Níquel: história, propriedades, estrutura, usos, riscos

O níquel é um símbolo químico branco de metal de transição é níquel. Sua dureza é maior que a do ferro, além de ser um bom condutor de calor e eletricidade, e em geral é considerado um metal pouco reativo e muito resistente à corrosão. Em seu estado puro, é prata com tons dourados.

Em 1751, Axel Fredrik Cronsted, um químico sueco, conseguiu isolá-lo de um mineral conhecido como Kupfernickel (cobre do diabo), extraído de uma mina de cobalto em uma vila sueca. A princípio, Cronsted achou que o minério era cobre, mas o elemento isolado acabou sendo branco, exceto cobre.

Níquel: história, propriedades, estrutura, usos, riscos 1

Esferas de níquel nas quais seus tons dourados são revelados. Fonte: René Rausch [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Cronsted chamou o elemento níquel e mais tarde foi estabelecido que o mineral chamado kupfernickel era nicolita (arseneto de níquel).

O níquel é extraído principalmente de dois depósitos: rochas ígneas e outras segregações de magma terrestre. Os minerais são de natureza sulfurosa, como a pentladita. A segunda fonte de níquel é laterita, com minerais ricos em níquel, como garnierita.

A principal aplicação do níquel está na formação de ligas com vários metais; Por exemplo, está envolvida na produção de aço inoxidável, uma atividade industrial que consome cerca de 70% da produção mundial de níquel.

Além disso, o níquel é usado em ligas como o alnico, uma liga de natureza magnética destinada à produção de motores elétricos, alto-falantes e microfones.

O níquel começou a ser usado na elaboração de moedas em meados do século XIX. No entanto, seu uso agora foi substituído pelo de metais mais baratos; embora ainda seja usado em alguns países.

O níquel é um elemento essencial para as plantas, pois ativa a enzima urease que está envolvida na degradação da uréia em amônia, que pode ser usada pelas plantas como fonte de nitrogênio. Além disso, a uréia é um composto tóxico que causa sérios danos às plantas.

O níquel é um elemento de grande toxicidade para os seres humanos, há evidências de ser um agente cancerígeno. Além disso, o níquel causa contato com dermatites e desenvolvimento de alergias.

História

Antiguidade

O homem conhecia a existência de níquel desde os tempos antigos. Por exemplo, uma porcentagem de níquel de 2% foi encontrada em objetos de bronze (3500 aC), presentes em terras atualmente pertencentes à Síria.

Da mesma forma, os manuscritos chineses sugerem que o “cobre branco”, conhecido como baitong, foi usado entre 1700 e 1400 aC O minério foi exportado para a Grã-Bretanha no século XVII; mas o teor de níquel dessa liga (Cu-Ni) não foi descoberto até 1822.

Na Alemanha medieval, foi encontrado um mineral avermelhado, semelhante ao cobre, com manchas verdes. Os mineiros tentaram isolar o cobre do minério, mas falharam em sua tentativa. Além disso, o contato com o mineral causou distúrbios à saúde.

Por esses motivos, os mineiros atribuíram uma condição maligna ao mineral e atribuíram a ele nomes diferentes que ilustravam essa condição; como “Old Nick”, também kupfernickel (cobre do diabo). Sabe-se agora que o mineral em questão era nicolita: arseneto de níquel, NiAs.

Descoberta e produção

Em 1751, Axel Fredrik Cronsted tentou isolar o cobre do kupferníquel, obtido de uma mina de cobalto localizada perto de Los Halsinglandt, uma vila sueca. Mas ele só conseguiu obter um metal branco, que até então era desconhecido e o chamava de níquel.

A partir de 1824, o níquel foi obtido como subproduto da produção de cobalto azul. Em 1848, uma fundição foi estabelecida na Noruega para o processamento de níquel presente no mineral pirrotita.

Em 1889, o níquel foi introduzido na produção de aço, e os depósitos descobertos na Nova Caledônia forneceram níquel para o consumo mundial.

Propriedades

Aparência

Branco prateado, brilhante e com um tom dourado claro.

Peso atômico

58,9344 u

Número atômico (Z)

28.

Ponto de fusão

1.455 ° C

Ponto de ebulição

2.730 ° C

Densidade

-Em temperatura ambiente: 8.908 g / mL

– No ponto de fusão (líquido): 7,81 g / mL

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Calor de fusão

17,48 kJ / mol

Calor de vaporização

379 kJ / mol

Capacidade de calorias molares

26,07 J / mol

Eletronegatividade

1,91 na escala de Pauling

Energia de ionização

Primeiro nível de ionização: 737,1 kJ / mol

Segundo nível de ionização: 1.753 kJ / mol

Terceiro nível de ionização: 3.395 kJ / mol

Raio atômico

Empírico 124 pm

Raio covalente

124,4 ± 16:00

Condutividade térmica

90,9 W / (mK)

Resistividade elétrica

69,3 n · a 20 ° C

Dureza

4.0 na escala de Mohs.

Caracteristicas

O níquel é um metal dúctil, maleável e possui dureza maior que a do ferro, sendo um bom condutor elétrico e térmico. É um metal ferromagnético em temperaturas normais, com temperatura de Curie de 358 ° C. A temperaturas superiores a isso, o níquel deixa de ser ferromagnético.

O níquel é um dos quatro elementos ferromagnéticos, os outros três sendo ferro, cobalto e gadolínio.

Isótopos

Existem 31 isótopos de níquel, limitados por 48 Ni e 78 Ni.

Existem cinco isótopos naturais: 58 Ni, com uma abundância de 68,27%; 60 Ni, com uma abundância de 26,10%; 61 Ni, com abundância de 1,13%; 62 Ni, com uma abundância de 3,59%; e 64 Ni, com uma abundância de 0,9%.

O peso atômico de quase 59 u para o níquel mostra que não há predominância acentuada em nenhum dos isótopos (mesmo quando 58 Ni é o mais abundante).

Estrutura e configuração eletrônicas

O níquel metálico cristaliza em uma estrutura cúbica centralizada na face (fcc): cúbica centralizada na face. Essa fase fcc é extremamente estável e permanece inalterada até pressões próximas a 70 GPa; Pouca informação bibliográfica está disponível sobre as fases ou polimorfos de níquel sob altas pressões.

A morfologia dos cristais de níquel é variável, pois estes podem ser organizados de maneira a definir um nanotubo. Como nanopartícula ou sólido macroscópico, a ligação metálica permanece a mesma (em teoria); isto é, são os mesmos elétrons de valência que mantêm os átomos de Ni unidos.

De acordo com as duas configurações eletrônicas possíveis para o níquel:

[Ar] 3d 8 4s 2

[Ar] 3d 9 4s 1

Dez elétrons estão envolvidos na ligação metálica; oito ou nove no orbital 3d, junto com dois ou um no orbital 4s. Observe que a banda de Valência está praticamente cheia, perto de transportar seus elétrons para a banda de condução; fato que explica sua condutividade elétrica relativamente alta.

A estrutura fcc do níquel é tão estável que o aço o adota quando é adicionado. Assim, o aço inoxidável com alto teor de níquel também é fcc.

Números de oxidação

O níquel, embora possa não parecer, também possui números abundantes ou estados de oxidação. Os negativos são óbvios, sabendo que faltam apenas dois elétrons para completar os dez de seu orbital 3d; assim, pode ganhar um ou dois elétrons, tendo os números de oxidação -1 (Ni ) ou -2 (Ni 2- ), respectivamente.

O número de oxidação mais estável para o níquel é +2, assumindo a existência do cátion Ni 2+ , que perdeu os elétrons do orbital 4s e possui oito elétrons no orbital 3d (3d 8 ).

Existem também dois outros números de oxidação positivos: +3 (Ni 3+ ) e +4 (Ni 4+ ). Nas escolas ou no ensino médio, apenas o níquel é ensinado a existir como Ni (II) ou Ni (III), porque são os números de oxidação mais comuns encontrados em compostos muito estáveis.

E quando o níquel metálico faz parte de um composto, ou seja, com seu átomo neutro Ni, diz-se que ele participa ou se liga com um número de oxidação 0 (Ni ).

Onde está o níquel?

Minerais e mar

O níquel constitui 0,007% da crosta terrestre, portanto sua abundância é baixa. Mas, mesmo assim, é o segundo metal em abundância depois do ferro no núcleo fundido da terra, conhecido como Nife. A água do mar tem uma concentração média de níquel de 5,6 · 10 -4 mg / L.

É normalmente encontrado em rochas ígneas, sendo a pentlandita um mineral formado a partir de ferro e sulfeto de níquel [(Ni, Fe) 9 S 8 ], uma das principais fontes de níquel:

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Rocha composta por minerais de pentlandita e pirrotita. Fonte: John Sobolewski (JSS) [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

O pentlandita mineral está presente em Sudbury, Ontário, Canadá; um dos principais depósitos deste metal no mundo.

A pentlandita possui uma concentração de níquel entre 3 e 5%, sendo associada à pirrotita, um sulfeto de ferro rico em níquel. Esses minerais são encontrados em produtos de rochas das segregações do magma terrestre.

Lateritas

A outra fonte importante de níquel são os lateritas, constituídos por solos áridos das regiões quentes. Eles são pobres em sílica e possuem vários minerais, incluindo: garnierita, um silicato de magnésio e níquel; e limonita, um minério de ferro [(Fe, Ni) O (OH) com um teor entre 1 e 2% de níquel.

Estima-se que 60% de níquel seja extraído de lateritas e os 40% restantes de depósitos de sulfeto magmático.

Meteoritos e petróleo

O níquel também é encontrado em meteoritos de ferro com as ligas kamacita e taenita. Kamacita é uma liga de ferro e níquel, com uma porcentagem de 7% dela; enquanto taenita é a mesma liga, mas com uma porcentagem de níquel entre 20 e 65%.

O níquel é fixado a compostos orgânicos, por esse motivo é encontrado em alta concentração de carvão e óleo.

A China é o maior produtor de níquel do mundo, seguido pela Rússia, Japão, Austrália e Canadá.

Usos

-Níquel elementar

Ligas

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Válvula fabricada com liga monel. Fonte: Heather Smith [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

É utilizado em ligas de ferro principalmente para a produção de aço inoxidável, uma vez que 68% da produção de níquel é utilizada para esse fim.

Também forma uma liga com cobre, resistente à corrosão. Esta liga é composta de 60% de níquel, 30% de cobre e pequenas quantidades de outros metais, principalmente ferro.

O níquel é usado em ligas resistivas, magnéticas e outras, como prata de níquel; e uma liga composta de níquel e cobre, mas não contendo prata. Os tubos de Ni-Cu são usados ​​em usinas de dessalinização, escudos e na elaboração de moedas.

O níquel fornece tenacidade e resistência à tração às ligas que formam resistência à corrosão. Além de ligas de cobre, ferro e cromo, é utilizado em ligas de bronze, alumínio, chumbo, cobalto, prata e ouro.

A liga Monel consiste em 17% de níquel, 30% de cobre e vestígios de ferro, manganês e silício. É resistente à água do mar, o que o torna ideal para uso em hélices de navios.

Ação protetora

O níquel, ao reagir com o flúor, forma uma camada protetora do elemento flúor, que permite que o níquel metálico ou a liga Monel sejam utilizados nos condutos gasosos do flúor.

O níquel é resistente à ação dos álcalis. Por esse motivo, é utilizado em recipientes que contêm hidróxido de sódio concentrado. Também é usado em galvanoplastia para criar uma superfície protetora para outros metais.

Outros usos

O níquel é usado como um agente redutor de seis metais do grupo de minerais de platina em que é combinado; principalmente de platina e paládio. Espuma ou malha de níquel é usada na produção de eletrodos para células a combustível alcalinas.

O níquel é utilizado como catalisador para a hidrogenação de ácidos graxos insaturados vegetais, sendo utilizado no processo de fabricação de margarina. O cobre e a liga Cu-Ni têm ação antibacteriana em E. coli.

Nanopartículas

As nanopartículas de níquel (NPs-Ni) encontram uma grande variedade de uso devido à sua maior área de superfície em comparação com uma amostra macroscópica. Quando esses NPs-Ni são sintetizados a partir de extratos vegetais, desenvolvem atividades antimicrobianas e antibacterianas.

A razão para o exposto é devido à sua maior tendência a oxidar em contato com a água, formando cátions Ni 2+ e espécies oxigenadas altamente reativas, que desnaturam as células microbianas.

Por outro lado, os NPs-Ni são usados ​​como material de eletrodo em células a combustível sólidas, fibras, ímãs, fluidos magnéticos, peças eletrônicas, sensores de gás, etc. Eles também são suportes catalíticos, adsorventes, agentes de branqueamento e estações de tratamento de esgoto.

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-Composites

Cloreto, nitrato e sulfato de níquel são usados ​​em banhos de níquel na galvanoplastia. Além disso, seu sal sulfato é utilizado na preparação de catalisadores e mordentes para o tingimento de tecidos.

O peróxido de níquel é usado em baterias de armazenamento. Ferrites de níquel são usadas como núcleos magnéticos em antenas em vários equipamentos elétricos.

O tertracarbonil de níquel fornece monóxido de carbono para a síntese de acrilatos, a partir de acetileno e álcoois. O óxido combinado de bário e níquel (BaNiO 3 ) serve como matéria-prima para a fabricação de cátodos de muitas baterias recarregáveis, como Ni-Cd, Ni-Fe e Ni-H.

Papel biológico

As plantas requerem a presença de níquel para o crescimento. Sabe-se que várias enzimas vegetais a utilizam como cofator, incluindo a urease; enzima que converte uréia em amônia, e esse composto pode ser usado no funcionamento das plantas.

Além disso, o acúmulo de uréia causa uma alteração nas folhas das plantas. O níquel atua como um catalisador para promover a fixação de nitrogênio pelas leguminosas.

As culturas mais sensíveis à deficiência de níquel são legumes (feijão e alfafa), cevada, trigo, ameixas e pêssegos. Sua deficiência se manifesta nas plantas por clorose, queda de folhas e deficiências de crescimento.

Em algumas bactérias, a enzima urease é dependente do níquel, mas são consideradas como tendo uma ação virulenta nos organismos em que habitam.

Outras enzimas bacterianas, como a superóxido dismutase, bem como a glioxidase presente em bactérias e alguns parasitas, por exemplo em tripanossomas, dependem do níquel. No entanto, as mesmas enzimas em espécies superiores não dependem do níquel, mas do zinco.

Riscos

A ingestão de grandes quantidades de níquel está associada à geração e desenvolvimento de câncer de pulmão, nasal, laringe e próstata. Além disso, causa problemas respiratórios, insuficiência respiratória, asma e bronquite. Os vapores de níquel podem causar irritação nos pulmões.

O contato do níquel com a pele pode causar sensibilização, que posteriormente produz uma alergia, manifestada como erupção cutânea.

A exposição da pele ao níquel pode causar dermatite conhecida como “prurido do níquel” em pessoas previamente sensibilizadas. Após a sensibilização ao níquel, ele persiste indefinidamente.

A Agência Internacional de Pesquisa do Câncer (IARC) colocou os compostos de níquel no Grupo 1 (há evidências suficientes de carcinogenicidade em humanos). No entanto, a OSHA não regula o níquel como cancerígeno.

Recomenda-se que a exposição ao níquel metálico e seus compostos não possa ser superior a 1 mg / m 3 por oito horas de trabalho em uma semana de trabalho de quarenta horas. O níquel carbonil e o sulfeto de níquel são considerados compostos muito tóxicos ou cancerígenos.

Referências

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