Nickel
银白色金属，铁磁性，不锈钢和电池的关键成分。
镍是一种化学元素，符号为Ni，原子序数为28。它是一种银白色、略带金色光泽的金属，被归类为坚硬且具有延展性的过渡金属。虽然纯镍具有化学活性，但在标准条件下，大块镍与空气反应缓慢，因为表面会形成一层氧化镍钝化层，从而防止进一步腐蚀。尽管如此，纯天然镍在地壳中仅以微量存在，通常存在于超基性岩以及未暴露于地球大气层外氧气的较大镍铁陨石中。陨石镍与铁结合存在，反映了这两种元素作为超新星核合成主要产物的起源；铁镍混合物被认为构成了地球的外核和内核。镍作为天然陨石镍铁合金的使用可追溯到公元前3500年。该元素于1751年由阿克塞尔·弗雷德里克·克龙斯泰特首次分离和分类，他最初在瑞典海尔辛兰省洛斯镇的钴矿中将其矿石误认为铜矿物。其名称源自德国矿工神话中的一个淘气精灵“Nickel”，因为镍矿物可能像铜矿石一样呈绿色，被称为“kupfernickel”（Nickel的铜），因为它们不产生铜。经济上重要的镍矿石是硫化物，尤其是镍黄铁矿，尽管地壳中的大部分镍以氧化物形式存在。主要产地包括印度尼西亚苏拉威西岛、加拿大萨德伯里地区、新喀里多尼亚、西澳大利亚和俄罗斯诺里尔斯克。镍是四种在室温附近具有铁磁性的元素之一，与铁、钴和钆并列。部分基于镍的铝镍钴永磁体，其强度介于铁基磁体和稀土磁体之间。全球约68%的产量用于不锈钢，此外还用于镍基和铜基合金、电镀、合金钢、铸造厂和可充电电池（包括电动汽车中的电池）。镍广泛用于硬币，但镀镍物品可能引发镍过敏。作为化合物，它可用作加氢催化剂、可充电电池的阴极材料，以及颜料和金属表面处理。它也是一些微生物和植物的必需营养素，这些生物含有以镍为活性位点的酶。
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.
背景与渊源
镍是一种银白色、略带金色光泽的金属，可抛光出高光泽。它坚硬、具有可锻性和延展性，并且是仅有的四种在室温或接近室温下具有铁磁性的元素之一，与铁、钴和钆并列。其居里温度为355°C，在此温度以上块状镍变为非磁性。该金属具有面心立方晶体结构，晶格参数为0.352 nm，原子半径为0.124 nm，这种结构在至少70 GPa的压力下保持稳定。镍对于过渡金属而言具有相对高的导电性和导热性。纯镍具有化学活性，但在标准条件下，大块镍与空气反应缓慢，因为表面会形成一层氧化镍钝化层，防止进一步腐蚀。纯天然镍在地壳中仅以微量存在，通常存在于超基性岩以及未暴露于大气层外氧气的较大镍铁陨石内部。陨石镍与铁结合存在，反映了这些元素作为超新星核合成主要最终产物的起源。铁镍混合物被认为构成了地球的外核和内核。镍矿物可能像铜矿石一样呈绿色，历史上被称为“kupfernickel”（Nickel的铜），因为它们不产生铜。
阅读指南
镍的重要性在于其广泛的工业应用和独特的物理性质。全球约68%的产量用于不锈钢，此外还用于镍基和铜基合金（10%）、电镀（9%）、合金钢（7%）、铸造厂（3%）和可充电电池（包括电动汽车中的电池，占4%）。它是仅有的四种在室温附近具有铁磁性的元素之一，与铁、钴和钆并列，并用于中等强度的铝镍钴永磁体。镍也是一些微生物和植物的必需营养素。该元素的电子排布存在争议，化学教科书引用[Ar] 3d8 4s2，但研究文献将[Ar] 3d9 4s1列为基态。其同位素包括镍-62，它具有所有核素中最高的每核子结合能，以及镍-78，被认为在超新星核合成中很重要。镍的遗产包括其在硬币制造中的作用，尽管镀镍物品有时会引发镍过敏，其化合物用作加氢催化剂和可充电电池的阴极。
发现、命名与古老根源
镍作为一种独特元素的身份于1751年在瑞典海尔辛兰省洛斯镇的钴矿中得到确认，阿克塞尔·弗雷德里克·克龙斯泰特在最初将其矿石误认为铜矿物后分离出了这种金属。其名称本身带有淘气的回响，源自德国采矿民间传说，其中“Nickel”——类似于“老尼克”——是一个恶作剧精灵。含镍矿石通常呈绿色，模仿铜矿床，但在冶炼时却不产生铜，导致矿工将其视为“kupfernickel”，字面意思是“Nickel的铜”。尽管其正式分类较晚，但人类与这种金属的实用关系却可追溯到遥远的古代。天然陨石镍铁合金的使用可追溯到公元前3500年，这意味着古代人民在其科学身份被阐明之前很久就已经塑造和加工了这种元素。在现代元素周期表上，镍带有符号Ni和原子序数28，牢固地将其定位在过渡金属之中。
物理特性与原子结构
镍呈现为银白色金属，带有微弱的金色底色，可抛光出明亮光泽。它坚硬、具有可锻性和延展性，并且在过渡金属中表现出显著高的导电性和导热性。其晶格为面心立方，晶格参数为0.352纳米，原子半径为0.124纳米，这种结构在超过70吉帕的压力下保持稳定。其最显著的特性可能是在室温或接近室温下的铁磁性，这一特性在所有元素中仅与铁、钴和钆共享。在其居里温度355摄氏度以上时，块状镍会失去这种磁性特征。理想镍晶体的理论抗压强度达到34吉帕，但由于位错的形成和移动，这一数值在块体材料中从未实现，尽管镍纳米颗粒已实现了这一强度。原子物理学中一个持续的争论涉及基态电子排布是[Ar] 3d⁸ 4s²还是[Ar] 3d⁹ 4s¹，这两组精细结构能级在能量上重叠。
恒星锻造与同位素遗产
镍最深层的叙事写在恒星之火中。与铁一起，它是超新星核合成的主要最终产物，铁镍混合物被认为构成了地球的外核和内核。在其同位素中，镍-62具有所有核素中最高的每核子结合能，为8.7946 MeV，甚至超过了更丰富的铁同位素。然而，铁在宇宙丰度中占主导地位，因为镍在恒星内部会经历快速的光致蜕变。放射性镍-56在硅燃烧过程中形成，由Ia型超新星大量释放；它通过电子捕获衰变为钴-56，最终衰变为铁-56，塑造了这些爆炸中晚期观测到的特征光变曲线。镍-60是已灭绝的放射性核素铁-60（半衰期260万年）的子体产物，为了解太阳系早期历史提供了窗口。地外物质中镍-60丰度的变化可能揭示我们的行星系统是如何形成的。
工业主力与生物作用
镍的经济生命由其在不锈钢中的作用主导，不锈钢消耗了全球约68%的产量。另外10%用于镍基和铜基合金，9%用于电镀，7%用于合金钢，3%用于铸造厂。剩余的4%支持多种应用，包括可充电电池——电动汽车的关键组件——以及硬币制造，其中镍的耐腐蚀性备受珍视。部分基于镍的铝镍钴永磁体在强度上介于铁基磁体和稀土磁体之间。在冶金之外，镍化合物用作加氢催化剂、电池阴极、颜料和金属表面处理。经济上重要的矿石是硫化物，特别是镍黄铁矿，开采于苏拉威西岛、加拿大萨德伯里地区（其矿床可能具有陨石起源）、新喀里多尼亚、西澳大利亚和俄罗斯诺里尔斯克。在生物学上，镍作为某些微生物和植物的必需微量营养素，占据专门酶中的活性位点。