معرفی نیکل
نیکل (به انگلیسی: Nickel) یکی از عناصر شیمیایی با شماره اتمی ۲۸ در جدول تناوبی است. این فلز مقاوم، چکش‌خوار و براق با ساختار بلورین مکعبی‌شکل به رنگ سفید و نقره‌ای می‌باشد. نیکل پنجمین عنصر شایع روی زمین است و به طور گسترده‌ای در پوسته و هسته زمین یافت می‌شود. از نظر خواص مغناطیسی و فعالیت شیمیایی، نیکل به آهن و کبالت شباهت دارد. کانی‌های اصلی نیکل شامل پنتلاندیت، پیروتیت (سولفیدهای نیکل و آهن) و گارنییریت (سیلیکات نیکل و منیزیم) هستند.
تاریخچه نیکل
اکتشاف اولیه
نیکل برای اولین بار در سال ۱۷۵۱ توسط شیمی‌دان سوئدی اکسل کرونستد شناسایی شد. معدن‌کاران قرن ۱۵ آلمانی اولین سنگ معدنی نیکل را که تصور می‌کردند حاوی مس است، کشف کردند و آن را “Kupfernickel” به معنای “مس شیطان” نامگذاری کردند، زیرا استخراج مس از آن امکان‌پذیر نبود. نام “نیکل” نیز از این اصطلاح ساکسونی گرفته شده است.
پیشرفت‌های صنعتی
در قرن نوزدهم، استفاده از نیکل در آبکاری و ساخت آلیاژها مانند “نقره نیکل” (آلیاژی از نیکل با روی و مس) اهمیت یافت. در سال ۱۸۵۷، برای اولین بار در آمریکا سکه‌هایی از آلیاژی مس و نیکل ساخته شدند و در سال ۱۸۸۱، سکه‌های نیکل خالص در سویس معرفی شدند. در قرن بیستم، فولادهای زنگ‌نزن با افزودن نیکل به عنوان یک عنصر کلیدی شناخته شدند که مقاومت بالایی در برابر خوردگی و تغییر رنگ دارند.
تولید و استخراج نیکل
منابع و تولیدکنندگان اصلی
سنگ معدن نیکل عمدتاً از نوع کرومیت و سولفید استخراج می‌شود. بزرگ‌ترین تولیدکنندگان نیکل در جهان شامل کانادا (۳۰٪ تولید جهانی)، روسیه، استرالیا، کوبا، اندونزی و نروژ هستند. استان انتاریو در کانادا حدود ۳۰٪ از تولید نیکل جهان را تأمین می‌کند. در سال ۲۰۱۹، ارزش بازار جهانی نیکل به بیش از ۱۳ میلیارد دلار رسید و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۲۵ به ۱۶ میلیارد دلار افزایش یابد.
فرآیندهای تولید
نیکل تجاری به دو صورت پنتلاندیت و پیروتیت استخراج می‌شود. فرآیند تولید نیکل شامل شناوری و تصفیه کانی‌های سولفید، کاهش اکسیدها با آلومینیوم یا سیلیسیم و پالایش نهایی می‌باشد. نیکل خالص به صورت فلز یا ترکیب محلول موجود است و بیشتر در صنایع آلیاژسازی، آبکاری و ساخت باتری‌ها استفاده می‌شود.
کاربردهای نیکل
صنعت آلیاژسازی و فولاد ضدزنگ
حدود ۶۸٪ از نیکل تولید شده در جهان برای ساخت فولادهای زنگ‌نزن به کار می‌رود. افزودن نیکل به فولاد مقاومت بالایی در برابر خوردگی و زنگ‌زدگی ایجاد می‌کند. همچنین نیکل در ساخت آلیاژهای پایه-نیکل و پایه-مس، فولادهای آلیاژی، و صنایع ریخته‌گری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
صنایع شیمیایی و آبکاری
نیکل به عنوان کاتالیزور در فرآیندهای هیدروژن‌دار کردن روغن‌های گیاهی به کار می‌رود. همچنین در صنعت آبکاری برای افزایش مقاومت سطحی فلزات استفاده می‌شود. ترکیبات نیکل مانند سولفات و آکسید در تولید رنگ‌ها و سرامیک‌ها نیز کاربرد دارند.
باتری‌ها و الکترونیک
نیکل در ساخت باتری‌های قوی، به ویژه باتری‌های خودروهای برقی، نقش مهمی دارد. دی‌اکسید نیکل (CrO₂) در تولید نوارهای مغناطیسی با مقاومت بالا به کار می‌رود. همچنین نیکل در پوشش‌های کربن شبه الماس (DLC) جهت افزایش مقاومت و دوام پوشش‌ها استفاده می‌شود.
سایر کاربردها
نیکل در ساخت شیشه‌های سبز، صفحات نیکلی به عنوان محافظت‌کننده برای دیگر فلزات و آلیاژهای مغناطیسی برای صنایع سرامیک کاربرد دارد. همچنین نیکل در صنعت ساخت موتورهای جت و صنایع پتروشیمی به دلیل مقاومت بالا در دماهای بالا بسیار مهم است.
نقش بیولوژیکی نیکل
نیکل به صورت کمی در بدن انسان ضروری است و در متابولیسم قندها نقش دارد. کمبود نیکل می‌تواند توانایی انسولین در کنترل قند خون را کاهش دهد. با این حال، برخلاف برخی فلزات ضروری دیگر، نیکل نقش مستقیم در متالوپروتئین‌ها ندارد.
ایزوتوپ‌ها و خواص شیمیایی نیکل
نیکل دارای پنج ایزوتوپ پایدار طبیعی و نه ایزوتوپ ناپایدار شناخته شده است. ایزوتوپ‌های نیکل در زمین‌شناسی ایزوتوپی کاربرد دارند و نسبت‌های ایزوتوپی Mn-Cr شواهدی درباره تاریخ ابتدایی منظومه شمسی ارائه می‌دهند. نیکل دارای خواص کاتالیزوری قوی بوده و به راحتی با سایر عناصر آلیاژ می‌شود.
هشدارها و ایمنی نیکل
فلز نیکل و ترکیبات نیکل (III) معمولاً برای سلامتی خطرناک نیستند، اما ترکیبات نیکل (VI) بسیار سمی و سرطان‌زا هستند. بلع مقادیر کم نیکل (VI) می‌تواند کشنده باشد و تماس با این ترکیبات به پوست، چشم و بافت‌های مخاطی آسیب‌زا است. سازمان بهداشت جهانی حداکثر میزان مصرف مجاز نیکل (VI) را ۰.۵ میلی‌گرم در هر لیتر آب آشامیدنی تعیین کرده است. همچنین نیکل می‌تواند باعث آلرژی‌های پوستی مانند درماتیت شود و باید با احتیاط در صنایع مختلف استفاده شود.
تأثیر نیکل بر محیط زیست و گیاهان
نیکل در محیط‌های آبی، خاکی و پیکره گیاهان و جانوران به صورت طبیعی وجود دارد. افزایش آلودگی‌های زیست‌محیطی باعث افزایش ورود نیکل به زنجیره غذایی می‌شود که می‌تواند به عنوان یک عامل تنش‌زا برای گیاهان عمل کرده و رشد و ویژگی‌های فیزیولوژیکی آن‌ها را تحت تأثیر قرار دهد. نیکل در خاک‌ها بین ۵ تا ۵۰۰ میلی‌گرم در کیلوگرم یافت می‌شود و می‌تواند جذب سطحی کانی‌های رسی شده و با کاتیون‌های کلسیم، منیزیم، آهن و روی رقابت کند. یون نیکل دو ظرفیتی در فاضلاب‌های صنعتی مانند آبکاری و فلزات غیرآهنی یافت می‌شود و باید با رعایت استانداردهای زیست‌محیطی مدیریت شود.
نتیجه‌گیری
نیکل به عنوان یک عنصر شیمیایی با ویژگی‌های منحصر به فرد و کاربردهای گسترده در صنایع مختلف، نقش مهمی در اقتصاد جهانی ایفا می‌کند. از تولید فولاد ضدزنگ تا کاربردهای شیمیایی و الکترونیکی، نیکل یکی از عناصر کلیدی در توسعه صنعتی و علمی محسوب می‌شود. با این حال، استفاده ایمن و کنترل انتشار ترکیبات سمی نیکل (VI) از اهمیت بالایی برخوردار است تا از آسیب‌های زیست‌محیطی و سلامتی جلوگیری شود.