镍（铁磁性金属）
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更新时间：2023-05-23
镍
铁磁性金属
基本信息
中文名
镍
英文名
Nickel
拼音
niè
元素符号
Ni
原子序数
28
原子量
58.69
元素类别
过渡性金属
族
ⅧB族
周期
第四周期
区
d区
电子排布
[Ar]4s²3d⁸
CAS编号
7440-02-0
物理性质
外观
固体（常温常压）
熔点
1453 ℃
沸点
2837.2 ℃（at 101.325 kPa）
密度
8.9 g/cm³（at 25 ℃）
熔化热
17.6 kJ/mol
汽化热
379 kJ/mol
比热容
439 J/(kg·K)
电阻率
6.844 mΩ·cm（at 20 ℃）
原子性质
氧化态
+4,+3,+2,+1,-1,-2
电负性
1.91（鲍林标度）
原子半径
124.6 pm
发现历史
镍是一种既“古老”又“年轻”的金属——人类发现镍的时间并不长，但早在古埃及、古中国和古巴比伦时期，人类就已经在使用镍了。公元前300年左右，中国出现了含镍的兵器和器皿。西汉时期中国开始制取含镍量很高的白铜，并将白铜制作的器物销往欧洲，欧洲人将白铜称为“中国银”
1751年，瑞典科学家阿克塞尔·弗雷德里克·克龙斯泰特（Alex Fredrik Cronstedt）开始研究德国的一种红棕色矿石，这种矿石常常覆盖着绿色斑点或污点，被矿工们称之为“尼克铜”（Kupfernickel），他将矿石表面的绿色物质放在木炭上燃烧，得到了表面淡黄色、切面呈银白色光彩的粗状金属，该金属能收到磁石的吸引且溶于硝酸、盐酸中能得到绿色溶液，这些性质与已知的所有金属都不同。克龙斯泰特将这种金属命名为“镍”并将自己的研究成果发表论文，但也有科学家不认同克龙斯泰的结论。1755年瑞典化学家托伯恩·柏格门（Torbern Bergman）通过试验制得了纯度较高的镍，证实了镍是一种全新的金属。
镍的产量有限，到19世纪末镍的主要用途还是作为贵金属制作首饰。20世纪以来，随着人类发现了镍的多种用途以及其在改善刚性能方面的独特功能，现代镍工业得以诞生并迅速发展起来。
分布情况
镍属于秦铁元素，在地球中的含量仅次于硅、氧、铁、镁。美国地质调查局（USCS）2017年发布的数据显示，全球探明镍基础储量约7383万吨，资源总量1.3亿吨。镍的矿物资源主要分为陆地上的硫化镍矿（占陆地镍矿的28%）和氧化镍矿（占陆地镍矿的72%）、深海底部的含镍锰结核。硫化镍矿储量丰富的国家有俄罗斯、加拿大、南非、中国、澳大利亚等，红土镍矿（氧化镍矿代表）储量丰富的国家有古巴、印度尼西亚、巴西、菲律宾、越南、缅甸等。
化学结构
镍通常属于面心立方晶胞，即面心立方密堆积结构。在镍的原子晶体中，镍原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，面心立方晶胞中六个面的面中心镍原子均和六个面上四角的镍原子紧靠。镍的晶格参数0.352 nm，原子半径为0.124 nm，在70 GPa以下的压力中晶格十分稳定，这导致镍坚硬、有延展性。在过渡金属中，其导电率和热导率较高。理想条件下，镍晶体的抗压强度预测为34 GPa，但是在真正的大块镍中永远不会有这么高的强度，这是由于晶体位错的形成和运动。不过，在镍的纳米粒子中，强度达到了抗压测强度34 GPa。
理化性质
物理性质
镍（Ni）是银白色过渡金属，原子序数为28，相对原子质量为58.69，25 ℃时密度为8.9 g/cm³，熔点为1453 ℃，沸点为2837.2 ℃（at 101.325 kPa）。镍硬而柔韧，具有延展性和铁磁性，可导电和热，并且能被打磨得光亮如镜。
化学性质
与单质反应
氢气
镍能强烈吸附氢气，生成NiH、NiH₂。
氧族元素
镍在常温下稳定，在空气中其表面能迅速形成一层单分子NiO保护层。
400-700 ℃下，镍能与硒蒸气反应生成覆膜，覆膜内层为Ni₃Se₂，表层为NiSe₂；镍与硒蒸气一起加热至红热能生成NiSe。
氮族元素
500-600 ℃，有Li₃N存在时，平均每1.6个镍元梓能够结合一个氮原子。
碳族元素
镍与碳在2100 ℃反应生成Ni₃C。
卤素
260-300 ℃，在干燥氯气流中镍表面能生成NiCl₂保护膜，600 ℃以上镍粉能在氯气中燃烧。
镍片在327-927 ℃，与0.01-10 mpa溴反应生成NiBr₂,高于927 ℃时生成NiBr。
与无机化合物反应
水
酸
镍能与稀的无氧化性酸反应放出氢气。
镍与硝酸反应会释放出氮的氧化物。
雷尼镍能与高锰酸钾溶液反应，使溶液红色退去。
一氧化碳
镍是一个中等强度的还原剂。常压下，镍能与一氧化碳反应，反应产物为四羰基镍（Ni(CO)₄），四羰基镍在室温下为液体，有挥发性，有猛烈毒性。该反应为可逆反应，加热后它发生分解反应，反应产物是金属镍和一氧化碳。反应方程式如下：
与有机化合物反应
镍能在酸性溶液中与黄原酸钾反应得到黄原酸镍和氢气。
镍的同位素
镍有多种同位素，天然形成的镍元素在自然界中共有五种稳定的同位素：⁵⁸Ni、⁶⁰Ni、⁶¹Ni、⁶²Ni和⁶⁴Ni。镍的部分同位素的主要情况如下表所示：
镍的同位素 | ⁵⁶Ni | ⁵⁸Ni | ⁵⁹Ni | ⁶⁰Ni | ⁶¹Ni | ⁶²Ni | ⁶³Ni | ⁶⁴Ni |
丰度% | 人造 | 68.08 | 人造 | 26.23 | 1.14 | 3.63 | 人造 | 0.93 |
半衰期 | 6.077天 | 稳定 | 76000年 | 稳定 | 稳定 | 稳定 | 100.1年 | 稳定 |
衰变模式 | 电子捕获 | — | 电子捕获 | — | — | — | β衰变 | — |
衰变能量/MeV | 2.136 | — | 1.072 | — | — | — | 2.137 | — |
衰变产物 | ⁵⁶Co | — | ⁵⁹Co | — | — | — | ⁶⁴Cu | — |
⁶²Ni在现在已被发现的元素和同位素中，是核子束缚能最高的核素。镍元素已被发现的放射性同位素共有18种，大多半衰期都较短，最稳定的三种为⁵⁹Ni（半衰期76000年）、⁶³Ni（半衰期100.1年）和⁵⁶Ni（半衰期6.077天），其他的放射性同位素的半衰期都较短，皆少于60小时，甚至有相当一部分同位素的半衰期少于30秒。因此其他镍元素的同位素并没有太大的应用，镍元素拥有一种亚稳态。在镍的数十种同位素之间，原子质量相差较大，最轻的⁴⁸Ni只有48u，而最重的⁷⁸Ni则有78u。近期有研究者研究出，⁷⁸Ni的半衰期为0.11秒，研究者们根据各类数据及历史推测，⁷⁸Ni在超新星核合成过程中，通过反应生成比铁重的金属元素时具有极其重要的作用。
制备方法
火法冶炼
硫化镍矿
硫化镍矿的火法冶炼主要包含以下几种过程：
低镍锍的吹炼：造锍熔炼得到的低镍锍组成基本为Fe、Ni、Cu、S或Fe、Ni、S，通过吹炼可以除去铁得到高镍锍。
高镍锍的分离：高镍锍可以通过分层熔炼、选矿磨浮分离法、选择性浸出法等工艺分离其中的铜和镍。如磨浮分离法就是利用高镍锍缓慢冷却时，Cu₂S、Ni₃S₂的相互溶解度会降低并且相互析出粗的颗粒，从而实现选矿分离得到高镍精矿。
阳极：
阴极：
氧化镍矿
湿法冶炼
高镍锍的湿法提取
高镍锍湿法提取的工业化技术主要有三类：硫酸选择浸出电解提取法、氨浸-氢还原法、氯气浸出电解提取法。
硫酸选择浸出法：高镍锍经水萃、细磨处理后，通过常压、加压相结合的方式进行分段浸出，可以将镍、钴浸出到溶液，而铜铁以及贵金属则会留在浸出渣中。
加压氨浸法：粉状高镍锍放入加压釜，通入空气和氨，镍、铜、钴等在加压条件下能够溶解，铁和其他杂质会留在浸出渣中。蒸发浸出液中的氨后，能够将溶液中的铜以析出硫化铜沉淀的方式出去。然后将脱铜后的溶液进行氧化水解，将不饱和硫氧化成硫酸。最后在加压条件下使用氢气将溶液中的镍还原成镍粉。
硫化镍矿湿法提取
高压氨浸法：主要工艺过程为两段加压氨浸、浸出液除铜、溶液加压并使用氢还原制取镍粉。
氧浸出法：将精矿用富氧空气加压浸出，通过硫酸化沉淀法可以将浸出液中的镍、钴沉淀出来，而后可通过浮选法选出精矿进行火法处理。
氧化镍矿的湿法提取
氨浸法：原理是氧化镍矿中的镍一般能够与铁结合成铁酸盐，而后还原焙烧能使铁酸镍转变成金属镍或镍铁合金，方便在暗夜中溶解。
加压酸浸：通过高温高压直接酸浸氧化镍矿提取镍、钴。
硫酸化焙烧——浸出工艺：将硫酸与矿石混合后，通过焙烧将矿石中的镍、钴转化成可溶的硫酸盐，铁则转化为难溶于水的赤铁矿，实现镍、钴的选择性浸出。
其他冶金工艺：生物冶金，利用微生物的氧化或还原特性，使红土镍矿中的某些组分氧化或还原；氯化离析，在矿石中加入煤、焦炭等碳质还原剂和氯化钠、氯化钾等氯化剂，在中性或弱还原性气氛中使得矿石中的有价金属氯化挥发而后在还原剂表面还原成金属颗粒。
气化冶炼
气化冶炼的原理是利用金属单质或化合物与杂质沸点的差异，通过控制温度的方式将挥发性金属化合物的蒸气热分解或者还原气相析出的金属。比如羰化法炼镍，主要反应原理是：镍的硫化物矿与CO反应，直接生成具有挥发性的产物——四羰基合镍Ni(CO)₄，产物Ni(CO)₄经过加热后可以重新分解成CO和镍，经过此可逆反应后，即可将镍进行加工，得到纯度较高的金属镍。羰基镍生产流程主要由合成、精馏、分解三部分组成，工艺流程图如图4所示。主要反应方程式如下所示：
应用领域
镍的应用历史悠久，应用范围广泛，在军事、航空航天、机械制造等军事制造行业中起着功能材料的作用，属于国家中必不可少的的重要战略物资。由于镍具有优秀的铁磁性、耐腐蚀性和可塑性等特性，镍常和其他金属形成合金，合成不锈钢、高镍钢合金、合金结构钢等应用广泛的钢材，主要应用于飞机、雷达、导弹、坦克、原子反应堆等各种军工制造业。在防磨损方面，镍还可以做为陶瓷颜料和防腐镀层。在化学工业中，镍常作催化剂，是重要的催化剂活性成分。此外，镍也常被用来制造货币。
电镀行业
目前世界上所产出的十分之一的镍用于电镀行业，由于镍平价易得，且耐腐蚀性强、金属光泽强，因此镀镍的物品美观、干净、并且具有很好的防腐蚀性能。在钢材和其他金属基体上覆盖一层耐用、耐腐蚀的镍镀层之后，钢材的防腐蚀性比镀锌层高20％～25％。根据镀镍的方式不同，可以将其分为电镀镍和化学镀镍。
镍基合金
镍基合金的定义是，以镍为基础（镍的含量大于50%），并含有铜、铝等金属的合金，一般情况下在高温下强度较高、抗氧化腐蚀能力较强，综合性能较好。在工业上根据性能的不同，一般被分为耐热镍基合金和耐蚀镍基合金。对大部分金属而言，镍是一种极佳的合金用剂，镍与铁、钴、镍、锰等可以合成固溶态合金，并且广泛应用于不锈钢和合金钢等钢铁领域，其中不锈钢的应用占到了镍应用的60%以上。镍基合金的主要优点是，熔点较高，抗腐蚀性好，基本不在高温下发生氧化，且断裂强度大，易机械加工。镍基合金在工业上有广泛的应用，主要产品有家具、各类反应器、燃烧室、涡轮叶片、航天器各类零件等，广泛应用于航空航天、船只建造、化工仪器和反应器制作、电子产品原件、医学和能源等领域。
催化作用
镍及其合金常作为氢化反应的催化剂，广泛应用于有机物的氢化、氢解、异构化等各类反应中。目前较为常用的镍催化剂是雷尼镍，这是一种多孔结构的镍铝合金，并以此为基础研发了一系列“雷尼型”催化剂，也都投入了许多工业生产中。
货币及消费价值
磁性材料
镍是一种天然的磁性伸缩材料，具有铁磁性和最大的磁导率，是最佳软磁材料。在铝、钴与镍制成的合金之后，会增强镍的磁性，工业上十分常用的电磁起重机即以此为原料。镍的磁性应用广泛，在工业领域和日常生活中都处处可见。
生物学应用
镍可用于生物约束成形，微生物体积小有各种各样的标准几何外形，这些标准几何体用途广泛但是很难加工，可以通过菌体表面化学镀镍等方式将生物几何体金属化。
其他应用
安全事宜
镍中毒
防治
从事镍作业的人员需要加强个人防护，镍冶炼应当做到自动化、密闭化和通风排毒。镍粉尘或烟雾导致的呼吸症状，可以使用止咳、抗炎药物治疗。
