نیکل چیست و کاربرد آن در صنایع
عنصر نیکل با نماد شیمیایی Ni و عدد اتمی ۲۸ در در گروه VII و دوره چهارم جدول تناوبی قرار گرفته است. از ویژگیهای این عنصر مقاوم می‌توان به ساختار بلورین و مکعبی شکل، رنگ سفید و نقره‌ای براق، چکش خواری، قابلیت انعطاف و هادی جریان الکتریسیته بودن آن اشاره نمود. این عنصر به دلیل اینکه از گروه عناصر آهن و کبالت است از نظر خواص مغناطیسی و فعالیت شیمیایی شباهت زیادی به آنها دارد. نیکل کاربرد های فراوانی در طبیعت دارد و در صنایع مختلف نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
این عنصر بعنوان پنجمین عنصر شایع روی زمین شناخته و به‌طور گسترده‌ای در پوسته و هسته زمین تشکیل میشود. همچنین یکی از اجزای اصلی تشکیل‌دهنده شهاب سنگ‌ها بحساب می‌آید. کانی‌های اصلی نیکل پنتلاندیت، پیروتیت و گارنییریت است و از بزرگترین تولیدکنندگان نیکل در جهان می‌توان روسیه، استرالیا و کانادا را نام برد.
نیکل چیست
اولین بار عنصر نیکل توسط شیمی‌دان سوئدی اکسل کرونستد در سال ۱۷۵۱ شناسایی شد. در قرن ۱۹ به دلیل استفاده از این عنصر در آبکاری و ساخت آلیاژها منجمله «نقره نیکل» (نقره آلمانی) که نیکل را با روی و مس آلیاژ می‌کردند، اهمیت پیدا کرد. این آلیاژ فقط به دلیل رنگ آن نامگذاری شده بود و هیچ نقره ای در داخل آن نداشت. همچنین در سال ۱۸۵۷ برای اولین بار در آمریکا سکه‌ها با آلیاژی از مس و نیکل ساخته شدند. این سکه‌ها از جنس نیکل خالص نبودند و اولین بار در ۱۸۸۱ در سویس سکه‌هایی از جنس نیکل خالص استفاده شد.
فولادهای زنگ‌نزن در قرن ۲۰ام شناخته و ساخته شدند و نقش مفید استفاده از نیکل در بسیاری از گریدهای مختلف این فولادها کاملاً شناخته شده‌است. آلیاژهای پایه-نیکل دارای مقاومت در برابر خوردگی بسیار عالی بوده و می‌توانند در دمای بالا مقاومت کنند، که این خاصیت آنها را برای کارخانه‌های شیمیایی بسیار مناسب می‌سازد و همچنین امکان اجرایی کردن ساخت موتور جت را فراهم می‌نماید.
استخراج نیکل
كاني هاي اصلي در تمام كانسارهاي سولفيدي بزرگ مانند هم هستند، اما مقدار نسبي پيروتيت، پنتلانديت و كالكوپيريت تغيير فراواني مي كند. مقادير نسبي اين سه كاني به ميزان زيادي تعيين كننده روش فرآوري می باشد.نیکل بوسیله عملیات تسویه و فرایندهای کاهش از سنگ معدن آن به دست می آید که نتیجه آن فلز با خلوص بیش از ۷۵% می باشد. خالص سازی نهایی در فرایند Mond با خلوص بیش از ۹۹٫۹۹% بوسیله واکنش نیکل و مونوکسید کربن برای تشکیل کربونیل نیکل انجام میشود. این گاز از درون محفظه بزرگی که دارای ده ها هزار گلوله نیکلی ثابت (که بعنوان پلت یا گندله شناخته می شوند) است در دمای بالا عبور می کند. کربونیل نیکل بر روی گندله ها یا گلوله های نیکلی، بصورت رسوب نیکل خالص، تجزیه می شود. از طرف دیگر، کربونیل نیکل، ممکن است در یک محفظه کوچکتر بدون حضور گندله، برای تشکیل پودرهای ریزدانه، تجزیه شود. مونوکسید کربن بدست آمده در طی این فرایند دوباره به جریان می افتد. نیکل با خلوص بالا، که در این فرایند تولید می شود بعنوان کربونیل نیکل شناخته می شود. دومین شکل متداول تصفیه، شامل لیچینگ مات فلز با رسوب الکتریکی نیکل از محلول، بوسیله صفحه ای که بر روی کاتد قرار داده می شود، می باشد. در بیشتر کاربردهای فولاد ضد زنگ، نیکل می تواند با خلوص ۷۵%، مستقیما بکار گرفته شود.نیکل موجود به صورت ساچمه ای و تخته ای بسته بندی می شود.
خواص عنصر نیکل
عنصر نیکل درجه ذوب بالایی دارد و در مقابل خوردگی و اکسیدشدن بسیار مقاوم است. همچنین بسیار چکش خوار بوده و به راحتی با سایر عناصر آلیاژ میشود. این عنصر در دمای اتاق مغناطیسی بوده و می‌توان به راحتی در آبکاری فلزات از آن استفاده کرد. گفتنی است با خاصیت کاتالیزوری که دارد، می‌توان آن را صددرصد بازیافت نمود. معمولترین حالت اکسیداسیون نیکل، ۲+ است و این در حالی است که نیکل ۳+ و ۱+ نیز به ندرت مشاهده می‌شوند.
ویژگیهای نیکل چیست
- این فلز دارای خواص مکانیکی خوب و مقاومت عالی در برابر محیط های خورنده است.
- این فلز استحکام خود را در دمای بالا حفظ می کند
- در دما های پایین دارای چقرمگی و داکتیلیته مناسبی است.
- سختی نیکل در حدود فولاد بوده و به‌راحتی با گوگرد و آرسنیک ترکیب میشود.
- این فلز دوام زیادی در هوا و آب داشته و اکسید نمی‌شود.
- نیکل برای آلیاژهایی که بوجود می‌آورد، بسیار با ارزش می‌باشد.
- معمولترین حالت اکسیداسیون نیکل ، ۲+ است و این در حالی است که نیکل ۳+ و ۱+ نیز به ندرت مشاهده می‌شوند.
- نیکل خالص تجاری، خلوصی در حدود %۹۹ دارد.
- این آلیاژ حاوی درصدی کربن (بیش از ۰٫۱%) می باشد. هر چه مقدار کربن کمتر باشد، کار سختی کمتر و داکتیلیه بیشتر است.
- نیکل هم به صورت فلز و هم به صورت ترکیب محلول می تواند وجود داشته باشد.
منابع نیکل چیست
اکثر نیکل های بدست آمده از دو نوع معدن بدست آمده اند:خاک های آجری رنگ که مهم ترین معدن سنگ نیکل است و سولفید موجود در ماگمای زمینی. کانی های نیکل بر دو دسته هستند :
۱٫سولفید
کانی سولفید دو سوم مصرف جهان را به خود اختصاص داده است. این کانی ها به کمک شناوری و تصفیه، به اکسید نیکل ته نشین شده و پالایش می‌شوند.
۲٫ اکسید
اکسید نیکل هم به کمک پالایش هیدرو متالوژی نظیر شستشو با آمونیاک پالایش می‌شوند.
خواص نیکل چیست
- نام : نیکل | Nickel
- عدد اتمی: ۲۸
- وزن اتمی یا عدد جرمی: ۵۸٫۷۱ g.mol -1
- شعاع اتمی: ۱۲۴ pm
- شعاع واندروالس: ۱۲۴ pm
- شعاع کوالانسی: ۱۲۴±۴ pm
- شعاع یونی: ۶۹ pm
- چگالی در ۲۰°C: g.cm -38.9
- نقطه ذوب: ۱۴۵۳ °C
- نقطه جوش: ۲۹۱۳ °C
- ایزوتوپ: ۵ ایزوتوپ پایدار و ۹ ایزوتوپ ناپایدار
- الکترونگاتیویته: ۱٫۸
- استحکام کششی در ۲۰°C: 450 MPa
- مدول برشی: ۷۶ GPa
- مدول یانگ: ۲۰۰ GPa
- درصد ازدیاد طول: ۴۷
- سختی موس: ۴
- سختی برینل: ۷۰۰ MPa
کاربرد نیکل در صنایع
- به منظور ضرب سکه
- ساخت ابزار آلات شیمیایی در آلیاژهای خاص
- قطعات ماشین آلات
- کاربرد پوشش نیکل کروم برای صنایع غذایی
- تعمیر قطعات و شکل دادن الکتریکی به دلیل سختی و استحکام نیکل
- بشکه های کشتیرانی شیمیایی و پروانه کشتی
- اجزاء موشکی و فضایی
- لوله کشی صنایع شیمیایی
- ساخت فولاد ضد زنگ (حدود ۶۵% نیکل مصرفی جهان) و فولاد آلیاژی
- کاربرد بعنوان سوپر آلیاژ (%۱۲ نیکل مصرفی)
- باتری های قابل شارژ
- کاتالیزور برای برای هیدروژن دار کردن روغنهای گیاهی
- محصولات ریخته گری و ورق سازی
- ورق های زرهی و درب ضد سرقت و گاوصندوق های ضد سرقت
- ساخت آلیاژهای ویژه مانند آلنیکو مورد استفاده در آهن ربا
- بوته های مورد استفاده در آزمایشگاه های شیمیایی
- سیم های هوشمند یا آلیاژهای حافظه دار مورد استفاده در ربات ها
- وسایل آشپزخانه
- صنایع آبکاری کروم
- صنایع خودروسازی، تانکر ها و قطارها در زمینه ساخت و ساز و ماشین آلات.
- صنایع تولید استیل به منظور تولید ظرفشویی ها ، لباس شویی ها و ظروف آشپزخانه
- صنایع ساخت و ساز و صنایع الکترونیک
- استفاده از آلیاژ نیکل – آهن در چارچوبه های سربی.
- استفاده از آلیاژ مس – نیکل – قلع در فنرها ، گیره کاغذ و پایانه ها
- انرژی الکتریکی و هسته
- حفاری
آلیاژهای نیکل چیست
۱-آلیاژ مس-نیکل (مونل)
نیکل و مس در تمامی نسبت ها در یکدیگر قابل انحلال هستند. مهمترین آلیاژهای مس-نیکل حاوی حدود ۶۷% نیکل و ۳۳% مس می باشد که مونل نامیده می شود. این آلیاژها دارای مقاومت بالایی در برابر حمله حلال های کلردار از جمله کاربردهای عالی در آب دریا هستندبیشتر اسیدها و همه قلیاها دارند.
۲-آلیاژهای کرم-نیکل
کرم یکی از مهمترین عناصر آلیاژی برای مقاومت به خوردگی زیاد و دماهای بالا با آلیاژهای پایه نیکل است. این عنصر دارای انحلال پذیری حالت جامد بالا در حدود ۳۰% در دمای اتاق، در نیکل می باشد. اینکونل ۶۰۰ آلیاژ مهندسی استاندارد برای استفاده در محیط های شدیدا خورنده در دماهای بالا می باشد که یک آلیاژ Ni-Cr-Fe حاوی ۱۵٫۵% کرم و ۸% آهن است. این آلیاژ قابل عملیات حرارتی نمی باشد ولی می تواند بوسیله کارسرد استحکام یابد.
۳-سوپر آلیاژ پایه نیکل
نیکل می تواند به عنوان پایه ای برای سوپر آلیاژها با مشخصات دما و استحکام بالا باشد. سوپر آلیاژها، در موتور جت و توربین های گازی به کار می روند. ساختار سوپر آلیاژها از آهن، کبالت یا نیکل به عنوان ماده اصلی و سایر فلزات مانند کرم، تنگستن، آلومینیوم و تیتانیوم می باشد. سوپر آلیاژها در برابر خوردگی (زنگ زدگی) و دمای بالا مقاوم هستند.
خوردگی نیکل
بر اثر تشکیل اکسید نیکل با گذشت زمان، سرعت خوردگی کمتر می شود .درصورتیکه نیکل به‌طور آزاد در محلول خورنده قرار گیرد به صورت سطحی کدر میشود. اما پوشش های نیکل بر روی آهن با وجود کدر کردن سطح، آن را محافظت می‌کنند. این پوشش ها در مقابل اسیدها نیز بسیار مقاوم‌اند.زمانیکه پوشش نیکلی به عنوان تزیین به کار می‌رود روی آن را با کروم براق می‌کنند تا کدری نیکل دیده نشود. در چنین شرایطی در محل هایی که کروم متخلخل است نیکل زیرین دچار حملۀ موضعی و خوردگی حفره‌ای میشود و به سرعت خورده میشود. درجۀ خوردگی پوشش های نیکل به موادی که در پوشش داخل میشود بستگی دارد. پوشش های الکترولیزی محتوی سولفورو پوشش های براق مواد آلی، سریعتر از پوشش های خالص‌تر ، نیمه براق و تیره خورده می‌شوند .به همین دلیل پوششهای دوگانه، با لایۀ نیمه براق زیرین و لایۀ براق رویی را به کار می برند تا زمانیکه خوردگی رخ می دهد لایۀ بالایی خورده شود و از لایۀ پایینی محافظت شود.نیکل در دماهای بالا در برابر اکسید شدن مقاومت زیادی دارد و مقاومت آن در برابر خوردگی در آب دریا و یا آب‌های خوراکی نیز خوب است زیرا لایۀ نازک و چسبندۀ اکسید نیکل آن را محافظت می‌کند.این خاصیت نیکل در محلهایی که اکسیژن کم باشد از بین می رود و نیکل در شکافها و یا شرایط مستقر در خاک دچار خوردگی حفره‌ای میشود .
توجه :
نیکل را نباید بیش از ۰٫۰۵ mg/cm3 در مجاورت ترکیبات حلال قرار داد. بخار سولفید نیکل، احتمالا سرطان زا است که هنگام استفاده از آن باید دقت لازم را به عمل آورد. نیکل کربنیک یک گاز بسیار سمی است. تماس نیکل با پوست افراد حساس ممکن است ایجاد آلرژی کند. مقداری مجاز نیکل مصرفی در محصولاتی که با دست انسان تماس دارد، مطابق اتحادیه اروپایی می‌باشد. بر اساس یک گزارش منتشر شده در مجله Nature در سال ۲۰۰۲، محققین دریافته‌اند که مقدار نیکل موجود در سکه‌های یک و دو Euro بیشتر از حد استاندارد است. به نظر می‌رسد که این عمل بدلیل واکنشهای گالوانیک رخ می‌دهد.