O níquel tem uma ampla gama de aplicações no nosso dia a dia, como na fabricação de moedas e na produção de ligas. Hoje, vamos dar uma olhada mais de perto neste metal – o níquel.
O níquel está localizado no Grupo VIII da tabela periódica, junto com o ferro, cobalto, rutênio, ródio, paládio, ósmio, irídio e platina, formando o Grupo VIII. Entre eles, o ferro, o cobalto e o níquel são chamados de “elementos do grupo do ferro”.
I. A descoberta e a nomenclatura do níquel
A humanidade conhece e utiliza o níquel há muito tempo. O níquel foi usado pela primeira vez na China já no século III a.C., quando o povo chinês adicionou minério de níquel ao cobre para fazer uma liga – o cobre branco, usado para fundir moedas.
No final do século XVII, mineiros alemães descobriram um minério marrom-avermelhado que muitas vezes apresentava manchas verdes em sua superfície. Quando adicionado às matérias-primas para fazer vidro, pode tingir o vidro de verde. Naquela época, esse mineral foi confundido com minério de cobre, e os metalúrgicos tentaram várias vezes extrair cobre dele, mas todas as tentativas falharam.
Os mineiros o chamavam de “Kupfernickel”, com Kupfer significando cobre em alemão, e níquel significando um duende enganador, portanto Kupfernickel poderia ser traduzido como “cobre falso”.
Somente em 1751 é que o mineralogista e químico sueco Cronstedt AF (1722-1765) estudou este mineral. Após vários experimentos, ele isolou um metal branco do Kupfernickel e chamou-o de Níquel.
Esta é também a origem do nome latino do níquel, Niccolum. Transliteramos a primeira sílaba para “níquel”, com o símbolo químico Ni. Agora sabemos que o Kupfernickel é um minério de arsenieto de níquel e as manchas verdes em sua superfície são carbonato de níquel.
Na edição de abril de 1943 do American “Journal of Chemical Education”, foi publicado um artigo extraído da International Nickel Company, intitulado “The Mysterious Paktong”, extraído da seguinte forma:
“Há trezentos anos, um dia, um enorme navio mercante fustigado por tempestades e aproximando-se lentamente do rio Tâmisa, em direção ao cais, estava voltando para casa! Há um ano, partiu de Londres em busca do Extremo Oriente. Agora regressou, transportando mercadorias como chá, seda e especiarias.
Além disso, havia um novo item, feito de metal, que brilhava com o brilho suave da prata pura, mas definitivamente não era prata, era um metal duro. Os chineses chamavam-lhe Paktong e guardavam cuidadosamente o segredo de como fazê-lo.
Após a difusão deste estranho metal, gerações de metalúrgicos europeus tentaram imitar o cobre branco, mas nunca encontraram a razão de cada fracasso. Foi só em meados do século XVIII que um cientista sueco identificou um novo metal, reconhecido por outro cientista, como o metal da misteriosa liga para a produção de cobre branco. É o metal que os mineiros da Saxônia descobriram e amaldiçoaram como cobre falso.
II. Distribuição, presença e conteúdo de níquel
O níquel não é escasso na crosta terrestre, sendo mais abundante que metais comuns como o chumbo e o estanho, mas significativamente menos que o ferro. O cobalto e o níquel coexistem frequentemente na natureza, sendo importantes minérios de cobalto e níquel a cobaltita (CoAsS) e a pirita de níquel (NiS·FeS).
Na natureza, os minérios de níquel mais importantes são a garnierita (arseneto de níquel) e o arseneto de níquel (sulfarseneto). Cuba é o país mais famoso do mundo em termos de depósitos de minério de níquel, com grandes quantidades de minério de níquel também encontradas na República Dominicana.
O conteúdo de níquel no sol é de 80 ppm, na água do mar é de 0,0001 ppm e na crosta terrestre é de 80 ppm. O níquel também é um dos elementos essenciais para os organismos, mas seu conteúdo nos organismos é muito pequeno, menos de um décimo milésimo, conhecido como oligoelemento. Os alimentos ricos em níquel incluem: chocolate, nozes, feijão seco e grãos.
III. Isótopos de Níquel
Existem muitos isótopos de níquel, com diversas propriedades. Aqui está uma lista deles:
| Isótopos | Abundância | Meia-vida | Modo de decadência | Energia de decaimento/eV | Produtos de decomposição |
| 56Não | Artificial | 6.077天 | Captura de elétrons | 2.136 | 56Co |
| 58Não | 68,077% | Estábulo | |||
| 59Não | Artificial | 76.000年 | Captura de elétrons | 1.072 | 59Co |
| 60Não | 26,233% | Estábulo | |||
| 61Não | 1,14% | Estábulo | |||
| 62Não | 3,634% | Estábulo | |||
| 63Não | Artificial | 100,1° | Decadência beta | 2.137 | 63Cu |
| 64Não | 0,926% | Estábulo |
4. A Estrutura e Propriedades dos Elementos
1. Estrutura:
A célula unitária é uma célula cúbica de face centrada, contendo 4 átomos de metal por célula.
Parâmetros de rede:
- a = 352h4
- b = 352h4
- C=352,4h
- α=90°
- β=90°
- Y=90°
- Dureza de Mohs: 4
- Configuração eletrônica externa: 3d84s2
- Configuração eletrônica fora do núcleo: 2,8,16,2
2. Propriedades físicas:
(1) Metal aproximadamente branco prateado;
- Densidade: 8.902g/cm3
- Ponto de fusão: 1453,0 ℃
- Ponto de ebulição: 2732,0 ℃
- Volume atômico: 6,59 cm3/mol
- Massa atômica relativa: 58,69
(2) Duro e dúctil;
(3) Ferromagnético:
(4) Altamente polido e resistente à corrosão:
(5) Condutivo e termicamente condutivo.
3. Propriedades químicas
(1) À temperatura ambiente, o níquel forma uma película densa de óxido em sua superfície no ar úmido, o que não apenas evita oxidação adicional, mas também resiste à corrosão por álcalis e soluções salinas;
(2) O níquel a granel não queima, o fio fino de níquel pode queimar e as partículas finas de níquel porosas especialmente feitas queimarão em branco no ar;
(3) Quando aquecido, o níquel reage violentamente com oxigênio, enxofre, cloro e bromo;
(4) O níquel em pó fino pode absorver uma quantidade considerável de hidrogênio quando aquecido;
(5) O níquel se dissolve lentamente em ácido clorídrico diluído, ácido sulfúrico diluído e ácido nítrico diluído, mas sua superfície é passivada em ácido nítrico fumegante. Fica verde após ser dissolvido em ácido nítrico.
V. Preparação de níquel
1. Método de eletrólise.
Torre o minério de sulfeto enriquecido em óxidos, reduza-o a níquel bruto com carbono e, em seguida, obtenha níquel metálico puro por meio de eletrólise.
2. Método de carbonilação.
Reaja o minério de sulfeto de níquel com monóxido de carbono para produzir níquel tetracarbonil, que se decompõe quando aquecido para produzir níquel metálico muito puro.
3. Método de redução de hidrogênio.
O níquel metálico pode ser obtido reduzindo o óxido de níquel com hidrogênio.
Os dez principais países produtores de níquel do mundo (produção anual: mil toneladas)
| Nome do país | 1977 | 1982 | 1987 | 1992 |
| Rússia | 144,3 | 165,2 | 272,0 | 215,0 |
| Canadá | 235,4 | 88,6 | 189,0 | 192,1 |
| Nova Caledônia | 109.1 | 60,1 | 56,9 | 113,1 |
| Indonésia | 14,0 | 45,9 | 57,8 | 78,1 |
| Austrália | 85,8 | 87,6 | 74,6 | 64,0 |
| China | – | 12,0 | 25,0 | 37,0 |
| Cuba | 37,0 | 36.1 | 33,8 | 32.2 |
| África do Sul | 23,0 | 22,0 | 34,3 | 28,4 |
| República Dominicana | 24.2 | 5.4 | 32,5 | 25,0 |
| Botsuana | 12.1 | 17,8 | 25,9 | 23,5 |
| Subtotal de dez países | 685,0 | 540,6 | 801.8 | 808.4 |
| Total global | 772,8 | 621,6 | 892,5 | 921,9 |
VI. Usos do níquel
1. Amplamente utilizado na fabricação de ligas
Adicionar níquel ao aço pode melhorar sua resistência mecânica. Por exemplo, quando o teor de níquel no aço aumenta de 2,94% para 7,04%, a resistência à tração aumenta de 52,2 kg/mm 2 até 72,8 kg/mm 3 . O aço níquel é usado para fabricar peças de máquinas que suportam alta pressão, suportam impactos e cargas alternativas, como pás de turbinas, virabrequins, bielas, etc.
O aço níquel contendo 36% de níquel e 0,3-0,5% de carbono tem um coeficiente de expansão muito pequeno, quase nenhuma expansão ou contração térmica e é usado para fabricar vários maquinários de precisão, medidores precisos, etc. Aço com alto teor de níquel contendo 46% de níquel e 0,15 % de carbono é chamado de “Invar” porque seu coeficiente de expansão é semelhante ao da platina e do vidro. Este tipo de aço com alto teor de níquel pode ser soldado ao vidro.
É muito importante na produção de lâmpadas e pode ser utilizado como substituto do fio de platina. Algumas armações de lentes de precisão também são feitas deste aço Invar, evitando que a lente caia da armação devido à expansão e contração térmica. Uma liga composta por 67,5% de níquel, 16% de ferro, 15% de cromo e 1,5% de manganês possui alta resistência elétrica e é utilizada na fabricação de diversos resistores e aquecedores elétricos.
2. As ligas de níquel-titânio têm capacidade de “memória”
As ligas de níquel-titânio possuem capacidade de “memória” e, além disso, uma memória muito forte, retornando com precisão à sua forma original após serem deformadas milhões de vezes durante um período de tempo considerável. Esta capacidade de “memória” serve para lembrar sua forma original, por isso é chamada de “liga com memória de forma”.
Originalmente, esta liga possui uma temperatura de transformação característica. Acima dessa temperatura de transformação, possui um tipo de estrutura cristalina e, abaixo dela, outro tipo de estrutura cristalina. Estruturas diferentes resultam em propriedades diferentes.
Por exemplo, uma liga com memória de níquel-titânio é muito dura e forte acima de sua temperatura de transformação, mas abaixo dessa temperatura torna-se muito macia e fácil de trabalhar a frio. Assim, quando precisamos lembrar de uma determinada forma, nós a moldamos de acordo. Esta é a sua forma de “memória permanente”. Abaixo da temperatura de transformação, por ser muito macio, podemos deformá-lo consideravelmente conforme desejado.
E quando precisar retornar à sua forma original, basta aquecê-lo acima da temperatura de transformação. As ligas com memória de formato de níquel-titânio são amplamente utilizadas na área médica, como em filtros de coágulos sanguíneos, hastes de correção espinhal, arcos ortodônticos, clipes de aneurisma cerebral, placas ósseas, articulações artificiais, tampas de cabeça femoral, músculos cardíacos artificiais e bombas em miniatura para rins artificiais.
3. Fabricação de guindastes eletromagnéticos
O níquel é magnético e pode ser atraído por ímãs. Ligas feitas de alumínio, cobalto e níquel possuem magnetismo ainda mais forte. Quando tal liga é atraída por um eletroímã, ela não apenas será puxada, mas também poderá suportar algo sessenta vezes seu peso sem cair. Assim, pode ser utilizado para fabricar guindastes eletromagnéticos.
4. Utilizado na fabricação de aço inoxidável
O níquel é mais usado em aço inoxidável, que pode resistir à corrosão da atmosfera, vapor e água, bem como à corrosão ácida, alcalina e salina. Portanto, o aço inoxidável é amplamente utilizado em aplicações químicas, metalúrgicas, de construção e diversas aplicações civis, como na fabricação de contêineres, torres, tanques, dutos, etc., que requerem soldagem em indústrias como petroquímica, têxtil, indústria leve, nuclear. energia; e na produção de uréia, torres sintéticas, torres de lavagem, torres de condensação, torres de extração de vapor e outros equipamentos de alta pressão resistentes à corrosão.
5. Usado para revestimento de níquel
O níquel também é usado para niquelagem, cobrindo aço e outros substratos metálicos com uma camada superficial durável e resistente à corrosão que é 20% a 25% mais resistente à corrosão do que as camadas galvanizadas.
6. Usado como catalisador e em corantes.
VII. Compostos importantes de níquel
Os principais estados de oxidação do níquel são +2, além de -1, 0, +1, +3, +4, +6, etc., permitindo que o níquel forme uma variedade de compostos. Aqui, são introduzidos óxido de níquel, sulfato de níquel, hidróxido de alto teor de níquel e complexos de níquel.
1. Óxido de níquel
- Aparência e propriedades: pó verde.
- Densidade relativa (água = 1): 6,6-6,8
- Solubilidade: Insolúvel em água, insolúvel em álcalis, solúvel em ácidos, etc. Solúvel em água ácida e amônia, ácido perclórico quente, ácido sulfúrico quente.
- Principais usos: Utilizado como pigmentos em cerâmica e vidro. Na indústria de esmaltes, é utilizado como adesivo e corante para esmaltes de porcelana. Na indústria cerâmica, é utilizado como matéria-prima para pigmentos. Na produção de materiais magnéticos, é utilizado como matéria-prima para ferrita de níquel-zinco. Na indústria do vidro, é usado como corante para vidros cor de chá e invólucros de vidro para tubos de raios catódicos. É também matéria-prima para a fabricação de sais de níquel e catalisadores de níquel.
2. Sulfato de níquel
- Aparência e propriedades: Cristais verdes, sistema cristalino ortorrômbico.
- Ponto de ebulição (C): 840 (anidro)
- Densidade relativa (água=1): 2,07
- Solubilidade: Solúvel em água, solúvel em etanol, ligeiramente solúvel em ácido, água com amônia.
- Principais usos: Utilizado principalmente na indústria de galvanoplastia e na fabricação de baterias de níquel-cádmio e outros sais de níquel, também utilizado em síntese orgânica e na produção de óleos secantes como catalisador de tintas.
3. Hidróxido de níquel
- Aparência e características: pólvora negra.
- Solubilidade: insolúvel em água e solução alcalina. Solúvel em água ácida e amoniacal.
- Usos: usado para fazer baterias alcalinas, etc.
- Preparação: obtida pela oxidação do hidróxido de níquel com hipoclorito.
- Outros: decompõe-se no ponto de fusão.
4. Complexos de níquel
Como o níquel possui orbitais d que podem acomodar pares de elétrons isolados, ele pode formar complexos. Os principais tipos de complexos de níquel são os seguintes:
- Composto de coordenação de amina: (Ni (NH 3 ) 6 ) 2+
- Composto de coordenação de cianeto: (Ni (CN) 4 ) 2-
- Quelato: (Ni(en) 3 ) 2+
- Compostos de coordenação carbonila: (a) Ni (CO) 4 (b) (C 2 H 5 ) 2 Não
