Nickel
銀白色の金属、強磁性、ステンレス鋼と電池の鍵。
ニッケルは、元素記号Ni、原子番号28の化学元素である。わずかに金色がかった銀白色の光沢のある金属で、硬くて展性のある遷移金属に分類される。純粋なニッケルは化学的に反応性が高いが、大きな塊では標準状態で空気との反応が遅い。これは表面に酸化ニッケルの不動態層が形成され、さらなる腐食を防ぐためである。それにもかかわらず、純粋な自然ニッケルは地球の地殻にごく微量しか存在せず、通常は超苦鉄質岩や、地球の大気圏外で酸素にさらされなかった大型のニッケル・鉄隕石の中に見られる。隕石中のニッケルは鉄と結合して存在し、両元素が超新星元素合成の主要な生成物であるという起源を反映している。鉄とニッケルの混合物は地球の外核と内核を構成すると考えられている。ニッケル（天然の隕石性ニッケル・鉄合金として）の使用は紀元前3500年まで遡ることができる。この元素は1751年にアクセル・フレドリク・クローンステットによって初めて単離・分類されたが、彼は当初、スウェーデンのヘルシングランド地方ロースのコバルト鉱山でその鉱石を銅鉱物と誤認した。その名称は、ドイツの鉱夫神話に登場するいたずら好きの妖精「ニッケル」に由来する。ニッケル鉱物は銅鉱石のように緑色であることがあり、銅を産出しないことからkupfernickel（ニッケルの銅）と呼ばれたためである。経済的に重要なニッケル鉱石は硫化物、特にペントランダイトであるが、地殻中のニッケルの大部分は酸化物として存在する。主な生産地は、インドネシアのスラウェシ島、カナダのサドベリー地域、ニューカレドニア、西オーストラリア、ロシアのノリリスクである。ニッケルは、鉄、コバルト、ガドリニウムと並んで、室温付近で強磁性を示す4つの元素のうちの1つである。ニッケルを一部に使用したアルニコ永久磁石は、鉄系磁石と希土類磁石の中間の強度を持つ。世界生産量の約68%がステンレス鋼に使用され、その他にニッケル基合金や銅基合金、めっき、合金鋼、鋳物、そして電気自動車用を含む充電式電池に使用されている。ニッケルは硬貨に広く使用されているが、ニッケルめっきされた物体はニッケルアレルギーを引き起こす可能性がある。化合物としては、水素化の触媒、充電式電池の正極材料、顔料や金属表面処理に使用される。また、ニッケルを活性部位とする酵素を持つ一部の微生物や植物にとって必須の栄養素でもある。
Quick Facts
- Atomic number
- 28
- Discoverer
- Axel Fredrik Cronstedt
- Category
- transition metal
- Primary use
- stainless steel (68% of world production)
Facts from the source article.
背景と経緯
ニッケルは、わずかに金色がかった銀白色の光沢のある金属で、高い研磨が可能である。硬く、展性と延性に富み、鉄、コバルト、ガドリニウムと並んで、室温またはその付近で強磁性を示すわずか4つの元素のうちの1つである。そのキュリー温度は355°Cであり、これを超えるとバルクのニッケルは非磁性になる。この金属は面心立方格子の結晶構造を持ち、格子定数は0.352 nm、原子半径は0.124 nmであり、この構造は少なくとも70 GPaまでの圧力下で安定である。ニッケルは遷移金属としては比較的高い電気伝導率と熱伝導率を示す。純粋なニッケルは化学的に反応性が高いが、大きな塊では標準状態で空気との反応が遅い。これは表面に酸化ニッケルの不動態層が形成され、さらなる腐食を防ぐためである。純粋な自然ニッケルは地球の地殻にごく微量しか存在せず、通常は超苦鉄質岩や、大気圏外で酸素にさらされなかった大型のニッケル・鉄隕石の内部に見られる。隕石中のニッケルは鉄と結合して存在し、これらの元素が超新星元素合成の主要な最終生成物であるという起源を反映している。鉄とニッケルの混合物は地球の外核と内核を構成すると考えられている。ニッケル鉱物は銅鉱石のように緑色であることがあり、銅を産出しないことから歴史的にkupfernickel（ニッケルの銅）として知られていた。
読者ガイド
ニッケルの重要性は、その広範な産業用途とユニークな物理的特性にある。世界生産量の約68%がステンレス鋼に使用され、その他にニッケル基合金および銅基合金（10%）、めっき（9%）、合金鋼（7%）、鋳物（3%）、そして電気自動車用を含む充電式電池（4%）に使用されている。これは、鉄、コバルト、ガドリニウムと並んで、室温付近で強磁性を示すわずか4つの元素のうちの1つであり、中間的な強度を持つアルニコ永久磁石に使用されている。ニッケルはまた、一部の微生物や植物にとって必須の栄養素でもある。この元素の電子配置は議論の的となっており、化学の教科書では[Ar] 3d8 4s2と記述される一方、研究文献では[Ar] 3d9 4s1が基底状態として引用されている。その同位体には、あらゆる核種の中で最も高い核子あたりの結合エネルギーを持つニッケル62や、超新星元素合成において重要と考えられているニッケル78が含まれる。ニッケルの遺産には硬貨における役割が含まれるが、ニッケルめっきされた物体は時にニッケルアレルギーを引き起こすことがあり、その化合物は水素化の触媒や充電式電池の正極として機能する。
発見、命名、そして古代のルーツ
ニッケルが明確な元素として特定されたのは1751年、スウェーデンのヘルシングランド地方ロースのコバルト鉱山においてである。アクセル・フレドリク・クローンステットは、その鉱石を当初銅鉱物と誤認した後、この金属を単離した。その名称自体にはいたずらっぽい響きが込められており、ドイツの鉱山伝承において「ニッケル」（古い悪魔の呼称に類似）はいたずら好きの妖精であった。ニッケルを含む鉱石はしばしば緑色を呈し、銅鉱床に似ていたが、製錬しても銅が得られなかったため、鉱夫たちはそれらをkupfernickel（文字通り「ニッケルの銅」）と呼んで退けた。正式な分類は遅れたものの、人類とこの金属との実用的な関係は驚くほど古くまで遡る。天然の隕石性ニッケル・鉄合金は、紀元前3500年には人類によって使用されていたことが確認されており、古代の人々はその科学的な正体が明らかにされるずっと以前からこの元素を成形し加工していたことを意味する。現代の周期表において、ニッケルは元素記号Ni、原子番号28を持ち、遷移金属の中に確固たる位置を占めている。
物理的特性と原子構造
ニッケルは、かすかな金色の色合いを帯びた銀白色の金属で、美しい光沢を放つ。硬く、展性と延性に富み、遷移金属の中でも特に高い電気伝導率と熱伝導率を示す。その結晶格子は面心立方格子であり、格子定数は0.352ナノメートル、原子半径は0.124ナノメートルで、この構造は70ギガパスカルを超える圧力下でも安定である。おそらく最も注目すべき特性は、室温またはその付近での強磁性であり、これは全元素の中で鉄、コバルト、ガドリニウムのみが共有する性質である。摂氏355度のキュリー温度を超えると、バルクのニッケルはこの磁気特性を失う。理想的なニッケル結晶の理論上の圧縮強度は34ギガパスカルに達するが、これは転位の形成と移動のためにバルク材料では決して実現されない数値である。ただし、ニッケルナノ粒子では達成されている。原子物理学における進行中の議論として、基底状態の電子配置が[Ar] 3d⁸ 4s²であるか[Ar] 3d⁹ 4s¹であるかがあり、2組の微細構造準位がエネルギー的に重なっている。
恒星での生成と同位体の遺産
ニッケルの最も深い物語は恒星の火の中で書かれた。鉄と並んで、超新星元素合成の主要な最終生成物であり、鉄とニッケルの混合物が地球の外核と内核の両方を構成していると考えられている。その同位体の中で、ニッケル62はあらゆる核種の中で最も高い核子あたりの結合エネルギー（8.7946 MeV）を持ち、これはより豊富な鉄同位体をも上回る。しかし、宇宙における存在量では鉄が優勢である。これは、ニッケルが恒星内部で急速な光分解を受けるためである。放射性のニッケル56は、ケイ素燃焼過程で生成され、Ia型超新星によって莫大な量が放出される。これが電子捕獲によってコバルト56、最終的に鉄56へと崩壊する過程が、これらの爆発の中間から後期にかけて観測される特徴的な光度曲線を形成する。ニッケル60は、半減期260万年の消滅した放射性核種である鉄60の娘生成物であり、太陽系の初期の歴史を知る手がかりを提供する。地球外物質中のニッケル60存在量の変動は、私たちの惑星系がどのように形成されたかについての詳細を明らかにする可能性がある。
産業の主力と生物学的役割
ニッケルの経済的な寿命は、世界生産量の約68%を消費するステンレス鋼における役割によって支配されている。さらに10%がニッケル基合金および銅基合金に、9%がめっきに、7%が合金鋼に、3%が鋳物に使用される。残りの4%は、電気自動車の重要な構成要素である充電式電池や、耐食性が評価される硬貨など、多様な用途を支えている。ニッケルを一部に使用したアルニコ永久磁石は、鉄系磁石と希土類磁石の中間の強度を占める。冶金学以外では、ニッケル化合物は水素化触媒、電池の正極、顔料、金属表面処理に使用される。経済的に重要な鉱石は硫化物、特にペントランダイトであり、インドネシアのスラウェシ島、カナダのサドベリー地域（その鉱床は隕石起源の可能性がある）、ニューカレドニア、西オーストラリア、ロシアのノリリスクで採掘されている。生物学的には、ニッケルは特定の微生物や植物にとって必須の微量栄養素として機能し、特殊な酵素の活性部位を占めている。