نیکل چیست

در این مقاله به بررسی خواص فیزیکی و شمییایی عنصر نیکیل و کاربرد آن در آلیاژهای فولاد زنگ نزن (استنلس استیل میپردازیم )
نیکل عنصر ۲۸ با معادل انگلیسی nickel نیکل فلزی مقاوم، چکش خوا، براق با ساختار بلورین و مکعبی شکل به رنگ سفید و نقره ای میباشد. این عنصر در سال 1751 توسط Axel Cronstedt دانشمند سوئدی کشف شد . از نظر خواص مغناطیسی وفعالیت شیمیایی شبیه به آهن وکبالت میباشد . کانیهای اصلی نیکل عبارتند از پنتلاندیت ، پیروتیت (سولفید های نیکل و آهن) و گارنییریت (سیلیکات نیکل و منیزیم ) هستند.
نیکل یکی از اجزا اصلی تشکیل دهنده شهاب سنگها به شمار می آید. شهاب سنگهای آهن و سیدریت شامل آلیاژهای آهن حدود 5 تا 20 درصد نیکل می باشد. نیکل تجاری به فرمهای پنتلاندیت و پیروتیت می باشد که این معادن در ایالت انتاریو یافت می شود که این ناحیه حدود 30 درصد از نیکل دنیا را تامین می کند. دیگر معادن این عنصر در کالندونیا، استرالیا، کوبا، اندونزی و در مناطق دیگر می باشد. این عنصر رسانای جریان بر ق است و سطح آن براق و صیقلی است. این عنصر از گروه عناصر آهن و کبالت است و آلیاژهای آن قیمتهای بالایی دارا هستند. این عنصر کاربردهای فراوانی در طبیعت دارد و برای ساخت فولاد ضدزنگ و دیگر آلیاژهای ضد زنگ و خوردگی مثل اینوار و مانل که الیاژى از نیکل و کبالت که در برابر خوردگى مقاوم است و و اینکونل و Hastelloys کاربرد دارد. برای ساخت لوله های نیکلی و مسی و همینطور برای نمک زدایی گیاهان و تبدیل آب شور به آب مایع استفاده می شود. نیکل استفاده های فراوانی برای ساخت سکه ها و فولاد نیکلی برای زره ها و کلید ها کار برد دارد و همینطور از نیکل می توان آلیاژهای نیکروم و پرمالوی و آلیاژی از مس را تهیه کرد. از نیکل برای ساخت شیشه های به رنگ سبز استفاده می شود. صفحات نیکلی می تواند نقش محافظت کننده برای دیگر فلزات را داشته باشد. نیکل همچنین کاتالیزوری برای هیدروژن دار کردن روغنهای گیاهی است. همچنین صنعت سرامیک و ساخت آلیاژی از آهن و نیکل که خاصیت مغناطیسی دارد و باتری های قوی ادیسون کاربرد دارد. از ترکیبات مهم نیکل می توان سولفات و آکسید را نام برد. نیکل طبیعی مخلوطی از 5 ایزوتوپ پایدار است . همچنین 9 ایزوتوپ ناپایدار دیگر نیز شناخته شده است. نیکل هم به صورت فلز و هم به صورت ترکیب محلول می تواند وجود داشته باشد. بخار سولفید نیکل سرطان زا می باشدکه در موقع استفاده از آن باید دقت لازم را به عمل آورد
نیکل خالص تجاری، خلوصی در حدود ( Co+ %99.5Ni ) دارد. این فلز دارای خواص مکانیکی خوب و مقاومت عالی در برابر محیط های خورنده است. این فلز بیشتر استحکام خود را در دمای بالا حفظ می کند و در دما های پایین دارای چقرمگی و داکتیلیته مناسبی است. این آلیاژ حاوی مقداری کربن (بیش از 0.1%) می باشد. هر چه مقدار کربن کمتر باشد، کار سختی کمتر و داکتیلیه بیشتر است. کاربردهای نیکل خالص تجاری شامل تجهیزات فرآیندهای غذایی، بشکه های کشتیرانی شیمیایی، اجزاء موشکی و فضایی و لوله کشی می باشد.

تاریخچه نیکل
کانی مخصوصی که به ظاهر شبیه مس بود و برای معدن داران آلمانی بسیار معروف بود٬برای سبزکردن شیشه به کار می‌رفت .اما کوششهای مداوم برای جدا کردن مس از آن ناموفق ماند و گمان می‌رفت که شیطان آزادانه این کانی را رنگ کرده است تا معدن‌داران گول بزند بنابراین آن را Kupfer nickel نامیدند .در آلمانی نیکل یعنی شیطان پست. در سال ۱۷۵۱ کرونشتد از سوپد این کانی را آزمایش کرد (امروزه این کانی را نیکولیت می نامند)و موفق شد یک اکسید فلزی سبز از این کانی تهیه کند و از احیای این اکسید فلز سفید رنگ به دست آورد. او این فلز را نیکل نامید.

محل کشف و پیدایش نیکل
اکثر نیکلهای بدست آمده از دو نوع معدن بدست آمده‌اند، اولی خاکهای آجری رنگ بوده که مهمترین معدن سنگ نیکل هستند و دومی سولفید موجود در ماگمای زمین می‌باشد. منطقه Sud-bury در انتاریو، انتاریو کانادا 30% نیکل جهان را تولید می‌کند. معادن دیگر در روسیه استرالیا، کوبا، دومینکن، نروژ و اندونزی می‌باشند. با این وجود این باور وجود دارد که بیشتر نیکل موجود در زمین در هسته این سیاره تمرکز یافته است.

استخراج نیکل
نیکل از سنگ معدنش بوسیله عملیات تشویه و فرایندهای کاهش که در آنها فلز با خلوص بیش از 75% بدست می آید، استخراج می شود. خالص سازی نهایی در فرایند Mond با خلوص بیش از 99.99% بوسیله واکنش نیکل و مونوکسید کربن برای تشکیل کربونیل نیکل انجام میشود. این گاز از درون محفظه بزرگی در دمای بالا، که در آن دهها هزار گلوله نیکلی (که بعنوان پلت یا گندله شناخته می شوند) و در مکان ثابت نگه داشته می شوند، عبور می کند. کربونیل نیکل بر روی گندله ها یا گلوله های نیکلی، بصورت رسوب نیکل خالص، تجزیه می شود. از طرف دیگر، کربونیل نیکل، ممکن است در یک محفظه کوچکتر بدون حضور گندله، برای تشکیل پودرهای ریزدانه، تجزیه شود. مونوکسید کربن بدست آمده در طی این فرایند دوباره به جریان می افتد. نیکل با خلوص بالا، که در این فرایند تولید می شود بعنوان کربونیل نیکل شناخته می شود. دومین شکل متداول تصفیه، شامل لیچینگ مات فلز، بوسیله رسوب الکتریکی نیکل از محلول، بوسیله صفحه ای که بر روی کاتد قرار داده می شود، می باشد. در بیشتر کاربردهای فولاد ضد زنگ، نیکل می تواند با خلوص 75%، مستقیما بکار گرفته شود.
بزرگترین تولید کننده نیکل، روسیه است که 267000 تن نیکل در هر سال تولید می کند. استرالیا و کانادا دومین و سومین تولید کننده نیکل می باشند که سالانه 207000 تن و 189000 تن تولید می کنند.

طرز تهیه نیکل
کانیهای نیکل بر دو دسته هستند :سولفید و اکسید، کانی سولفید دو سوم مصرف جهان را به خود اختصاص داده است .کانیهای سولفید به کمک شناوری وتصفیه به اکسید نیکل ته نشین شده پالایش می‌شوند.
اکسید نیکل هم به کمک پالایش هیدرو متالوژی نظیر شستشو با آمونیاک پالایش می‌شوند.
شکلهای قابل دسترس
الکترولیتی٬شمش٬دانه۲ساچمه٬گرد٬نوار٬بلورهای منفرد

مشخصات نیکل
نیکل عنصری است فلزی با عدد اتمی ۲۸ و نماد علمی Ni در گروه VII و در دوره چهارم جدول تناوبی جای دارد. جرم اتمی ۵۸٫۷۱، ظرفیتها ۲ و۴ . دارای پنج ایزتوپ پایدار است.

آلیاژهای نیکل
1. آلیاژ مس- نیکل (مونل)
نیکل و مس در همه نسبت ها در یکدیگر قابل انحلال هستند. مهمترین آلیاژهای مس-نیکل حاوی حدود 67% نیکل و 33% مس می باشد که مونل نامیده می شود. این آلیاژها دارای کاربردهای عالی در آب دریا هستند و مقاومت بالایی در برابر حمله حلال های کلردار، بیشتر اسیدها و همه قلیاها دارند.

2. آلیاژهای کرم- نیکل (استنلس استیل)
کرم یکی از مهمترین عناصر آلیاژی برای مقاومت به خوردگی زیاد و مقاومت در دماهای بالا در آلیاژهای پایه نیکل است. این عنصر دارای انحلال پذیری حالت جامد بالادر حدود 30% در دمای اتاق، در نیکل می باشد. اینکونل 600 یک آلیاژ مهندسی استاندارد برای استفاده در محیط های شدیدا خورنده در دماهای بالا می باشد که یک آلیاژ Ni-Cr-Fe حاوی 15.5% کرم و 8% آهن است. این آلیاژ قابل عملیات حرارتی نمی باشد ولی می تواند بوسیله کارسرد استحکام یابد.

3. سوپر آلیاژ پایه نیکل
نیکل همچنین می تواند پایهای برای سوپر آلیاژ با مشخصات دما بالا- استحکام بالا باشد. سوپر آلیاژها، در موتور جت و توربین های گازی استفاده می شوند. سوپر آلیاژها از آهن، کبالت یا نیکل ساخته می شوند. سوپر آلیاژها همچنین شامل سایر فلزات مانند کرم، تنگستن، آلومینیوم و تیتانیوم می باشند. سوپر آلیاژها مقاوم به خوردگی (زنگ زدگی) بوده و خواص خود را در دمای بالا حفظ می کنند.

خواص نیکل
نیکل یک فلز سفید نقره‌ای است که به‌خوبی جلا می‌گیرد. از گروه آهن‌ها است که سخت و قابل انعطاف بوده، هادی جریان الکتریسیته می‌باشد و به‌راحتی با گوگرد و آرسنیک ترکیب می‌شود. با توجه به اینکه نیکل، دوام زیادی در هوا داشته، اکسیده نمی‌شود، برای تولید سکه‌های پول، فلز کاری برنج و آهن و همچنین برای ساخت ابزار آلات شیمیایی در آلیاژهای خاص مانند نقره آلمانی کاربرد دارد و معمولاً با کبالت همراه هست که هر دوی آنها در آهن‌های شهاب سنگی یافت می‌شوند. نیکل برای آلیاژهایی که بوجود می‌آورد، بسیار با ارزش می‌باشد. معمولترین حالت اکسیداسیون نیکل ، 2+ است و این در حالی است که نیکل 3+ و 1+ نیز به ندرت مشاهده می‌شوند.

مصارف نیکل
ساخت فولاد ضد زنگ آستنیتی
بعنوان سوپر آلیاژ
در فولاد آلیاژی، باتری های قابل شارژ، کاتالیست ها، ضرب سکه، محصولات ریخته گری و ورق سازی
ورق های زرهی و درب ضد سرقت
آلیاژ آلنیکو مورد استفاده در آهن ربا
در بوته های مورد استفاده در آزمایشگاه های شیمیایی
سیم های هوشمند یا آلیاژهای حافظه دار مورد استفاده در ربات ها
فلز مونل که آلیاژی از مس و نیکل است که در برابر خوردگی مقاومت زیادی دارد و برای پروانه کشتی، وسایل آشپزخانه و لوله کشی صنایع شیمیایی استفاده می شود.

عنصر نیکل در طبیعت
اثرات نیکل بر سلامت انسان
مقدارنیکل در طبیعت بسیار کم است. انسان در زمینه های مختلف از نیکل استفاده میکند. یکی از عمده ترین کاربردهای نیکل، در صنعت فولاد است. از نیکل به عنوان یکی از اجزا سازنده فولاد و سایر محصولات فلزی استفاده میشود. حتی از نیکل در جواهرات هم استفاده میشود.
مواد غذایی به طور طبیعی دارای مقداری نیکل هستند. شکلات و چربی ها دارای مقدار بسیار زیادی نیکل هستند. در صورتیکه افراد از سبزیجات حاصل از مناطق آلوده به نیکل تغذیه کنند، مقدار زیادی نیکل وارد بدنشان میشود. نیکل در بافت گیاهان تجمع می یابد و در نتیجه مقدار نیکل در سبزیجات افزایش پیدا میکند. در ششهای افراد سیگاری مقدار زیادی نیکل وجود دارد. همچنین نیکل در شوینده ها نیز مورد استفاده قرار میگیرد.
راههای ورود نیکل به بدن انسان از طریق هوا، آشامیدن آب، خوردن غذا و کشیدن سیگار است. ممکن است بر اثر تماس پوست با خاک یا آب آلوده به نیکل، مقداری نیکل وارد بدن انسان شود. مقدار اندک نیکل برای انسان ضروری است اما اگر مقدار آن افزایش یابد، برای سلامت انسان خطرناک است.

نتایج مصرف بالای نیکل به شرح زیر است
شانس مبتلا شدن به سرطان ریه، سرطان بینی، سرطان حنجره و سرطان پروستات را افزایش میدهد.
پس از اینکه فرد در معرض گاز نیکل قرار گرفت، دچار کسالت و سرگیجه میشود.
آب آوردن ریه ها
مشکلات تنفسی
کاهش توانایی تولید مثل
آسم و برونشیت مزمن
حساسیتهایی از قبیل خارش پوست (به خصوص در هنگام استفاده از جواهرات)

نارسایی قلبی نیکل
بخارات نیکل به دستگاه تنفس و ریه ها آسیب میرساند. نیکل و ترکیبات آن باعث آماس پوست میشوند که تحت نام " خارش نیکل" نامیده میشود و معمولاً در افراد با حساسیت پوستی بالا مشاهده میشود. اولین علامت، خارش است که معمولاً هفت روز قبل از از بین رفتن پوست رخ میدهد. اولین علائم تخریب پوستی التهاب پوست یا پوسته پوسته شدن پوست است. سپس در پوست زخمهایی نمودار میشود.
از لحاظ تقسیم بندی برنامه سمشناسی ملی آمریکا (NTP)، نیکل و ترکیبات آن جزعوامل سرطانزا محسوب میشوند و از نظر طبقه بندی آژانس بین المللی تحقیقات سرطان (IARC) ترکیبات نیکل در گروه یک قرار میگیرند. گروه یک شامل عناصری میباشد که شواهد کافی در مورد سرطانزایی آنها وجود دارد. در این تقسیم بندی عنصر نیکل در گروه 2B قرار دارد. گروه 2B عناصری هستند که ممکن است در انسان سرطان ایجاد کنند.

تاثیرات زیست محیطی نیکل
کارخانه ها و سوزاندن زباله ها دو عامل اصلی در تولید نیکل و ورود آن به هوا میباشند. مقدار نیکلی که در هوا وجود دارد به مراتب از نیکل موجود در زمین بیشتر است. مدت زمان از بین رفتن نیکل موجود در هوا زیاد است. زمانیکه هرزآبها جریان پیدا میکنند، مقداری نیکل را وارد آبهای سطحی میکنند.
بخش اعظم ترکیبات نیکل در طبیعت جذب ذرات خاک و رسوبات شده و در نهایت به صورت غیر متحرک درمی آیند. در زمینهای اسیدی نیکل بسیار متحرک میشود و معمولاً در آبهایزیرزمینی شسته میشود.
شواهد چندانی درباره تاثیر نیکل بر سایر موجودات زنده به غیر از انسان وجود ندارد. در حال حاضر دانشمندان می دانند که غلظت بالای نیکل در خاکهای ماسه ای به گیاهان صدمه میزند و همچنین غلظت بالای نیکل در آبهای سطحی سبب کاهش تعداد و رشد جلبکها میشود. رشد موجودات ذره بینی نیز در حضور نیکل کاهش پیدا میکند، اما معمولاً با گذشت زمان در برابر نیکل مقاوم میشوند.
مقدار اندک نیکل باید در غذای جانوران وجود داشته باشد. اما زمانیکه مقدار نیکل از حد مجاز خود فراتر رود، میتواند برای جانوران مضر و خطرناک باشد. جانورانی که در نزدیکی پالایشگاه زندگی میکنند، بر اثر دریافت مقدار زیاد نیکل به انواع مختلف سرطان مبتلا میشوند.
از آنجاییکه نیکل در بافتهای گیاهی و جانوری نمیتواند تجمع پیدا کند، اثری در زنجیره غذایی ندارد.
ساختار بلوری عنصر نیکل
تجهیزات آزمایشگاهی مورد استفاده در تجزیه
اسپکترومتر جرمی ، میکروسکوپ ، کرماتوگرافی مایع و گازی ، اشعه x ، جذب اتمی ، مادون قرمز ، کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا و اسپکترومتر نشری