Nickel (Ni, Z = 28): Ein Widerstandsfähiges Metall mit Magnetischen Eigenschaften

Modell des Nickelatoms — Vereinfachtes Atommodell des Nickelatoms. Das häufigste Isotop ist \(\,^{58}\mathrm{Ni}\,\) mit seinen 28 Protonen, 28 Elektronen und 30 Neutronen.
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Geschichte der Entdeckung von Nickel

Nickel wurde erstmals im Jahr 1751 vom schwedischen Chemiker und Mineralogen Axel Fredrik Cronstedt (1722-1765) isoliert. Cronstedt gewann dieses neue Metall aus einem rötlich-braunen Erz namens Kupfernickel (wörtlich "Kupfer des Teufels" auf Deutsch), das von Bergleuten so genannt wurde, die es mit Kupfererz verwechselten, aber kein Kupfer daraus gewinnen konnten. Der Name Nickel stammt von Nickel, einer Verkleinerungsform von Nikolaus, und bezieht sich auf einen schelmischen Geist aus der germanischen Folklore, der das Erz verzaubert haben soll. Obwohl Nickel enthaltende Legierungen in China bereits 200 v. Chr. zur Herstellung weißer Münzen namens Paitung verwendet wurden, war die elementare Natur von Nickel vor Cronstedts Arbeiten nicht bekannt. Das chemische Symbol Ni wurde im 19. Jahrhundert international übernommen.

Struktur und Grundlegende Eigenschaften

Nickel (Symbol Ni, Ordnungszahl 28) ist ein Übergangsmetall der Gruppe 10 des Periodensystems. Sein Atom besitzt 28 Protonen, in der Regel 30 Neutronen (beim häufigsten Isotop \(\,^{58}\mathrm{Ni}\)) und 28 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Ar] 3d⁸ 4s².
Bei Raumtemperatur ist Nickel ein festes, silberweißes Metall mit einem leichten goldenen Schimmer, dicht (Dichte ≈ 8,908 g/cm³) und hart. Es ist eines der vier natürlichen ferromagnetischen Elemente (zusammen mit Eisen, Kobalt und Gadolinium) und kann dauerhaft magnetisiert werden. Nickel besitzt eine hervorragende Beständigkeit gegen Korrosion und Oxidation, selbst bei hohen Temperaturen, was es für Hochleistungslegierungen wertvoll macht. Es ist auch duktil und formbar, was eine einfache Bearbeitung ermöglicht. Schmelzpunkt von Nickel (flüssiger Zustand): 1.728 K (1.455 °C). Siedepunkt von Nickel (gasförmiger Zustand): 3.186 K (2.913 °C).

Tabelle der Nickel-Isotope

Nickel-Isotope (Wichtige Physikalische Eigenschaften)
Isotop / Notation	Protonen (Z)	Neutronen (N)	Atommasse (u)	Natürliche Häufigkeit	Halbwertszeit / Stabilität	Zerfall / Anmerkungen
Nickel-58 — \(\,^{58}\mathrm{Ni}\,\)	28	30	57.935343 u	≈ 68,08 %	Stabil	Dominantes Isotop von natürlichem Nickel, das häufigste.
Nickel-60 — \(\,^{60}\mathrm{Ni}\,\)	28	32	59.930786 u	≈ 26,22 %	Stabil	Zweit häufigstes Isotop von Nickel.
Nickel-61 — \(\,^{61}\mathrm{Ni}\,\)	28	33	60.931056 u	≈ 1,14 %	Stabil	Einziges stabiles ungerade-ungerade Isotop von Nickel.
Nickel-62 — \(\,^{62}\mathrm{Ni}\,\)	28	34	61.928345 u	≈ 3,63 %	Stabil	Besitzt die höchste Bindungsenergie pro Nukleon aller Atomkerne.
Nickel-64 — \(\,^{64}\mathrm{Ni}\,\)	28	36	63.927966 u	≈ 0,93 %	Stabil	Schwerstes und am wenigsten häufiges stabiles Isotop von natürlichem Nickel.
Nickel-56 — \(\,^{56}\mathrm{Ni}\,\)	28	28	55.942132 u	Synthetisch	≈ 6,08 Tage	Radioaktiv, in großen Mengen in Supernovae vom Typ Ia produziert. Sein Zerfall zu \(\,^{56}\mathrm{Co}\) und dann zu \(\,^{56}\mathrm{Fe}\) speist die Leuchtkraft von Supernovae.
Nickel-59 — \(\,^{59}\mathrm{Ni}\,\)	28	31	58.934347 u	Kosmische Spur	≈ 76.000 Jahre	Langlebiges radioaktives Isotop, zur Datierung von Meteoriten und zur Erforschung der Geschichte des Sonnensystems verwendet.
Nickel-63 — \(\,^{63}\mathrm{Ni}\,\)	28	35	62.929669 u	Synthetisch	≈ 100 Jahre	Radioaktiv, in Sprengstoffdetektoren und bestimmten elektronischen Geräten verwendet.

Elektronenkonfiguration und Elektronenschalen von Nickel

N.B.:
Die Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind (neues Fenster).

Nickel hat 28 Elektronen, die auf vier Elektronenschalen verteilt sind. Seine vollständige Elektronenkonfiguration lautet: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸ 4s², oder vereinfacht: [Ar] 3d⁸ 4s². Diese Konfiguration kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(16) N(2).

Detaillierte Struktur der Schalen

K-Schale (n=1): Enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): Enthält 8 Elektronen, verteilt auf 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): Enthält 16 Elektronen, verteilt auf 3s² 3p⁶ 3d⁸. Die 3s- und 3p-Orbitale sind vollständig, während die 3d-Orbitale 8 von 10 möglichen Elektronen enthalten.
N-Schale (n=4): Enthält 2 Elektronen in der 4s-Unterschale. Diese Elektronen sind die ersten, die an chemischen Bindungen beteiligt sind.

Valenzelektronen und Oxidationszustände

Die 10 Elektronen der äußeren Schalen (3d⁸ 4s²) sind die Valenzelektronen von Nickel. Diese Konfiguration erklärt seine chemischen Eigenschaften:
Durch den Verlust der 2 4s-Elektronen bildet Nickel das Ni²⁺-Ion (Oxidationsstufe +2), den häufigsten und stabilsten Zustand in wässriger Lösung.
Durch den Verlust der 2 4s-Elektronen und 1 3d-Elektrons bildet es das Ni³⁺-Ion (Oxidationsstufe +3), das seltener ist, aber in einigen Verbindungen vorkommt.
Die Oxidationsstufen 0, +1 und +4 existieren in spezifischen Verbindungen, sind aber selten.

Chemische Reaktivität

Nickel ist bei Raumtemperatur ein relativ unreaktives Metall. Es bildet schnell eine dünne Schicht aus Nickeloxid (NiO), die es vor weiterer Oxidation und Korrosion schützt. Diese natürliche Passivierung verleiht Nickel seine bemerkenswerte Korrosionsbeständigkeit in Luft, Süßwasser und Meerwasser. Nickel reagiert nicht mit Basen und widersteht vielen verdünnten Säuren, löst sich aber langsam in verdünnter Salpetersäure und schneller in konzentrierten oxidierenden Säuren. Bei hohen Temperaturen reagiert Nickel mit Sauerstoff zu NiO, mit Schwefel zu Sulfiden und mit Halogenen zu Halogeniden. Nickel bildet hauptsächlich Verbindungen mit der Oxidationsstufe +2, deren Salze in wässriger Lösung meist grün sind. Nickel kann mit vielen Liganden Koordinationskomplexe bilden, eine wichtige Eigenschaft in der Katalyse.

Industrielle und Technologische Anwendungen von Nickel

in rostfreien Stählen (etwa 70 % der weltweiten Nickelproduktion), die Korrosions- und Hitzebeständigkeit verleihen;
für Superlegierungen, die in Flugzeugturbinen, Kraftwerken und Raketenmotoren verwendet werden;
in wiederaufladbaren Batterien (Ni-Cd, Ni-MH und Lithium-Ionen-Batterien mit Nickel);
für die galvanische Vernickelung zum Schutz anderer Metalle vor Korrosion;
bei der Herstellung von Münzen in Legierung mit Kupfer;
als Katalysator bei der Hydrierung von Pflanzenölen und vielen chemischen Reaktionen;
für Permanentmagnete in Legierung mit anderen Metallen (Alnico, SmCo);
in Formgedächtnislegierungen (Nitinol: Nickel-Titan) für Medizin und Technik;
für elektrische Heizwiderstände in Nickel-Chrom-Legierung (Nichrom);
in chemischen Industrieanlagen, die korrosiven Umgebungen standhalten;
für Elektroden in Brennstoffzellen und bei der Wasserelektrolyse;
als Bestandteil in Dentallegierungen und medizinischen Prothesen;
in der Glasindustrie zur Grünfärbung von Glas und Verbesserung seiner Eigenschaften;
für Drähte und elektrische Kabel, die eine hohe thermische Beständigkeit erfordern;
in maritimen Anwendungen (Propeller, Ventile) dank seiner Beständigkeit gegen Meerwasser.

Rolle in der Astrophysik und Kosmologie

Nickel nimmt in der Astrophysik eine besondere Stellung ein. Das Isotop \(\,^{62}\mathrm{Ni}\) besitzt die höchste Bindungsenergie pro Nukleon aller Atomkerne, was es zum energetisch stabilsten Kern macht. Allerdings ist Eisen-56 das häufigste Endprodukt der stellaren Fusion, da stellare Kernreaktionen seine Bildung begünstigen. Nickel wird hauptsächlich während des Siliziumbrennens in massereichen Sternen am Ende ihres Lebens und bei Supernova-Explosionen synthetisiert.

Das radioaktive Isotop \(\,^{56}\mathrm{Ni}\) spielt eine entscheidende Rolle in Supernovae vom Typ Ia. In großen Mengen während der Explosion produziert, erzeugt sein radioaktiver Zerfall zu Kobalt-56 und dann zu Eisen-56 die Energie, die die charakteristische Leuchtkraft dieser Supernovae über Wochen speist. Die Beobachtung dieser Lichtkurve ermöglicht es Astronomen, kosmische Distanzen zu messen und die Expansion des Universums zu studieren.

Das langlebige Isotop \(\,^{59}\mathrm{Ni}\) (76.000 Jahre) dient als Tracer zur Datierung von Nukleosynthese-Ereignissen im frühen Sonnensystem. Seine Anwesenheit in alten Meteoriten liefert Informationen über die nuklearen Prozesse, die die Gas- und Staubwolke angereichert haben, aus der unser Sonnensystem entstand. Die Spektrallinien von Nickel in Sternen helfen, ihre chemische Zusammensetzung und Entwicklung zu bestimmen.

N.B.:
Nickel ist das 24. häufigste Element in der Erdkruste (etwa 0,0089 % der Masse). Es ist jedoch im Erdkern viel häufiger, wo es etwa 5 % der Zusammensetzung ausmacht, zusammen mit Eisen. Nickel kommt hauptsächlich in Erzen wie Pentlandit ((Fe,Ni)₉S₈), Garnierit (Nickel-Magnesium-Silikat) und nickelhaltigem Laterit vor. Eisenmeteoriten enthalten bedeutende Anteile an Nickel (5-20 %), ein Zeugnis der Zusammensetzung der Kerne differenzierter Planeten. Die Nickelförderung erfolgt hauptsächlich durch pyrometallurgische oder hydrometallurgische Verfahren, je nach Erztyp, und das Metall kann durch das Mond-Verfahren unter Verwendung von gasförmigem Nickelcarbonyl Ni(CO)₄ hochrein raffiniert werden.