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鎳（鐵磁性金屬）

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鎳

鐵磁性金屬

鎳（英文名稱(chēng)：Nickel）是一種化學(xué)元素，化學(xué)符號為Ni，原子量為58.69，原子序數為28，位于元素周期表中的第四周期Ⅷ族，屬過(guò)渡金屬元素。鎳單質(zhì)呈銀白色,能與氫氣、氧族元素、氮族元素、碳族元素、鹵素、酸以及部分有機化合物發(fā)生反應。鎳具有延展性和磁性，能導熱和電，應用范圍廣泛，可用于電鍍、制作鎳基合金、制作磁性材料等。

基本信息

中文名

鎳

英文名

Nickel

拼音

niè

元素符號

原子序數

原子量

58.69

元素類(lèi)別

過(guò)渡性金屬

族

ⅧB(niǎo)族

周期

第四周期

區

d區

電子排布

[Ar]4s23d?

CAS編號

7440-02-0

物理性質(zhì)

外觀(guān)

固體（常溫常壓）

熔點(diǎn)

1453 ℃

沸點(diǎn)

2837.2 ℃（at 101.325 kPa）

密度

8.9 g/cm3（at 25 ℃）

熔化熱

17.6 kJ/mol

汽化熱

379 kJ/mol

比熱容

439 J/(kg·K)

電阻率

6.844 mΩ·cm（at 20 ℃）

原子性質(zhì)

氧化態(tài)

+4,+3,+2,+1,-1,-2

電負性

1.91（鮑林標度）

原子半徑

124.6 pm

發(fā)現歷史

鎳是一種既“古老”又“年輕”的金屬——人類(lèi)發(fā)現鎳的時(shí)間并不長(cháng)，但早在古埃及、古中國和古巴比倫時(shí)期，人類(lèi)就已經(jīng)在使用鎳了。公元前300年左右，中國出現了含鎳的兵器和器皿。西漢時(shí)期中國開(kāi)始制取含鎳量很高的白銅，并將白銅制作的器物銷(xiāo)往歐洲，歐洲人將白銅稱(chēng)為“中國銀”

1751年，瑞典科學(xué)家阿克塞爾·弗雷德里克·克龍斯泰特（Alex Fredrik Cronstedt）開(kāi)始研究德國的一種紅棕色礦石，這種礦石常常覆蓋著(zhù)綠色斑點(diǎn)或污點(diǎn)，被礦工們稱(chēng)之為“尼克銅”（Kupfernickel），他將礦石表面的綠色物質(zhì)放在木炭上燃燒，得到了表面淡黃色、切面呈銀白色光彩的粗狀金屬，該金屬能收到磁石的吸引且溶于硝酸、鹽酸中能得到綠色溶液，這些性質(zhì)與已知的所有金屬都不同。克龍斯泰特將這種金屬命名為“鎳”并將自己的研究成果發(fā)表論文，但也有科學(xué)家不認同克龍斯泰的結論。1755年瑞典化學(xué)家托伯恩·柏格門(mén)（Torbern Bergman）通過(guò)試驗制得了純度較高的鎳，證實(shí)了鎳是一種全新的金屬。

鎳的產(chǎn)量有限，到19世紀末鎳的主要用途還是作為貴金屬制作首飾。20世紀以來(lái)，隨著(zhù)人類(lèi)發(fā)現了鎳的多種用途以及其在改善剛性能方面的獨特功能，現代鎳工業(yè)得以誕生并迅速發(fā)展起來(lái)。

分布情況

鎳屬于秦鐵元素，在地球中的含量?jì)H次于硅、氧、鐵、鎂。美國地質(zhì)調查局（USCS）2017年發(fā)布的數據顯示，全球探明鎳基礎儲量約7383萬(wàn)噸，資源總量1.3億噸。鎳的礦物資源主要分為陸地上的硫化鎳礦（占陸地鎳礦的28%）和氧化鎳礦（占陸地鎳礦的72%）、深海底部的含鎳錳結核。硫化鎳礦儲量豐富的國家有俄羅斯、加拿大、南非、中國、澳大利亞等，紅土鎳礦（氧化鎳礦代表）儲量豐富的國家有古巴、印度尼西亞、巴西、菲律賓、越南、緬甸等。

化學(xué)結構

鎳通常屬于面心立方晶胞，即面心立方密堆積結構。在鎳的原子晶體中，鎳原子分布在立方體的八個(gè)角上和六個(gè)面的中心，面心立方晶胞中六個(gè)面的面中心鎳原子均和六個(gè)面上四角的鎳原子緊靠。鎳的晶格參數0.352 nm，原子半徑為0.124 nm，在70 GPa以下的壓力中晶格十分穩定，這導致鎳堅硬、有延展性。在過(guò)渡金屬中，其導電率和熱導率較高。理想條件下，鎳晶體的抗壓強度預測為34 GPa，但是在真正的大塊鎳中永遠不會(huì )有這么高的強度，這是由于晶體位錯的形成和運動(dòng)。不過(guò)，在鎳的納米粒子中，強度達到了抗壓測強度34 GPa。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

鎳（Ni）是銀白色過(guò)渡金屬，原子序數為28，相對原子質(zhì)量為58.69，25 ℃時(shí)密度為8.9 g/cm3，熔點(diǎn)為1453 ℃，沸點(diǎn)為2837.2 ℃（at 101.325 kPa）。鎳硬而柔韌，具有延展性和鐵磁性，可導電和熱，并且能被打磨得光亮如鏡。

化學(xué)性質(zhì)

鎳中等活潑，能溶于稀酸并釋放出氫氣，耐堿腐蝕，在加熱的條件下能與氧、硫、氯、溴等劇烈反應。鎳能夠吸收氫，能在大氣壓下與一氧化碳化合。

與單質(zhì)反應

氫氣

鎳能強烈吸附氫氣，生成NiH、NiH?。

氧族元素

鎳在常溫下穩定，在空氣中其表面能迅速形成一層單分子NiO保護層。

鎳片與熔融硫在205-445 ℃反應式，表面形成NiS；鎳與硫在密封石英管中加熱4小時(shí)，600 ℃以下生成Ni?S,600 ℃以上生成Ni?S?。

400-700 ℃下，鎳能與硒蒸氣反應生成覆膜，覆膜內層為Ni?Se?，表層為NiSe?；鎳與硒蒸氣一起加熱至紅熱能生成NiSe。

鎳常溫下與碲不反應，在400-900 ℃能與碲蒸氣反應生成兩層產(chǎn)物，鎳與等物質(zhì)的量的碲分混合，在真空密封石英管中加熱能生成NiTe。

氮族元素

500-600 ℃，有Li?N存在時(shí)，平均每1.6個(gè)鎳元梓能夠結合一個(gè)氮原子。

鎳在氮氣中進(jìn)行陰極濺射時(shí)，在一定條件下能生成Ni?N?。

鎳與磷常溫下不反應，高溫下鎳粉能與與紅磷在真空密封反應管中反應生成Ni?P、Ni?P?、NiP等。

925 ℃下鎳粉與化學(xué)計量砷混合，在氫氣氛中能生成Ni?As?、Ni?As、Ni?As?等。

碳族元素

鎳與碳在2100 ℃反應生成Ni?C。

鎳粉與硅粉在高溫下能反應生成Ni?Si、Ni?Si、Ni?Si?等。

鹵素

在含氧的氟氣中，鎳表面會(huì )生成含NiO的NiF膜。

260-300 ℃，在干燥氯氣流中鎳表面能生成NiCl?保護膜，600 ℃以上鎳粉能在氯氣中燃燒。

鎳片在327-927 ℃，與0.01-10 mpa溴反應生成NiBr?,高于927 ℃時(shí)生成NiBr。

室溫下，鎳能與干燥碘蒸氣反應生成點(diǎn)狀NiI?。

與無(wú)機化合物反應

水

鎳能與水蒸氣反應放出氫氣。

酸

鎳能與稀的無(wú)氧化性酸反應放出氫氣。

溫度高于20 ℃時(shí)，鎳在14 mol/L的硫酸中反應主要生成氧化物保護膜。

鎳與硝酸反應會(huì )釋放出氮的氧化物。

雷尼鎳能與高錳酸鉀溶液反應，使溶液紅色退去。

一氧化碳

鎳是一個(gè)中等強度的還原劑。常壓下，鎳能與一氧化碳反應，反應產(chǎn)物為四羰基鎳（Ni(CO)?），四羰基鎳在室溫下為液體，有揮發(fā)性，有猛烈毒性。該反應為可逆反應，加熱后它發(fā)生分解反應，反應產(chǎn)物是金屬鎳和一氧化碳。反應方程式如下：

與有機化合物反應

鎳粉能與90%過(guò)甲酸劇烈反應。

鎳能在酸性溶液中與黃原酸鉀反應得到黃原酸鎳和氫氣。

鎳的同位素

鎳有多種同位素，天然形成的鎳元素在自然界中共有五種穩定的同位素：??Ni、??Ni、?1Ni、?2Ni和??Ni。鎳的部分同位素的主要情況如下表所示：

鎳的同位素	??Ni	??Ni	??Ni	??Ni	?1Ni	?2Ni	?3Ni	??Ni
豐度%	人造	68.08	人造	26.23	1.14	3.63	人造	0.93
半衰期	6.077天	穩定	76000年	穩定	穩定	穩定	100.1年	穩定
衰變模式	電子捕獲	—	電子捕獲	—	—	—	β衰變	—
衰變能量/MeV	2.136	—	1.072	—	—	—	2.137	—
衰變產(chǎn)物	??Co	—	??Co	—	—	—	??Cu	—

?2Ni在現在已被發(fā)現的元素和同位素中，是核子束縛能最高的核素。鎳元素已被發(fā)現的放射性同位素共有18種，大多半衰期都較短，最穩定的三種為??Ni（半衰期76000年）、?3Ni（半衰期100.1年）和??Ni（半衰期6.077天），其他的放射性同位素的半衰期都較短，皆少于60小時(shí)，甚至有相當一部分同位素的半衰期少于30秒。因此其他鎳元素的同位素并沒(méi)有太大的應用，鎳元素擁有一種亞穩態(tài)。在鎳的數十種同位素之間，原子質(zhì)量相差較大，最輕的??Ni只有48u，而最重的??Ni則有78u。近期有研究者研究出，??Ni的半衰期為0.11秒，研究者們根據各類(lèi)數據及歷史推測，??Ni在超新星核合成過(guò)程中，通過(guò)反應生成比鐵重的金屬元素時(shí)具有極其重要的作用。

制備方法

火法冶煉

火法冶煉適用于硫化鎳礦和氧化鎳礦。

硫化鎳礦

硫化鎳礦的火法冶煉主要包含以下幾種過(guò)程：

造锍熔煉：常用的技術(shù)方案有鼓風(fēng)爐熔煉、電爐熔煉、閃速熔煉、熔池熔煉等，可以將鎳锍與爐渣分離，主要產(chǎn)品為低鎳硫。

低鎳锍的吹煉：造锍熔煉得到的低鎳锍組成基本為Fe、Ni、Cu、S或Fe、Ni、S，通過(guò)吹煉可以除去鐵得到高鎳锍。

高鎳锍的分離：高鎳锍可以通過(guò)分層熔煉、選礦磨浮分離法、選擇性浸出法等工藝分離其中的銅和鎳。如磨浮分離法就是利用高鎳锍緩慢冷卻時(shí)，Cu?S、Ni?S?的相互溶解度會(huì )降低并且相互析出粗的顆粒，從而實(shí)現選礦分離得到高鎳精礦。

電解精煉：磨浮法得到的高精鎳礦經(jīng)電解精煉可得到電鎳、氧化鎳、鎳粉等產(chǎn)品。比如可以采用硫化鎳陽(yáng)極電解處理高精鎳礦，陽(yáng)極上會(huì )發(fā)生氧化反應，陰極上會(huì )析出金屬鎳，反應方程式如下：

陽(yáng)極：

陰極：

氧化鎳礦

氧化鎳礦的火法冶煉工藝主要包括干燥、焙燒/還原、冶煉、精煉等，冶煉過(guò)程的能耗和成本比較高，產(chǎn)出的產(chǎn)品主要是硫鎳和鎳鐵合金。

濕法冶煉

高鎳锍的濕法提取

高鎳锍濕法提取的工業(yè)化技術(shù)主要有三類(lèi)：硫酸選擇浸出電解提取法、氨浸-氫還原法、氯氣浸出電解提取法。

硫酸選擇浸出法：高鎳锍經(jīng)水萃、細磨處理后，通過(guò)常壓、加壓相結合的方式進(jìn)行分段浸出，可以將鎳、鈷浸出到溶液，而銅鐵以及貴金屬則會(huì )留在浸出渣中。

加壓氨浸法：粉狀高鎳锍放入加壓釜，通入空氣和氨，鎳、銅、鈷等在加壓條件下能夠溶解，鐵和其他雜質(zhì)會(huì )留在浸出渣中。蒸發(fā)浸出液中的氨后，能夠將溶液中的銅以析出硫化銅沉淀的方式出去。然后將脫銅后的溶液進(jìn)行氧化水解，將不飽和硫氧化成硫酸。最后在加壓條件下使用氫氣將溶液中的鎳還原成鎳粉。

氯化浸出法：通過(guò)氯化將高鎳锍中的鎳、鈷、銅等以氯化物形式溶解，有鹽酸浸出和氯氣浸出兩種方法。

硫化鎳礦濕法提取

高壓氨浸法：主要工藝過(guò)程為兩段加壓氨浸、浸出液除銅、溶液加壓并使用氫還原制取鎳粉。

硫酸化焙燒浸出法：做法是在硫態(tài)焙化爐中將精礦氧化，而后在回轉窯中使用CO?/CO進(jìn)行選擇性還原，而后使用碳氨溶液進(jìn)行浸出，浸出液蒸氨除銅后能夠沉淀出碳酸鎳，最后干燥、煅燒即可得到氧化鎳。

氧浸出法：將精礦用富氧空氣加壓浸出，通過(guò)硫酸化沉淀法可以將浸出液中的鎳、鈷沉淀出來(lái)，而后可通過(guò)浮選法選出精礦進(jìn)行火法處理。

氧化鎳礦的濕法提取

氧化鎳礦濕法冶金適合加工處理低品位褐鐵礦或過(guò)渡層氧化鎳礦，可分為濕法氨浸和濕法酸浸兩大工藝類(lèi)別，氨浸法適用于硅酸鹽、氧化鎂含量高的礦石，酸浸法適用于褐鐵礦高、氧化鎂低的礦石。

氨浸法：原理是氧化鎳礦中的鎳一般能夠與鐵結合成鐵酸鹽，而后還原焙燒能使鐵酸鎳轉變成金屬鎳或鎳鐵合金，方便在暗夜中溶解。

加壓酸浸：通過(guò)高溫高壓直接酸浸氧化鎳礦提取鎳、鈷。

硫酸化焙燒——浸出工藝：將硫酸與礦石混合后，通過(guò)焙燒將礦石中的鎳、鈷轉化成可溶的硫酸鹽，鐵則轉化為難溶于水的赤鐵礦，實(shí)現鎳、鈷的選擇性浸出。

其他冶金工藝：生物冶金，利用微生物的氧化或還原特性，使紅土鎳礦中的某些組分氧化或還原；氯化離析，在礦石中加入煤、焦炭等碳質(zhì)還原劑和氯化鈉、氯化鉀等氯化劑，在中性或弱還原性氣氛中使得礦石中的有價(jià)金屬氯化揮發(fā)而后在還原劑表面還原成金屬顆粒。

氣化冶煉

氣化冶煉的原理是利用金屬單質(zhì)或化合物與雜質(zhì)沸點(diǎn)的差異，通過(guò)控制溫度的方式將揮發(fā)性金屬化合物的蒸氣熱分解或者還原氣相析出的金屬。比如羰化法煉鎳，主要反應原理是：鎳的硫化物礦與CO反應，直接生成具有揮發(fā)性的產(chǎn)物——四羰基合鎳Ni(CO)?，產(chǎn)物Ni(CO)?經(jīng)過(guò)加熱后可以重新分解成CO和鎳，經(jīng)過(guò)此可逆反應后，即可將鎳進(jìn)行加工，得到純度較高的金屬鎳。羰基鎳生產(chǎn)流程主要由合成、精餾、分解三部分組成，工藝流程圖如圖4所示。主要反應方程式如下所示：

羰基化法制備鎳粉的產(chǎn)品質(zhì)量高、產(chǎn)品的品種較多、生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的三廢污染較少、環(huán)境友好度較高，工藝成熟。但羰基鎳為劇毒化學(xué)品，生產(chǎn)危險較大。

應用領(lǐng)域

鎳的應用歷史悠久，應用范圍廣泛，在軍事、航空航天、機械制造等軍事制造行業(yè)中起著(zhù)功能材料的作用，屬于國家中必不可少的的重要戰略物資。由于鎳具有優(yōu)秀的鐵磁性、耐腐蝕性和可塑性等特性，鎳常和其他金屬形成合金，合成不銹鋼、高鎳鋼合金、合金結構鋼等應用廣泛的鋼材，主要應用于飛機、雷達、導彈、坦克、原子反應堆等各種軍工制造業(yè)。在防磨損方面，鎳還可以做為陶瓷顏料和防腐鍍層。在化學(xué)工業(yè)中，鎳常作催化劑，是重要的催化劑活性成分。此外，鎳也常被用來(lái)制造貨幣。

電鍍行業(yè)

目前世界上所產(chǎn)出的十分之一的鎳用于電鍍行業(yè)，由于鎳平價(jià)易得，且耐腐蝕性強、金屬光澤強，因此鍍鎳的物品美觀(guān)、干凈、并且具有很好的防腐蝕性能。在鋼材和其他金屬基體上覆蓋一層耐用、耐腐蝕的鎳鍍層之后，鋼材的防腐蝕性比鍍鋅層高20％～25％。根據鍍鎳的方式不同，可以將其分為電鍍鎳和化學(xué)鍍鎳。

鎳基合金

鎳基合金的定義是，以鎳為基礎（鎳的含量大于50%），并含有銅、鋁等金屬的合金，一般情況下在高溫下強度較高、抗氧化腐蝕能力較強，綜合性能較好。在工業(yè)上根據性能的不同，一般被分為耐熱鎳基合金和耐蝕鎳基合金。對大部分金屬而言，鎳是一種極佳的合金用劑，鎳與鐵、鈷、鎳、錳等可以合成固溶態(tài)合金，并且廣泛應用于不銹鋼和合金鋼等鋼鐵領(lǐng)域，其中不銹鋼的應用占到了鎳應用的60%以上。鎳基合金的主要優(yōu)點(diǎn)是，熔點(diǎn)較高，抗腐蝕性好，基本不在高溫下發(fā)生氧化，且斷裂強度大，易機械加工。鎳基合金在工業(yè)上有廣泛的應用，主要產(chǎn)品有家具、各類(lèi)反應器、燃燒室、渦輪葉片、航天器各類(lèi)零件等，廣泛應用于航空航天、船只建造、化工儀器和反應器制作、電子產(chǎn)品原件、醫學(xué)和能源等領(lǐng)域。

催化作用

鎳及其合金常作為氫化反應的催化劑，廣泛應用于有機物的氫化、氫解、異構化等各類(lèi)反應中。目前較為常用的鎳催化劑是雷尼鎳，這是一種多孔結構的鎳鋁合金，并以此為基礎研發(fā)了一系列“雷尼型”催化劑，也都投入了許多工業(yè)生產(chǎn)中。

貨幣及消費價(jià)值

鎳有優(yōu)良的耐腐蝕性，在古代曾被代替裝飾用的銀。鎳曾是硬幣的常見(jiàn)成分，1859年開(kāi)始，歐美國家和亞洲國家曾以鎳為原料鑄造了不少硬幣，但到了20世紀后，硬幣中的鎳基本已被較便宜不銹鋼所取代。

磁性材料

鎳是一種天然的磁性伸縮材料，具有鐵磁性和最大的磁導率，是最佳軟磁材料。在鋁、鈷與鎳制成的合金之后，會(huì )增強鎳的磁性，工業(yè)上十分常用的電磁起重機即以此為原料。鎳的磁性應用廣泛，在工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中都處處可見(jiàn)。

生物學(xué)應用

鎳可用于生物約束成形，微生物體積小有各種各樣的標準幾何外形，這些標準幾何體用途廣泛但是很難加工，可以通過(guò)菌體表面化學(xué)鍍鎳等方式將生物幾何體金屬化。

其他應用

在電池領(lǐng)域中，鎳也有十分廣泛的應用，比如鎳-氫電池、鎘-鎳電池和鎳-錳電池。

安全事宜

鎳中毒

鎳能夠激活或抑制一系列酶，過(guò)量鎳進(jìn)入人體會(huì )引起鎳中毒，癥狀表現為惡心、嘔吐、胸痛、呼吸困難、皮炎等，有可能會(huì )誘發(fā)呼吸道癌、惡性腫瘤等。鎳的化合物羰基鎳微量就能導致動(dòng)物死亡,是一種高毒物質(zhì)。

防治

從事鎳作業(yè)的人員需要加強個(gè)人防護，鎳冶煉應當做到自動(dòng)化、密閉化和通風(fēng)排毒。鎳粉塵或煙霧導致的呼吸癥狀，可以使用止咳、抗炎藥物治療。

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