Nichel

Nichel
28 Ni cobalto← nichel →rame
Aspetto
Aspetto dell'elemento metallo lucido
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	nichel, Ni, 28
Serie	metalli di transizione
Gruppo,periodo,blocco	10,4,d
Densità	8 908 kg/m³
Durezza	4,0
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	3F4
Proprietà atomiche
Peso atomico	58,6934
Raggio atomico(calc.)	135(149)pm
Raggio covalente	121 pm
Raggio di van der Waals	163 pm
Configurazione elettronica	[Ar]3d84s2
e−perlivello energetico	2, 8, 16, 2
Stati di ossidazione	2,3 (debolmentebasico)
Struttura cristallina	cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido(ferromagnetico)
Punto di fusione	1 728K(1 455°C)
Punto di ebollizione	3 186 K (2 913 °C)
Volume molare	6,59×10−6m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	370,4kJ/mol
Calore di fusione	17,47 kJ/mol
Tensione di vapore	237Paa1726K
Velocità del suono	4970m/sa 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-02-0
Elettronegatività	1,91 (Scala di Pauling)
Calore specifico	440J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	14,3×106/(m·Ω)
Conducibilità termica	90,7W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	737,1 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 753 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	3 395 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	5 300 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 56Ni sintetico 6,077 giorni ε 2,136 56Co 58Ni 68,077% Ni è stabile con 30neutroni 59Ni sintetico 76000 anni ε 1,072 59Co 60Ni 26,233% Ni è stabile con 32 neutroni 61Ni 1,1399% Ni è stabile con 33 neutroni 62Ni 3,6346% Ni è stabile con 34 neutroni 63Ni sintetico 100,1 anni β− 2,137 63Cu 64Ni 0,9255% Ni è stabile con 36 neutroni
iso:isotopo NA: abbondanza in natura TD:tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Ilnichel(onichelio) è l'elemento chimicodinumero atomico28 e il suo simbolo èNi.È il primo elemento delgruppo10delsistema periodico,facente parte delbloccod,ed è quindi unelemento di transizione.Nella vecchia nomenclatura ha costituito, insieme alferroe alcobaltola triade del gruppo VIII del sistema periodico, detto anchegruppo del ferro;allo stato metallico condivide con essi ilferromagnetismo,sebbene meno spiccato che nel ferro.

Il nome deriva dallosvedeseNickel, diminutivo di Nikolaus, anticamente associato a persona da poco,follettoo ragazzo irrequieto, troppo pieno di vitalità.Esiste poi il derivato tedesco Kupfernickel ( "rame del diavolo" ), nome dato dai minatori che, cercando il rame, trovavano invece questo elemento e ne davano la colpa a un genio maligno.

Storia

Il nichel si usa almeno dal3500 a.C.:alcuni bronzi provenienti da quella che è oggi laSiriacontengono fino al 2% di nichel. Inoltre esistono alcuni manoscritti cinesi che suggeriscono che il "ramebianco "(paitung) fosse in uso in Oriente fra il1700e il1400 a.C.Comunque, poiché i minerali di nichel possono facilmente essere confusi con minerali diargento,l'uso consapevole del nichel in quanto tale risale all'era contemporanea.

I minerali che contengono nichel, come laniccoliteo falso rame, erano apprezzati anticamente per il colore verde che conferivano alvetro.Nel 1751 il mineralogista svedeseAxel Fredrik Cronstedt,tentando di estrarre rame dalla niccolite, ottenne invece un metallo bianco-argenteo che battezzò nickhel, dal tedescoKupfernickel(falso rame) o da nickel (folletto,diavoletto).

La primamonetadi nichel puro venne coniata nel 1881, mentre monete in nichel-rame vennero emesse da tre sovrani delRegno indo-greconelII secolo a.C.

Caratteristiche

Il nichel è unmetalloargenteo. Appartiene al blocco delferroed è duro, malleabile e duttile.

Il nichel è uno dei cinque elementiferromagnetici.Si accompagna molto spesso con ilcobalto:entrambi si possono trovare nelferro meteoritico.È assai apprezzato per le proprietà che conferisce alleleghe metallichedi cui fa parte. La monetastatunitensedetta "nichelino"a causa della particolare lega usata non è ferromagnetica, mentre l'equivalentecanadeselo era fino all'anno di conio 1958 compreso.

Lostato di ossidazionepiù comune del nichel è +2, ma sono stati osservati anche complessi di nichel in stati di ossidazione 0, +1 e +3.

Disponibilità

La maggior parte di tutto il nichel viene estratto da due tipi di deposito minerale; il primo tipo è costituito da lateriti in cui i minerali principali sono limonite nichelifera [(Fe,Ni)O(OH)] egarnierite(un silicato idrato di nichel). Il secondo tipo è costituito da depositi di solfuri di origine magmatica in cui il principale minerale è lapentlandite[(Ni,Fe)₉S₈]. Il nichel si trova anche nellakamacite,una lega naturale diferroe nichel.

Le riserve maggiori di nichel sono inAustraliaeNuova Caledoniae ammontano a circa il 45% delle riserve totali note.

Si stima che, a partire dalle zone emerse in cui si è osservato almeno 1% di concentrazione di nichel, le risorse di nichel disponibili siano almeno 130 milioni ditonnellate,circa il doppio delle riserve già note. Il 60% è inlateritie il 40% in depositi disolfuri.

Nel 2011 laRussiaè stato il più grande produttore di nichel con circa il 20% della produzione mondiale seguito da vicino daCanada,Australia,IndonesiaeFilippine,come riportato da "US Geological Survey".

Produzione mondiale di nichel nel 2005

I maggiori produttori di nichel nel 2019
Posizione	Paese	Produzione (mille tonnellate)
1	Indonesia	853
2	Filippine	323
3	Russia	279
4	Nuova Caledonia	208
5	Canada	181
6	Australia	159
7	Cina	120
8	Brasile	60
9	Rep. Dominicana	57

Isotopi

Dell'elementonichel si conoscono almeno trentunoisotopi,connumeri di massache vanno daA= 48 adA= 78.Tra questi, gli isotopi stabili (o almeno apparentemente stabili) del nichel esistenti in natura sono i cinque seguenti, con le loro abbondanze relative in parentesi:⁵⁸Ni (68,077%),⁶⁰Ni (26,223%),⁶¹Ni (1,1399%),⁶²Ni (3,6345%) e⁶⁴Ni (0,9256%).

Isotopi stabili

Il primo isotopo naturale del nichel e il più abbondante, il⁵⁸Ni, è osservativamente stabile;tuttavia, è teoricamente soggetto a decadimento per dare l'ultimo isotopo stabile delferro,il⁵⁸Fe, attraverso unadoppia cattura elettronica(ε ε) o anche per cattura elettronica edemissione di positrone(ε β⁺), mentre il modo di doppia emissione di positrone (β⁺β⁺) risulta proibito e l'energia di decadimento massima è pari a 1,675 MeV.Tuttavia, l'emivita stimata per questi processi è superiore a 10²¹anni,un periodo di centinaia di miliardi di volte superiore all'età dell'universo,per cui questo decadimento sarebbe del tutto inavvertibile e privo di qualsiasi conseguenza da un punto di vista pratico.

⁶⁰Niè l'ultimo prodotto della catena di decadimento dell'estinto radionuclide⁶⁰Fe (emivita: 2,6 milioni di anni), attraverso l'intermedio⁶⁰Co(due successivi decadimenti β⁻).L'abbondanza del⁶⁰Ni presente in materiale di origine extra-terrestre può aiutare a far luce sull'origine e sulla storia delsistema solare.

⁶¹Ni è l'unico nuclide stabile del nichel ad avere spin nucleare (3/2-) non nullo, il che permette l'uso dellaspettroscopia Mössbauerper i composti di nichel.

⁶²Ni è il nuclide che ha il primato di essere il nuclide più fortemente legato, quello cioè avente la più altaenergia di legamepernucleone,che ammonta a 8,7946 MeV/nucleone,seguito dal⁵⁸Fe e poi dal⁵⁶Fe.

⁶⁴Ni è l'ultimo isotopo stabile del nichel e il meno abbondante. Come campione arricchito viene usato per produrre, tramite bombardamento conprotonidi ~17 MeV, ilradioisotopo⁶⁴Cu secondo lareazione nucleare⁶⁴Ni(p,n)⁶⁴Cu,il quale ha la caratteristica inusuale di decadere sia per emissione di elettrone (β−, 61%), sia per emissione di positrone (β⁺,39%).Di questo isotopo delramesi sfrutta il suo modo di decadimentoβ⁺in applicazioni ditomografia a emissione di positroni(PET).

Isotopi radioattivi

Del nichel sono stati inoltre prodotti artificialmente ed identificati 18 isotopi radioattivi, di cui il più longevo è⁵⁹Ni con un'emivitadi 76 000 anni, seguito da⁶³Ni (100,1 anni) e da⁵⁶Ni (6,077 giorni). Tutti gli altri isotopi hanno un'emivita inferiore alle 60 ore e nella maggior parte di essi inferiore ai 30 secondi.

⁵⁴Ni (spin 0) è un isotopo del nichel povero di neutroni che decade (T_1/2= 104 ms) per emissione di positrone in⁵⁴Co (Q = 7,78 MeV), il quale decade a sua volta (Q = 7,22 MeV), anch'esso per emissione di positrone, per dare⁵⁴Fe, un isotopo del ferro osservativamente stabile.Il raggio quadratico medio della sua carica nucleare è stato stimato in 3,737femtometri.

⁵⁵Ni (spin 7/2-) è un isotopo del nichel, anch'esso povero di neutroni, che decadeβ⁺(T_1/2= 204,7 ms) in⁵⁵Co (Q = 7,67 MeV), il quale decade a sua volta (Q = 7,22 MeV), anch'essoβ⁺,per dare⁵⁵Fe, il quale decade ancoraβ⁺,per dare infine⁵⁵Mn, stabile.

⁵⁶Ni (spin 0) viene prodotto in grandi quantità nellesupernovedi tipo II;questo nuclide, nonostante sia doppiamentemagico(28 protoni e 28 neutroni), è radioattivo a vita breve (T_1/2≈ 6 giorni) e decadeε/β⁺a⁵⁶Co (Q = 1,11 MeV),che poi decade anch'esso con la stessa modalità (T_1/2≈ 77 giorni, Q = 3,54 MeV) a⁵⁶Fe, stabile.Questi processi all'interno delle stelle massive costituiscono il principale punto di arrivo dellanucleosintesiche porta alla formazione della maggior parte dei nuclei diferronell'Universoe nel sistema solare.

⁵⁷Ni (spin 3/2-) decade in modalitàcattura elettronicaed emissione di positrone (ε/β⁺) (T_1/2= 35,6 ore;Q= 3,262 MeV),dando l'isotopo⁵⁷Fe, spin 1/2- (stabile).

⁵⁹Ni (spin 3/2-) è unradionuclidedi origine cosmica che decade nella quasi totalità dei casi per cattura elettronica (ε) a⁵⁹Co, stabile, Q = 1,073 MeV;nell'1,5×10⁻⁵% decadeβ⁺dando lo stesso prodotto.Grazie al suo tempo di dimezzamento sufficientemente lungo (76 000 anni) trova impiego ingeologiaper eseguire datazioni. È stato usato per datare l'età dellemeteoritie per stimare l'abbondanza di pulviscolo cosmico nei ghiacci e nei sedimenti terrestri.

⁶³Ni (spin 1/2-) decadeβ⁻all'isotopo stabile⁶³Cu(T_1/2= 101,2 anni; Q = 0,06698 MeV).Questo isotopo viene trovato nelle strutture di supporto deireattori nucleariin quanto si forma dal⁶²Ni percattura di neutrone.

⁶⁵Ni (spin 5/2-)i decadeβ⁻all'isotopo stabile⁶⁵Cu (T_1/2= 2,52 ore; Q = 2,138 MeV).

⁶⁶Ni (spin 1) decadeβ⁻(T_1/2= 2,280 giorni) in⁶⁶Cu (Q = 251,99 keV), il quale decade a sua volta (Q = 2,64 MeV), anch'essoβ⁻,per dare⁶⁶Zn,stabile.

Applicazioni

Circa il 77% del nichel consumato nel mondo occidentale viene impiegato per fabbricareacciaio inoxaustenitico;un altro 12% viene impiegato insuperleghe.Il restante 11% del fabbisogno è diviso fra altri tipi diacciaio,batterie ricaricabili,catalizzatorie altri prodotti chimici, conio, prodotti perfonderiaeplaccature.

Data la sua ottima resistenza all'ossidazione,il nichel è impiegato:

• nella produzione diacciaio inossidabilee altre leghe resistenti allacorrosione;
• nella produzione diacciaioal nichel, usato per impieghi a bassa temperatura;
• nella produzione dialnico,una lega usata neimagneti;
• nella produzione dimumetal,che ha una permeabilità magnetica particolarmente alta e si usa per schermarecampi magnetici;
• nella produzione dimonel,una lega di nichel estremamente resistente allacorrosioneusata pereliche di navi,attrezzature da cucina e tubature di impianti chimici industriali;
• nella produzione dileghe a memoria di forma,come ilnitinol,usate inroboticae inendodonzia,un ramo dell'odontoiatria;
• nella produzione di batterie ricaricabili come le batterie alnichel-idruro metallicoe alnichel-cadmio;
• nellamonetazione:negliStati Unitie inCanadail nichel è usato nellemoneteda un centesimo; inItaliale monete da 50 e 100lireerano fatte diacmonitalo dicupronichel,due leghe di nichel. È contenuto nelle monete da 1 e 2euro.Molti altri Stati usano o hanno usato nichel nelle loro monete;
• nell'elettrodeposizione;
• nella realizzazione dicrogiuoliperlaboratorichimici;
• nell'idrogenazionedegli oli vegetali: il nichel finemente polverizzato è uncatalizzatore;
• nel rivestimento di ferro,ottonee altri materiali metallici;
• nella produzione di certe leghe, come per esempio l'argento tedesco.

• 
  Monete (Fiorino olandese) in nichel
• 
  Batterie al nichel-cadmio
• 
  Valvola a sferainmonel
• 
  Schema di un cavo inmumetal

Importanza biologica

Molti deglienzimidel tipoidrogenasicontengono nichel in aggiunta agliaggregati ferro-zolfo.I siti nichel in queste idrogenasi hanno il compito di ossidarsi piuttosto che di sviluppare idrogeno: pare che il sito nichel cambi il suo stato di ossidazione durante l'azione dell'enzima e sono state presentate prove a sostegno dell'ipotesi che i centri nichel siano i reali siti attivi di questa classe di enzimi.

IlCo-F430,uncoenzimanichel-tetrapirrolo, è presente nella metil-CoM-riduttasi e neibatterimetanogeni.Iltetrapirroloè un intermedio nella struttura fraporfirinaecorrina.Di recente sono state osservate variazioni sia nello stato di ossidazione sia nel tipo di coordinazione del nichel all'interno di tale enzima.

Esiste anche una carbonio-monossido-deidrogenasi contenente nichel della cui struttura si sa molto poco.

Tossicità

Simboli di rischio chimico
pericolo
frasi H	351-372-317-412
frasi R	R 40-43
consigli P	281-273-308+313-302+352
frasi S	S 2-22-36
Le sostanze chimiche vanno manipolate con cautela
Avvertenze

La principale fonte di esposizione al nichel è l'assunzione per via orale, poiché questo metallo si trova sia nel cibo sia nell'acqua ed è presente come elemento contaminante per cause antropiche. Alcuni esempi: rubinetti di nichel che contaminano le acque e il suolo, sottoprodotti industriali dell'attività di miniere e fonderie, uso di pentole e tegami in leghe di nichel, uso di piatti dipinti con vernici contenenti nichel. Altre forme di esposizione sono quelle per via aerea: aria inquinata dalle raffinerie di nichel, combustione dei carburanti fossili, fumo di tabacco. Altra via di esposizione è il contatto della pelle con gioielli, monete, shampoo e detergenti. Infine una forma meno comune di esposizione cronica è l'emodialisi, poiché tracce di ioni nichel possono essere assorbiti nelplasmaa causa dell'azionechelantedell'albumina.La quantità media a cui la maggior parte delle persone è esposta non rappresenta un pericolo per la salute umana. La maggior parte del nichel assorbito quotidianamente dagli umani è rimosso per via renale ed eliminato attraverso le urine, oppure passa non modificato attraverso il tratto gastrointestinale senza essere assorbito. Il nichel non è causa di intossicazioni da accumulo, tuttavia le dosi massicce o l'esposizione cronica possono rappresentare unrischio professionalea causa della sua tossicità acuta e della suacancerogenicità.

L'esposizione al nichel metallico e ai suoi sali solubili non dovrebbe superare (per la popolazione) il valore ematico di 13 microgrammi/litro, non esiste un (TLV-TWA); fumi e polveri disolfuro di nichelsono considerati cancerogeni; molti altri composti del nichel sono sospetti cancerogeni.

Ilnichel tetracarbonile([Ni(CO)₄]) è ungasestremamente tossico la cuitossicitàè la combinazione della tossicità del metallo con la tendenza del composto a dissociarsi liberandomonossido di carbonio,anch'esso molto tossico.

Alcune persone possono mostrare ipersensibilità al nichel che si manifesta sulle zone dellapelleesposte a esso. L'allergiaal nichel è una delle cause principali delladermatite allergica da contatto.L'Unione europearegola per decreto la quantità di nichel che può essere contenuta in prodotti che sono a contatto con la pelle. Nel 2002, in un articolo della rivistaNaturealcuni ricercatori hanno dimostrato che le monete da1e2 euroin presenza di sudore possono rilasciare nichel eccedendo i limiti fissati dalla norma europea.Questo pare dipendere dalla corrosione prodotta dalle correnti galvaniche che si generano tra le due leghe metalliche diverse che compongono queste monete.

Leghe di nichel

Il nichel è un elemento che presenta le seguenti caratteristiche

• elevata duttilità;
• ottima resistenza alla corrosione in ambienti ricchi di cloruri;
• ottima resistenza meccanica ad alte temperature.

Con l'aggiunta di alcuni elementi di lega è possibile enfatizzare alcune di queste proprietà. Ad esempio l'aggiunta dimolibdenoecromoaumenta la resistenza alla corrosione della lega.

Una comune applicazione delle leghe di nichel è nei materiali strutturali impiegati nella costruzione deiturbogaspoiché in questi impianti coesistono condizioni molto avverse per i materiali quali: alte temperature, ambiente corrosivo e alte sollecitazioni.

Si evidenziano in particolare tre diverse leghe di nichel:

1. Nichel commercialmente puro;
2. Leghe nichel-cromo;
3. Leghe nichel-cromo-ferro.

Il nichel commercialmente puro è identificato solitamente con una numerazioni standard (Es: 200, 201, 270). Queste leghe sono induribili mediante incrudimento, a queste leghe vengono spesso aggiunti particolari alliganti qualialluminioetitanioal fine di migliorare le capacità meccaniche.

Le leghe di nichel-cromo, chiamate anchenimonic,sono costituite generalmente da circa l'80% di nichel e da circa il 20% di cromo, più piccole percentuali di altri alliganti; sono leghe con le seguenti proprietà

• Ottima resistenza alla corrosione dovuta anche alla presenza del cromo che ossidando genera una patina protettiva sulla superficie del pezzo;
• Basso carico di snervamento.

Le leghe nichel-cromo-ferro (inconelohastelloya seconda degli elementi di lega disciolti) sono leghe solitamente composte da circa il 70% di nichel, il 20% di cromo, il 10% diferropiù piccole percentuali di altri alliganti. Il ferro in particolare serve a sostituire il nichel che risulta essere molto più costoso. In particolare lehastelloy(forte presenza di molibdeno) risultano particolarmente efficaci nella resistenza alla corrosione.

Icupronichelsono le leghe diramein cui il nichel è il principale elemento aggiunto. Sono caratterizzate da un'ottima resistenza alla corrosione in ambienti marini (si usano in impianti di dissalazione e condensatori marini); notevole è la resistenza meccanica, in particolare all'erosione. Le monete da 1 e 2 euro sono composte da 2 cupronichel: la lega CuNi25, bianca, formata da rame con un 25% di nichel e la lega CuZn5Ni20, detta anche ottone al nichel, gialla, formata da rame con un 5% di zinco e un 20% di nichel.

Bibliografia

• Francesco Borgese,Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico,Roma, CISU, 1993,ISBN88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto,Tavola periodica e proprietà degli elementi,Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998(archiviato dall'url originaleil 22 ottobre 2010).

Voci correlate

• Leghe di nichel
• Nichel nativo
• Nichelatura
• London Metal Exchange– mercato dei metalli non ferrosi
• Nitrato di nichel
• Solfato di nichel
• Sindrome da allergia sistemica al nichel

Altri progetti

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• Wikizionario
• Wikimedia Commons

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• Wikimedia Commonscontiene immagini o altri file sunichel

Collegamenti esterni

• nichel,suTreccani.it – Enciclopedie on line,Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN)nickel,suEnciclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN,FR)Nichel,suEnciclopedia canadese.
• (EN)Ni,suWebElements.com.
• (EN)Ni,suEnvironmentalChemistry.com.
• Articolo su "Nature" sul nichel emesso dalle monete dell'euro,sunature.com.
• (EN)London Metal Exchange,sulme.co.uk.URL consultato il 27 aprile 2019(archiviato dall'url originaleil 16 dicembre 2008).
• Allergia al Nickel,suverna.blog.tiscali.it.URL consultato il 21 settembre 2008(archiviato dall'url originaleil 7 febbraio 2009).