니켈에 대한 종합 가이드: 구조, 준비 등

니켈은 동전 제조 및 합금 생산과 같이 일상 생활에서 다양한 용도로 사용됩니다. 오늘은 이 금속인 니켈에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

니켈은 철, 코발트, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 백금과 함께 주기율표의 8족에 위치하여 8족을 형성합니다. 이 중 철, 코발트, 니켈을 '철족 원소'라고 합니다.

I. 니켈의 발견과 명명

인류는 아주 오랫동안 니켈을 알고 사용해 왔습니다. 니켈은 기원전 3세기 초 중국에서 처음 사용되었는데, 중국인들은 구리에 니켈 광석을 첨가하여 합금인 백동을 만들어 동전을 주조하는 데 사용했습니다.

17세기 말, 독일 광부들은 표면에 녹색 반점이 있는 적갈색 광석을 발견했습니다. 유리를 만드는 원료에 첨가하면 유리를 녹색으로 염색할 수 있었습니다. 당시 이 광물은 구리 광석으로 오인되어 야금학자들이 구리 추출을 위해 여러 번 시도했지만 모든 시도가 실패했습니다.

광부들은 이를 "쿠퍼니켈"이라고 불렀는데, 쿠퍼는 독일어로 구리를 의미하고 니켈은 속이는 정령을 의미하므로 쿠퍼니켈은 "가짜 구리"로 번역할 수 있습니다.

1751년에야 스웨덴의 광물학자이자 화학자인 크론스테트 에프(1722~1765)가 이 광물을 연구하기 시작했습니다. 수많은 실험 끝에 그는 쿠퍼니켈에서 백색 금속을 분리하여 니켈이라는 이름을 붙였습니다.

이것은 니켈의 라틴어 이름인 니콜룸의 어원이기도 합니다. 첫 음절을 화학 기호 Ni를 사용하여 "니켈"로 음역합니다. 이제 쿠퍼니켈은 니켈 비소 광석이며 표면의 녹색 반점은 탄산 니켈이라는 것을 알 수 있습니다.

1943년 4월호 미국 '화학 교육 저널'에는 국제 니켈 회사에서 발췌한 '신비한 박통'이라는 제목의 기사가 게재되었는데, 그 내용은 다음과 같습니다:

"300년 전 어느 날, 폭풍우에 휩쓸려 템즈강에 천천히 접근해 부두로 향하던 거대한 상선이 집으로 돌아오고 있었습니다! 1년 전, 이 배는 극동 지역을 찾아 런던을 출발했습니다. 이제 차, 비단, 향신료 등의 물품을 싣고 돌아왔습니다.

또한 순은의 부드러운 광택으로 빛나는 금속으로 만든 새로운 아이템이 있었지만 확실히 은이 아니라 단단한 금속이었습니다. 중국인들은 그것을 팍통이라고 불렀고 그것을 만드는 방법의 비밀을 조심스럽게 지키고있었습니다.

이 이상한 금속이 퍼진 후 여러 세대의 유럽 금속 세공인들이 백색 구리를 모방하려고 시도했지만 실패의 원인을 찾지 못했습니다. 18세기 중반이 되어서야 스웨덴의 한 과학자가 다른 과학자가 인정한 새로운 금속을 백색 구리를 만드는 신비한 합금의 금속으로 확인했습니다. 작센의 광부들이 발견하고 가짜 구리라고 저주했던 금속입니다.

II. 니켈의 분포, 존재 및 함량

니켈은 납이나 주석과 같은 일반적인 금속보다는 풍부하지만 철보다는 훨씬 적기 때문에 지각에 희소하지 않습니다. 코발트와 니켈은 자연에서 공존하는 경우가 많으며, 중요한 코발트 및 니켈 광석은 코발타이트(CoAsS)와 니켈 황철광(NiS-FeS)입니다.

자연에서 가장 중요한 니켈 광석은 가니에르석(니켈 비소)과 니켈 비소(설파르세나이드)입니다. 쿠바는 니켈 광석 매장지로 세계에서 가장 유명한 국가이며, 도미니카 공화국에서도 많은 양의 니켈 광석이 발견됩니다.

태양의 니켈 함량은 80ppm, 바닷물의 니켈 함량은 0.0001ppm, 지각의 니켈 함량은 80ppm입니다. 니켈은 또한 유기체의 필수 원소 중 하나이지만, 유기체 내 함량은 미량 원소로 알려진 1만분의 1 미만으로 매우 적습니다. 니켈이 풍부한 식품으로는 초콜릿, 견과류, 말린 콩, 곡물 등이 있습니다.

III. 니켈의 동위원소

니켈에는 다양한 특성을 가진 많은 동위 원소가 있습니다. 다음은 그 목록입니다:

IV. 요소의 구조와 속성

1. 구조:

단위 셀은 면을 중심으로 하는 정육면체 셀로, 셀당 4개의 금속 원자를 포함합니다.

격자 매개변수:

• a=352.4pm
• b=352.4pm
• C=352.4pm
• α=90°
• β=90°
• Y=90°
• 모스 경도: 4
• 외부 전자 구성: 3d⁸4s²
• 핵 외부 전자 구성: 2,8,16,2

2. 물리적 속성:

(1) 대략 은백색 금속;

• 밀도: 8.902g/cm³
• 녹는점: 1453.0℃
• 끓는점: 2732.0℃
• 원자 부피: 6.59cm³/몰
• 상대 원자 질량: 58.69

(2) 단단하고 연성이 있습니다;

(3) 강자성:

(4) 광택이 잘 나고 부식에 강합니다:

(5) 전도성 및 열 전도성.

3. 화학적 특성

(1) 실온에서 니켈은 습한 공기에서 표면에 조밀한 산화막을 형성하여 추가 산화를 방지할 뿐만 아니라 알칼리 및 염 용액에 의한 부식에도 저항합니다;

(2) 벌크 니켈은 타지 않으며, 미세 니켈 와이어는 타지 않으며, 특수 제작된 미세 다공성 니켈 입자는 공기 중에서 하얗게 연소됩니다;

(3) 니켈은 가열하면 산소, 황, 염소 및 브롬과 격렬하게 반응합니다;

(4) 미세 분말 니켈은 가열하면 상당한 양의 수소를 흡수할 수 있습니다;

(5) 니켈은 묽은 염산, 묽은 황산 및 묽은 질산에 천천히 용해되지만 그 표면은 연무 질산에서 불활성화됩니다. 질산에 녹으면 녹색으로 변합니다.

V. 니켈의 준비

1. 전기 분해 방법.

농축된 황화물 광석을 산화물로 로스팅하고 탄소로 조니켈로 환원시킨 다음 전기분해를 통해 순수한 금속 니켈을 얻습니다.

2. 탄화 방법.

황화 니켈 광석을 일산화탄소와 반응시켜 니켈 테트라카보닐을 생성하고, 가열하면 분해되어 매우 순수한 금속 니켈을 생성합니다.

3. 수소 환원 방법.

금속 니켈은 니켈 산화물을 수소로 환원하여 얻을 수 있습니다.

세계 10대 니켈 생산국(연간 생산량: 천 톤)

VI. 니켈의 용도

1. 합금 제조에 널리 사용됨

강철에 니켈을 첨가하면 기계적 강도를 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 강철의 니켈 함량이 2.94%에서 7.04%로 증가하면 인장 강도는 52.2kg/mm에서 52.2kg/mm로 증가합니다. ² 72.8kg/mm ³ . 니켈강은 터빈 블레이드, 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드 등과 같이 고압을 견디고 충격과 왕복 하중을 견디는 기계의 부품을 제조하는 데 사용됩니다.

36% 니켈과 0.3~0.5% 탄소를 함유한 니켈강은 팽창계수가 매우 작고 열팽창이나 수축이 거의 없어 각종 정밀 기계, 정밀 게이지 등을 제조하는 데 사용됩니다. 46% 니켈과 0.15% 탄소가 함유된 고니켈강은 팽창 계수가 백금 및 유리와 비슷하기 때문에 '인바'라고 불립니다. 이 유형의 고니켈강은 유리에 용접할 수 있습니다.

전구 생산에 매우 중요하며 백금 와이어의 대체재로 사용할 수 있습니다. 일부 정밀 렌즈 프레임도 이 인바 스틸로 만들어져 열팽창과 수축으로 인해 렌즈가 프레임에서 빠지는 것을 방지합니다. 67.5% 니켈, 16% 철, 15% 크롬, 1.5% 망간으로 구성된 합금으로 전기 저항이 높아 각종 저항기 및 전기 히터 제조에 사용됩니다.

2. 니켈-티타늄 합금에는 "메모리" 기능이 있습니다.

니켈-티타늄 합금은 상당한 시간 동안 수백만 번 변형된 후에도 원래 모양으로 정확하게 돌아가는 매우 강력한 '기억력'을 가지고 있습니다. 이 "기억" 기능은 원래의 모양을 기억하는 것이므로 "형상 기억 합금"이라고 불립니다.

원래 이 합금은 특징적인 변형 온도를 가지고 있습니다. 이 변형 온도 위에서는 한 가지 유형의 결정 구조를 가지며, 그 아래에서는 다른 유형의 결정 구조를 갖습니다. 구조가 다르면 특성이 달라집니다.

예를 들어, 니켈-티타늄 메모리 합금은 변형 온도 이상에서는 매우 단단하고 강하지만 이 온도 이하에서는 매우 부드러워지고 냉간 가공이 쉽습니다. 따라서 특정 모양을 기억해야 할 때 그에 따라 모양을 만들 수 있습니다. 이것이 바로 "영구 기억" 형태입니다. 변형 온도 이하에서는 매우 부드럽기 때문에 원하는 대로 상당 부분 변형할 수 있습니다.

원래 모양으로 되돌려야 할 때는 변형 온도 이상으로 가열하기만 하면 됩니다. 니켈-티타늄 형상 기억 합금은 혈전 필터, 척추 교정봉, 교정용 아치 와이어, 뇌동맥류 클립, 뼈판, 인공 관절, 대퇴골두 캡, 인공 심장 근육, 인공 신장용 소형 펌프 등 의료 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

3. 전자기 크레인 제조

니켈은 자성을 띠고 자석에 끌릴 수 있습니다. 알루미늄, 코발트, 니켈로 만든 합금은 자성이 훨씬 더 강합니다. 이러한 합금이 전자석에 끌리면 끌어당겨질 뿐만 아니라 무게의 60배에 달하는 물체를 떨어뜨리지 않고 견딜 수 있습니다. 따라서 전자기 크레인을 제조하는 데 사용할 수 있습니다.

4. 스테인리스 스틸 제조에 사용

스테인리스강에서 가장 많이 사용되는 니켈은 대기, 증기, 물의 부식은 물론 산, 알칼리, 염분 부식에 강합니다. 따라서 스테인리스 스틸은 석유화학, 섬유, 경공업, 원자력 등의 산업에서 용접이 필요한 컨테이너, 타워, 탱크, 파이프라인 등의 제조와 요소, 합성 타워, 세척 타워, 응축 타워, 스팀 스트리핑 타워 및 기타 부식 방지 고압 장비의 생산 등 화학, 야금, 건설 및 다양한 민간 응용 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

5. 니켈 도금에 사용

니켈은 또한 니켈 도금에 사용되어 강철 및 기타 금속 기판에 아연 도금층보다 내식성이 20%~25% 더 강한 내구성 있는 부식 방지 표면층을 덮습니다.

6. 촉매 및 염료로 사용됩니다.

VII. 니켈의 중요한 화합물

니켈의 주요 산화 상태는 +2 외에도 -1, 0, +1, +3, +4, +6 등이며, 니켈은 다양한 화합물을 형성할 수 있습니다. 여기에서는 산화 니켈, 황산 니켈, 고 수산화 니켈 및 니켈 복합체를 소개합니다.

1. 산화 니켈

• 외관 및 속성: 녹색 분말.
• 상대 밀도(물=1): 6.6-6.8
• 용해도: 물에 불용성, 알칼리에 불용성, 산에 용해됨. 산과 암모니아수, 뜨거운 과염소산, 뜨거운 황산에 용해됩니다.
• 주요 용도: 도자기 및 유리의 안료로 사용됩니다. 에나멜 산업에서는 도자기 유약의 접착제 및 착색제로 사용됩니다. 세라믹 산업에서는 안료의 원료로 사용됩니다. 자성 재료 생산에서는 니켈-아연 페라이트의 원료로 사용됩니다. 유리 산업에서는 차색 유리 및 음극선관 유리 쉘의 착색제로 사용됩니다. 또한 니켈 염과 니켈 촉매를 제조하는 원료이기도 합니다.

2. 황산 니켈

• 모양과 속성: 녹색 결정, 사방 정계 결정계.
• 끓는점(C): 840(무수)
• 상대 밀도(물=1): 2.07
• 용해도: 물에 용해, 에탄올에 용해, 산, 암모니아수에 약간 용해.
• 주요 용도: 주로 전기 도금 산업과 니켈-카드뮴 배터리 및 기타 니켈 염을 만드는 데 사용되며, 유기 합성 및 페인트 촉매로 건성유 생산에도 사용됩니다.

3. 수산화 니켈

• 외관 및 특성: 검은색 분말.
• 용해도: 물과 알칼리 용액에 녹지 않음. 산성 및 암모니아수에 용해됩니다.
• 용도: 알카라인 배터리 등을 만드는 데 사용됩니다.
• 준비: 수산화니켈을 차아염소산염으로 산화시켜 얻습니다.
• 기타: 녹는점에서 분해됩니다.

4. 니켈 복합체

니켈은 외쌍 전자를 수용할 수 있는 d 궤도를 가지고 있기 때문에 착물을 형성할 수 있습니다. 니켈 착물의 주요 유형은 다음과 같습니다:

• 암민 배위 화합물: [Ni(NH ₃ ) ₆ ] ²⁺
• 시안화물 배위 화합물: [Ni(CN) ₄ ] ^2-
• 킬레이트: [Ni(en) ₃ ] ²⁺
• 카르보닐 배위 화합물: (a) Ni(CO) ₄ (b) (C ₂ H ₅ ) ₂ Ni