似)。对于哪一种排列的能量较低仍存在分歧[13]。化学教科书引用的镍电子排列为[Ar] 3d8 4s2[14]或与前者相同的[Ar] 4s2 3d8[15]。这种排列遵从马德隆能量排序规则,预测4s的位置被填满后才开始填3d的位置。这一点是有实验支持的,镍原子最低的能量态为4s2 3d8能级,更确切来说是3d8(3F) 4s2 3F的J = 4能级[16]
然而,这两种排列实际上都会各自衍生出一系列不同能量的态[16]。这两组能量互相交叠,而排布[Ar] 4s1 3d9的各态平均能量比[Ar] 4s2 3d8的要低。因此,原子计算的研究文献引用镍的基态排布时用的是[Ar] 4s1 3d9[13]。
天然镍共有五种稳定的同位素:58Ni、60Ni、61Ni、62Ni和64Ni。其中58Ni的丰度最高(68.077%)。62Ni是现存元素中每核子束缚能最高的核素,其束缚能比58Fe及56Fe还要高,而56Fe很多时候被误以为是拥有束缚能最高的原子核[17]。已被发现的镍放射性同位素共有18种,其中最稳定的三种为59Ni(半衰期76000年)、63Ni(半衰期100.1年)和56Ni(半衰期6.077天)。其他余下的放射性同位素半衰期皆少于60小时,其中大部分的半衰期更少于30秒。此元素拥有一种亚稳态[18]。
恒星“死亡”过程中的硅燃烧过程会产生镍-56,在之后的Ia型超新星爆炸时会大量放出镍-56。这些超新星在中期到后期时,其光变曲线的形状显示的正是镍-56的衰变,经电子捕获而衰变成钴-56,并最终衰变成铁-56[19]。镍-59是一种长命的宇宙源放射性同位素,其半衰期为76000年。59Ni在同位素地质学中有多种用途:它被用于鋻定陨石的着陆年份,和判定冰与沉积物中外太空尘埃的丰度。镍-60是铁-60的子体衰变产物,而铁-60是一种已绝迹的放射性核素,其半衰期为260万年。由于60Fe的半衰期是如此的长,所以如果太阳系的物质含有足够高浓度的60Fe,那么它的耐久性就很有可能会影响到60Ni的同位素构成测量结果。因此,外太空物质中的镍-60丰度,可能会为太阳系的起源及其早期历史提供线索。62Ni的每核子束缚能比其他任何元素的任何同位素都高(每核子8.7946 MeV)[20]。任何比62Ni重的同位素,都不能在不损失能量的情况下,通过核聚变来进行合成。1999年发现的48Ni是已知重金属同位素的核子中质子比率最高的。镍-48含质子28个,中子20个,故具有双幻数(跟208Pb一样),因此性质异常稳定[18][21]。
在各种镍同位素的原子质量中,原子质量最轻的只有48u(48Ni),最重的则有78u(78Ni)。最近的测量结果指出,镍-78的半衰期为0.11秒;科学家们相信,镍-78这种同位素在超新星核合成过程中合成比铁重的元素时具有重要作用[22]。
就世界资源方面来说,平均含镍量达1%的已知陆上资源最少蕴含13亿公吨的镍(约为已知蕴含量的两倍)。其中六成砖红壤矿床,另外四成为硫化物矿床[24]。
蒙德法就利用了上述这一过程来精炼镍。配合物双-(1,5环辛二烯)镍是镍氧化态也是0,由于它的配位子1,5-环辛二烯很容易就能被置换在有机镍化学中是一种很有用的催化剂。[29]
镍(I)配合物并不常见,其中一个例子是四面体配合物NiBr(PPh3)3。此氧化态很多时候会含有Ni-Ni键,例如K4[Ni2(CN)6],此化合物呈暗红色,具抗磁性,用钠汞齐还原K2[Ni2(CN)6]可得,在水中会产生氧化反应,同时会放出氢[30]。
一些镍(II)的四配位配合物(如双-(三苯基膦)氯化镍)有着两种不同的分子几何形式──四面体及平面四方。四面体配合物具顺磁性,而平面四方配合物则具抗磁性。镍配合物中的这种平面─四面体平衡,还有八面体结构,是其他较重的10族金属钯(II)与铂(II)的二价电子配合物中所没有的,因为它们基本上只有平面四方结构[26]。
由于镍矿石很容易被误认为银矿石,因此对这种金属的认识和使用是相对近期的事。然而,偶然使用到镍是一件自古已有的事,可追溯至公元前3500年。从现今叙利亚境内出土的青铜含镍量可高至2%[34]。此外,中国有文献指出当地在公元前1700至1400年期间已经有使用白铜(一种铜镍合金)。英国早在17世纪就已经向中国进口这种白铜,但这种合金含镍的事实要到1822年才被发现[35]。
中世纪的德国人在厄尔斯山脉发现了一种跟铜矿石很像的红色矿物。然而,矿工们却未能从中提炼到铜,因此他们就把这种困扰归咎于他们传说中的妖精Nickel(与英语中魔鬼别称"Old Nick"相近)。他们把这种矿石命名为“铜妖”(Kupfernickel,其中Kupfer是铜的意思)[36][37][38][39]。这种矿石就是现在的红砷镍矿,它是一种镍的砷化物。1751年,阿克塞尔·弗雷德里克·克龙斯泰特男爵尝试从铜妖矿石中炼出铜来──但却炼出一种白色的金属,因此他用为矿石命名的妖精名字,来为这种金属命名[40]。
镍在被发现以后的唯一来源就是罕见的铜妖矿石。直至1822年,才开始从制作钴蓝色染料的副产品中取得镍。最早大规模生产镍的国家是挪威,他们自1848年开始就从本地含镍量高的磁黄铁矿生产镍。铁的生产在1889年中引入了镍,因此镍的需求量增加。新喀里多尼亚的镍矿床在1865年被发现,于1875年至1915年间为全世界提供了大部分的镍。之后发现了更多大型的镍矿床,使得真正的大规模生产镍变得可行,这些矿床为1883年发现的加拿大索德柏立盆地,1920年发现的俄罗斯诺里尔斯克-塔尔纳赫和1924年发现的南非梅伦斯基暗礁(Merensky Reef)[35]。
镍从十九世纪开始就成为了铸造硬币的材料。在美国,Nickel(镍,或其简称Nick)这个昵称原本指的是由铜及镍铸成的1美分飞鹰硬币,这种硬币在1857-58年间把纯铜的成分中的12%换成了的镍。之后1859-64年流通的印第安头像硬币也用了一样的合金成分,因此也用上了这个昵称。要注意的是在之后1865年,在镍成分提高至21%后,这个昵称就被改作称呼3美分硬币。1866年,5美分盾牌硬币名正言顺地以25%的镍含量(其余75%为铜)承继了这个昵称。时至今日,5美分硬币当年的合金比例与昵称仍然在美国通用。瑞士于1881年最早使用几乎以纯镍铸造的硬币,而当中最有名的镍币当数1922年至1981年非大战期间,由加拿大(当时世界最大的镍生产国)铸造含镍量达99.9%的5加分硬币,而高含镍量就使得这些硬币带磁性[41]。第二次世界大战期间的1942-45年,由于镍在装甲中的功用使得它成了战争资源,所以美国和加拿大都把硬币中的大部分或全部的镍成分换掉[37][42]。
美国地质调查局的报告指出,镍最大的生产国为菲律宾、印尼、俄罗斯、加拿大及澳洲[24]。在俄罗斯以外的欧洲地区中,最大的镍矿床位于芬兰和希腊。平均含镍量达1%的已知陆上资源最少蕴含13亿公吨的镍(约为已知蕴含量的两倍)。其中六成砖红壤矿床,另外四成为硫化物矿床。此外,在大面积的海床上有含镍资源的锰壳及矿瘤,尤其是在太平洋的海床上[44]
俄勒冈州的里德尔市(Riddle)是美国唯一在本土对镍进行过商业开采的地方,当地有一个面积为几平方英里的硅镁镍矿表层矿床。该矿场于1987年关闭[45][46]。鹰矿计划打算在密歇根州的上半岛处开发一个新的镍矿场[47]。
矿场产量及蕴藏量[44] | 2012年 | 2011年 | 蕴藏量 |
---|---|---|---|
澳大利亚 | 230,000 | 215,000 | 20,000,000 |
博茨瓦纳 | 26,000 | 26,000 | 490,000 |
巴西 | 140,000 | 209,000 | 7,500,000 |
加拿大 | 220,000 | 220,000 | 3,300,000 |
中国 | 91,000 | 89,800 | 3,000,000 |
哥伦比亚 | 80,000 | 76,000 | 1,100,000 |
古巴 | 72,000 | 71,000 | 5,500,000 |
多米尼加共和国 | 24,000 | 21,700 | 970,000 |
印尼 | 320,000 | 290,000 | 3,900,000 |
马达加斯加 | 22,000 | 5,900 | 1,600,000 |
新喀里多尼亚 | 140,000 | 131,000 | 12,000,000 |
菲律宾 | 330,000 | 270,000 | 1,100,000 |
俄罗斯 | 270,000 | 267,000 | 6,100,000 |
南非 | 42,000 | 44,000 | 3,700,000 |
其他国家 | 120,000 | 103,000 | 4,600,000 |
世界总和(公吨,准确至1,000公吨) | 2,100,000 | 1,940,000 | 75,000,000 |
传统上,大部分硫矿石都要经过高温冶金技巧,来造出一种硫滓,以作精炼之用。由于近来湿法冶金学的进展,所以现时不少的镍精炼都用这些方法来进行。硫矿床传统上是用泡沫浮选法按浓度处理,再经高温冶金提取金属。而在湿法冶金的过程中,镍矿石经浮选法处理后(若Ni-Fe比率太低则改用微差浮选法),就被送上熔炼。在产出硫滓以后,就用谢里特-戈登法(Sherritt-Gordon processes)处理[48][49]。首先,加入硫化氢将铜移除,留下只剩钴及镍的精矿。之后使用溶剂萃取法,把钴及镍分开,最终的镍成品纯度高于99.9%。
第二种常见的精炼方法就是,把金属的硫滓沥取到镍的盐溶液中,然后对镍溶液使用电解冶金法,这样就能在阴极的表面上形成电解镍[48]。
要从氧化镍中取得最高纯度的镍就要用到蒙德法,它可将镍精矿的纯度提升至高于99.99%[50]。这种方法的专利由出生于德国的英国化学家路德维希·蒙德(Ludwig Mond)取得,并于20世纪开始前就已经被工业生产所使用。镍在蒙德法中于40–80℃的温度下与一氧化碳反应,生成四羰基镍。铁也会在同样的反应中生成五羰基铁,但反应速度缓慢。如有需要的话,可用蒸馏法分离。这过程中也会生成八羰基二钴,但它在反应温度下会分解成十二羰基四钴,一种不具挥发性的固体[6]。
有两种方法可以从四羰基镍中再提取镍。第一种方法,把四羰基镍在高温下传进反应室,反应室内有数万粒的镍珠,一直被持续搅拌。然后四羰基镍就会分解出纯镍,并依附到镍珠的表面上。第二种方法,把四羰基镍在230℃的温度下传进较小的反应室,它会分解出细粉末状的纯镍。分解副产品一氧化碳在蒙德法中会被循环再用。用这方法生成的高纯度镍被称为“羰基镍”[51]。
镍的市场价格于2006年至2007年初期一直大辐攀升;以2007年4月5日为准,镍的交易价格为每公吨52,300美元,或每盎司1.47美元[52]。价格在这高峰过后又大幅回落,以2013年9月19日为准,镍的交易价格则为每公吨13,788美元,或每盎司0.39美元[53]
5美分硬币含有1.25克的镍(0.04盎司),以2007年4月的价格结算,值6.5美分;再加上3.75克的铜,值3美分;所以这个硬币的金属值9美分。由于5美分硬币面值只有5美分,所以很多人想把硬币熔掉赚钱。然而,美国铸币局有见及此,已于2006年12月14日开始执行法例,并有30天公众咨询期,凡熔掉或出口1美分或5美分硬币即属违法[54]。最高判处罚款一万美元及/或入狱五年。
以2013年9月19日为准,5美分硬币(含镍及铜)熔掉后的价值为0.0450258美元,为面值的90%[55]。
镍被用于各种特定及容易认出的工业品及消费品,其中包括不锈钢、铝镍钴磁铁、硬币、蓄电池、电吉他弦线、麦克风收音盒及多种特殊合金。特别需要强调的是,镍是一种合金金属,它的主要用途是镍钢及镍铸铁,而它们的种类繁多。镍还被广泛用于其他合金,例如镍黄铜及镍青铜,及含有各种金属元素的其他合金(如英高镍、英高合金、莫内尔合金及镍蒙克合金),而各种合金元素则包括铜、铬、铝、铅、钴、银及金[48]。
由于镍具有良好的抗腐蚀性,所以以前的人偶尔会用镍来代替装饰用的银。1859年开始,有些国家偶尔会把镍用作便宜的铸币原料(见上文),但到了20世纪后期硬币中的镍基本已被较便宜不锈钢(即铁)所取代,而美国硬币则是这趋势中重要的例外。
对某些贵金属而言,镍是一种极佳的合金用剂,因此镍被用于所谓的火试金法,专门探收各种铂系元素[57]。就这一点而言,镍能够从铂系元素的矿石中探收到全部六种的元素,甚至还能稍微地探收到一点金。高通量的镍矿也可能从事其他铂系元素的开采(主要是铂和钯),这类矿场的例子有俄罗斯的诺里尔斯克和加拿大的索德柏立盆地。
镍氢电池,可充电重复使用的环保电池。
美国政府为镍及其化合物设定了的最低风险量,其量为在15-364天期间吸入0.2 µg/m3[73]。一般相信硫化镍的烟雾及尘埃为致癌物质,及其他各种镍的化合物也有可能是致癌的[74][75]。四羰基镍[Ni(CO)4]是一种毒性很强的气体。金属羰基化合物的毒性取决于该金属本身的毒性,及该羰基化合物释出剧毒一氧化碳气的能力,而四羰基镍也不例外;而且四羰基镍在空气中会爆炸[76][77]。
美国规定的每天镍饮食摄取最大耐受量为1000 µg[78],而估计的平均镍摄取量为每天69-162 µg[79]。相对大量的镍(与铬)会在煮食过程中从不锈钢厨具沥取到食物中,其量与每天平均摄取量相若。例如在煮过10次后,一份蕃茄酱的含镍量就有88 µg[80][81]。
过敏体质的人可能会对镍有过敏反应,造成皮肤过敏,即皮肤炎。而汗疱疹的患者可能也会对镍过敏。镍是接触性过敏的一大来源,部分成因是作耳环用的珠宝首饰上的镀镍[82]。受镍过敏形响的耳洞一般会发红并变痒。由于这个问题,所以现时不少耳环都采用了不含镍的材料。对于会于与人体皮肤接触的产品,其最大可含镍量是由欧盟所管制的。在2002年,研究人员发现1欧元及2欧元的硬币含镍量远高于标准。相信是由电镀反应所造成的[83]。镍在2008年获美国接触性皮肤炎协会选为年度过敏原。[84]
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