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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：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(shù)為28，位于元素周期表中的第四周期Ⅷ族，屬過渡金屬元素。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(jī)化合物發(fā)生反應(yīng)。鎳具有延展性和磁性，能導(dǎo)熱和電，應(yīng)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(shù)

原子量

58.69

元素類別

過渡性金屬

族

ⅧB族

周期

第四周期

區(qū)

d區(qū)

電子排布

[Ar]4s23d?

CAS編號

7440-02-0

物理性質(zhì)

外觀

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(fù)性

1.91（鮑林標(biāo)度）

原子半徑

124.6 pm

發(fā)現(xiàn)歷史

鎳是一種既“古老”又“年輕”的金屬——人類發(fā)現(xiàn)鎳的時(shí)間并不長，但早在古埃及、古中國和古巴比倫時(shí)期，人類就已經(jīng)在使用鎳了。公元前300年左右，中國出現(xiàn)了含鎳的兵器和器皿。西漢時(shí)期中國開始制取含鎳量很高的白銅，并將白銅制作的器物銷往歐洲，歐洲人將白銅稱為“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）開始研究德國的一種紅棕色礦石，這種礦石常常覆蓋著綠色斑點(diǎn)或污點(diǎn)，被礦工們稱之為“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(rèn)同克龍斯泰的結(jié)論。1755年瑞典化學(xué)家托伯恩·柏格門（Torbern Bergman）通過試驗(yàn)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(jì)末鎳的主要用途還是作為貴金屬制作首飾。20世紀(jì)以來，隨著人類發(fā)現(xiàn)了鎳的多種用途以及其在改善剛性能方面的獨(dú)特功能，現(xiàn)代鎳工業(yè)得以誕生并迅速發(fā)展起來。

分布情況

鎳屬于秦鐵元素，在地球中的含量僅次于硅、氧、鐵、鎂。美國地質(zhì)調(diào)查局（USCS）2017年發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球探明鎳基礎(chǔ)儲量約7383萬噸，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(jié)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(jié)構(gòu)

鎳通常屬于面心立方晶胞，即面心立方密堆積結(jié)構(gòu)。在鎳的原子晶體中，鎳原子分布在立方體的八個角上和六個面的中心，面心立方晶胞中六個面的面中心鎳原子均和六個面上四角的鎳原子緊靠。鎳的晶格參數(shù)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(wěn)定，這導(dǎo)致鎳堅(jiān)硬、有延展性。在過渡金屬中，其導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率較高。理想條件下，鎳晶體的抗壓強(qiáng)度預(yù)測為34 GPa，但是在真正的大塊鎳中永遠(yuǎn)不會有這么高的強(qiáng)度，這是由于晶體位錯的形成和運(yùn)動。不過，在鎳的納米粒子中，強(qiáng)度達(dá)到了抗壓測強(qiáng)度34 GPa。

理化性質(zhì)

物理性質(zhì)

鎳（Ni）是銀白色過渡金屬，原子序數(shù)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(dǎo)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(yīng)。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(yīng)

氫氣

鎳能強(qiáng)烈吸附氫氣，生成NiH、NiH?。

氧族元素

鎳在常溫下穩(wěn)定，在空氣中其表面能迅速形成一層單分子NiO保護(hù)層。

鎳片與熔融硫在205-445 ℃反應(yīng)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(yīng)生成覆膜，覆膜內(nèi)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(yīng)，在400-900 ℃能與碲蒸氣反應(yīng)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個鎳元梓能夠結(jié)合一個氮原子。

鎳在氮?dú)庵羞M(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(yīng)，高溫下鎳粉能與與紅磷在真空密封反應(yīng)管中反應(yīng)生成Ni?P、Ni?P?、NiP等。

925 ℃下鎳粉與化學(xué)計(jì)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(yīng)生成Ni?C。

鎳粉與硅粉在高溫下能反應(yīng)生成Ni?Si、Ni?Si、Ni?Si?等。

鹵素

在含氧的氟氣中，鎳表面會生成含NiO的NiF膜。

260-300 ℃，在干燥氯氣流中鎳表面能生成NiCl?保護(hù)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(yīng)生成NiBr?,高于927 ℃時(shí)生成NiBr。

室溫下，鎳能與干燥碘蒸氣反應(yīng)生成點(diǎn)狀NiI?。

與無機(jī)化合物反應(yīng)

水

鎳能與水蒸氣反應(yīng)放出氫氣。

酸

鎳能與稀的無氧化性酸反應(yīng)放出氫氣。

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

鎳與硝酸反應(yīng)會釋放出氮的氧化物。

雷尼鎳能與高錳酸鉀溶液反應(yīng)，使溶液紅色退去。

一氧化碳

鎳是一個中等強(qiáng)度的還原劑。常壓下，鎳能與一氧化碳反應(yīng)，反應(yīng)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(yīng)為可逆反應(yīng)，加熱后它發(fā)生分解反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物是金屬鎳和一氧化碳。反應(yīng)方程式如下：

與有機(jī)化合物反應(yīng)

鎳粉能與90%過甲酸劇烈反應(yīng)。

鎳能在酸性溶液中與黃原酸鉀反應(yīng)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(wěn)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(wěn)定	76000年	穩(wěn)定	穩(wěn)定	穩(wěn)定	100.1年	穩(wěn)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(xiàn)在已被發(fā)現(xiàn)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(xiàn)的放射性同位素共有18種，大多半衰期都較短，最穩(wěn)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(dāng)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有太大的應(yīng)用，鎳元素?fù)碛幸环N亞穩(wěn)態(tài)。在鎳的數(shù)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(jù)各類數(shù)據(jù)及歷史推測，??Ni在超新星核合成過程中，通過反應(yīng)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?的相互溶解度會降低并且相互析出粗的顆粒，從而實(shí)現(xiàn)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極電解處理高精鎳礦，陽極上會發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極上會析出金屬鎳，反應(yīng)方程式如下：

陽極：

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：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(xì)磨處理后，通過常壓、加壓相結(jié)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)會留在浸出渣中。蒸發(fā)浸出液中的氨后，能夠?qū)⑷芤褐械你~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(zhuǎn)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，通過硫酸化沉淀法可以將浸出液中的鎳、鈷沉淀出來，而后可通過浮選法選出精礦進(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渡層氧化鎳礦，可分為濕法氨浸和濕法酸浸兩大工藝類別，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(jié)合成鐵酸鹽，而后還原焙燒能使鐵酸鎳轉(zhuǎn)變成金屬鎳或鎳鐵合金，方便在暗夜中溶解。

加壓酸浸：通過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，通過焙燒將礦石中的鎳、鈷轉(zhuǎn)化成可溶的硫酸鹽，鐵則轉(zhuǎn)化為難溶于水的赤鐵礦，實(shí)現(xiàn)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(yīng)原理是：鎳的硫化物礦與CO反應(yīng)，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)過加熱后可以重新分解成CO和鎳，經(jīng)過此可逆反應(yīng)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(yīng)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(xiǎn)較大。

應(yīng)用領(lǐng)域

鎳的應(yīng)用歷史悠久，應(yīng)用范圍廣泛，在軍事、航空航天、機(jī)械制造等軍事制造行業(yè)中起著功能材料的作用，屬于國家中必不可少的的重要戰(zhàn)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(jié)構(gòu)鋼等應(yīng)用廣泛的鋼材，主要應(yīng)用于飛機(jī)、雷達(dá)、導(dǎo)彈、坦克、原子反應(yīng)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(qiáng)、金屬光澤強(qiáng)，因此鍍鎳的物品美觀、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(jù)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(chǔ)（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(qiáng)度較高、抗氧化腐蝕能力較強(qiáng)，綜合性能較好。在工業(yè)上根據(jù)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(yīng)用于不銹鋼和合金鋼等鋼鐵領(lǐng)域，其中不銹鋼的應(yīng)用占到了鎳應(yīng)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(qiáng)度大，易機(jī)械加工。鎳基合金在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用，主要產(chǎn)品有家具、各類反應(yīng)器、燃燒室、渦輪葉片、航天器各類零件等，廣泛應(yīng)用于航空航天、船只建造、化工儀器和反應(yīng)器制作、電子產(chǎn)品原件、醫(yī)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(yīng)的催化劑，廣泛應(yīng)用于有機(jī)物的氫化、氫解、異構(gòu)化等各類反應(yīng)中。目前較為常用的鎳催化劑是雷尼鎳，這是一種多孔結(jié)構(gòu)的鎳鋁合金，并以此為基礎(chǔ)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。