Nikl

Nikl (chemická značka Ni, lat. Niccolum) je bílý, feromagnetický, kujný a tažný kov. Slouží jako součást různých slitin a k povrchové ochraně jiných kovů před korozí. Vzhledem k jeho toxicitě je jeho praktické využití postupně omezováno.

Základní fyzikálně-chemické vlastnosti Typický kovový feromagnetický prvek stříbrobílý, silně lesklý kov. Nikl se dá výborně leštit, je velmi tažný a dá se kovat, svářet a válcovat na plech nebo vytahovat v dráty. Patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony v d-sféře. Ve sloučeninách se vyskytuje především v mocenství Ni+2, existují i sloučeniny Ni+1, zatímco látky obsahující Ni+3 jsou nestálé a působí silně oxidačně.

Ve zředěných minerálních kyselinách se nikl rozpouští, ale hůře než železo. V koncentrovaných kyselinách se rozpouští ještě o něco hůře a koncentrovanou kyselinou dusičnou se pouze pasivuje. Nepůsobí na něj suché halogenovodíky. Za normální teploty je vůči působení vzduchu i vody nikl poměrně stálý a používá se proto často k povrchové ochraně jiných kovů, především železa. V jemně rozptýleném stavu je nikl pyroforický tj. samozápalný na vzduchu. Při zahřívání v čistém kyslíku shoří nikl za jiskření a i s jinými prvky se za vyšší teploty slučuje (chlor, brom, fosfor, arsen, antimon, hliník, bor, křemík, síra…). Je také značně stálý vůči působení alkálií a používá se proto k výrobě zařízení pro práci s alkalickými hydroxidy.

Kovový nikl rozkládá při mírném žáru amoniak na dusík a vodík. Nikl má schopnost pohlcovat velká množství vodíku, a to zejména za zvýšené teploty. Proto se houbovitý nikl využívá jako katalyzátor při hydrogenacích.

Historický vývoj Předměty ze slitin niklu se podařilo nalézt v Číně a jejich stáří je více než 2 000 let. Nikl byl objeven roku 1751 německým chemikem baronem Axelem Frederikem Cronstedtem při pokusech o izolaci mědi z rudy. Nový prvek pojmenoval podle jeho výskytu v rudě nikelinu. V hornické mluvě bylo tehdy slovo nikl hanlivým výrazem pro rudu, ve které horníci očekávali, že bude obsahovat měď, ale při jejím zpracovávání odolávala veškerému úsilí při jejím získávání. Ještě určitou dobu po objevu niklu zastávali někteří chemici názor, že nikelin je měděná ruda. Teprve Torbern Bergman roku 1775 popsal přesněji povahu niklu (jeho podobnost s železem) a připravil nikl v čistém stavu.

Jako relativně lehký prvek je nikl v přírodě poměrně hojně zastoupen. V zemské kůře jeho průměrný obsah činí kolem 100 mg/kg, tj. asi 100 ppm (parts per milion = počet částic na 1 milion částic) a ve výskytu přechodných prvků na zemi se řadí na 7. místo. V mořské vodě se jeho koncentrace pohybuje na úrovni 5,4 mikrogramu v jednom litru. Předpokládá se, že ve vesmíru připadá na jeden atom niklu přibližně 700 000 atomů vodíku.

S ryzím niklem se v přírodě setkáme pouze vzácně ve slitině s železem v železných meteoritech, dopadajících na Zemi z kosmického prostoru. Geologové předpokládají, že velká část niklu přítomného na Zemi je soustředěna v oblasti jejího středu – v zemském jádře – a to právě z analogie s meteority. Nikl má afinitu ke kyslíku i k síře, resp. arzenu a vytváří tedy dva typy ložisek. Jednak primární, sulfidická, ve kterých se nachází v sirnících a arzenidech – sulfid nikelnato-železitý – pentlandit (Ni,Fe)9S8 millerit NiS, nikelin NiAs, breithauptit NiSb, chloantit NiAs2, gersdorfit NiAsS, smaltin (Ni,Co,Fe)As2 a ullmanit NiSbS. Dále sekundární, kyslíkatá, lateritická, vznikající zvětráváním olivínu z ultrabazických hornin zemského pláště, které se dostaly na povrch. Vrstvy zvětralin, nabohacené železem, hliníkem a ochuzené o křemík a se nazývají laterity a vznikají lateritickým zvětráváním. Niklonosné laterity se typicky vyskytují ve zvětralinách hadcových těles, což byly původně olivinické horniny ze zemského pláště, z hloubek okolo 50 km a více. Olivín je na povrchu nestálý, rychle zvětrává. Nikl v něm byl původně vázán jako příměs a zvětráváním přešel do hydrosilikátů niklu, zejména garnieritu (Ni,Mg)3Si2O5(OH) .

Největším současně těženým nalezištěm niklových rud, odkud pochází 1/4 světové produkce niklu, je kanadské Sudbury, které bylo objeveno roku 1883 při výstavbě trati pro Kanadskou pacifickou železnici a nachází se v provincii Ontario. Předpokládá se, že původem těchto rud je obrovský meteorický zásah Země v dávných geologických dobách. Další oblasti s bohatým výskytem niklových rud jsou např. Rusko (zejména okolí sibiřského města Norilsk), Nová Kaledonie, Austrálie, Kuba a Indonésie. Niklové doly na severu Finska byly vládě této země významnou politikou kartou pro udržení nezávislosti při lavírování mezi Sovětským svazem a nacistickým Německem během druhé světové války.

Výroba Nejdůležitější rudy niklu jsou novokaledonský garnierit (Ni,Mg)3Si2O5(OH) a kanadský pyrrhotin s příměsí pentlanditu, který obsahuje průměrně 3 % niklu. Při obou výrobách probíhá získávání niklu přes tyto dva kroky.

2 Ni3S2 + 7 O2 → 6 NiO + 4 SO2 NiO + C → Ni + CO

Při výrobě niklu z garnieritu se využívá mimořádná afinita niklu k síře. Ruda se taví se sloučeninami snadno odštěpujícími síru a tím vzniká Ni3S2 a nečistoty přechází jako křemičitany do strusky. V konvertoru se částečným vypražením, opakovaným tavením s přísadou křemene odstraní železo a zbude tak čistý Ni3S2. Následným pražením se z sulfidu získá oxid nikelnatý. K oxidu nikelnatému se přidá dřevěné uhlí a směs se žíhá, tím se získá práškový nikl nebo se k oxidu nikelnatému a dřevěnému uhlí přidá ještě voda a mouka (jako pojidla), ve formě se vytvarují krychle a při žíhání vzniká nikl v podobě krychlí.

Při výrobě niklu z pyrrhotinu se nejprve pražením snižuje obsah síry v této rudě. Díky vysokému obsahu mědi v rudě se získá směs sulfidu niklu a mědi. Redukcí této směsi se dá získat slitina mědi a niklu. Tato slitina nemá praktický význam, a proto je nutné sulfid mědi a niklu od sebe oddělit. To se provádí oxfordským způsobem. Sulfidy niklu a mědi se taví v šachtové peci s hydrogensíranem sodným a koksem. Při tavení se sulfid niklu usazuje na dně, zatímco sulfid mědi se drží na povrchu taveniny. Po vychladnutí se oddělí horní vrstva od spodní a odstraní se další nečistoty. Po pražení s koksem se získá surový nikl, který obsahuje 95 % niklu a 1–2 % mědi. Surový nikl se buď elektrolyticky rafinuje nebo se zpracovává na čistý nikl karbonylovým způsobem.

Karbonylový způsob je založen na přípravě tetrakarbonylu niklu Ni(CO)4 a jeho následném rozkladu. Při této výrobě se může vycházet ze surového niklu získaného oxfordským způsobem, která probíhá při teplotě 50 °C a působením oxidu uhelnatého za obyčejného tlaku, což je Mondův proces. Karbonyl niklu se dá získat přímo ze sulfidu niklu působením oxidu uhelnatého při tlaku 200 atmosfér a teplotě 200–250 °C. Rozklad karbonylu probíhá za teploty 200 °C a normálním tlaku. Tímto způsobem se získá velmi čistý nikl 99,95 %.

K přečišťování niklu se také používá elektrolytická rafinace. Hlavně u surového niklu, který obsahuje platinu, protože z anodového kalu, který přitom odpadá, může být platina a kovy, které ji doprovází, snadno získány. Nikl získaný tímto způsobem je z 99,99 % čistý.

Využití

Antikorozní ochrana Díky poměrně velmi dobré stálosti kovového niklu vůči atmosférickým vlivům i vodě se často nanáší velmi tenká niklová vrstva na povrchy méně odolných kovů, nejčastěji železa. Nanášení se provádí elektrolyticky obvykle z alkalického prostředí, kde je nikl přítomen jako kyanidový komplex a na pokovovaný předmět je vložen záporný elektrický potenciál, působí tedy jako katoda. Běžně se takto upravují jednoduché pracovní nástroje jako šroubováky nebo klíče, ale také některé chirurgické nástroje a pomůcky se niklují.

Značné odolnosti kovového niklu se využívá při výrobě chemického nádobí, které je možno vystavit účinkům alkalických tavenin jako je hydroxid sodný nebo uhličitan draselný bez výraznějšího poškození. V kyselém prostředí je však nutno použít mnohem dražších kelímků z platiny nebo slitin platiny s rhodiem nebo iridiem.

Slitiny náhled|200px|vpravo|Holandské mince z niklu Ocelářský průmysl je rozhodně největším světovým spotřebitelem niklu. Společně se železem, chromem a manganem patří mezi základní kovy, které slouží pro legování ocelí. Je třeba mít na zřeteli, že se ve světě vyrábí tisíce typů ocelí, které se značně liší svým složením, způsobem zpracování a následně pak svými vlastnostmi jako je tvrdost, pevnost, kujnost, chemická odolnost a další. V řadě z nich je kromě výše uvedených prvků přítomno i menší množství dalších kovů (molybden, wolfram, kobalt a další).

Nikl je součástí velmi odolných slitin jako například Monelův kov o složení 68 % Ni a 32 % Cu (někdy se také uvádí alternativní poměr 67:28 nebo 65:30)Dubbel: Inženýrská příručka pro stavbu strojů; SNTL, Praha 1961; se stopami manganu a železa, používaný pro výrobu lodních šroubů, ale i kuchyňského vybavení. Slitiny Alnico se skládají z železa, kobaltu, niklu, hliníku a mědi a slouží pro výrobu velmi silných permanentních magnetů.

Nikl patří již dlouhou dobu mezi mincovní kovy, používané k ražení mincí, obvykle ve slitinách s mědí. V Československu se z těchto slitin razily především mince o nominální hodnotě 1, 2 a 5 Kčs. V současné ČR jsou mince 1, 2 a 5 Kč pouze niklem povrchově upravené (ražené z oceli, povrchová vrstva niklová). V USA a Kanadě se pro minci o hodnotě 5 centů používá označení nickel, do češtiny překládané jako niklák. V Evropské unii se tento fakt týká mincí s nominální hodnotou 1 a 2 eura. Tyto mince se vyrábí ze slitiny, která se nazývá nové stříbro neboli argentan či nejčastěji alpaka. Tato slitina se do Evropy dostala z Činy v 18. století, ale mince se z ní začaly razit ve velkém až po druhé světové válce. Alpaka obsahuje 10–20 % niklu, 40–70 % mědi a 5–40 % zinku. Slitina je stříbrobílá, chemicky odolná a dá se dobře leštit.

Významné místo patří slitinám niklu ve výrobě šperků. V současné době poměrně populární bílé zlato je obvykle právě slitinou zlata, niklu, mědi a zinku. Nevýhodou těchto materiálů je skutečnost, že řada lidí trpí alergií na slitiny niklu a nemůže šperky z těchto slitin dlouhodobě nosit.

Zvláštní slitina niklu a stříbra slouží často jako materiál pro výrobu elektrických kontaktů v silně namáhaných silnoproudých spínačích, které musí vykazovat vysokou úroveň spolehlivosti. Jde o směs o složení přibližně 90 % Ag + 10 % Ni. Protože oba kovy se při tomto poměru v tavenině nemísí, vyrábí se slitina poměrně komplikovaným spékáním práškového materiálu za vysokých teplot a tlaků. Výslednému materiálu potom stříbro dodává vynikající elektrickou vodivost a nikl zase výhodné mechanické vlastnosti – tvrdost a odolnost proti otěru. Nikl se využívá také ve slitinách s tvarovou pamětí jako slitina NiTi.

K dalším významným slitinám niklu patří konstantan, což je slitina 40 % niklu a 60 % mědi, která má konstantní velký elektrický odpor. Nikelin je slitina 31 % niklu, 56 % mědi, 13 % zinku a má také velký konstantní elektrický odpor. Manganin je slitina 4 % niklu, 12 % manganu a 84 % chromu, která se používá na zhotovování přesných elektrických odporů. Chromnikl neboli nichrom je slitina 60 % niklu a 40 % chromu a využívá se na vinutí elektrických pecí.

Galvanické články vpravo|180px|náhled|Galvanické niklové články s možností opětného dobíjení Značná část celosvětově vyrobeného niklu končí v současné době jako surovina pro elektrické články s možností mnohonásobného dobíjení. Nikl-hydridové baterie slouží jako zdroj elektrické energie v řadě mobilních telefonů, přenosných svítilen a dalších.

Źródło i licencja