نیکل چیست و چه کاربردی دارد؟
ما امروز در این مطلب از مجله اینترنتی شیمی داکس قصد داریم به بررسی عنصر شیمیایی نیکل بپردازیم و در ابتدا به این سوال که نیکل چیست و چه کاربردی دارد؟ پاسخ دهیم. لطفاً تا پایان این مطلب همراه ما باشید شما هر آنچه که در مورد نیکل باید بدانید را در این مطلب پیدا می‌کنید.
نیکل چیست؟
خب بیایید در ابتدا این مطلب را با پاسخ به سوال نیکل چیست؟ آغاز کنیم. نیکل(Nickel) در واقع یک عنصر شیمیایی با نماد Ni و عدد اتمی 28 است که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد خود، در صنایع مختلفی کاربرد دارد. این فلز بیشتر به رنگ نقره‌ای متمایل به سفید دیده می‌شود و از نظر سختی و مقاومت در برابر خوردگی، در میان فلزات جایگاه ویژه‌ای دارد که در ادامه بیشتر با آنها اشنا خواهیم شد.
جالبه بدانید که تاریخچه استفاده از نیکل به هزاران سال پیش بازمی‌گردد. آثار باستانی تمدن‌های چین در قرون وسطی نشان می‌دهند که چینیان از آلیاژهای حاوی نیکل استفاده می‌کردند. با این حال، نیکل به عنوان یک عنصر خالص، در سال 1751 میلادی توسط شیمی‌دان سوئدی به نام اکسل فِردریک کرونستد (Axel Fredrik Cronstedt) شناسایی و استخراج شد. او هنگام تحقیق بر روی سنگ معدن کوپریت، متوجه حضور فلزی جدید شد که خصوصیات خاصی داشت که این عنصر فلزی بعدها نیکل نام گرفت.
خواص نیکل
حالا که با مفهوم نیکل که یکی از عناصر جدول تناوبی آشنا شدید، بیایید با خواص نیکل هم آشنا بشویم، این عنصر در واقع فلزی چکش‌خوار، شکل‌پذیر و بسیار مقاوم در برابر خوردگی است. این فلز دارای رسانایی الکتریکی و حرارتی خوب بوده و در برابر اکسیداسیون و زنگ‌زدگی مقاومت بالایی از خودش نشان می‌دهد. در ادامه یک جدول از مشخصات فیزیکی و شیمیایی نیکل برای شما عزیزان آماده کردیم.
| ویژگی | مقدار |
|---|---|
| نام ماده شیمیایی | نیکل |
| نام لاتین | Nickel |
| نام‌های رایج دیگر | Nickel metal، Ni |
| عدد اتمی | 28 |
| نماد شیمیایی | Ni |
| جرم اتمی نسبی | 58.69 گرم بر مول |
| چگالی | 8.908 گرم بر سانتی‌متر مکعب |
| نقطه ذوب | 1455 درجه سانتی‌گراد |
| نقطه جوش | 2913 درجه سانتی‌گراد |
| رنگ | نقره‌ای متمایل به سفید |
| ساختار بلوری | مکعبی وجوه مرکز پر (FCC) |
| رسانایی الکتریکی | خوب |
| مقاومت در برابر خوردگی | بسیار بالا |
انواع نیکل
ما در شیمی داکس براساس کاربردها، ویژگیها و خواص این فلز جدول تناوبی آمدیم و آن را به 5 دسته تقسیم بندی کردیم.
- نیکل خالص: این نوع نیکل دارای درصد بسیار بالایی از خلوص است (بیش از 99٪) و در صنایع حساس مانند تولید قطعات الکترونیکی، هوافضا و تجهیزات پزشکی استفاده می‌شود.
- نیکل آلیاژی: نیکل در ترکیب با فلزاتی مانند کروم، آهن، مس و مولیبدن، آلیاژهایی مقاوم به خوردگی و حرارت می‌سازد. فولاد ضدزنگ یکی از رایج‌ترین نمونه‌های استفاده از آلیاژ نیکل است.
- نیکل الکترولیتی: این نوع نیکل به روش الکترولیز تولید می‌شود و معمولاً در آبکاری فلزات، ساخت باتری‌های صنعتی و صنایع الکترونیک کاربرد دارد.
- نیکل کاربنیل: این نوع نیکل از فرآیند تصفیه گاز مونواکسید کربن به دست می‌آید و به دلیل خلوص بالا و اندازه ذرات ریز، در تولید کاتالیست‌ها و صنایع شیمیایی مصرف می‌شود.
- نیکل پودری: نیکل به صورت پودر نیز تولید می‌شود که در ساخت قطعات متالورژی پودری، باتری‌ها و برخی کاربردهای ویژه صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کاربردهای نیکل
ما در شیمی داکس در ادامه این مطلب 7 تا از مهمترین کاربردهای این ماده شیمیایی را بصورت کامل برای شما عزیزان گردآوری کردیم.
۱. تولید فولاد ضدزنگ (Stainless Steel)
یکی از اصلی‌ترین و پرکاربردترین مصارف نیکل، استفاده از آن در تولید فولاد ضدزنگ است. نیکل با ترکیب با آهن و کروم، آلیاژی بسیار مقاوم در برابر زنگ‌زدگی و اکسید شدن ایجاد می‌کند، در واقع می‌توانم بگم به همین خاطر که، بیش از ۶۰٪ از نیکل استخراج‌شده در جهان، در صنعت فولاد ضدزنگ به کار می‌رود.
این آلیاژها هم در محیط‌های صنعتی خورنده و هم در کاربردهای روزمره مانند لوازم خانگی، تجهیزات پزشکی، و سازه‌های معماری استفاده می‌شوند.
۲. آبکاری فلزات (Electroplating)
نیکل به‌طور گسترده در فرایند آبکاری برای پوشش‌دهی به سطوح فلزی استفاده می‌شود. این نوع پوشش، ظاهر فلز را بهبود می‌دهد، از زنگ‌زدگی جلوگیری می‌کند و مقاومت سطح را افزایش می‌دهد. آبکاری نیکل اغلب روی قطعات تزئینی، ابزارهای دقیق، شیرآلات، و قطعات خودرو انجام می‌گیرد. به عبارت دیگه به خاطر درخشندگی طبیعی و سختی بالا، گزینه‌ی مناسبی برای آبکاری تزئینی است.
۳. ساخت باتری‌ها
همان طور که قبلاً هم اشاره کردیم، نیکل نقش مهمی در تولید باتری‌های قابل شارژ دارد. از جمله مهمترین آنها می‌توان به باتری‌های نیکل-کادمیم (Ni-Cd) و نیکل-فلز هیدرید (NiMH) اشاره کرد که اگر کمی دقیقتر بخواهم توضیح بدهم، نیکل در این نوع باتری‌ها به‌عنوان بخش کلیدی الکترود مثبت عمل می‌کند.
عمر طولانی، پایداری در دماهای مختلف و توان شارژ و دشارژ بالا از مزیت اصلی باتری‌های مبتنی بر نیکل میباشد.
۴. تولید آلیاژهای مقاوم به حرارت و خوردگی
نیکل به‌عنوان عنصر اصلی در ساخت آلیاژهایی مانند اینکونل (Inconel)، مونل (Monel) و هستالوی (Hastelloy) استفاده می‌شود. این آلیاژها مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر حرارت‌های بالا و محیط‌های خورنده دارند. چنین آلیاژهایی در صنایع نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌های برق، تجهیزات هوافضا و موتورهای جت کاربرد گسترده‌ای دارند. دلیل انتخاب این آلیاژها در این صنایع، تحمل بالا در برابر شوک حرارتی، فشار زیاد و محیط‌های بسیار خورنده مانند اسیدها یا گازهای گرم است.
۵. استفاده در صنایع شیمیایی
در صنایع شیمیایی، نیکل هم در تجهیزات مقاوم به خوردگی مانند راکتورها و مبدل‌های حرارتی و هم به‌عنوان کاتالیزور کاربرد دارد. آلیاژهای پایه نیکل توانایی تحمل محیط‌هایی با pH پایین و فشار بالا را دارند، که برای واکنش‌های شیمیایی سنگین بسیار ضروری است همچنین نیکل در شکل ترکیباتی مانند نیکل رانی (Raney Nickel) به‌عنوان کاتالیزور در فرایندهایی مانند هیدروژناسیون روغن‌ها استفاده می‌شود.
۶. صنایع الکترونیک و الکتریک
نیکل در تولید قطعات الکترونیکی مانند کنتاکت‌های الکتریکی، مقاومت‌ها، و قطعات مدارهای چاپی کاربرد دارد. دلیل اصلی استفاده از نیکل در این حوزه، رسانایی مناسب، مقاومت در برابر اکسیداسیون و پایداری حرارتی آن است و بهتره بدانید که از این فلز در ساخت سنسورها، ترمیستورها و ابزارهای دقیق که نیاز به پایداری حرارتی دارند، نقش مهمی دارد.
۷. کاربردهای پزشکی و دندانپزشکی
برخی آلیاژهای نیکل، به‌ویژه آلیاژ نیکل-تیتانیوم (نیتینول)، در تولید ابزارهای پزشکی از جمله سیم‌های ارتودنسی، استنت‌ها و ابزارهای جراحی کاربرد دارند. این آلیاژها دارای خاصیت حافظه‌داری و انعطاف‌پذیری بالا هستند.
آلیاژهای نیکل
در متن چند باری صحبت از الیاژهای نیکل شد، در ادامه تصمیم داریم تا مهمترین آلیاژهای این ماده را با هم بررسی نماییم.
- اینکونل (Inconel): آلیاژی با پایه نیکل و مقدار زیادی کروم و آهن؛ دارای مقاومت بسیار بالا در برابر حرارت و اکسیداسیون، کاربردی در موتورهای جت و توربین‌های گازی.
- مونل (Monel): ترکیبی از نیکل و مس با مقاومت عالی در برابر خوردگی، به‌ویژه در محیط‌های دریایی. در شیرآلات صنعتی، پروانه کشتی و مبدل‌های حرارتی استفاده می‌شود.
- هستالوی (Hastelloy): آلیاژ نیکل با مولیبدن و کروم که در برابر محیط‌های اسیدی بسیار مقاوم است. در صنایع شیمیایی، تولید اسید و تجهیزات مقاوم به خوردگی شدید کاربرد دارد.
- نیتینول (Nitinol): آلیاژ حافظه‌دار نیکل و تیتانیوم که خاصیت بازگشت به شکل اولیه دارد. بیشتر در تجهیزات پزشکی مانند سیم‌های ارتودنسی و استنت‌ها استفاده می‌شود.
- نیکل-آلومینیوم (Ni-Al): آلیاژی مقاوم در برابر حرارت که در تولید قطعات توربین گاز و موتور هواپیما کاربرد دارد.
- نیکل-کروم (Ni-Cr): دارای مقاومت الکتریکی بالا و پایداری در برابر حرارت، مورد استفاده در المنت‌های حرارتی مانند بخاری‌ها و توسترها.
- نیکل-کبالت (Ni-Co): آلیاژی با خاصیت مغناطیسی و مقاومت مکانیکی بالا؛ در تولید آهن‌رباهای دائمی قوی، توربین‌ها، تجهیزات پزشکی و باتری‌های خاص کاربرد دارد.
خطرات و عوارض Nickel
خب تا الان هر چی گفتیم از خواص و کاربردهای این عنصر شیمیایی بود ولی باید بدانید که این عنصر به‌عنوان یک فلز سنگین، در برخی افراد می‌تواند موجب بروز واکنش‌های آلرژیک شود. یکی از شایع‌ترین عوارض آن درماتیت تماسی است که به شکل التهاب پوست، خارش و قرمزی در محل تماس با نیکل یا آلیاژهای آن ظاهر می‌شود. این حساسیت به‌ویژه در افرادی که زیورآلات نیکل‌دار یا ساعت‌هایی با بند فلزی استفاده می‌کنند بیشتر دیده می‌شود. همچنین تماس طولانی‌مدت با نیکل از طریق پوست یا هوا ممکن است باعث بروز مشکلات تنفسی و پوستی شود.
در موارد شدیدتر و تماس مزمن با بخارات یا گرد نیکل (به‌ویژه در محیط‌های صنعتی)، خطرات جدی‌تری نظیر آسیب به ریه‌ها، برونشیت مزمن و حتی افزایش احتمال بروز سرطان ریه و سینوس مطرح شده است. آژانس بین‌المللی تحقیقات سرطان (IARC) برخی ترکیبات نیکل را در گروه مواد احتمالاً سرطان‌زا برای انسان طبقه‌بندی کرده است. بنابراین رعایت دستورالعمل‌های ایمنی در زمان کار با نیکل اهمیت زیادی دارد.
شرایط ایمنی و نگهداری (MSDS)
خب نوبتی هم باشه نوبت بررسی شرایط ایمنی و نگهداری این ماده شیمیایی میباشد. بر اساس اطلاعات ایمنی مواد (MSDS)، نیکل باید در محیطی خشک، خنک و دارای تهویه مناسب نگهداری شود. تماس مستقیم آن با پوست و چشم باید کاملاً اجتناب‌پذیر باشد و در صورت نیاز به جابجایی یا استفاده از پودر یا بخار نیکل، استفاده از ماسک تنفسی، عینک ایمنی، و دستکش مقاوم ضروری است. در صورت تماس نیکل با پوست، باید بلافاصله محل تماس را با آب فراوان شست‌وشو داد و در صورت بروز علائم، به پزشک مراجعه کرد.
این فلز سنگین باید دور از منابع اشتعال زا و مواد اسیدی قوی نگهداری شود، چراکه در برخی شرایط می‌تواند واکنش‌های خطرناکی ایجاد کند. ضایعات و باقی‌مانده‌های آن نیز نباید به طبیعت یا فاضلاب تخلیه شوند، چون می‌توانند به خاک و منابع آبی آسیب بزنند. بهتر است این ضایعات طبق مقررات زیست‌محیطی و ایمنی صنعتی(شیمی سبز) جمع‌آوری و دفع شوند. همچنین وجود برگه ایمنی (MSDS) در کنار انبار یا محل مصرف نیکل برای کارکنان الزامی است.
فرآیند تولید و استخراج نیکل
باید بدانید که استخراج سنگ معدن نیکل به‌طور عمده از دو نوع سنگ معدن استخراج می‌شود:
- سنگ‌های سولفیدی (مثل پنتلاندیت)
- سنگ‌های لاتریتی (مثل گارنیریت و لیمونیت)
بعد از استخراج سنگ معدن، آن را به قطعات کوچکتر تقسیم می‌کنند و با استفاده از روش‌های فیزیکی مانند فلوتاسیون کف، نیکل از دیگر مواد معدنی جدا و کنسانتره نیکل تهیه می‌شود. در مرحله بعدی کنسانتره نیکل به‌صورت حرارتی کالکینه و سپس در دمای بالا ذوب می‌شود تا ناخالصی‌ها جدا شوند.
در اینجا بسته به نوع سنگ معدن، نیکل از طریق یکی از دو روش زیر بازیابی می‌شود:
- پیرومتالورژی: استفاده از گرما برای جداسازی فلز نیکل
- هیدرومتالورژی: استفاده از محلول‌های شیمیایی مثل اسید سولفوریک که برای استخراج نیکل در محیط آبی کاربرد دارد.
خب در اینجا نوبت به تصفیه نهایی می‌شود و نیکل خام به روش‌هایی مانند الکترولیز یا کربونیله کردن خالص‌سازی شده و به شکل نیکل خالص یا ترکیبات نیکل درمی‌آید و بعد از آن بصورت شمش، پودر، ساچمه یا صفحات بسته بندی می‌شوند.