ニッケル総合ガイド：ニッケルの構造、製法、その他

ニッケルは、硬貨の製造や合金の製造など、私たちの日常生活において幅広い用途があります。今日はこの金属、ニッケルについて詳しく見てみましょう。

ニッケルは、鉄、コバルト、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金とともに周期表の第8族に位置し、第8族を形成している。このうち、鉄、コバルト、ニッケルは「鉄族元素」と呼ばれる。

I.ニッケルの発見と命名

人類は非常に長い間、ニッケルを知り、利用してき ました。ニッケルが中国で初めて使用されたのは、紀元前3世紀 のことで、中国の人々が銅にニッケル鉱石を加えて合 金（白銅）を作り、硬貨の鋳造に使用していました。

17世紀末、ドイツの鉱山労働者が、表面にしばしば緑色の斑点を持つ赤褐色の鉱石を発見した。この鉱石をガラスの原料に加えると、ガラスを緑色に染めることができた。当時、この鉱石は銅鉱石と間違えられ、冶金学者は何度も銅を抽出しようと試みたが、すべて失敗に終わった。

鉱夫たちはこれを「クプフェルニッケル」と呼んだ。クプファーはドイツ語で銅を意味し、ニッケルは人を欺く妖精を意味することから、クプフェルニッケルは "偽りの銅 "と訳される。

スウェーデンの鉱物学者で化学者のクロンシュテット・A・F（1722-1765）がこの鉱物を研究したのは1751年のことである。数々の実験の後、彼はクプフェルニッケルから白い金属を単離し、それをニッケルと名付けた。

これはニッケルのラテン語名Niccolumの由来でもある。最初の音節を音訳すると「ニッケル」となり、化学記号はNiとなる。これで、クプフェルニッケルは砒化ニッケル鉱石であり、その表面の緑色の斑点は炭酸ニッケルであることがわかった。

アメリカの "Journal of Chemical Education "誌1943年4月号に、インターナショナル・ニッケル社から抜粋した記事が掲載された。"The Mysterious Paktong "というタイトルで、抜粋すると次のようなものである：

"300年前のある日、嵐に打たれながらテムズ川にゆっくりと近づき、ドックに向かう巨大な商船が帰途についた！年前、それは極東を求めてロンドンから出航した。そして今、茶、絹、香辛料などの商品を積んで帰ってきた。

さらに、純銀のような柔らかな光沢を放つ金属製の新しいアイテムがあった。中国人はそれをパクトンと呼び、その作り方の秘密を慎重に守っていた。

この奇妙な金属が広まった後、ヨーロッパの金属職人たちは何世代にもわたって白銅の模倣を試みたが、失敗のたびにその理由を見つけることはできなかった。スウェーデンの科学者が、別の科学者が認めた新しい金属が白銅を作るための不思議な合金の金属であることを突き止めたのは、18世紀半ばのことだった。それはザクセンの鉱夫たちが発見し、偽銅と呪った金属である。

II.ニッケルの分布、存在、含有量

ニッケルは地殻中で希少ではなく、鉛やスズなどの一般 的な金属よりも豊富であるが、鉄よりはかなり少ない。コバルトとニッケルは自然界で共存することが多く、重要なコバルト鉱石とニッケル鉱石はコバルト酸塩（CoAsS）とニッケル黄鉄鉱（NiS-FeS）です。

自然界で最も重要なニッケル鉱石は、ガルニエライト （砒化ニッケル）と砒化ニッケル（硫化ニッケル）です。ドミニカ共和国でも大量のニッケル鉱石が発見されています。

太陽中のニッケル含有量は80ppm、海水中では0.0001ppm、地殻中では80ppmである。ニッケルも生物にとって必須元素の一つですが、生物に含まれる量は1万分の1以下と非常に少なく、微量元素として知られています。ニッケルを多く含む食品には、チョコレート、ナッツ類、乾燥豆類、穀類などがあります。

III.ニッケルの同位体

ニッケルには多くの同位体があり、様々な性質を持っている。以下はその一覧である：

IV.元素の構造と性質

1.構造：

単位胞は面心立方胞で、胞あたり4個の金属原子を含む。

格子定数：

• a=352.4pm
• b=352.4pm
• C=352.4pm
• α=90°
• β=90°
• Y=90°
• モース硬度4
• 外側の電子配置：3d⁸4s²
• 原子核外の電子配置：2,8,16,2

2.物理的性質

(1) およそ銀白色の金属；

• 密度：8.902g/cm³
• 融点：1453.0
• 沸点：2732.0
• 原子体積：6.59cm³/モル
• 相対原子質量：58.69

(2) 硬くて延性がある；

(3) 強磁性体：

(4) 高い研磨性と耐食性：

(5) 導電性および熱伝導性。

3.化学的性質

(1) ニッケルは常温では、湿った空気中で表面に緻密な酸化皮膜を形成し、それ以上の酸化を防ぐだけでなく、アルカリや塩水による腐食にも耐える；

(2) バルクニッケルは燃えないが、細いニッケル線は燃えることがあり、特別に作られた微細多孔質ニッケル粒子は空気中で白く燃える；

(3) ニッケルは加熱されると、酸素、硫黄、塩素、臭素と激しく反応する；

(4)微粉末のニッケルは、加熱するとかなりの量の水素を吸収する；

(5) ニッケルは希塩酸、希硫酸、希硝酸にはゆっくり溶けるが、発煙硝酸では表面が不動態化する。硝酸に溶けると緑色になる。

V.ニッケルの調製

1.電解法。

濃縮された硫化鉱を焙焼して酸化物にし、炭素で粗ニッケルに還元した後、電気分解して純粋な金属ニッケルを得る。

2.カルボニル化法。

硫化ニッケル鉱石を一酸化炭素と反応させてテトラカルボニルニッケルを生成し、加熱すると分解して非常に純粋な金属ニッケルが得られる。

3.水素還元法。

金属ニッケルは、酸化ニッケルを水素で還元することで得られる。

世界のニッケル生産国トップ10（年間生産量：千トン）

VI.ニッケルの用途

1.合金製造に広く使用されている

鋼にニッケルを添加すると、機械的強度が向上する。例えば、鋼中のニッケル含有量が 2.94%から7.04%に増加した場合、引張強 度は52.2kg/mmから7.041kg/mmに増加する。 ² から72.8kg/mm ³ .ニッケル鋼は、タービンブレード、クランクシャフト、コネクティングロッドなど、高圧、衝撃、往復荷重に耐える機械部品の製造に使用される。

36%のニッケルと0.3～0.5%の炭素を含むニッケル鋼は、膨張係数が非常に小さく、熱膨張や熱収縮がほとんどないため、各種精密機械や正確なゲージなどの製造に使用される。46%のニッケルと0.15%の炭素を含む高ニッケル鋼は、その膨張係数が白金とガラスの膨張係数に似ていることから「インバー」と呼ばれている。この種の高ニッケル鋼はガラスに溶接することができる。

電球の製造において非常に重要であり、プラチナ線の代用としても使用できる。精密レンズのフレームにもこのインバー鋼を使用したものがあり、熱膨張・収縮によるレンズの脱落を防いでいる。67.5%のニッケル、16%の鉄、15%のクロム、1.5%のマンガンからなる合金は電気抵抗が高く、各種抵抗器や電熱ヒーターに使われている。

2.ニッケルチタン合金は「記憶」能力を持つ。

ニッケル・チタン合金は「記憶」能力を持っており、しかも非常に強力な記憶力を持っているため、かなりの長期間にわたって何百万回も変形しても、正確に元の形状に戻る。この "記憶 "能力は、元の形状を記憶することであるため、"形状記憶合金 "と呼ばれている。

もともと、この合金は特徴的な変態温度を持っている。この変態温度以上では、あるタイプの結晶構造を持ち、それ以下では別のタイプの結晶構造を持つ。異なる構造は異なる特性をもたらす。

例えば、ニッケル・チタン系記憶合金は、変態温度以上では非常に硬くて強いが、それ以下では非常に軟らかくなり、冷間加工がしやすくなる。そのため、ある形状を記憶させる必要があるときは、それに合わせて形状を整える。これが「永久記憶」形状である。変態温度以下では、非常に柔らかいため、思い通りにかなりの範囲まで変形させることができる。

また、元の形状に戻す必要がある場合は、変態温度以上に加熱すればよい。ニッケルチタン形状記憶合金は、血栓フィルター、脊椎矯正ロッド、歯科矯正用アーチワイヤー、脳動脈瘤クリップ、骨プレート、人工関節、大腿骨頭キャップ、人工心筋、人工腎臓用ミニチュアポンプなど、医療分野で広く使用されている。

3.電磁クレーンの製造

ニッケルは磁性があり、磁石に引き付けられる。アルミニウム、コバルト、ニッケルからなる合金は、さらに強い磁性を持つ。このような合金が電磁石に引き寄せられると、引き寄せられるだけでなく、その重さの60倍の重さのものを落とさずに支えることができる。そのため、電磁クレーンの製造に使うことができる。

4.ステンレス鋼の製造に使用される。

ニッケルはステンレス鋼に最も多く使用され、大気、蒸気、水による腐食、酸、アルカリ、塩による腐食に耐えることができる。そのため、ステンレス鋼は、石油化学、繊維、軽工業、原子力などの産業で溶接を必要とする容器、塔、タンク、パイプラインなどの製造、尿素、合成塔、洗浄塔、凝縮塔、蒸気剥離塔、その他の耐腐食性高圧装置の製造など、化学、冶金、建築、各種民間用途に広く使用されている。

5.ニッケルめっき

ニッケルはニッケルめっきにも使用され、亜鉛めっき層よりも20%～25%耐食性が高く、耐久性のある耐食性表面層で鋼鉄やその他の金属基材を覆う。

6.触媒として、また染料に使用される。

VII.ニッケルの重要化合物

ニッケルの主な酸化状態は＋2であり、その他に-1、0、＋1、＋3、＋4、＋6などがあり、ニッケルは様々な化合物を形成することができる。ここでは、酸化ニッケル、硫酸ニッケル、高水酸化ニッケル、ニッケル錯体について紹介する。

1.酸化ニッケル

• 外観と性質：緑色の粉末。
• 相対密度（水=1）：6.6-6.8
• 溶解性水に不溶、アルカリに不溶、酸等に可溶。酸、アンモニア水、熱過塩素酸、熱硫酸に可溶。
• 主な用途陶磁器やガラスの顔料として使用される。エナメル産業では、接着剤や磁器釉薬の着色剤として使用される。窯業では顔料の原料として使用される。磁性材料の製造では、ニッケル亜鉛フェライトの原料として使用される。ガラス工業では、茶色ガラスやブラウン管ガラスの外殻の着色剤として使用される。また、ニッケル塩やニッケル触媒の原料でもある。

2.硫酸ニッケル

• 外観と性質：緑色結晶、斜方晶系。
• 沸点（C）：840（無水）
• 相対密度（水＝1）：2.07
• 溶解性：水に可溶、エタノールに可溶、酸、アンモニア水にわずかに可溶。
• 主な用途：主に電気メッキ工業、ニッケルカドミウム電池やその他のニッケル塩の製造に使用され、有機合成や塗料の触媒として乾燥油の製造にも使用される。

3.水酸化ニッケル

• 外観と特徴：黒色粉末。
• 溶解性：水およびアルカリ溶液に不溶。酸およびアンモニア水に可溶。
• 用途：アルカリ電池の製造などに使用。
• 調製法：水酸化ニッケルを次亜塩素酸塩で酸化して得られる。
• その他：融点で分解する。

4.ニッケル錯体

ニッケルには孤立対電子を収容できるd軌道があるため、錯体を形成することができる。ニッケル錯体の主な種類は以下の通り：

• アンミン配位化合物：[Ni(NH ₃ ) ₆ ] ²⁺
• シアン配位化合物：[Ni(CN) ₄ ] ^2-
• キレート：[Ni(エン) ₃ ] ²⁺
• カルボニル配位化合物： (a) Ni(CO) ₄ (b) （C ₂ H ₅ ) ₂ ニー