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Nickel



Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Nickel, Ni, 28
Serie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 10, 4, d
Aussehen glänzend, metallisch, silbrig
Massenanteil an der Erdhülle 0,01 %
Atomar
Atommasse 58,6934 u
Atomradius (berechnet) 135 (149) pm
Kovalenter Radius 121 pm
Van-der-Waals-Radius 163 pm
Elektronenkonfiguration [Ar]4s23d8
Elektronen pro Energieniveau 2, 8, 16, 2
Austrittsarbeit 5,01–5,2 eV
1. Ionisierungsenergie 737,1 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie 1753 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie 3395 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie 5300 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand fest
Modifikationen
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 8,908 g/cm3
Mohshärte 3,8
Magnetismus ferromagnetisch
Schmelzpunkt 1728 K (1455 °C)
Siedepunkt 3186 K (2913 °C)
Molares Volumen 6,59 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme 370,4 kJ/mol
Schmelzwärme 17,47 kJ/mol
Dampfdruck

237 Pa bei 1726 K

Schallgeschwindigkeit 4970 m/s bei 293,15 K
Spezifische Wärmekapazität 440 J/(kg · K)
Elektrische Leitfähigkeit 14,3 · 106 S/m
Wärmeleitfähigkeit 90,7 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände 2, seltener −1, 0, 1, 3, 4
Oxide (Basizität) NiO, Ni2O3 (leicht basisch)
Normalpotential −0,257 V (Ni2+ + 2e → Ni)
Elektronegativität 1,91 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP
56Ni

{syn.}

6,077 d ε 2,136 56Co
57Ni

{syn.}

35,60 h ε 3,264 57Co
58Ni

68,077 %

Stabil
59Ni

{syn.}

76000 a ε 1,072 59Co
60Ni

26,233 %

Stabil
61Ni

1,14 %

Stabil
62Ni

3,634 %

Stabil
63Ni

{syn.}

100,1 a β 2,137 63Cu
64Ni

0,926 %

Stabil
65Ni

{syn.}

2,5172 h β 2,137 65Cu
66Ni

{syn.}

54,6 h β 0,225 66Cu
NMR-Eigenschaften
  Spin γ in
rad·T−1·s−1
E fL bei
B = 4,7 T
in MHz
61Ni −3/2 2,39 · 107 0,00357 17,9
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
aus RL 67/548/EWG, Anh. I
R- und S-Sätze R: 40-43
S: (2-)22-36
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.


Nickel ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ni und der Ordnungszahl 28. Der Name Nickel leitet sich von einem Erdgeist ab. Diese Sage kommt daher, dass Nickelerze im Mittelalter (ähnlich Cobalterze) nicht nutzbar waren. Vor allem das Erz Nickelin (Rotnickelkies, NiAs) hat eine ähnliche Farbe wie Kupfer, sondert aber beim Rösten einen üblen Geruch nach Arsen ab.

Inhaltsverzeichnis

Geschichte

Nickel wurde bereits 3400 v. Chr. benutzt, aber wohl nicht absichtlich und gezielt. Bronze aus dem Gebiet des heutigen Syriens enthielt bis zu 2 % Nickel, das wohl schon im Kupfer- oder Zinnerz enthalten war. Chinesische Schriften bezeugen, dass in Asien „weißes Kupfer“ (Neusilber) zwischen 1700 und 1400 v. Chr. verwendet wurde. Nickel wurde erstmals 1751 von Axel Frederic Cronstedt rein dargestellt. Er nannte das Metall 1754 Nickel, abgeleitet von schwedisch kopparnickel (Kupfernickel), dem aus dem Erzgebirge stammenden Wort für Rotnickelkies. So nannten Bergleute das Erz, das aussah wie Kupfererz, aus dem sich aber kein Kupfer gewinnen ließ, als sei es von Berggeistern („Nickeln“) behext. Eine ähnliche Etymologie findet sich bei Cobalt.

Die erste Münze aus reinem Nickel wurde 1881 geprägt.

Vorkommen

  Nickel kommt gediegen nur in Eisenmeteoriten und im Erdkern vor. Es ist relativ weit, meist aber in geringen Konzentrationen verbreitet. Sein Massenanteil an der Erdhülle beträgt ca. 0,01 %. Wichtige Nickelerze sind: Garnierit (Mg,Ni)3(OH))4[Si2O5], Gelbnickelkies NiS und Rotnickelkies NiAs. Der größte Teil der Nickelproduktion wird aus nickelhaltigen Erzen, v. a. Nickelmagnetkies, der Chalkopyrit CuFeS2, Pentlandit (Ni,Fe)9S8 und Spuren von Edelmetallen enthält. Um das Nickel wirtschaftlich abbauen zu können, muss der Nickelgehalt des Erzes mindestens 0,5 % betragen. Die wichtigsten Vorkommen sind in Kanada (Sudbury-Becken), Neukaledonien, Russland (Norilsk und Halbinsel Kola), Australien und Kuba. Ein häufiger Begleiter des Nickels ist Cobalt.

Fördermengen von Nickel[1]
Land Tausend Tonnen % der Weltproduktion
Russland 300,7 23,4
Australien 218,0 17,0
Kanada 162,8 12,7
Neukaledonien 111,9 8,7
Indonesien 103,5 8
5 Länder total 896,9 69,8
Welt 1 284,2 100,0

Gewinnung und Darstellung

Darstellung des Kupfer-Nickel-Feinsteins

Der überwiegende Teil des Nickels wird aus nickel- und kupferhaltigen Eisenerzen wie Nickelmagnetkies gewonnen. Um die Gewinnung wirtschaftlich zu machen, muss das Nickel erstmal durch Flotation auf ca. 5 % Nickelgehalt angereichert werden. Danach wird das Erz ähnlich wie bei der Kupferherstellung geröstet. Dabei wird das Erz zunächst vorgeröstet, um einen Teil des Eisensulfids in Eisenoxid umzuwandeln. Anschließend werden Silikate und Koks dazugegeben, um das Eisenoxid als Eisensilikat zu verschlacken. Gleichzeitig bildet sich der Kupfer-Nickel-Rohstein aus Nickel-, Kupfer und Eisensulfid. Da dieser spezifisch schwerer als die Eisensilicat-Schlacke ist, können die beiden Phasen getrennt abgestochen werden.

Anschließend wird der Rohstein in einen Konverter gefüllt und Siliciumdioxid dazugegeben. Es wird Sauerstoff eingeblasen. Dadurch wird das restliche Eisensulfid zu Eisenoxid geröstet und danach verschlackt. Es entsteht der Kupfer-Nickel-Feinstein, der zu ca. 80 % aus Kupfer und Nickel, zu ca. 20 % aus Schwefel besteht.

Gewinnung von Rohnickel

Zur Gewinnung des Rohnickels muss das Nickel vom Kupfer abgetrennt werden. Dazu verschmilzt man den Feinstein mit Natriumsulfid Na2S. Dabei bildet sich nur zwischen Kupfer- und Natriumsulfid ein leicht schmelzendes Doppelsulfid. Es bilden sich zwei einfach zu trennende Phasen aus Kupfer-Natrium-Doppelsulfid (flüssig) und Nickelsulfid. Nach der Abtrennung wird das Nickelsulfid zu Nickeloxid geröstet und danach mit Koks zu Nickel reduziert.

Gewinnung von Rein- und Reinstnickel

Um Reinnickel zu gewinnen, wird das Rohnickel elektrolytisch raffiniert. Dazu wird in einer Elektrolysezelle das Rohnickel als Anode, ein Nickelfeinblech als Kathode geschaltet. Als Elektrolyt dient eine Nickelsalzlösung. Während der Elektrolyse gehen an der Anode Nickel und alle unedleren Bestandteile in Lösung. Alle edleren Bestandteile bleiben fest und fallen als Anodenschlamm unter die Elektrode. Dieser dient als wichtige Quelle für die Herstellung von Edelmetallen, wie Gold oder Platin. An der Kathode werden Nickelionen aus der Lösung zu Nickel reduziert, alle unedleren Bestandteile bleiben in Lösung. Die Reinheit von Elektrolytnickel beträgt ca. 99,9 %.

Für die Gewinnung von Reinstnickel mit einer Reinheit von 99,99 % gibt es als Spezialverfahren das Mond-Verfahren, benannt nach Ludwig Mond, der 1890 Nickeltetracarbonyl entdeckte. Dieses Verfahren beruht auf der Bildung und Zersetzung des Nickeltetracarbonyls. Dazu wird feinverteiltes Rohnickelpulver bei 80 °C in einen Kohlenmonoxidstrom gebracht. Dabei bildet sich gasförmiges Nickeltetracarbonyl. Dieses wird von Flugstaub befreit und in eine 180 °C heiße Zersetzungskammer geleitet. Darin befinden sich kleine Nickelkugeln. An diesen zersetzt sich das Nickeltetracarbonyl wieder zu Nickel und Kohlenmonoxid. Es entsteht dadurch sehr reines Nickel.

\mathrm{Ni_{(s)} + 4 \ CO_{(g)} \ \rightleftharpoons \ Ni(CO)_{4(g)}}

Eigenschaften

physikalische Eigenschaften

Nickel ist ein silbrig-weißes Metall. Es ist hart, schmiedbar, duktil und lässt sich ausgezeichnet polieren. Nickel ist wie Eisen und Cobalt ferromagnetisch. Seine Curie-Temperatur beträgt 354 °C. Es gibt zwei Nickel-Modifikationen. α-Nickel liegt in einer hexagonal-dichtesten, β-Nickel in einer kubisch-dichtesten Kugelpackung vor, wobei β-Nickel die stabilere Modifikation ist. Die Dichte des Nickels beträgt 8,9 g/cm³, seine Härte 3,8 nach Mohs.

chemische Eigenschaften

Nickel ist bei Raumtemperatur gegen Luft und Wasser sehr beständig. Verdünnte Säuren greifen Nickel nur sehr langsam an. Gegenüber konzentrierten, oxidierenden Säuren (Salpetersäure) tritt analog zum Eisen Passivierung ein. Löslich ist Nickel in verdünnter Salpetersäure. Der häufigste Oxidationszustand ist +2, seltener werden +1 und +3 beobachtet. Im Nickeltetracarbonyl hat Nickel die Oxidationszahl 0. Nickel(II)-Salze lösen sich in Wasser unter Bildung von Aquakomplexen mit grünlicher Farbe.

Fein verteiltes Nickel reagiert mit Kohlenmonoxid bei 50 bis 80 °C zu Nickeltetracarbonyl, Ni(CO)4, einer farblosen, sehr giftigen Flüssigkeit. Diese dient als Zwischenprodukt zur Herstellung von reinstem Nickel nach dem Mond-Verfahren. Bei 180–200 °C zerfällt Nickeltetracarboyl wieder in Nickel und Kohlenmonoxid.

Biologische Funktion

Nickel ist ein Spurenelement, das im menschlichen Organismus in sehr geringen Mengen (Tagesbedarf 25–30 µg) benötigt wird. Tatsächlich nehmen wir aber etwa 90–100 µg pro Tag auf – der Bedarf ist daher auf jeden Fall durch normale Mischkost gedeckt. Möglicherweise beeinflusst Nickel auch die Eisenaufnahme und -verwertung. Viele, wenn nicht alle Hydrogenasen enthalten zusätzlich zu Eisen-Schwefel-Clustern auch Nickel. Nickelzentren sind ein charakteristisches Element in Hydrogenasen, deren Funktion es ist, zu oxidieren anstatt Wasserstoff zu erzeugen. Das Nickelzentrum scheint seinen Oxidationszustand zu ändern, und es gibt Hinweise darauf, dass das Nickelzentrum der aktive Teil dieser Enzyme sein könnte.

In der Elektrophysiologie werden Nickel-Ionen dazu verwendet, spannungsaktivierte Calciumkanäle zu blockieren.

Gesundheitliche Probleme

Nickel-Allergie - Kontaktallergie

Da viele Menschen eine Nickelallergie haben – Nickel ist der häufigste Auslöser für Kontaktallergien – werden Metalle und Legierungen, die mit der Haut in Kontakt kommen können, in den letzten Jahren seltener vernickelt. Das Einatmen des Staubs und auch die Berührung vernickelter Gegenstände kann zu Allergien und entzündlichen Reaktionen führen. Bei Hautkontakt kann die Nickelkrätze auftreten, eine entzündliche Veränderung der Haut.

Nahrungsassoziierte Nickel-Intoleranz

Oft unterschätzt (weil unbekannt!) wird die Rolle von Nickel, das mit der täglichen Nahrung in den Körper gelangt. Es gibt praktisch keine nickelfreien Nahrungsmittel. Einige wenige Menschen reagieren bei Verzehr von Speisen, die Nickel enthalten, mit einer allergischen Reaktion. Es können sich ganze Bündel von Beschwerden bei ein und demselben Patienten entwickeln. Folgende Symptome zeigen sich:

  • Aufflackern oder Verstärkung der Ekzemerkrankung der Haut
  • Fieberempfindung (ohne messbare Temperaturerhöhung)
  • Magen-Darm Beschwerden
  • Zahnfleischentzündungen
  • Zungenbrennen
  • Metallgeschmack
  • Herzrasen
  • Migräne
  • Juckreiz an der Kopfhaut
  • Gehörgangsekzeme
  • Ohrenlaufen
  • Haarausfall
  • anfallsweise auftretende Müdigkeit
  • depressive Verstimmungen

Ein zu hoher Anteil an Nickel im Körper, kann den Allgemeinzustand so stark beeinflussen, dass depressive Zustände auftreten bzw. verstärkt werden und dies könnte wiederum zu einer Fehldiagnose führen. Bei depressiven Verstimmungen ev. auch auf Nickel-Intoleranz (Nickel-Allergie) testen.

Diagnose

Dem Verdacht auf eine nahrungsmittelassoziierte Nickel-Intoleranz (Nickel-Allergie) wird durch Provokation mit Nickelsulfat nachgegangen. Dies wird z.B. in einer Fachklinik bei stationärem Aufenthalt unter allergenarmer Kost durchgeführt, um auch andere Allergien(...) sowie Nahrungsmittel-Intoleranzen wie Laktose-, Fructose- und Histamin-Intoleranz und Zöliakie auszuschließen.

Therapie

Hilfe bringt allein eine nickelarme Kost, die mit Hilfe einer Diätberatung oder eigener Initiative durchgeführt wird.

Hier eine Liste nickelreicher Nahrungsmittel:

  • alle Vollkorn- und Vollreis-Produkte (Vollkorn-Brot und auch Vollreis-Waffeln. Das Nickel lagert sich vor allem in der Spelze an)
  • Soja
  • Bohnen
  • Erbsen
  • Linsen
  • Mais
  • Wirsing
  • Schweineleber
  • Rinderleber
  • Kakao (Schokolade)
  • Schwarzer Tee
  • Grüner Tee
  • Kaffee
  • einige Fischarten
  • einige Milchprodukte
  • viele Nüsse
  • blattreiche Gemüsesorten

Siehe hierzu auch: Was Bakterienzellwände mit Nickelallergien zu tun haben in wissenschaft.de (04.05.2007)


Nickel bzw. seine Verbindungen wirken bereits ab 50 mg toxisch und können zu chronischen Schäden führen. Akute Vergiftungen von höheren Dosen äußern sich durch Übelkeit und Kopfschmerzen.

Des Weiteren wirken Nickelmetall bei inhalativer Aufnahme und seine Verbindungen vermutlich karzinogen.

Wirtschaftliche Bedeutung

Nickel wird als Metall in geringen Mengen benötigt, der größte Teil der Produktion geht in die Produktion von Nickellegierungen. Die Reserven an nach heutigen Gesichtspunkten abbauwürdigen Nickelvorkommen liegen zwischen 70 und 170 Millionen Tonnen. Gegenwärtig werden weltweit jährlich weit mehr als 1 Mill. Tonnen (2006: 1,340 Mill. Tonnen[2]) gefördert.

Verwendung als Metall

Reines Nickelmetall wird in feinverteilter Form als Katalysator bei der Hydrierung ungesättigter Fettsäuren verwendet. Auf Grund seiner chemischen Beständigkeit wird Nickel für Apparate im chemischen Labor und der chemischen Industrie verwendet (z. B. Nickeltiegel für Aufschlüsse). Aus Nickelmetall werden Nickellegierungen mit genau bekanntem Verhältnis (z. B. für Münzen) hergestellt. Nickel dient als Überzugsmetall zum Korrosionsschutz (sog. Vernickeln) von Metallgegenständen.

Verwendung als Legierung

Nickel ist ein bedeutendes Legierungsmetall, das hauptsächlich zur Stahlveredelung verwendet wird. Der größte Teil des Nickels geht dorthin. Es macht Stahl korrosionsbeständig und erhöht seine Härte, Zähigkeit und Duktilität. Mit Nickel hochlegierte Stähle werden bei besonders korrosiven Umgebungen eingesetzt. Der Edelstahl V2A enthält 8 % Nickel neben 18 % Chrom, V4A (Markennamen Cromargan oder Nirosta) 11 % neben 18 % Chrom und 2 % Molybdän.

Weitere bekannte Nickellegierungen sind:

  • Neusilber, eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung mit 10–26 % Nickelanteil, die besonders korrosionsbeständig ist und hauptsächlich für Bestecke und elektrotechnische Geräte verwendet wird.
  • Konstantan, eine Legierung aus 55 % Kupfer und 45 % Nickel, die über einen großen Temperaturbereich einen annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand besitzt. Sie wird vor allem für genaue Widerstände verwendet.
  • Monel, ebenfalls eine Kupfer-Nickel-Legierung mit ca. 65 % Nickel, 33 % Kupfer und 2 % Eisen, die sich durch besondere chemische Beständigkeit, u. a. gegen Fluor auszeichnet. Sie wird deshalb für Fluor-Druckgasflaschen verwendet.
  • Raney-Nickel, eine Nickel-Aluminium-Legierung, die ein wichtiger Katalysator für die Hydrierung organischer Verbindungen ist.
  • Nickel-Basis Superlegierungen sind Legierungen speziell für den Einsatz bei hohen Temperaturen und unter korrosiven Medien. Sie finden zum Beispiel in Flugzeugturbinen und Gasturbinen von Kraftwerken Anwendung.

Genaueres über Herstellung und Verwendung der Legierungen findet man unter Nickellegierung.

Nachweis

  Die Nachweisreaktion für die in Wasser meist mit grüner Farbe löslichen Nickel(II)-salze wird in der quantitativen Analytik gravimetrisch sowie qualitativ im Kationentrenngang mit Dimethylglyoxim-Lösung (Tschugajews Reagens) durchgeführt. Nickelsalze werden zuvor ggf. durch Ammoniumsulfid als grauschwarzes Nickel(II)-sulfid ausgefällt und in Salpetersäure gelöst. Der spezifische Nachweis ist dann durch Reaktion mit Dimethylglyoxim in ammoniakalischer Lösung möglich. Dabei fällt das himbeerrote Bis(dimethylglyoximato)nickel(II) als Komplex aus:

\mathrm{Ni^{2+} + \ 2 \ C_4H_8N_2O_2 \rightarrow Ni(C_4H_7N_2O_2)_2 \downarrow + \ 2 \ H^+}.

Da Nickel aus ammoniakalischer Lösung mit Dimethylglyoxim quantitativ ausfällt, ist dieser Nachweis auch für die quantitative Nickelanalyse verwendbar. Ähnlich anderen Schwermetallen wird Nickel heute meist durch Atomspektroskopie oder Massenspektrometrie nachgewiesen.

Verbindungen

Nickel kommt in Verbindungen hauptsächlich in der Oxidationsstufe +II vor. Die Stufen 0, +I, +III und +IV sind selten und meist instabil. Nickel bildet eine Vielzahl meist farbiger Komplexe.

anorganische Nickelverbindungen

  • Nickel(II)-chlorid NiCl2 ist ein gelber, stark hygroskopischer Feststoff, der als Farbstoff für Keramik und zur Herstellung von Nickelkatalysatoren dient. Neben der wasserfreien Form gibt es noch wasserhaltige Nickel(II)-chloride, z. B. das grüne Nickel(II)-chlorid-Hexahydrat, das aus wässrigen Nickelchloridlösungen auskristallisiert.
  • Nickel(II)-hydroxid Ni(OH)2 und Nickel(III)-oxidhydroxid NiO(OH) werden zur Stromerzeugung in Nickel-Cadmium- und anderen Nickelakkumulatoren verwendet.
  • Nickel(II)-oxid NiO und Nickel(III)-oxid Ni2O3 sind grüne bzw. schwarze Feststoffe und werden zur Herstellung von Keramik, Gläsern und Elektroden verwendet. Außerdem werden sie als Katalysatoren für die Hydrierung organischer Verbindungen genutzt.
  • Nickel(II)-nitrat Ni(NO3)2
  • Nickel(II)-sulfat NiSO4 und Nickelammoniumsulfat ((NH4)2Ni(SO4)2·6H2O) werden bei der Galvanisierung (Vernickelung) verwendet.
  • Nickel(II)-carbonat NiCO3 wird als Pigment für keramische Erzeugnisse und zum Herstellen von Nickeloxid benutzt.
  • Nickel(II)-sulfid NiS fällt aus ammoniakalischen, nicht jedoch aus sauren, nickelhaltigen Lösungen mit Ammoniumsulfid aus. Dadurch kann Nickel mit der Ammoniumsulfid-Gruppe im Kationentrennungsgang abgetrennt werden.
  • Nickel(II)-cyanid Ni(CN)2 wird in der Metallurgie und Galvanoplastik verwendet.
  • Nickel(II)-borat Ni(BO2)2 wird als Katalysator verwendet.

organische Nickelverbindungen

Nickeltetracarbonyl Ni(CO)4 ist eine farblose, sehr giftige Flüssigkeit. Sie ist ein wichtiges Zwischenprodukt im Mond-Verfahren. Nickeltetracarbonyl war die erste entdeckte Metallcarbonyl-Verbindung.

Nickelkomplexe

Nickel und dabei v. a. Nickel(II)-Ionen bildet viele, meist farbige Komplexe. Die Koordinationszahlen 6, 5 oder 4 sind am häufigsten. Bei schwachen, einzähnigen Liganden, beispielsweise Wasser, liegen sie meist als oktaedrische und paramagnetische high-spin Komplexe mit Koordinationszahl 6 vor. Starke Liganden wie Cyanid bilden quadratisch-planare, diamagnetische low-spin-Komplexe. Ebenfalls einen quadratisch-planaren Komplex bildet Dimethylglyoxim, da der Komplex zusätzlich durch Wasserstoffbrücken stabilisiert ist. Letzterer Bis(dimethylglyoximato)nickel(II)-Komplex ist für den naßchemischen Nickelnachweis von Bedeutung. Anionische Nickelkomplexe enden auf "-niccolat".

Quellen

  1. L'état du monde 2005, annuaire économique géopolique mondial
  2. Handelsblatt

Literatur

  • Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie, Verlag de Gruyter, Berlin, 101. Auflage (1995) ISBN 3-11-012641-9
 
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