Vi siete mai chiesti perché il nichel sia un metallo così importante nella nostra vita quotidiana? Dalle monete in tasca alle leghe ad alte prestazioni nei motori a reazione, la versatilità del nichel è ineguagliabile. Questa guida esplora la scoperta, le proprietà e le diverse applicazioni del nichel, compreso il suo ruolo fondamentale nella creazione dell'acciaio inossidabile e delle leghe di memoria. Comprendendo le caratteristiche uniche del nichel, si comprenderà il suo contributo essenziale alla tecnologia e all'industria moderna.
Il nichel ha un'ampia gamma di applicazioni nella nostra vita quotidiana, come la fabbricazione di monete e la produzione di leghe. Oggi diamo un'occhiata più da vicino a questo metallo: il nichel.
Il nichel si trova nel gruppo VIII della tavola periodica, insieme a ferro, cobalto, rutenio, rodio, palladio, osmio, iridio e platino, che formano il gruppo VIII. Tra questi, il ferro, il cobalto e il nichel sono chiamati "elementi del gruppo del ferro".
L'umanità conosce e utilizza il nichel da moltissimo tempo. Il nichel è stato utilizzato per la prima volta in Cina già nel III secolo a.C., quando i cinesi aggiunsero il minerale di nichel al rame per ottenere una lega, il rame bianco, utilizzata per fondere le monete.
Alla fine del XVII secolo, i minatori tedeschi scoprirono un minerale bruno-rossastro che spesso presentava macchie verdi sulla superficie. Aggiunto alle materie prime per la produzione del vetro, poteva tingere il vetro di verde. All'epoca, questo minerale fu scambiato per un minerale di rame e i metallurgisti tentarono più volte di estrarre il rame da questo minerale, ma tutti i tentativi fallirono.
I minatori lo chiamavano "Kupfernickel", con Kupfer che in tedesco significa rame e nickel che significa un folletto ingannatore, quindi Kupfernickel potrebbe essere tradotto come "rame falso".
Solo nel 1751 il mineralogista e chimico svedese Cronstedt A F (1722-1765) studiò questo minerale. Dopo numerosi esperimenti, isolò un metallo bianco dal Kupfernickel e lo chiamò Nichel.
Questa è anche l'origine del nome latino del nichel, Niccolum. Traslitteriamo la prima sillaba in "nichel", con il simbolo chimico Ni. Ora sappiamo che il Kupfernickel è un minerale di arseniuro di nichel e che le macchie verdi sulla sua superficie sono carbonato di nichel.
Nel numero di aprile 1943 dell'American "Journal of Chemical Education" è stato pubblicato un articolo estratto dall'International Nickel Company, intitolato "The Mysterious Paktong", estratto come segue:
"Trecento anni fa, un giorno, un'enorme nave mercantile battuta dalle tempeste e che si avvicinava lentamente al fiume Tamigi, dirigendosi verso il molo, stava tornando a casa! Un anno fa era salpata da Londra per cercare l'Estremo Oriente. Ora è tornata, trasportando merci come tè, seta e spezie.
Inoltre, c'era un nuovo oggetto, fatto di metallo, che brillava con la morbida lucentezza dell'argento puro, ma non era assolutamente argento, era un metallo duro. I cinesi lo chiamavano Paktong e custodivano con cura il segreto su come produrlo.
Dopo la diffusione di questo strano metallo, generazioni di metallurgici europei cercarono di imitare il rame bianco, ma non trovarono mai la ragione di ogni fallimento. Solo a metà del XVIII secolo uno scienziato svedese identificò un nuovo metallo, riconosciuto da un altro scienziato, come il metallo della misteriosa lega per la produzione del rame bianco. È il metallo che i minatori della Sassonia hanno scoperto e maledetto come rame falso.
Il nichel non è scarso nella crosta terrestre, essendo più abbondante di metalli comuni come il piombo e lo stagno, ma molto meno del ferro. Il cobalto e il nichel spesso coesistono in natura: importanti minerali di cobalto e nichel sono la cobaltite (CoAsS) e la pirite di nichel (NiS-FeS).
In natura, i minerali di nichel più importanti sono la garnierite (arseniuro di nichel) e l'arseniuro di nichel (solfarsenuro). Cuba è il Paese più famoso al mondo per i giacimenti di nichel, mentre grandi quantità di nichel si trovano anche nella Repubblica Dominicana.
Il contenuto di nichel nel sole è di 80 ppm, nell'acqua di mare è di 0,0001 ppm e nella crosta terrestre è di 80 ppm. Il nichel è anche uno degli elementi essenziali per gli organismi, ma il suo contenuto negli organismi è molto basso, inferiore a un decimillesimo, noto come oligoelemento. Gli alimenti ricchi di nichel sono: cioccolato, noci, fagioli secchi e cereali.
Esistono molti isotopi del nichel, con diverse proprietà. Eccone un elenco:
| Isotopi | Abbondanza | Emivita | Modalità di decadimento | Energia di decadimento/eV | Prodotti per il decadimento |
| 56Ni | Artificiale | 6.077天 | Cattura degli elettroni | 2.136 | 56Co |
| 58Ni | 68.077% | Stabile | |||
| 59Ni | Artificiale | 76,000年 | Cattura degli elettroni | 1.072 | 59Co |
| 60Ni | 26.233% | Stabile | |||
| 61Ni | 1.14% | Stabile | |||
| 62Ni | 3.634% | Stabile | |||
| 63Ni | Artificiale | 100.1年 | Decadimento beta | 2.137 | 63Cu |
| 64Ni | 0.926% | Stabile |
La cella unitaria è una cella cubica a facce centrate, contenente 4 atomi di metallo per cella.
Parametri del reticolo:
(1) A temperatura ambiente, il nichel forma una densa pellicola di ossido sulla sua superficie in aria umida, che non solo impedisce un'ulteriore ossidazione, ma resiste anche alla corrosione da parte di alcali e soluzioni saline;
(2) Il nichel sfuso non brucia, il filo di nichel fine può bruciare e le particelle di nichel poroso appositamente realizzate bruciano in aria;
(3) Se riscaldato, il nichel reagisce violentemente con ossigeno, zolfo, cloro e bromo;
(4) Il nichel in polvere fine può assorbire una notevole quantità di idrogeno quando viene riscaldato;
(5) Il nichel si dissolve lentamente in acido cloridrico diluito, acido solforico diluito e acido nitrico diluito, ma la sua superficie è passivata nell'acido nitrico fumante. Diventa verde dopo la dissoluzione in acido nitrico.
Arrostire il minerale solfidrico arricchito in ossidi, ridurlo in nichel grezzo con il carbonio e quindi ottenere nichel metallico puro attraverso l'elettrolisi.
Reagire il minerale di solfuro di nichel con il monossido di carbonio per produrre tetracarbonile di nichel, che si decompone al riscaldamento per produrre nichel metallico molto puro.
Il nichel metallico può essere ottenuto riducendo l'ossido di nichel con l'idrogeno.
I primi dieci paesi produttori di nichel al mondo (produzione annua: migliaia di tonnellate)
| Nome del Paese | 1977 | 1982 | 1987 | 1992 |
| Russia | 144.3 | 165.2 | 272.0 | 215.0 |
| Canada | 235.4 | 88.6 | 189.0 | 192.1 |
| Nuova Caledonia | 109.1 | 60.1 | 56.9 | 113.1 |
| Indonesia | 14.0 | 45.9 | 57.8 | 78.1 |
| Australia | 85.8 | 87.6 | 74.6 | 64.0 |
| Cina | - | 12.0 | 25.0 | 37.0 |
| Cuba | 37.0 | 36.1 | 33.8 | 32.2 |
| Sudafrica | 23.0 | 22.0 | 34.3 | 28.4 |
| Repubblica Dominicana | 24.2 | 5.4 | 32.5 | 25.0 |
| Botswana | 12.1 | 17.8 | 25.9 | 23.5 |
| Subtotale di dieci paesi | 685.0 | 540.6 | 801.8 | 808.4 |
| Totale globale | 772.8 | 621.6 | 892.5 | 921.9 |
L'aggiunta di nichel all'acciaio può migliorarne la resistenza meccanica. Ad esempio, quando il contenuto di nichel nell'acciaio aumenta da 2,94% a 7,04%, la resistenza alla trazione aumenta da 52,2 kg/mm 2 a 72,8 kg/mm 3 . L'acciaio al nichel è utilizzato per produrre parti di macchine che sopportano pressioni elevate, resistono agli urti e ai carichi alternativi, come pale di turbine, alberi a gomito, bielle, ecc.
L'acciaio al nichel contenente 36% di nichel e 0,3-0,5% di carbonio ha un coefficiente di espansione molto ridotto, quasi nullo, e viene utilizzato per produrre vari macchinari di precisione, calibri accurati, ecc. L'acciaio ad alto tenore di nichel contenente 46% di nichel e 0,15% di carbonio è chiamato "Invar" perché il suo coefficiente di espansione è simile a quello del platino e del vetro. Questo tipo di acciaio ad alto tenore di nichel può essere saldato al vetro.
È molto importante nella produzione di lampadine e può essere utilizzato come sostituto del filo di platino. Anche alcune montature di lenti di precisione sono realizzate in questo acciaio Invar, per evitare che la lente cada dalla montatura a causa dell'espansione e della contrazione termica. Una lega composta da 67,5% di nichel, 16% di ferro, 15% di cromo e 1,5% di manganese ha un'elevata resistenza elettrica e viene utilizzata per la produzione di varie resistenze e riscaldatori elettrici.
Le leghe di nichel-titanio hanno una capacità di "memoria", e per di più una memoria molto forte, in quanto ritornano accuratamente alla loro forma originale dopo essere state deformate milioni di volte per un periodo di tempo considerevole. Questa capacità di "memoria" consiste nel ricordare la forma originale, per cui viene chiamata "lega a memoria di forma".
In origine, questa lega ha una temperatura di trasformazione caratteristica. Al di sopra di questa temperatura di trasformazione, ha un tipo di struttura cristallina, mentre al di sotto di essa ha un altro tipo di struttura cristallina. Strutture diverse danno luogo a proprietà diverse.
Ad esempio, una lega a memoria di nichel-titanio è molto dura e resistente al di sopra della sua temperatura di trasformazione, ma al di sotto di questa temperatura diventa molto morbida e facile da lavorare a freddo. Così, quando abbiamo bisogno che ricordi una certa forma, la modelliamo di conseguenza. Questa è la sua forma a "memoria permanente". Al di sotto della temperatura di trasformazione, poiché è molto morbido, possiamo deformarlo a piacere.
E quando deve tornare alla sua forma originale, è sufficiente riscaldarla al di sopra della temperatura di trasformazione. Le leghe di nichel-titanio a memoria di forma sono ampiamente utilizzate in campo medico, ad esempio nei filtri per coaguli di sangue, nelle aste di correzione della colonna vertebrale, nei fili per archi ortodontici, nelle clip per aneurismi cerebrali, nelle placche ossee, nelle articolazioni artificiali, nelle calotte della testa del femore, nei muscoli cardiaci artificiali e nelle pompe miniaturizzate per reni artificiali.
Il nichel è magnetico e può essere attratto dai magneti. Le leghe di alluminio, cobalto e nichel hanno un magnetismo ancora più forte. Quando una lega di questo tipo viene attratta da un elettromagnete, non solo viene trascinata, ma può anche sostenere qualcosa che pesa sessanta volte di più senza cadere. Per questo motivo, può essere utilizzata per produrre gru elettromagnetiche.
Il nichel è il più utilizzato nell'acciaio inossidabile, che può resistere alla corrosione dell'atmosfera, del vapore e dell'acqua, nonché alla corrosione di acidi, alcali e sali. Pertanto, l'acciaio inossidabile è ampiamente utilizzato nel settore chimico, metallurgico, edile e in varie applicazioni civili, come nella produzione di contenitori, torri, serbatoi, tubazioni, ecc. che richiedono la saldatura in settori come quello petrolchimico, tessile, dell'industria leggera e dell'energia nucleare; e nella produzione di urea, torri di sintesi, torri di lavaggio, torri di condensazione, torri di strippaggio del vapore e altre apparecchiature ad alta pressione resistenti alla corrosione.
Il nichel viene utilizzato anche per la nichelatura, che ricopre l'acciaio e altri substrati metallici con uno strato superficiale durevole e resistente alla corrosione, da 20% a 25% più resistente alla corrosione rispetto agli strati galvanizzati.
I principali stati di ossidazione del nichel sono +2, oltre a -1, 0, +1, +3, +4, +6, ecc. che permettono al nichel di formare una varietà di composti. Qui vengono introdotti l'ossido di nichel, il solfato di nichel, l'idrossido di nichel e i complessi di nichel.
Poiché il nichel ha orbitali d che possono ospitare elettroni solitari, può formare complessi. I principali tipi di complessi del nichel sono i seguenti:
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