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鎳（鐵磁性金屬）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-19

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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(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(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(cuò)的形成和運(yùn)動(dòng)。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(gè)鎳元梓能夠結(jié)合一個(gè)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(gè)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。