Nikl

Nikl,  ₂₈Ni

Nikl u periodnom sistemu
↓                                                                     ↓                                                             →                                                             →
Hemijski element, Simbol, Atomski broj	Nikl, Ni, 28
Serija	Prelazni metali
Grupa, Perioda, Blok	10, 4, d
Izgled	srebrenog metalnog sjaja
CAS registarski broj	7440-02-0
Zastupljenost	0,015[1] %
Atomske osobine
Atomska masa	58,6934 u
Atomski radijus (izračunat)	135 (149) pm
Kovalentni radijus	124 pm
Van der Waalsov radijus	163 pm
Elektronska konfiguracija	[Ar] 3d94s1[2]
Broj elektrona u energetskom nivou	2, 8, 16, 2 ili 2, 8, 17, 1
Izlazni rad	5,15[3] eV
1. energija ionizacije	737,1 kJ/mol
2. energija ionizacije	1753 kJ/mol
3. energija ionizacije	3395 kJ/mol
4. energija ionizacije	5300 kJ/mol
Fizikalne osobine
Agregatno stanje	čvrsto
Mohsova skala tvrdoće	4
Kristalna struktura	kubična plošno centrirana
Gustoća	8908[4] kg/m3
Koeficijent termalne ekspanzije	13,4 ppm/K
Magnetizam	feromagnetičan
Tačka topljenja	1728[5] K (1455 °C)
Tačka ključanja	3003[6] K (2730 °C)
Molarni volumen	6,59 · 10−6 m3/mol
Toplota isparavanja	379[6] kJ/mol
Toplota topljenja	17,7[5] kJ/mol
Pritisak pare	100 Pa pri 2154 K
Brzina zvuka	4970 m/s pri 293,15 K
Specifična toplota	444[7] J/(kg · K)
Specifična električna provodljivost	14,3 · 106 S/m
Toplotna provodljivost	90,7 W/(m · K)
Hemijske osobine
Oksidacioni broj	2, rijetko −1, -2, 1, 3, 4
Oksid	NiO, Ni2O3
Elektrodni potencijal	−0,257 V (Ni2+ + 2e− → Ni)
Elektronegativnost	1,91 (Pauling-skala)
Izotopi
Izo RP t1/2 RA ER (MeV) PR 58Ni 68,077 % Stabilan 59Ni sin 76000 god ε 1,072 59Co 60Ni 26,233 % Stabilan 61Ni 1,14 % Stabilan 62Ni 3,634 % Stabilan 63Ni sin 100,1 god β- 0,0669 63Cu
Sigurnosno obavještenje
Oznake upozorenja Xn Štetno
Obavještenja o riziku i sigurnosti	R: 40-43 S: (2-)22-36
Ako je moguće i u upotrebi, koriste se osnovne SI jedinice. Ako nije drugačije označeno, svi podaci dobijeni su mjerenjima u normalnim uvjetima.

Nikl je hemijski element sa simbolom Ni i atomskim brojem 28. On je srebrenasto-svijetli sjajni metal sa blagim zlatnim nijansama. Nikl pripada prelaznim metalima, veoma je tvrd i duktilan. Čisti nikl pokazuje znatnu hemijsku aktivnost, koja se može posmatrati kada se on pretvori u prah (da bi se povećala površina izložena hemijskoj reakciji), dok veći komadi metala reagiraju vrlo sporo, stajanjem na zraku pri uslovima okoline polahko grade zaštitni sloj oksida na površini. Čak i u tom slučaju, nikl je dovoljno reaktivan sa kisikom pa se samorodni nikl vrlo rijetko može naći na površini Zemlje, a takav nikl je ograničen samo na unutrašnjost većih nikl-željeznih meteorita gdje je zaštićen od oksidacije tokom vremena koje takav meteorit provede u svemiru. Na Zemlji, takav samorodni nikl pronađen je u kombinaciji sa željezom, što je refleksija porijekla tih elemenata kao najvećih krajnjih proizvoda supernova nukleosinteze. Smatra se da mješavina željeza i nikla čini unutrašnje jezgro Zemlje.^[8]

Korištenje nikla (u vidu meteoritske nikl-željezne legure) može se pratiti u davnu prošlost, u periodu oko 3500 p.n.e. Međutim, kao hemijski element nikl je prvi put izolirao i klasificirao Axel Fredrik Cronstedt 1751. godine, koji je prvobitno pogrešno identificirao njegovu rudu kao mineral bakra. Ime elementa potječe od imena nestašnog duha iz njemačke rudarske mitologije, Nickela, koji je personifikacija činjenice da su se bakarno-niklove rude opirale njihovom rafiniranju u bakar. Kao ekonomski značajan izvor nikla je željezna ruda limonit, koja često sadrži 1-2% nikla. Drugi važni rudni minerali nikla su garnierit i pentlandit. Najveći proizvođači rude nikla su Kanada (regija Sudbury, gdje se kopa ruda za koju se smatra da je meteoritskog porijekla), Nova Kaledonija u Tihom okeanu i Norilsk u Rusiji.

Zbog spore oksidacije nikla pri sobnoj temperaturi, on se smatra otpornim na koroziju. Historijski, ova činjenica je dovela do njegovog korištenja za prekrivanje drugih metala, naročito željeza i mesinga, za oblaganje hemijske opreme i izradu određenih legura koje zadržavaju visoki srebreni sjaj, poput takozvanog njemačkog srebra. Oko 6% svjetske proizvodnje nikla i danas se koristi za oblaganje metala čistim niklom u svrhu zaštite od korozije. Smatra se da predmeti obloženi niklom mogu izazvati alergiju na nikl. Nikl se dosta koristi za proizvodnju raznih kovanica, mada je rast cijene na tržištu posljednjih godina doveo do njegove zamjene jeftinijim metalima.

Nikl je jedan od četiri elementa koji pokazuju feromagnetne osobine oko sobne temperature. Alnico stalni magneti, zasnovani jednim dijelom na niklu, imaju srednju snagu između stalnih magneta zasnovanih na željezu i magneta rijetkih zemalja. Nikl u modernoj svijetu je vrijedan uglavnom zbog njegovih legura. Oko 60% svjetske proizvodnje potroši se za niklove čelike (naročito nehrđajući čelik). Druge najčešće legure, kao i neke nove superlegure, čine najveći dio ostale potrošnje nikla u svijetu, dok upotreba niklovih spojeva u hemijskoj industriji učestvuje sa manje od 3% u ukupnoj proizvodnji nikla.^[5] U spojevima, nikl ima brojne niše hemijskih načina proizvodnje, kao što je katalizator za hidrogenaciju. Enzimi u nekim mikroorganizmima i biljkama sadrže nikl kao aktivno mjesto, što čini ovaj metal nezamjenjivim hranjivim sastojkom za ta bića.

Pošto su se rude nikla dugo vremena pogrešno smatrale za rude srebra, razmumijevanje ovog metala i njegova upotreba seže relativno kratko u prošlost. Međutim, ne znajući, ljudi su koristili nikl od pradavnih vremena, a njegovo korištenje se može pratiti još od 3500. p.n.e. Bronza iz područja današnje Sirije imala je u svom sastavu do 2% nikla.^[9] Pored toga, kineski rukopisi navode da se "bijeli bakar" (kupronikl, koga su nazivali baitong) koristio tamo između 1700. p.n.e i 1400. p.n.e. Taj Paktong bijeli bakar se izvozio u Britaniju još od 17. vijeka, ali sadržaj nikla u toj leguri nije otkriven sve do 1822.^[10]

U srednjovjekovnoj Njemačkoj, u planinama Erzgebirge (doslovno Rudne planine) pronađen je crveni mineral koji je nalikovao na rudu bakra. Međutim, rudari iz njega nisu uspjeli izdvojiti nimalo bakra, kriveći za to nestašnog duha iz njemačke mitologije, Nickela, koji je začarao bakar. Tu rudu nazvali su Kupfernickel iz njemačkog Kupfer za bakar.^{[11][12][13][14]} Za ovu rudu dokazano se radilo o nickelinu (poznat i kao niccolit), odnosno nikl-arsenidu. Baron Axel Fredrik Cronstedt je 1751. pokušao izdvojiti bakar iz kupfernikla iz rudnika kobalta kod švedskog sela Los, ali je umjesto bakra dobio sjajni bijeli metal koji nazvao po duhu po kojem je i nazvan mineral, nikl.^[15] U modernom njemačkom jeziku, pojam Kupfernickel ili Kupfer-Nickel označava leguru kupronikl.

Nakon svog otkrića, jedini izvor nikla bio je rijetki Kupfernickel, ali nakon 1824. nikl se počeo dobijati kao nusproizvod u proizvodnji kobaltnog plavog. Prvi proizvođač nikla u industrijskom obimu bila je Norveška koja je od 1848. započela eksploataciju pirotita bogatog niklom. Uvođenje nikla u industriju čelika uslijedilo je 1889. što je povećalo potražnju za ovim metalom. Depoziti nikla u Novoj Kaledoniji otkriveni su 1865. a podmirivali su veći dio svjetske potražnje između 1875. i 1915. godine. Nakon otkrića velikih depozita u bazenu Sudbury u Kanadi 1883, kod Norilska u Rusiji 1920. i u grebenu Merensky u Južnoafričkoj Republici 1924. omogućena je proizvodnja nikla u velikom obimu.^[10]

Nikl je od sredine 19. vijeka korišten kao komponenta kovanica. Međutim, u Birminghamu su se već 1833. kovali holandski srebreni novčići 18. vijeka (u svrhu trgovanja u Malaji).^[16] U SAD, pojam nickel ili nick se prvobitno primjenjivao za bakarno-niklove cente leteći orao (engleski: Flying Eagle), kojeg su zamijenili bakar sa 12% udjelom nikla oko 1857/58. a zatim cent Indijanska glava (engleski: Indian head) od iste legure u periodu 1859. do 1864. Nedugo poslije, 1865. godine pojam se odnosio na nickel od tri centa gdje je udio nikl povećan na 25%. Godine 1866. pojavila se kovanica od pet centi sačinjena od legure 25% nikla i 75% bakra. Uporedo sa proporcijom u leguri, ovaj pojam se i danas koristi u SAD. Novčići od gotovo čistog nikla prvi put su upotrijebljeni 1881. u Švicarskoj, a mnogo poznatiji su novčići od 5 centi sa 99,9% sadržaja nikla kovani u Kanadi (najveći proizvođač nikla u to vrijeme) tokom mirnodopskih godina od 1922 do 1981. a sadržaj metala u njima činio je ove kovanice magnetičnim.^[17] U ratnom periodu od 1942. do 1945. veći sadržaj nikla uklonjen je iz kanadskih i američkih kovanica, zbog toga što je potrošnja nikla usmjerena u ratnu industriju za proizvodnju oklopa.^[12]

Procijenjena proizvodnja rude nikla u svijetu (u hiljadama tona)^[18]

Zemlja	2011.	2012.
Filipini	270	330
Indonezija	290	320
Rusija	267	270
Australija	215	230
Kanada	220	220
Brazil	209	140
Nova Kaledonija	131	140
Ukupna svjetska proizvodnja	1.940	2.100

Nikl je srebrenasto bijeli metal sa blagim zlatnim nijansama, koji ima izuzetno visoki sjaj. On je jedan od samo četiri hemijska elementa koji su magnetični na približno sobnoj temperaturi; druga tri su željezo, kobalt i gadolinij. Kirijeva tačka nikla iznosi 355 °C, što znači da komadi nikla iznad ove temperature nisu magnetični.^[19] Jedinična ćelija nikla ima kubičan plošno centrirani oblik uz parametar rešetke od 0,352 nm, što daje atomski radijus od 0,124 nm. Ova kristalna struktura je stabilna do pritiska od najmanje 70 GPa. Nikl pripada prelaznim metalima, dosta je tvrd i duktilan.

Atom nikla ima dvije elektronske konfiguracije, [Ar] 3d⁸ 4s² i [Ar] 3d⁹ 4s¹, koje su vrlo blizu po energiji, simbol [Ar] označava strukturu jezgra sličnu argonu. U naučnim krugovima postoji određeno neslaganje o tome koja bi se od ove dvije konfiguracije trebala smatrati onom sa najnižom energijom.^[2] Hemijski priručnici navode elektronsku konfiguraciju nikla [Ar] 4s² 3d^8[20] ili ekvivalentnu kao [Ar] 3d⁸ 4s².^[21] Ova konfiguracija odgovara Madelungovom pravilu, koje predviđa da se 4s popunjava prije 3d. Ovu teoriju podržava i eksperimentalna činjenica da je stanje najniže energije atoma nikla energetski nivo 3d⁸ 4s², tačnije nivo 3d⁸(³F) 4s^{2 3}F, J = 4.^[22]

Međutim, svaka od ovih konfiguracija zapravo izaziva set stanja sa različitim energijama.^[22] Dva seta energija se međusobno preklapaju, a prosječna energija stanja ima konfiguraciju [Ar] 3d⁹ 4s¹ koja je zapravo niža od prosječne energije stanja koje ima konfiguraciju [Ar] 3d⁸ 4s². Iz tog razloga, naučna literatura o atomskim proračunima navodi da je konfiguracija osnovnog stanja nikla [Ar] 3d⁹ 4s¹.^[2]

Nikl u prirodi sastavljen je iz pet stabilnih izotopa: ⁵⁸Ni, ⁶⁰Ni, ⁶¹Ni, ⁶²Ni i ⁶⁴Ni, među kojima je najviše zastupljen ⁵⁸Ni sa udjelom od 68,077% rasprostranjenosti. Izotop ⁶²Ni ima najvišu nuklearnu energiju vezanja od svih nuklida. Njegova energija vezanja je viša od izotopa ⁵⁶Fe, čija se često pogrešno navodi kao najviša, kao i izotopa ⁵⁸Fe.^[23] Poznato je 18 radioaktivnih izotopa među kojima je najstabilniji ⁵⁹Ni čije vrijeme poluraspada iznosi 76 hiljada godina. Slijedi izotop ⁶³Ni sa vremenom poluraspada od 100,1 godina te ⁵⁶Ni sa vremenom poluraspada od 6,077 dana. Svi ostali radioaktivni izotopi imaju vremena poluraspada kraća od 60 sati, a većina ih ima vremena poluraspada kraća od 30 sekundi. Ovaj element također ima i jedno meta stanje.^[24]

Izotop nikl-56 proizvodi se tokom procesa gorenja silicija te se kasnije oslobađa u velikim količinama tokom supernove tipa Ia. Oblik svjetlosne krive ovih supernovi počev od srednjih do kasnijih perioda odgovara raspadu putem elektronskog zahvata nikla-56 do kobalta-56 te konačno do željeza-56.^[25] Izotop nikl-59 je dugovječni kosmogeni radionuklid sa vremenom poluraspada od oko 76 hiljada godina. Taj izotop je našao mnoge načine primjene u izotopskoj geologiji. ⁵⁹Ni se koristi za određivanje zemljaskog vremena meteorita te određivanja količine vanzemaljske prašine u ledu i sedimentima. Izotop nikl-60 je kćerinski proizvod radionuklida željeza-60, koji se raspada sa vremenom poluraspada od 2,6 miliona godina. Pošto je željezo-60 tako dugovječno, njegova stalnost u materijalima u Sunčevom sistemu u dovoljno visokim koncentracijama je možda generiralo primjetne varijacije u izotopskom sastavu nikla ⁶⁰Ni. Samim tim, količina ⁶⁰Ni prisutna u vanzemaljskom materijalu može dati uvid u porijeklo Sunčevog sistema i njegove rane historije. Izotop nikl-62 ima najvišu energiju vezivanja po jezgru od svih izotopa bilo kojeg elementa (8,7956 MeV/jezgru).^[26] Izotopi teži od ⁶²Ni ne mogu se dobiti nuklearnom fuzijom bez gubitka energije. Izotop ⁴⁸Ni, otkriven 1999, je izotop teškog elementa koji je najbogatiji protonima. Sa 28 protona i 20 neutrona, taj izotop je dvostruko magičan (poput olova ²⁰⁸Pb) i stoga neuobičajeno stabilan.^[24][27]

Na Zemlji, nikl se javlja najčešće u kombinaciji sa sumporom i željezom u pentlanditu, sa sumporom u milleritu, s arsenom u mineralu nikelinu, te s arsenom i sumporom u nikl-galenitu.^[28]

Većina iskopanog nikl potječe iz dvije vrste rudnih depozita. Prve su lateriti, gdje su osnovni rudni minerali nikl-željezni limonit (Fe, Ni)O(OH) i garnierit (vodenasti nikl silikat) (Ni, Mg)₃Si₂O₅(OH)₄. Druga vrsta su magmatski sulfidni depoziti gdje je osnovni rudni mineral pentlandit (Ni, Fe)₉S₈. Smatra se da Australija i Nova Kaledonija imaju najveće procijenjene svjetske rezerve niklovih ruda (45% obje zajedno).^[29]

U pogledu svjetskih resursa, pronađeni izvori na kopnu koji imaju 1% udjela nikla ili više sadrže najmanje 130 miliona tona nikla (oko dva puta više od poznatih rezervi). Oko 60% od toga je u laternitima, dok je ostalih 40% sulfidni depoziti.^[29] Na osnovu geofizičkih dokaza, postoje teorije koje kažu da je većina nikla na Zemlji koncentrirana u unutrašnjem i vanjskom jezgru Zemlje.

Kamacit i taenit su prirodno rasprostranjene legure željeza i nikla. Kod kamacita, legura je obično u proporcijama od 90:10 do 95:5, mada mogu biti prisutne i nečistoće (poput kobalta ili ugljika), dok je kod taenita sadržaj nikla između 20% i 65%. Kamacit i taenit se javljaju u sastavu nikl-željeznih meteorita.^[30]

Najčešće oksidacijsko stanje nikla je +2, ali su poznati i spojevi Ni⁰, Ni⁺ i Ni³⁺, kao i neka egzotična oksidacijska stanja kao što su Ni²⁻, Ni¹⁻ i Ni⁴⁺.^[4]

Nikl-tetrakarbonil (Ni(CO)₄), kojeg je otkrio Ludwig Mond,^[31] je isparljiva, veoma otrovna tekućina pri sobnoj temperaturi. Njegovim zagrijavanjem, kompleks se raspada nazad do nikla i ugljik-monoksida:

Ni(CO)₄ → Ni + 4 CO

Ovu osobinu iskorištava Mondov proces koji služi za pročišćavanje nikla, kako je opisano. Povezani nikl(0) kompleks bis(ciklooktadien)nikl(0) je koristan katalizator u organoniklovoj hemiji zbog lahkog premještanja COD liganda.

Nikl(I) kompleksi nisu uobičajeni, ali jedan od primjera je tetraedarni kompleks NiBr(PPh₃)₃. Mnogi nikl(I) kompleksi imaju u sebi Ni-Ni veze, kao što je to slučaj kod tamno crvenog dijamagnetičnog K₄[Ni₂(CN)₆] koji se dobija redukcijom K₂[Ni₂(CN)₆] sa natrij-amalgamom. Ovaj spoj se oksidira u vodi, oslobađajući H₂.^[32]

Prema nekim mišljenjima, oksidacijsko stanje nikl(I) je važno u enzimima koji ga sadrže, poput NiFe-hidrogenaze, koja katalizira reverzibilnu redukciju protona do H₂.^[33]

Nikl(II) gradi spojeve sa svim uobičajenim anionima tj. sulfide, sulfate, karbonate, hidrokside, karboksilate i halide. Nikl(II)-sulfat se proizvodi u velikim količinama rastvaranjem metalnog nikla ili njegovih oksida u sumpornoj kiselini. Ovaj spoj postoji i kao heksa- i kao heptahidrat.^[34] On je koristan za elektroprekrivanje niklom. Uobičajene soli nikla, poput hlorida, nitrata i sulfata rastvorljive su u vodi i daju zelene rastvore koje sadrže metalo-vodeni kompleks [Ni(H₂O)₆]²⁺.

Postoje četiri halida niklovih spojeva. Struktura tih čvrstih tvari ima karakteristične oktaedarske Ni centre. Nikl(II)-hlorid je najčešći, a njegove osobine i reakcije ilustriraju i ostale halide. Nikl(II)-hlorid se dobija rastvaranjem nikla ili njegovih oksida u HCl. On se obično javlja u vidu zelenih heksahidrata, a formula mu se obično navodi kao NiCl₂•6H₂O. Kada je rastvorena u vodi, ova so formira metalno-vodeni kompleks [Ni(H₂O)₆]²⁺. Dehidracijom NiCl₂•6H₂O dobija se žuti anhidrat NiCl₂.

Neki tetrakoordinatni nikl(II) kompleksi npr. bis(trifenilfosfin)nikl-hlorid, postoje u tetraedarskim i ravnim kvadratnim geometrijama. Tetraedarski kompleksi su paramagnetični dok su ravni kvadratni kompleksi dijamagnetični. Ovakva ravnoteža kao i formiranje oktaedarskih kompleksa je u kontrastu sa ponašanjem dvovalentnih kompleksa težih metala iz 10. grupe, paladija(II) i platine(II), koji teže da usvoje samo ravnu kvadratnu geometriju.^[4] Za niklocen je poznato da ima 20 valentnih elektrona, što ga čini relativno nestabilnim.

Poznati su brojni Ni(III) spojevi, a među prvim takvim primjerima je nikl(III)-trihalofosfin (Ni_III(PPh₃)X₃.^[35] Osim toga, Ni(III) gradi jednostavne soli sa fluoridima^[36] ili oksidne ione. Ni(III) se može stabilizirati σ-donorskim ligandom poput tiola i fosfina.^[32] Ni(IV) je prisutan u mješanim oksidima BaNiO₃, dok je Ni(III) prisutan u nikl(III)-oksidu, koji se koristi kao katoda u mnogim punjivim baterijama uključujući nikl-kadmij, nikl-Fe, nikl-vodik i nikl-metal hidrid baterijama, a koriste ga i neki proizvođači Li-ion baterija.^[37] Ni(IV) je i dalje rijetko oksidacijsko stanje nikla i do danas je poznato samo nekoliko takvih spojeva.^[38][39]

Sve do 1970tih nije bilo dokazano da nikl igra veoma važne uloge u biologiji mikroorganizama i biljaka.^[40][41] Biljni enzim ureaza (enzim koji potpomaže hidrolizu uree) sadrži nikl. NiFe-hidrogenaze sadrže nikl zajedno sa željezo-sumpornim klasterima. Takve [NiFe]-hidrogenaze karakteristično oksidiraju H₂. Nikl-tetrapirrol koenzim, kofaktor F430, prisutan je u metil koenzim M reduktazi, koja daje energiju metanogenim Archaeama.^[42] Jedan od ugljik-monoksid-dehidrogenaza enzima sastoji se iz Fe-Ni-S klastera.^[43] Drugi enzimi koji sadrže nikl uključuju rijetke bakterijske klase superoksid dismutaza^[44] i enzima glioksalaza I u bakterijama i nekim parazitskim eukariotskim tripanosomalnim parazitima^[45] (ovaj enzim u višim organizmima, uključujući plijesan i sisare, koristi dvovalentni cink Zn²⁺).^{[46][47][48][49][50]}

Nikl ima utjecaj na zdravlje ljudi preko infektivnih bolesti koje izazivaju bakterije ovisne o niklu.^[51] Za nikl ispušten tokom vulkanskih erupcija "Sibirskih trapa" (mjesto gdje se danas nalazi grad Norilsk), sumnja se da ima znatan utjecaj na ulogu Methanosarcina, roda euriarhaeotnih Archaea koje su proizvodile metan tokom Permsko-trijaskog događaja izumiranja (najvećeg dokazanog izumiranja u historiji života na Zemlji).^[52]

• http://www.periodicvideos.com/videos/028.htm