Níquel: história, propriedades, estrutura, usos, riscos - Ciência - 2023

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o níquel É um metal de transição branco cujo símbolo químico é Ni. Sua dureza é superior à do ferro, além de ser um bom condutor de calor e eletricidade e, em geral, é considerado um metal pouco reativo e altamente resistente à corrosão. Em seu estado puro, é prateado 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. No início, Cronsted pensou que o mineral fosse cobre, mas o elemento isolado revelou ser de cor branca, distinta do cobre.

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

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

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

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

O níquel começou a ser usado na fabricação de moedas em meados do século XIX. No entanto, seu uso agora foi substituído pelo de metais menos caros; embora continue a ser usado em alguns países.

O níquel é um elemento essencial para as plantas, pois ativa a enzima urease, envolvida na degradação da ureia em amônia, que pode ser utilizada 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 o homem, havendo evidências de ser um agente cancerígeno. Além disso, o níquel causa dermatite de contato e o desenvolvimento de alergias.

História

Antiguidade

O homem sabia desde a antiguidade a existência do níquel. Por exemplo, um percentual de níquel de 2% foi encontrado em objetos de bronze (3500 aC), presentes em terras atualmente pertencentes à Síria.

Da mesma forma, os manuscritos chineses sugerem que "cobre branco", conhecido como baitong, foi usado entre 1700 e 1400 AC. O mineral foi exportado para a Grã-Bretanha no século 17; mas o teor de níquel desta liga (Cu-Ni) não foi descoberto até 1822.

Na Alemanha medieval foi encontrado um mineral avermelhado, semelhante ao cobre, e que apresentava manchas verdes. Os mineiros tentaram isolar o cobre do minério, mas falharam na tentativa. Além disso, o contato com o mineral gerou problemas de saúde.

Por essas razões, os mineiros atribuíram o mineral a uma condição maligna e deram-lhe diferentes nomes que ilustram essa condição; como "Old Nick", também kupfernickel (cobre do diabo). Agora sabe-se que o mineral em questão era a nicolita: arseneto de níquel, NiAs.

Descoberta e produção

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

A partir de 1824, o níquel foi obtido como subproduto da produção do azul de cobalto. Em 1848, uma fundição foi estabelecida na Noruega para processar o níquel presente na pirrotita mineral.

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

Propriedades

Aparência

Branco prateado, brilhante e com uma ligeira tonalidade dourada.

Peso atômico

58,9344 u

Número atômico (Z)

Ponto de fusão

1.455 ºC

Ponto de ebulição

2.730 ºC

Densidade

- À temperatura ambiente: 8,908 g / mL

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

Calor de fusão

17,48 kJ / mol

Calor da vaporização

379 kJ / mol

Capacidade calórica molar

26,07 J / mol

Eletro-negatividade

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

Rádio atômico

Empírico 124 pm

Raio covalente

124,4 ± 16h

Condutividade térmica

90,9 W / (m K)

Resistividade elétrica

69,3 nΩ m a 20 ºC

Dureza

4,0 na escala de Mohs.

Caracteristicas

O níquel é um metal dúctil, maleável e de dureza superior ao ferro, sendo um bom condutor elétrico e térmico. É um metal ferromagnético em temperaturas normais, sendo sua temperatura de Curie de 358 ºC. Em temperaturas mais altas do que isso, o níquel não é mais ferromagnético.

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

Isótopos

Existem 31 isótopos de níquel, limitados pelo ⁴⁸Nem e ⁷⁸Nem.

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

O peso atômico de cerca de 59 u para o níquel mostra que não há uma predominância marcada em nenhum dos isótopos (embora o ⁵⁸Nem é o mais abundante).

Estrutura e configuração eletrônica

O níquel metálico cristaliza em uma estrutura cúbica de face centrada (fcc). Esta fase FCC é extremamente estável e permanece inalterada até pressões próximas a 70 GPa; Existem poucas informações bibliográficas sobre as fases ou polimorfos do níquel sob alta pressão.

A morfologia dos cristais de níquel é variável, pois podem ser dispostos de forma a definirem um nanotubo. Como uma nanopartícula ou sólido macroscópico, a ligação metálica permanece a mesma (em teoria); ou seja, são os mesmos elétrons de valência que mantêm os átomos de Ni juntos.

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

[Ar] 3d⁸ 4s²

[Ar] 3d⁹ 4s¹

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; um fato que explica sua condutividade elétrica relativamente alta.

A estrutura FCC do níquel é tão estável que até mesmo é adotada pelo aço quando adicionada a ele. Assim, o ferro inoxidável com alto teor de níquel também é fcc.

Números de oxidação

O níquel, embora possa não parecer, também tem 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 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 Ni²⁺, que perdeu elétrons do orbital 4s e tem oito elétrons no orbital 3d (3d⁸).

Além disso, existem dois outros números de oxidação positivos: +3 (Ni³⁺) e +4 (Ni⁴⁺) Na escola ou no ensino médio, o níquel só é ensinado a existir como Ni (II) ou Ni (III), porque eles são os números de oxidação mais comuns encontrados em compostos muito estáveis.

E quando é o níquel metálico que faz parte de um composto, ou seja, com seu átomo neutro Ni, então se diz que ele participa ou se liga com um número de oxidação 0 (Ni⁰).

Onde o níquel é encontrado?

Minerais e mar

O níquel constitui 0,007% da crosta terrestre, então sua abundância é baixa. Mas, ainda é o segundo metal mais abundante 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 do sulfeto de ferro e níquel [(Ni, Fe)₉S₈], uma das principais fontes de níquel:

O mineral pentlandita está presente em Sudbury, Ontário, Canadá; uma das principais jazidas desse metal no mundo.

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

Lateritas

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

Estima-se que 60% do níquel seja extraído de lateritas e os 40% restantes de depósitos sulfurosos magmáticos.

Meteoritos e óleo

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

O níquel se liga a compostos orgânicos, por isso é encontrado em alta concentração no carvão e no petróleo.

A China é o maior produtor mundial de níquel, seguida pela Rússia, Japão, Austrália e Canadá.

Formulários

-Níquel elementar

Ligas

É utilizado em liga com ferro principalmente para a produção de aço inoxidável, já que 68% da produção de níquel é utilizada para esse fim.

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

O níquel é utilizado em ligas resistivas, magnéticas e para outras finalidades, como níquel prata; e uma liga que consiste em níquel e cobre, mas não contém prata. Tubos de Ni-Cu são usados em usinas de dessalinização, blindagem e na fabricação de moedas.

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

A liga Monel é composta por 17% de níquel, 30% de cobre e com traços 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 reagindo com o flúor forma uma camada protetora do elemento flúor, permitindo que o níquel metálico ou a liga de Monel sejam usados nas linhas de gás de flúor.

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

Outros usos

O níquel é usado como agente redutor para seis metais do grupo de minerais da platina nos quais está combinado; principalmente platina e paládio. A espuma ou malha de níquel é usada na fabricação de eletrodos para baterias de combustível alcalino.

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

Nanopartículas

Nanopartículas de níquel (NPs-Ni) encontram uma ampla 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, eles desenvolvem atividades antimicrobiana e antibacteriana.

A razão para o exposto é devido a 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, NPs-Ni são usados como material de eletrodo em células de combustível sólido, fibras, ímãs, fluidos magnéticos, peças eletrônicas, sensores de gás, etc. Da mesma forma, são suportes catalíticos, adsorventes, agentes descolorantes e purificadores de águas residuais.

-Composites

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

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

O níquel tertracarbonil fornece monóxido de carbono para a síntese de acrilatos, a partir de acetileno e álcoois. O óxido combinado de bário e níquel (BaNiO₃) serve como matéria-prima para a fabricação de cátodos em muitas baterias recarregáveis, como Ni-Cd, Ni-Fe e Ni-H.

Papel biológico

As plantas requerem a presença de níquel para seu crescimento. É conhecido por ser usado como co-fator por várias enzimas vegetais, incluindo urease; enzima que converte ureia em amônia, podendo utilizar este composto no funcionamento de plantas.

Além disso, o acúmulo de uréia produz 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 leguminosas (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 considera-se que estes podem ter uma ação virulenta nos organismos que habitam.

Outras enzimas bacterianas, como a superóxido dismutase, bem como a glixidase presente nas bactérias e alguns parasitas, por exemplo nos tripanossomas, são dependentes 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 ao desenvolvimento de cânceres de pulmão, nariz, laringe e próstata. Além disso, causa problemas respiratórios, insuficiência respiratória, asma e bronquite. Os vapores de níquel podem causar irritação pulmonar.

O contato do níquel com a pele pode causar sensibilização, que mais tarde produz uma alergia, que se manifesta como erupção cutânea.

A exposição da pele ao níquel pode causar dermatite conhecida como "coceira de níquel" em pessoas previamente sensibilizadas. Após a sensibilização ao níquel, persiste indefinidamente.

A Agência Internacional de Pesquisa sobre o Câncer (IARC) colocou 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 seja superior a 1 mg / m³ por oito horas de trabalho em uma semana de trabalho de quarenta horas. O carbonil de níquel e o sulfeto de níquel são compostos altamente tóxicos ou cancerígenos.

Referências

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