概述
鎳是一種銀白色金屬,首先是1751年由瑞典礦物學家克朗斯塔特(A.F.Cronstedt)分離出來的。由于它具有良好的機械強度和延展性,難熔耐高溫,并具有很高的化學穩定性,在空氣中不氧化等特征,因此是一種十分重要的有色金屬原料,被用來制造不鏽鋼、高鎳合金鋼和合金結構鋼,廣泛用于飛機、雷達、導彈、坦克、艦艇、宇宙飛船、原子反應堆等各種軍工制造業。在民用工業中,鎳常制成結構鋼、耐酸鋼、耐熱鋼等大量用于各種機械制造業。鎳還可作陶瓷顔料和防腐鍍層,鎳钴合金是一種永磁材料,廣泛用于電子遙控、原子能工業和超聲工藝等領域,在化學工業中,鎳常用作氫化催化劑。
綜合性質
元素名稱:鎳
元素原子量:58.69
元素類型:金屬
原子體積:(立方厘米/摩爾):6.59
元素在太陽中的含量:(ppm):80
元素在海水中的含量:(ppm):太平洋表面0.0001
地殼中含量:(ppm):80
原子序數:28
元素符号:Ni
元素中文名稱:鎳
元素英文名稱:Nickel
相對原子質量:58.69
核内質子數:28
核外電子數:28
核電核數:28
質子質量:4.6844E-26
質子相對質量:28.196
所屬周期:4
所屬族數:VIII
摩爾質量:59
氫化物:NiH3
氧化物:NiO
最高價氧化物化學式:Ni2O3
氧化态:Main Ni+2
Other Ni-1,Ni0,Ni+1,Ni+3,Ni+4,Ni+6
密度:8.902
熔點:1453.0
沸點:2732.0
聲音在其中的傳播速率:(m/S):4900
電離能(kJ/mol)
M - M+ 736.7
M+ - M2+ 1735.0
M2+ - M3+ 3393
M3+ - M4+ 5300
M4+ - M5+ 7280
M5+ - M6+ 10400
M6+ - M7+ 12800
M7+ - M8+ 15600
M8+ - M9+ 18600
M9+ - M10+ 21660
外圍電子排布:3d8 4s2
核外電子排布:2,8,16,2
晶體結構:晶胞為面心立方晶胞,每個晶胞含有4個金屬原子。
晶胞參數:
aa=352.4pm
b=352.4pm
c=352.4pm
α=90°
β=90°
γ=90°
莫氏硬度:4
顔色和狀态:銀白色金屬
原子半徑:1.62
常見化合價:+2,+3
發現
發現人:克朗斯塔特
發現時間和地點:1751年瑞典
元素來源:鎳黃鐵礦[(Ni,Fe)9S8]
發現過程:1751年,瑞典的克郎斯塔特,用紅砷鎳礦表面風化後的晶粒與木炭共熱,而制得鎳。
鎳在地殼中含量不小,大于常見金屬鉛、錫等,但明顯比鐵少得多,而且鎳和鐵的熔點不相上下,因此注定它比鐵發現得晚。17世紀末,歐洲人開始注意鎳砒(砷)礦。當時德國用它來制造青色玻璃,采礦工人稱它為kupfernickel。“kupfer”在德文中是“銅”;“nickel”是罵人的話,大意是“騙人的小鬼”。因此這一詞可以義譯為“假銅”。當時人們認為它是銅和砷的混合物。
瑞典化學家克隆斯特研究了這個礦物,他得到了少量與銅不同的金屬。他在1751年發表研究報告,認為這是一種新金屬,就稱它為nickel,這也就是鎳的拉丁名稱niccolum和符号Ni的來源。鎳在歐洲被發現後,德國人首先把它摻入銅中,制成所謂日耳曼銀,或稱德國銀,也就是中國的白銅。
礦産分布
世界上紅土鎳礦分布在赤道線南北30度以内的熱帶國家,集中分布在環太平洋的熱帶―亞熱帶地區,主要有:美洲的古巴、巴西;東南亞的印度尼西亞、菲律賓;大洋洲的澳大利亞、新喀裡多尼亞、巴布亞新幾内亞等。中國鎳礦分布就大區來看,主要分布在西北、西南和東北,其保有儲量占全國總儲量的比例分别為76.8%、12.1%、4.9%。就各省(區)來看,甘肅儲量最多,占全國鎳礦總儲量的62%,其次是新疆(11.6%)、雲南(8.9%)、吉林(4.4%)、湖北(3.4%)和四川(3.3%)。其中甘肅金昌的銅鎳共生礦床,鎳資源儲量巨大,僅次于加拿大薩德伯裡鎳礦,居世界第二,亞洲第一。
物理性質
有良好延展性,具有中等硬度。
鎳是銀白色金屬,具有磁性和良好的可塑性。有好的耐腐蝕性,鎳近似銀白色、硬而有延展性并具有鐵磁性的金屬元素,它能夠高度磨光和抗腐蝕。溶于硝酸後,呈綠色。主要用于合金(如鎳鋼和鎳銀)及用作催化劑(如蘭尼鎳,尤指用作氫化的催化劑)
密度8.902克/立方厘米
熔點1453℃
沸點2732℃
化學性質
化學特性
外圍電子排布3d84s2,位于第四周期第Ⅷ族。化學性質較活潑,但比鐵穩定。室溫時在空氣中難氧化,不易與濃硝酸反應。細鎳絲可燃,加熱時與鹵素反應,在稀酸中緩慢溶解。能吸收相當數量氫氣。
鎳不溶于水,常溫下在潮濕空氣中表面形成緻密的氧化膜,能阻止本體金屬繼續氧化。在稀酸中可緩慢溶解,釋放出氫氣而産生綠色的正二價鎳離子Ni2+;耐強堿。鎳可以在純氧中燃燒,發出耀眼白光。同樣的,鎳也可以在氯氣和氟氣中燃燒。對氧化劑溶液包括硝酸在内,均不發生反應。鎳是一個中等強度的還原劑。
鎳鹽酸、硫酸、有機酸和堿性溶液對鎳的浸蝕極慢。鎳在稀硝酸緩慢溶解。發煙硝酸能使鎳表面鈍化而具有抗腐蝕性。鎳同鉑、钯一樣,鈍化時能吸大量的氫,粒度越小,吸收量越大。鎳的重要鹽類為硫酸鎳和氯化鎳。實驗室中也常用到硝酸鎳,帶有結晶水,化學式為NiFe2O4·6H2O,綠色透明的顆粒,易吸收空氣中的水蒸汽。與鐵,钴相似,在常溫下對水和空氣都較穩定,能抗堿性腐蝕,故實驗室中可以用鎳坩埚熔融堿。硫酸鎳(NiSO4)能與堿金屬硫酸鹽形成礬Ni(SO4)2o6H2O(MI為堿金屬離子)。+2價鎳離子能形成配位化合物。常壓下,鎳即可與一氧化碳反應,形成劇毒的四羰基鎳(Ni(CO)4),加熱後它又會分解成金屬鎳和一氧化碳。
原子序數28
原子量58.71
金屬半徑124.6皮米
第一電離能741.1kJ/mol
電負性1.8[1]
主要氧化數+2、+3、+4
鎳(Ⅱ)化合物
1.氧化鎳:NiC2O4=NiO+CO+CO2
2.氫氧化鎳:Ni2++2OH-=Ni(OH)2
3.硫酸鎳2Ni+2H2SO4+2HNO3=2NiSO4+NO2+NO+3H2O
NiO+H2SO4=NiSO4+H2O
NiCO3+H2SO4=NiSO4+CO2+H2O
4.鹵化鎳:NiF2、NiCl2、NiBr2、NiI2
鎳(Ⅲ)化合物
1.氧化高鎳
4NiO+O2==2Ni2O3
2Ni(OH)2+Br2+2OH-==Ni2O3+2Br-+3H2O
2Ni2O3+4H2SO4==4NiSO4+O2+4H2O
Ni2O3+6HCl==2NiCl2+Cl2+3H2O
2.氫氧化高鎳
4NiCO3+O2==2Ni2O3+4CO2
2Ni(OH)2+NaClO+H2O==2Ni(OH)3+NaCl
2Ni(OH)3+6HCl==2NiCl2+Cl2+6H2O
配合物
1.氨配位化合物:[Ni(NH3)6]2+
2.氰配位化合物:[Ni(CN)4]2-
3.螯合物:[Ni(en)3]2+
4.羰基配位化合物
(a)Ni(CO)4
(b)(C2H5)2Ni
毒理學簡介
羰基鎳
金屬鎳幾乎沒有急性毒性,一般的鎳鹽毒性也較低,但羰基鎳卻能産生很強的毒性。羰基鎳以蒸氣形式迅速由呼吸道吸收,也能由皮膚少量吸收,前者是作業環境中毒物侵入人體的主要途徑。羰基鎳在濃度為3.5μg/m3時就會使人感到有如燈煙的臭味,低濃度時人有不适感覺。吸收羰基鎳後可引起急性中毒,10分鐘左右就會出現初期症狀,如:頭暈、頭疼、步态不穩,有時惡心、嘔吐、胸悶;後期症狀是在接觸12至36小時後再次出現惡心、嘔吐、高燒、呼吸困難、胸部疼痛等。接觸高濃度時發生急性化學肺炎,最終出現肺水腫和呼吸道循環衰竭而緻死亡接觸緻死量時,事故發生後4至11日死亡。人的鎳中毒特有症狀是皮膚炎、呼吸器官障礙及呼吸道癌。
緻突變性:腫瘤性轉化:倉鼠胚胎5µmol/L。
生殖毒性:大鼠經口最低中毒劑量(TDL0):158mg/kg(多代用),胚胎中毒,胎鼠死亡。
緻癌性:IARC緻癌性評論:動物為陽性反應。
遷移轉化:天然水中的鎳常以鹵化物、硝酸鹽、硫酸鹽以及某些無機和有機絡合物的形式溶解于水。水中的可溶性離子能與水結合形成水合離子(Ni(H2O)6)2+,與氨基酸、胱氨酸、富裡酸等形成可溶性有機絡離子,它們可以随水流遷移。鎳在水中的遷移,主要是形成沉澱和共沉澱以及在晶形沉積物中向底質遷移,這種遷移的鎳共占總遷移量的80%;溶解形态和固體吸附形态的遷移僅占5%。為此,水體中的鎳大部分都富集在底質沉積物中,沉積物含鎳量可達18~47ppm,為水中含鎳量的38000~92000倍。土壤中的鎳主要來源于岩石風化、大氣降塵、灌溉用水(包括含鎳廢水)、農田施肥、植物和動物遺體的腐爛等。植物生長和農田排水又可以從土壤中帶走鎳。通常,随污灌進入土壤的鎳離子被土訓無機和有機複合體所吸附,主要累積在表層。
來源及用途
元素來源:礦石經煅燒成氧化物後,用水煤氣或碳還原而制得。
元素用途:主要用來制造不鏽鋼和其他抗腐蝕合金,如鎳鋼、鉻鎳鋼及各種有色金屬合金,含鎳成分較高的銅鎳合金,就不易腐蝕。也作加氫催化劑和用于陶瓷制品、特種化學器皿、電子線路、玻璃着綠色以及鎳化合物制備等等。具有鐵磁性的金屬元素,它能夠高度磨光和抗腐蝕。主要用于合金(如鎳鋼和鎳銀)及用作催化劑(如拉内鎳,尤指用作氫化的催化劑),可用來制造貨币等,鍍在其他金屬上可以防止生鏽。
儲運條件
儲存于陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。包裝要求密封,不可與空氣接觸。應與氧化劑、酸類等分開存放,切忌混儲。采用防爆型照明、通風設施。
制備方法
1.電解法。将富集的硫化物礦焙燒成氧化物,用炭還原成粗鎳,再經電解得純金屬鎳。
2.羰基化法。将鎳的硫化物礦與一氧化碳作用生成四羰基鎳,加熱後分解,又得純度很高的金屬鎳。
3.氫氣還原法。用氫氣還原氧化鎳,可得金屬鎳。
4.在鼓風爐中混入氧置換硫,加熱鎳礦可得到鎳的氧化物。而此種氧化物再和與鐵反應過的酸液進行作用就能得到鎳金屬。
5.礦石經煅燒成氧化物後,再用水煤氣或炭還原得到鎳。
基本知識
在自然界,最主要的鎳礦是紅鎳礦(砷化鎳)與輝砷鎳礦(硫砷化鎳)。古巴是世界上最著名的蘊藏鎳礦的國家,在多米尼加也有大量的鎳礦。
金屬鎳主要用于電鍍工業,鍍鎳的物品美觀、幹淨、
鎳大量用于制造合金。在鋼中加入鎳,可以提高機械強度。如鋼中含鎳量從2.94%增加到了7.04%時,抗拉強度便由52.2公斤/毫米2增加到72.8公斤/毫米3。鎳鋼用來制造機器承受較大壓力、承受沖擊和往複負荷部分的零件,如渦輪葉片、曲軸、連杆等。含鎳36%、含碳0.3-0.5%的鎳鋼,它的膨脹系數非常小,幾乎不熱脹冷縮,用來制造多種精密機械,精确量規等。含鎳46%、含碳0.15%的高鎳鋼,叫“類鉑”,因為它的膨脹系數與鉑、玻璃相似,這種高鎳鋼可熔焊到玻璃中。在燈泡生産上很重要,可作鉑絲的代用品。一些精密的透鏡框,也用這種類鉑鋼做,透鏡不會因熱脹冷縮而從框中掉下來。由67.5%鎳、16%鐵、15%鉻、1.5%錳組成的合金,具有很大的電阻,用來制造各種變阻器與電熱器。
钛鎳合金具有“記憶”的本領,而且記憶力很強,經過相當長的時間,重複上千萬次都準确無誤。它的“記憶”本領就是記住它原來的形狀,所以人們稱它為“形狀記憶合金”。原來這種合金有一個特性轉變溫度,在轉變溫度之上,它具有一種組織結構,而在轉變溫度之下,它又有另一種組織結構。結構不同,性能也就不同。例如:一種钛鎳記憶合金,當它在轉變溫度之上時,很堅硬,強度大,而在這個溫度以下,它卻很軟,容易冷加工。這樣,當我們需要它記憶什麼形狀時,就把它做成那種形狀,這就是它的“永久記憶“形狀,在轉變溫度以下,由于它很軟,我們便可以在相當大的程度内使其任意變形。而當需要它恢複到原來形狀時,隻要把它加熱到轉變溫度以上就行了。
鎳具有磁性,能被磁鐵吸引。而用鋁、钴與鎳制成的合金,磁性更強了。這種合金受到電磁鐵吸引時,不僅自己會被吸過去,而且在它下面吊了比它重六十倍的東西,也不會掉下來。這樣,可以用它來制造電磁起重機。鎳的鹽類大都是綠色的。氫氧化鎳是棕黑色的,氧化鎳則是灰黑色的。氧化鎳常用來制造鐵鎳堿性蓄電池。二價鎳離子常用丁二酮肟來鑒定,在氨性溶液中,鎳離子(Ni2+)與丁二酮肟(Dimethylglyoxime)生成鮮紅色沉澱(Ni(dmgH)2)。
市場發展
2006年1-12月,中國鎳累計産量為111280.01噸,與2005年同期相比增長了22.07%;2007年1-12月,中國鎳累計産量為115772.10噸,與2006年同期相比增長了8.51%;2008年1-10月,中國鎳累計産量為112209.99噸,與2007年同期相比增長了8.99%。
中國鎳行業在不斷發展的同時,也存在一些問題,如鎳礦中多為低品味,露采比例很小,可采儲量僅占總儲量的10%,開采和冶煉的技術相對較為落後;選礦一般采用弱酸或弱堿介質浮選工藝,選礦能力為430萬噸/年;中國鎳冶煉除幾家大型企業以外普遍采用火法的選锍熔煉技術,精煉鎳主要采用硫化鎳陽極隔膜電解和硫酸選擇性浸出——電積工藝,與世界先進技術還有一定差距,因此中國開采和冶煉的成本居高不下。
2010年預計中國鎳消費量将達到40萬噸/年以後,中國将成為世界最大的鎳消費國。2010年中國鎳金屬基礎儲量隻有230萬噸左右,2010-2013年來中國鎳礦勘探沒有重大進展,如果就按照這樣消費下去的話,10年後中國的鎳礦資源将逐漸消耗殆盡。
2012年10月5日,中國新疆省地礦部門和礦産企業經4年勘查,在新疆若羌縣發現百萬噸級特大型鎳礦,已探得鎳金屬資源量128萬噸。
《2013-2017年中國金屬鎳行業全景調研及投資前景預測報告》資料顯示,中國和美國為最大消費國。Higo稱,2013年中國鎳生鐵産量将增至35萬噸。鎳生鐵為低級鐵礦石的替代品。中國不鏽鋼生産商鎳生鐵使用量增加将抑制其對鎳的風險偏好,拖累鎳價。他表示,中國需求将增加8.5%至83萬噸,而包括生鐵在内的産量将增長10%至54萬噸。中國需求占全球總量的47%。
截至2013年5月23日,中國庫存180,024噸。2013年全球不鏽鋼産量或自1月預估增長1.7%至3,650萬噸。中國産量将增加3.7%至1,680萬噸。根據國際不鏽鋼論壇,亞洲不鏽鋼産量占全球總量的70%。
中國鎳供給有兩個部分組成,一部分是新産鎳精礦供應,這部分占鎳總供給量的72.9%,另一部分來自再生鎳占27.1%,随着經濟建設和鋼鐵工業的發展,鎳的需求量不斷增加。
南非:Nkomati鎳礦,位于南非共和國東部Mpumalanga地區,距離約翰内斯堡300公裡處,1997年投産,為南非的第一座鎳礦。分為兩個礦床:高含量礦、低含量礦。高含量礦送至Rustenburg冶煉廠進行冶煉,低含量礦送至博斯瓦納和津巴布韋進行冶煉。2007年進行擴産可行性研究,預計2010年擴産項目投産。2010年産能與産能4000噸左右(金屬量)。擴産後,開采壽命将從2023年延長至2030年,并将逐步改為露天開采。
市場發展
庫存創紀錄
2013年5月23日數據顯示,庫存達到創紀錄的180,024噸。
《2013-2017年中國金屬鎳行業全景調研及投資前景預測報告産業洞察》資料顯示,中國和美國為最大消費國。中國今年鎳生鐵産量将增至35萬噸。鎳生鐵為低級鐵礦石的替代品。
中國不鏽鋼生産商鎳生鐵使用量增加将抑制其對鎳的風險偏好,拖累鎳價。他表示,中國需求将增加8.5%至83萬噸,而包括生鐵在内的産量将增長10%至54萬噸。中國需求占全球總量的47%。
2013年全球不鏽鋼産量或自1月預估增長1.7%至3,650萬噸。中國産量将增加3.7%至1,680萬噸。亞洲不鏽鋼産量占全球總量的70%。