Ni

Nikkel


Nikkel is een kenmerkend element in meteorieten, die tot wel twintig procent van het metaal kunnen bevatten. Het is zilverwit, hard, redelijk goed te vervormen en mooi glanzend te poetsen. Het is bekend van de toepassing in munten en tafelbestek. In het oude China gebruikte men al nikkellegeringen als vervanger van zilver. Bepaalde legeringen met nikkel kennen bijzondere eigenschappen, zoals vormgeheugen en magnetische afscherming. Ongeveer een tiende tot een vijfde van de mensen heeft last van nikkelallergie. Sommige bacteriën benutten energie uit koolstofverbindingen zoals kooldioxide en methaan met behulp van nikkelgebaseerde enzymen.
Symbool Ni Protonen/elektronen 28
Groep 10 Isotopen 58Ni, 62Ni, 64Ni
Periode Elektronenconfiguratie [Ar] 4s2 3d8
Blok d Elektronegativiteit 1,8 (Pauling)
Bij kamertemperatuur vast Atoomstraal 124 10-12m
Dichtheid 8900 kg m-3 Relatieve atoommassa 58.71
Smeltpunt 1455 oC
(1728 K)
Soortelijke warmte 460 J kg-1K-1
Kookpunt 2913 oC
(3186 K)
Warmtegeleidingscoëfficiënt 90.9 W m-1K-1

Munten

Nikkellegeringen zijn altijd in trek geweest voor het maken van munten. Ook euro's bevatten nikkel. De buitenrand van de munt van twee euro bestaat uit koper met 25 % nikkel ; het centrale deel is een nikkelen schijf met aan weerszijden koper met 20 % zink. Het muntstuk van één euro heeft een buitenrand van koper met 20 % zink en 5 % nikkel. Hier bestaat het centrale  deel uit een schijf nikkel met aan weerszijden koper met 25 % nikkel. De andere euromunten bevatten geen nikkel.  

 

Tafelbestek

Het gebruik van nikkellegeringen voor gebruiksvoorwerpen is al oud. In China werd al heel vroeg een legering van nikkel, koper en zink gebruikt als vervanger van zilver (Paishung). Rond 1700 werd deze legering door de Engelsen ontdekt en nagemaakt.

Een bekende legering voor gebruik in tafelbestek is alpa­ca. Deze bestaat uit 18 % nikkel, 60 % koper en 22 % zink. Soms wordt deze legering verzil­verd. Andere namen voor deze nikkel­legering zijn armeluiszilver, hotelzil­ver of nikkelzilver.

 

Veel gebruiksbestek wordt gemaakt van roestvrij staal INOX 18/10, een legering met 18 % chroom en 10 % nikkel. Zogenaamd electro plated nickel silver bestek is gemaakt uit een legering nikkel/koper/zink bedekt met een laagje zilver.

Witgoud

Witgoud is een vooral in sieraden toegepaste legering van goud met andere metalen. Het heeft een staalgrij­ze tot witte kleur. Voorheen werd tot ongeveer 16 % nikkel aan goud toegevoegd. maar het gebruik van nikkel in witgoud is op zijn retour vanwege de Europese regelgeving met betrekking tot nikkel. Tegenwoordig wordt witgoud daarom gelegeerd met palladium, dat wel veel duurder is.

pigment

Nikkelverbindingen geven fraaie kleuren aan glas, aardewerk en kunststoffen. Als  pigment voor glas dient NiSO4 of NiCO3 (groen) en  NiO (grijs), voor glazuur NiCO3 (groen) en NiO (grijs), voor keramiek NiSO4 (groen) en Ni(NO3)2 (bruin).  In kunststoffen en verven vind je bijvoorbeeld nikkel-titaangeel: een mengsel van titaan-, tin- en nikkeloxide in de verhouding 17:2:1.

 

Smeltkroes

Smeltkroezen, bijvoorbeeld voor laboratoriumge­bruik, moeten ook bij zeer hoge temperaturen inert zijn. Een bijzonder geschik­te legering is Monel, dat bestaat uit nikkel (tot 67 %), koper (tot 33 %) en verder ijzer, aluminium en/of mangaan. Smelt­kroezen uit Monel zijn bestand tegen zeer sterke oxidatoren zoals fluor. De legering kent nog veel meer (industriële) toepassingen en bestaat al meer dan honderd jaar. De International Nickel Company (Verenigde Staten) bracht Monel als eerste op de markt. De naam komt van de toenmalige bedrijfsleider Ambrose Monell.

 

Opslag van waterstof

Diverse nikkellegeringen kunnen veel waterstofgas opne­men. LaNi5, een schuimachtige legering van lanthaan en nikkel, zelfs ongeveer 400 maal het eigen volume. De opge­no­men waterstof is ook weer gemakke­lijk aan het materiaal te onttrekken. Deze legering is daardoor geschikt als water­stof­opslag, bijvoorbeeld in de 'tank' van waterstofauto's.
Ook bij het (terug)winnen van waterstofgas uit gasmeng­sels wordt LaNi5 gebruikt. 

Katalysator

In allerlei chemische processen vervult nikkel de functie van katalysator. Zo wordt het zogenaamde Raney-nikkel (90% nikkel / 10 % aluminium) gebruikt als katalysator bij de vorming van waterstof uit biomassa. En bij de harding van vetten (de omzetting van onverzadigde oliën en vetten in verzadigde oliën en vetten) katalyseert nikkel de additie van waterstof aan dubbele koolstof-koolstofbindingen. Nikkel is ook een geschikte katalysator bij de bereiding van synthesegas uit aardgas (CH4 + H2O --> 3H2 + CO).

Oplaadbare batterij

Nikkel vervult een belangrijke rol in oplaadbare batterijen voor bijvoorbeeld elektronische apparatuur en digitale camera's. Een vroeger type bevatte daarbij ook cadmium (de nikkel-cadmiumbatterij), maar tegenwoordig is vooral de nikkel-metaalhydridebatterij populair. Je vindt deze ook in hybride-auto's zoals de Toyota Prius. Overigens heeft de Ni-MH batterij in veel toepassingen veel terrein verloren aan de lithium-ion batterij (zie lithium).

 

Geheugenmetaal

Sommige legeringen van titanium en nikkel vertonen bijzonder geheugengedrag. Dit uit zich op verschillende manieren, afhankelijk van de samenstelling. Eén van de effecten is dat een verbogen voorwerp eenvoudig door verwarming weer in de oorspronkelijke toestand is te brengen.

Antennes van kunstmanen worden van titanium-nikkel draad gemaakt en vervolgens opgevouwen tot een bolletje. In de ruimte neemt het draad - na verwarmen - weer de oorspronkelijke vorm aan. Geheugenmetaal kent ook medische toepassing, bijvoorbeeld voor het herstellen van een verwrongen ruggengraat (scoliose). Een andere toepassing is in (duurdere) BH's.

Bijzondere legeringen

Er zijn meer dan drieduizend verschillende nikkellegeringen, waaronder zogenaamde superlegeringen. Deze bevatten combinaties van allerlei verschillende metalen zoals bijvoorbeeld nikkel, chroom, kobalt en titanium in wisselende verhoudingen. Ze zijn ontwikkeld voor gebruik onder zeer veeleisende omstandigheden, zoals onderdelen voor straal- en raketmotoren.Twee bekende nikkelhoudende soorten superlegeringen zijn Inconel (vooral nikkel/chroom) en Hastelloy (vooral nikkel/chroom/molybdeen).

 

Daarnaast zijn er diverse nikkellegeringen met andere bijzondere eigenschappen.

Zo heeft Invar (63,8% ijzer, 36% nikkel  en 0,2% koolstof) een uitzettingscoëfficiënt van vrijwel nul. Het wordt onder andere gebruikt voor de tanks van moderne schepen die vloeibaar gas vervoeren (bij een temperatuur van 160 graden onder nul), in thermo-elementen en hoogwaardige meetapparatuur.

Van Eluvar (52% ijzer, 36% nikkel en 12% chroom) is juist de elasticiteit onafhankelijk van de temperatuur. Dit wordt gebruikt in precisie-instrumenten en -uurwerken.

Tenslotte is Mu-metaal een legering van ruwweg 80% nikkel en 20% ijzer, met een klein beetje molybdeen. Het heeft de bijzondere eigenschap dat het magnetisme kan 'dempen'; het schermt magnetische velden af.

Meer toepassingen


Als element en in legeringen

  • auto- en vliegtuigmotoren (met W, Mo, Ti, Mn)
  • autobougie
  • buizen in fabrieken voor het ontzilten van zeewater (Ni,Cu-lege­rin­gen)
  • chirurgische instrumenten
  • cunial (legering van Cu, Ni, Al; ondermeer voor scheepsschroeven)
  • elektroden
  • gereedschappen (roestvrij staal, tot 8% Ni)
  • kook- en laboratoriumgerei
  • luidspreker, dynamo (Fe-Ni legering met  Al, Co, Ti)
  • machine-onderdelen voor de automobielindustrie, warmte­wis­selaars, de chemische en de petrochemische industrie (staal met 9-13% Ni en 18% Cr)
  • onderlaag bij het verchromen
  • pantserstaal
  • patroonhuls (20% Ni, 80% Cu)
  • permanente magneet (alnicostaal, een legering van 12% Al, 17 - 28% Ni, 5% Co, 3 - 6% Cu en voor de rest Fe)
  • straal- of raketmotor (met W, Mo, Ti, Mn)
  • turbineschoepen van straalmotoren (nimonic: met 58% Ni, 20% Cr, 18% Cu, 2,5% Ti, 1,5% Al)
  • verhittingsdraad voor kachels, ovens en kookplaten (bijv. chromel: 80% Ni, 20% Cr)
  • wasmachines (trommel)
  • weerstandsdraad (nichroom, 60% Ni, 40% Cr)

In verbindingen

  • adsorptiemiddel voor NH3 in gasmaskers                                         NiCl2
  • beitsmiddel bij textielopdruk                                                              Ni(CH3COO)2
  • fris houden van bloemen                                                                  NiSO4
  • imitatie-edelsteen                                                                             NiSO4
  • zwakke ??-bron o.a. in nucleaire geneeskunde                                 63Ni-verbin­din­gen

Naam

De naam nikkel is afgeleid van het Germaanse nickel voor duivel of berg­geest. Mijnwerkers die het nikkelerts ontdek­ten, dachten met kopererts van doen te hebben. Omdat het hen niet lukte er koper uit te winnen noemden ze het minach­tend kupfernickel  - door de berggeest behekst kopermineraal. Het betreffende mineraal heet inmiddels nikkelien (of niccoliet) en we weten nu dat het uit nikkelarsenide (NiAs) bestaat.

Ontdekking

De Zweedse chemicus Axel Cronstedt (foto) stelde in 1751 vast dat het 'waardeloze' kupfernickel geen koper maar een nieuw element bevatte: nikkel. Vier jaar later was Cronstedts landgenoot Torbern Bergman de eerste die het element in redelijk zuivere, metallische toestand verkreeg.

 

Voorkomen

Nikkel staat op plaats 23 in de lijst van meest voorkomende elementen. Het aandeel in de aardkorst is 0,0084% (op basis van gewicht).

 

Nikkel komt voor in een groot aantal mineralen, bijvoorbeeld:

  • breithauptiet                                       NiAsS
  • gersdorffiet                                         NiSb
  • milleriet (foto)                                     NiS
  • niccoliet of nikkelien                           NiAs
  • pentlandiet                                         (FeNi­)9S8
  • polydymiet of nikkelkies                     Ni.Ni2S4
  • rammels­bergiet                                  NiAs2
  • viola­riet                                              Fe+2Ni+32S4 
  • ullmanniet                                           NiSbS                                    

Ook in de zogenaamde mangaanknollen op de bodem van de oceaan wordt tot ca. 2% nikkel aangetroffen.

Nikkel is in 'gedegen' toestand (als metaal) aangetroffen in meteorieten. Onder meer op grond hiervan neemt men aan dat het binnenste van de aarde voor een belang­rijk deel uit een ijzer-nikkel-legering bestaat.

Winning

De belangrijkste wingebieden van nikkel liggen in Canada (Ontario, Sudbu­ry), Nieuw- Caledon­ië, Indone­sië, Zuid-Afrika, Australië (Kambal­da), Cuba, de Filippijnen, Guatemala, Brazilië, Colombia en de Domini­caanse Repu­bliek.

Vroeger

Het eerste nikkel werd verkregen via oxidatie van nikkelien, gevolgd door reductie van het ontstane nikkel­oxide met houts­kool:

4 NiAs + 5 O2  --> 4 NiO + 2 As2O3

NiO + C           --> Ni + CO
of
2 NiO + C        --> 2 Ni + CO2

 

Tegenwoordig

Nikkel is op verschillende manieren te bereiden. In beginsel via oxidatie van nikkelhoudende mineralen (meestal Ni-sulfiden) gevolgd door reductie van de ontstane oxiden, bijvoorbeeld met koolstof of met wa­tergas (H2 + CO). Het (tamelijk onzuivere) metaal dat hierbij ontstaat is direct toe te passen.

Zuiverder nikkel is te verkrijgen via omzet­ting in carbo­naat, gevolgd door reductie met waterstof­gas. Ook kan uit ruw materiaal nikkel­carbonyl (Ni(CO)4) worden gevormd (via het zogenaamde Mond-­pro­ces). Daaruit is door verhitten zuiver nikkel te verkrijgen.

Zuiver nikkel ontstaat ook bij elektrolyse van gesmol­ten nikkelzouten (o.a. Ni3S2), of van oplossin­gen van nikkelchloride of -sulfaat. Daarbij lost nikkel op uit een anode van onzuiver nikkel, waarna het in zuivere toestand neerslaat op de kathode. Uit het anodeslib van dit elektrolyseproces is palladium, platina, ruthenium, renium en iridium te winnen. 

Deel dit op: