28, Nickel (Ni)

Niccolum, mhd. Nickel = Kobold, Teufel

Das Element Nickel:

         
   
  Co Ni Cu  
  Rh Pd Ag  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Nickel (Nukleosynthese): Nickel entsteht als Endprodukt des Siliciumbrennens mit dem Isotop Ni-56. Dieses Nuklid hat eine Halbwertzeit von etwa 6 Tagen. Das Siliciumbrennen als letzte Phase der stellaren Kernfusion vor der finalen Supernova-Explosion dauert jedoch nur einige Tage, so dass der überwiegende Anteil an gebildetem Ni-56 nicht weiter zerfallen ist. Durch die freiwerdenden Neutronen während und nach der Supernova-Explosion wird ein Teil dieses Ni-56 zu Ni-58 umgewandelt (s- bzw. r-Prozess). Da Ni-56 ein primär sehr häufig gebildetes Nuklid ist, besteht das natürliche Isotopengemisch des Nickels auch zum größten Teil aus einem seiner direkten Folgeprodukte Ni-58. Es kann dagegen nicht aus Fe-56 durch Neutroneneinfang erzeugt werden, da die Reaktion hierbei zu stabilem Fe-58 führt. Ni-60 entsteht in ebenfalls nicht unerheblicher Menge durch β--Zerfall aus Fe-60, welches gleichsam in großen Mengen nach Supernova-Explosionen gebildet wird. Aus diesen beiden Nukliden, sowie Co-59 werden infolge weiterer s-Prozesse die anderen stabilen Nickel-Isotope, Ni-61, Ni-62 und Ni-64 gebildet.

Das natürliche Isotopengemisch des Nickels besteht folglich zu rd. 68% aus Ni-58 und zu 26,2% aus Ni-60. Erst dann folgen die Isotope Ni-62 (3,634%), Ni-61 (1,14%) und Ni-64 (0,93%).

Das ebenfalls während der Nukleosynthese in größeren Mengen gebildete Nuklid Ni-63 zerfällt mit einer Halbwertszeit von rd. 100 Jahren weiter zu Cu-63.

Die Nickel-Synthese:
58Ni-Synthese:
(r-Prozess)

56Ni + 2n → 58Ni + 22,47 MeV

60Ni-Synthese:
(s-,r-Prozess)

59Co + n → 60Ni + β- + 10,32 MeV

56Fe + 4n → 60Ni + 2β- + 36,15 MeV

61Ni-Synthese:
(s-, r-Prozesse)

60Ni + n → 61Ni + 7,82 MeV

56Fe + 5n → 61 + 2β- + 43,97 MeV

62Ni-Synthese:
(s-, r-Prozesse)

61Ni + n → 62Ni + 10,60 MeV

56Fe + 6n → 62 + 2β- + 54,57 MeV

64Ni-Synthese:
(r-Prozesse)

62Ni + 2n → 64Ni + 16,50 MeV

56Fe + 8n → 64 + 2β- + 71,06 MeV

Vorkommen von Nickel: Im Universum ist Nickel aufgrund der Tatsache, dass es das primäre Fusionsprodukt des s- und r-Prozesses aus Fe-56 (bzw. Ni-56) heraus ist, sehr häufig: Durchschnittlich besteht die Materie des Universums zu 60 mg/kg aus Ni (Rang 13); in massereichen Roten Riesen ist der Anteil noch höher. Die Erde hat einen NiFe-Kern, wodurch das Element im Endeffkt zu 1,82% am Gesamtaufbau beteiligt ist (Rang 6). In der Erdkruste ist es demgemäß gegenüber den spezifisch leichteren und reaktiveren Gesteinsbildnern Aluminium und Silicium stark abgereichert, wodurch es hier nur zu durchschnittlich 84 mg/kg (Rang 23) vorkommt. Betrachtet man das Vorkommen des Elementes in der Erdhülle (Erdkruste plus Weltmeere und Atmosphäre), so ergibt sich ein Durchschnittswert von 150 mg/kg (Rang 22).

Das mineralische Vorkommen von Nickel ist überwiegend in Gesellschaft von Schwefel und Arsen, und zwar in noch stärkerem Ausmaß wie beim links benachbarten Cobalt. Daneben kommt Nickel auch in Verbindung mit Silicaten vor. Während die Eisenerze (Roteisenstein, Brauneisenstein, Raseneisenerz usw.) in der Regel nur wenig Nickel enthalten, findet sich das Element im Meteoreisen wiederum bis zu 16%. So sind die wichtigsten nickelhaltigen Mineralien der Garnierit, einem Gemisch aus Willemseit und Nepoúit, sowie der Nickelmagnetkies, einem Gemisch aus Pentlandit (einem Eisen-Nickel-Sulfid) und Pyrrhotin (einem Eisensulfid). In häufiger Gesellschaft des Nickels findet sich das Cobalt.

Einge wichtige Nickelminerale

Pentlandit
(Ni|Fe)8S9[1]

Falcondoit-Willemseit
(Ni|Mg)3[(OH)2|Si4O10)[2]

Nepoúit
(Ni|Mg)6[(OH)8|Si4O10)[2]
Nickel-Gewinnung: Anreicherung und Abtrennen des Eisens. Nickel wird vorwiegend aus Nickelmagnetkies und Garnierit gewonnen. In diesen Erzen liegt das Nickel mit Eisen, Cobalt und Kupfer vergesellschaftet vor. Durch Flotation wird das Erz vom Gestein getrennt, wodurch es zu einer Anreicherung der Metalloxide kommt. Dann wird das Erz zermahlen, mit Koks und Siliciumdioxid vermengt, und durch Einblasen von Luftsauerstoff oxidativ geröstet. Hierdurch verschlackt ein Teil des Eisens als Eisensilicat, während Kupfer, Cobalt und Nickel größtenteils in sulfidischer Form zurückbleiben. Den so gewonnenen Rückstand bezeichnet man auch als Kupfer-Nickel-Feinstein.

Trennen von Nickel und Kupfer. Dies geschieht durch Zusammenschmelzen des zerkleinerten Feinsteins mit Natriumsulfid. Während sich das Kupfer(II)sulfid zu flüssigem Natriumtrisulfidocuprat(II), Na2CuS3 umsetzt, bleibt das Nickelsulfid ungelöst als Bodensatz zurück. So kann es dann leicht abgetrennt werden. Anschließend wird es wiederum oxidativ durch Einblasen von Luft geröstet, wodurch nun Nickeloxid entsteht. Dieses wird durch Reduktion mit Kohle reduziert.

Gewinnung von Reinstnickel. Das so gewonnene Nickel enthält neben Cobalt auch Edelmetalle wie Gold, Silber und Platinmetalle. Man kann es reinigen, indem man es vollständig in heißer, verdünnter Schwefelsäure auflöst und dann elektrolysiert. Dabei scheidet sich nur das Nickel ab, während alle unedleren Metalle in Lösung verbleiben. Im dabei anfallenden Anodenschlamm finden sich neben den Edelmetallen auch die Halbmetalle Selen und Tellur, die ebenfalls daraus gewonnen werden können.

Mond-Verfahren. Es gibt eine zweite Methode, um aus Rohnickel Reinstnickel zu gewinnen: Dabei macht man sich den Umstand zunutze, dass Nickel bei 80°C im Kohlenmonoxidstrom flüchtiges (und stark giftiges) Nickeltetracarbonyl bildet. Zwar bilden auch die Begleiter des Nickels, wie Cobalt, Eisen und Kupfer solche Carbonyle; diese sind jedoch entweder instabiler oder schwerer flüchtig als das Ni(CO)4. Man destilliert dieses also ab, und zersetzt es bei 180°C an kleinen Reinstnickelkugeln.

Bilder zur Nickelgewinnung

Nickel-Gewinnung[6]

Reinstnickel-Kugeln[6]
Chemie von Nickel: Nickel hat die Elektronenkonfiguration [Ar]4s23d8. Daher bevorzugt es die Oxidationsstufe +2 in noch stärkerem Maße, als dies bei Cobalt und Eisen der Fall ist. Die Oxidationsstufe +3 ist dagegen in binären Verbindungen mit Ausnahme in Verbindung mit Fluor und Sauerstoff unbekannt, und nur selten in Komplexen betätigt. Ebenso selten sind die stark oxidierend wirkenden Nickelverbindungen, in welchen die Oxidationsstufe +4 betätigt wird. Höhere Oxidationsstufen sind derzeit nicht bekannt.

Verhalten an der Luft. Reines Nickel ist an der Luft bei Raumtemperatur beständig. Beim Erhitzen auf Rotglut oxidiert sich Nickel langsam zu Nickel(II)oxid (NiO). Durch Glühen von Nickel(II)oxid in Sauerstoff sind auch höhere Oxide, mit allerdings stark oxidierender Wirkung zugäglich, so etwa NiO2 und Ni3O4, welche beide mit Chlorid-Ionen elementares Chlor in Freiheit zu setzen vermögen.

2Ni + O2 → 2NiO + 488,6 kJ


Verhalten gegenüber Wasser, Säuren und Laugen. Von Wasser wird Nickel nicht angegriffen. Von nichtoxidierenden Säuren, sowie von verdünnter Salpeter- oder Schwefelsäure wird Nickel zu grünen Ni(II)-Salzlösungen aufgelöst. Passiv ist das Metall dagegen gegenüber konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure (Passivierung infolge Bildung einer unlöslichen Oxidschicht), sowie auch gegenüber Flusssäure (durch Passivierung infolge Bildung in Flusssäure unlöslichen Nickelfluorids). Beständig ist Nickel auch gegenüber wässrigen oder geschmolzenen Alkalien, weswegen man Alkalihydroxid in Nickeltigeln schmelzen kann. Durch Zusammenschmelzen von Nickeloxid und Alkalien sind jedoch auch Niccolate(II), mit dem Anion NiO3-; beim zusätzlichen Oxidieren einer solchen Schmelze mit Sauerstoff oder durch Zugabe von Kaliumperoxodisulfat oberhalb von 800°C auch Niccolate(III) mit dem Anion NiO2- zugänglich. Das grüne Nickel(II)hydroxid lässt sich durch Zugeben von Hydroxid-Ionen zu einer Ni(II)salzlösung gewinnen. Es zeigt amphoteres Verhalten, wobei es sich in - auch schwachen - Säuren leicht löst, der saure Charakter hingegen nur bei sehr hohen pH-Werten durch Bildung von Tetrahydroxidoniccolaten(II), Ni(OH)42- zum Tragen kommt.

Reaktionen mit Halogenen. Von Fluor wird Nickel in der Kälte dank Passivierung nur oberflächlich unter Bildung einer Nickel(II)fluorid-Schicht angegriffen, die die weitere Korrosion verhindert. Erst bei Rotglut setzt sich das Nickel vollständig mit Fluor um. Mit Chlor und Brom erfolgen schon bei gelindem Erhitzen durchgreifende Reaktionen zu NiCl2 bzw. NiBr2. Nickeliodid, NiI2, ist durch Reaktion von Nickelchlorid mit Kaliumiodid erhältlich. Nickel(II)fluorid lässt sich durch Fluor zu NiF3 und NiF4 weiter fluorieren.

Reaktion mit Wasserstoff. Nickel kann bei hohen Drücken Wasserstoff aufnehmen, wobei eine nichtstöchiometrische Verbindung resultiert. Diese scheint jedoch dem Palladiumhydrid analog zu sein. Bei Normaldruck absorbiert Nickel im Gegensatz zu Palladium und Platin jedoch keine merklichen Mengen an Wasserstoff. Es kann jedoch zumindest Wasserstoff an seine Oberfläche anlagern und aktivieren, weswegen man Nickel gleich Palladium und Platin als Hydrierungskatalysator verwenden kann.

Komplexchemie. Alle Nickel(II)halogenide bilden mit überschüssigen Halogenid-Ionen verschieden aufgebaute Halogenido-Komplexe, wie beispielsweise [NiF4]2-, [NiCl3]-, [NiBr3]- oder [NiI3]-. Nickel(III)fluorid bildet mit Fluorid-Ionen einen Hexafluoridokomplex, NiF63-. Ebenso werden Komplexe mit den Pseudohalogeniden (Cyanid, Thiocyanat, Cyanat oder Azid) der Zusammensetzung NiII(X)64- gebildet; mit Ammoniak bildet sich in wässriger Lösung der blauviolette Ni(NH3)62+-Komplex. Typisch für das Nickel ist die Bildung von Chelatkomplexen mit organischen Substanzen, die über vollbesetzte Elektronenpaaren an Stickstoff- oder Sauerstoffatomen verfügen, wobei Komplexbindungen über Stickstoffatome erwartungsgemäß thermodynamisch stabiler sind.

Einige Nickelverbindungen.

Nickel(II)sulfat-Hexahydrat
NiSO4•6H2O[3]

Nickel(II)chlorid-Hexahydrat
NiCl2•6H2O[4]

Nickel(II)nitrat-Hexahydrat
Ni(NO3)2•6H2O[5]

Nickel(II)oxid
NiO[1]

Nickel(II,III)oxid
Ni3O4[6]

Nickel(II)fluorid
NiF2[6]
Physikalische Besonderheiten von Nickel bzw. von seinen Verbindungen: Ferromagnetismus: Nickel hat unterhalb von 354°C ferromagnetische Eigenschaften. Es hat dabei ein magnetisches Moment von 0,61 μB, was etwa einem Viertel des Eisens entspricht.
Verwendung von Nickel und seinen Verbindungen : Nickel und Nickellegierungen.
  • Katalysator. Nickel lässt sich als Hydrierungskatalysator etwa zur Härtung von Fetten und Ölen verwenden.

  • Korrosionsfeste Stähle wie V2A-Stahl und V4A-Stahl enthalten Nickel (neben Chrom) als wesentlichen Legierungsbestandteil.

  • Monelmetall ist eine, auch heute noch wichtige Nickellegierung für den Apperaturenbau von chemischen Reaktoren. Die Legierung zeichnet sich durch hohe Beständigkeit gegenüber Alkalien und elementarem Fluor aus. Monelmetall besteht aus 65% Ni, 33% Cu und 2% Fe.

  • Münzmetall. Aufgrund seiner Härte und Korrosionsbeständigkei9t findet sich Nickel auch als Legierungsbestandteil vieler Münzen. Dabei hat es den weiteren Vorteil, dass es magnetisch ist, wodurch sich Münzen an Automaten detektieren lassen.

  • Superlegierungen enthalten gleichsam Nickel, wodurch sie sehr hart und korrosionsfest werden. Durch Zulegieren von Niob, Tantal, Molybdän oder Wolfram können solche hochlegierten Stähle extreme Hitzebeständigkeit bei gleichzeitig sehr guter Korrosionsbeständigkeit und Härte bekommen. Siehe hierzu auch bei den entsprechenden Metallen.

  • Konstantan ist eine Legierung aus 55% Cu und 45% Ni. Sie besitzt über einen weiten Temperaturbereich fast konstantes elektrisches Widerstandsverhalten, weswegen daraus genaue Widerstände, etwa für Messgeräte gefertigt werden können.
Nickelverbindungen:
  • Nickel(II)salze wie Nickelchlorid, -sulfat oder -nitrat werden als grüne Farbstoffe zum Einfärben von Gläsern oder Porzellan verwendet.

Verwendung von Nickel, seinen Legierungen und Verbindungen

Münzen[6]

Rohre aus V4A-Stahl[7]

Elektrische Messgeräte[8]
Biologische Bedeutung von Nickel: Während die Notwendigkeit von Nickel in einer biologischen Funktion als aktives Zentrum einiger Enzyme heute kontrovers diskutiert werden, ist Nickel nachweislich das am Stärksten sensilibierende Allergen von allen Metallen bzw. bekannten Legierungen.

Nickelstäube bzw. Stäube von Nickelverbindungen gelten nach heutigem Wissenstand als krebserzeugend. Nickelverbindungen in wässriger Lösung sind dabei weit weniger toxisch, wenn auch nicht harmlos.
Quellen: [1] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Benjah-bmm27. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[4] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: BXXXD. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[5] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Choij. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[6] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[7] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Ra'ike. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[8] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Aka. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.