Nikl

Nikl patří mezi přechodné kovy, je součástí mnoha důležitých slitin. Využívá se také jako povrchová (antikorozní) úprava kovových předmětů. V přírodě se vyskytuje pět stabilních izotopů. Pro NMR je využitelný ⁶¹Ni.

Atomové číslo	28	Počet stabilních izotopů	5
Atomová hmotnost	58,6934	Elektronová konfigurace	[Ar] 3d⁸ 4s²
Teplota tání [°C]	1455	Teplota varu [°C]	3003
Elektronegativita	1,91	Hustota [g.cm^-3]	8,908

Kovový nikl. Zdroj: Materialscientist/Commons

Obsah

Jako prvek byl nikl objeven a popsán až v 18. století, ale jeho slitiny byly používány už ve staré Číně. V přírodě je zastoupen hojně, v ryzím stavu pouze ve slitině s železem v meteoritech. Má vysokou afinitu ke kyslíku, síře a arsenu, jejichž sloučeniny tvoří hlavní zdroje niklu.

Izotopy

Přírodní nikl se skládá z šesti izotopů, pět z nich je stabilních. Dále známe 26 radioizotopů.

Izotop	Zastoupení [%]	Poločas přeměny
⁵⁸Ni	68,1	stabilní
⁵⁹Ni	stopové	7,6 ×10⁴ let
⁶⁰Ni	26,2	stabilní
⁶¹Ni	1,14	stabilní
⁶²Ni	3,63	stabilní
⁶⁴Ni	0,926	stabilní

⁶³Ni

Izotop ⁶³Ni má poločas přeměny 100,1 let, mechanismem β^– vzniká ⁶³Cu:[14]

$$^{63}\textrm{Ni }\rightarrow\ ^{63}\textrm{Cu}\ +\ \beta^-$$

Připravuje se ostřelováním niklové fólie neutrony v jaderném reaktoru:

$$^{62}\textrm{Ni }+\ \textrm{n}\ \rightarrow\ ^{63}\textrm{Ni}\ +\ \gamma$$

Využívá se jako zdroj β^– záření pro detekci plynů, např. v detektorech chlóru nebo jako součást detektoru u plynové chromatografie (GC).

Výskyt

Hlavními minerály niklu jsou nikelin (NiAs), pentlandit ((Fe,Ni)₉S₈) a millerit (NiS).[9-12]

Výroba niklu

Surový nikl se získává pražením a redukcí sulfidických rud. Sulfid se oxiduje na oxid, který lze využít v ocelářství, příp. se následně redukuje koksem na kovový nikl.

Rafinace surového niklu se provádí elektrolyticky, surový nikl slouží jako anoda, katodou je čistý nikl a elektrolytem vodný roztok síranu nebo chloridu nikelnatého. Během elektrolýzy se rozpouští nikl z anody a vylučuje se na katodě, získaný kov má čistotu vyšší než 99,9 %.

Druhou metodu výroby čistého niklu vyvinul L. Mond v roce 1889.[8] Oxid se redukuje vodním plynem (směs H₂O a CO), čímž dojde ke vzniku těkavého Ni(CO)₄ (tetrakarbonyl niklu), ten se rozloží za vyšší teploty (220–250 °C) na nikl a oxid uhelnatý. Čistota takto připraveného niklu je 99,95 %.

Využití niklu

Většina niklu se využívá pro přípravu nerezové oceli a dalších slitin.

V chemickém průmyslu a výzkumu je důležitou slitinou Monelův kov, což je slitina niklu (52-67 %), mědi a malého množství manganu a železa. Využívá se pro práci v agresivním prostředí, např. s plynným fluorem. Poprvé byl Monel vyroben roku 1901.

Ventil z Monelu. Zdroj: Heather Smith/Commons

Raneyův nikl

Šedý prášek, složený převážně z niklu, vyrábí se ze slitiny niklu s hliníkem. Ta je rozpuštěna v hydroxidu sodném, hliník reaguje s hydroxidem za vývoje vodíku, který se nasorbuje na povrch zrn niklu (ten s hydroxidem sodným nereaguje).

2 Al + 2 NaOH + 6 H₂O → 2 Na[Al(OH)₄] + 3 H₂

Díky obsahu vodíku je Raneyův nikl pyroforický a musí se uchovávat tak, aby se zabránilo kontaktu se vzdušným kyslíkem. Využívá se jako hydrogenační katalyzátor v organické syntéze. Poprvé byl použit v roce 1926 americkým inženýrem Murrayem Raneyem k hydrogenaci rostlinného oleje.[13]

V současnosti se používá ve velkém množství průmyslových aplikací, např. při redukci benzenu na cyklohexan.

Redukce benzenu na cyklohexan katalyzovaná Raneyovým niklem.

Slitina Ni-Cr

Slitina 90 % niklu s 10 % chromu se využívá při konstrukci termočlánků.

Chemické vlastnosti

Reaktivita niklu je podobná jako reaktivita kobaltu. Rozpouští se ve zředěných minerálních kyselinách, v koncentrované kyselině dusičné se pasivuje. Ve vodných roztocích hydroxidů je kovový nikl stabilní. Oxidace vzduchem probíhá až za vyšší teploty.

Nikl vytváří sloučeniny v oxidačních číslech I, II, III a IV. Nejběžnější jsou sloučeniny nikelnaté. Komplexy Ni^I jsou vzácné, tento oxidační stav je důležitý pro funkci enzymů, např. [NiFe]-hydrogenasy. Sloučeniny Ni^III jsou velmi dobrá oxidační činidla, prvními připravenými sloučeninami s tímto iontem byly trihalofosfiny [Ni(PPh₃)X₃]. Sloučeniny Ni^IV jsou vzácné a jejich příprava vyžaduje použití velmi silných oxidačních činidel, příkladem takové sloučeniny je směsný oxid BaNiO₃.

Halogenidy

Známe všechny čtyři nikelnaté halogenidy. Bezvodý fluorid nikelnatý lze připravit reakcí bezvodého fluorovodíku s chloridem nikelnatým nebo jeho tetrahydrátem, příp. reakcí fluoru s chloridem nikelnatým při teplotě 350 °C:

NiCl₂ + F₂ → NiF₂ + Cl₂

Hydratovaný lze připravit reakcí uhličitanu nikelnatého s roztokem fluorovodíku.

Oxidy

Oxid nikelnatý, NiO, je zelená pevná látka. Není rozpustný ve vodě, krystaluje ve struktuře NaCl. Můžeme ho vyrobit termickým rozkladem uhličitanu nebo dusičnanu nikelnatého. Přímým spalováním niklu v kyslíku NiO nepřipravíme. Oxidace totiž probíhá pouze částečně a vznikají nestechiometrické oxidy.

Oxid nikelnatý. Zdroj: Ondřej Mangl/Commons

NMR

	⁶¹Ni
Spin	3/2
Zastoupení v přírodě [%]	1,1399
Citlivost vzhledem k ¹H	0,00359
Rezonanční frekvence v poli 1 T	3,8114

Měření ⁶¹Ni NMR spekter není úplně triviální, protože jádro má nízké zastoupení i citlivost. Je také kvadrupolární, takže v případě nesymetrického uspořádání okolo Ni centra jsou signály velice široké. Hodnoty chemických posunů závisejí silně na rozpouštědle. Standardem je Ni(CO)₄, který je ovšem toxický, proto se častěji využívá Ni(PMe₃)₄, jehož posun v THF-d₈ je 40 ppm, v toluenu-d₈ se signál posune na 15,2 ppm, v benzenu-d₆ je posun 35 ppm. Velikost jednovazebné interakce je ¹J_(P-Ni) = 287 Hz.

Hodnoty chemického posunu a interakční konstanty⁷

Sloučenina	δ [ppm]	J(⁶¹Ni,³¹P) [Hz]
Ni(PMe₃)₄	40	285
Ni[P(OMe)₃]₄	-742	398
Ni(PF₃)₄	-929	482
Ni(PCl₃)₄	267	450
Ni(C₂H₄)₂(PMe₃)	-866
Ni(PPh₃)₄	515
Ni(P(OPh)₃)₄	-587 nebo -576	400

Odkazy

Komplex [Ni(dppp)(η2-C60)]
Nikl na české wikipedii
Nikl na anglické wikipedii
Ni NMR
Substituent effects on 61Ni NMR chemical shifts
Nuclear magnetic resonance and nuclear quadrupole resonance studies of ⁶¹Ni in heavy fermion compounds Ce₇Ni₃
Structural and Crystallographic Information from ⁶¹Ni Solid-State NMR Spectroscopy: Diamagnetic Nickel Compounds
Action of carbon monoxide on nickel
Millerit
Nikelin
Pentlandit
Nikl a titan – (ne)známé kovy
Murray Raney of Chattanooga and nickel catalysts
HÁLA, Jiří. Radioaktivní izotopy. Tišnov: Sursum, 2013. ISBN 978-80-7323-248-1.

Izotopy

⁶³Ni

Výskyt

Výroba niklu