ニッケル (Ni, Z = 28)：磁気特性を持つ耐食性金属

ニッケルの発見の歴史

ニッケルは1751年、スウェーデンの化学者・鉱物学者であるアクセル・フレドリク・クロンステット (1722-1765) によって初めて単離されました。 クロンステットは、赤褐色の鉱石であるkupfernickel（ドイツ語で「悪魔の銅」の意味）からこの新しい金属を抽出しました。この鉱石は、鉱夫たちが銅鉱石と間違えていたものの、銅を得ることができなかったものです。 ニッケルという名前は、ドイツの民間伝承に登場する悪戯好きな精霊Nickel（Nikolausの愛称）に由来し、この精霊が鉱石を魔法にかけたと言われています。 ニッケルを含む合金は、紀元前200年頃の中国でpaitungと呼ばれる白い硬貨の製造に使用されていましたが、ニッケルの元素としての性質が理解されるのはクロンステットの研究まで待たなければなりませんでした。 化学記号のNiは19世紀に国際的に採用されました。

構造と基本的な特性

ニッケル（記号Ni、原子番号28）は、周期表の10族に属する遷移金属です。 その原子は28個の陽子、通常30個の中性子（最も豊富な同位体 \(\,^{58}\mathrm{Ni}\) の場合）、および電子配置 [Ar] 3d⁸ 4s² の28個の電子を持ちます。
室温では、ニッケルは銀白色でわずかに金色がかった光沢を持つ固体金属で、密度が高く（密度≈8.908 g/cm³）、硬いです。 ニッケルは、鉄、コバルト、ガドリニウムとともに、自然界に存在する4つの強磁性元素の一つであり、永久磁石になることができます。 ニッケルは、高温でも優れた耐食性と耐酸化性を持ち、高性能合金に貴重な素材です。 また、延性と展性に富み、加工が容易です。 ニッケルの融点（液体状態）：1,728 K（1,455 °C）。 ニッケルの沸点（気体状態）：3,186 K（2,913 °C）。

ニッケルの同位体表

ニッケルの電子配置と電子殻

N.B.:
電子殻：電子が原子核の周りにどのように配置されているか （新しいウィンドウ）。

ニッケルは28個の電子を4つの電子殻に分布させています。その完全な電子配置は：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸ 4s²、 または簡略化して：[Ar] 3d⁸ 4s²。この配置はK(2) L(8) M(16) N(2)とも表記できます。

電子殻の詳細構造

K殻 (n=1)：1s軌道に2個の電子を含む。この内殻は完全で非常に安定している。
L殻 (n=2)：2s² 2p⁶に8個の電子を含む。この殻も完全で、貴ガス（ネオン）の配置を形成している。
M殻 (n=3)：3s² 3p⁶ 3d⁸に16個の電子を含む。3sと3p軌道は完全だが、3d軌道は10個中8個の電子を含む。
N殻 (n=4)：4s軌道に2個の電子を含む。これらの電子は化学結合に最初に関与する。

価電子と酸化状態

外殻の10個の電子（3d⁸ 4s²）がニッケルの価電子です。この配置がニッケルの化学的性質を説明します：
2個の4s電子を失うことで、Ni²⁺イオン（酸化状態+2）を形成し、これは水溶液中で最も一般的で安定な状態です。
2個の4s電子と1個の3d電子を失うことで、Ni³⁺イオン（酸化状態+3）を形成し、これは一部の化合物に存在しますが、珍しいです。
酸化状態0、+1、+4は特定の化合物に存在しますが、非常に稀です。

化学的反応性

ニッケルは室温では比較的反応性が低い金属です。表面はすぐに酸化ニッケル（NiO）の薄い層で覆われ、さらなる酸化や腐食から保護されます。 この自然な不動態化により、ニッケルは空気中、淡水、海水中で優れた耐食性を示します。 ニッケルは塩基と反応せず、多くの希酸に耐性がありますが、希硝酸にはゆっくりと溶け、濃い酸化性酸には速やかに溶けます。 高温では、ニッケルは酸素と反応してNiOを形成し、硫黄と反応して硫化物を形成し、ハロゲンと反応してハロゲン化物を形成します。 ニッケルは主に酸化状態+2の化合物を形成し、その塩は水溶液中で通常緑色です。 ニッケルは多くの配位子と錯体を形成することができ、これは触媒作用において重要な特性です。

ニッケルの産業および技術的応用

• ステンレス鋼（世界のニッケル生産の約70％）の耐食性と耐熱性を向上させる;
• 航空機のタービン、発電所、ロケットエンジンに使用される超合金;
• 充電式電池（Ni-Cd、Ni-MH、ニッケルを含むリチウムイオン電池）;
• 他の金属を腐食から保護するための電気メッキ（ニッケルメッキ）;
• 銅との合金による硬貨の製造;
• 植物油の水素化や多くの化学反応の触媒;
• 他の金属との合金による永久磁石（アルニコ、SmCo）;
• 医療や工学で使用される形状記憶合金（ニチノール：ニッケル-チタン）;
• ニッケル-クロム合金（ニクロム）による電気加熱抵抗;
• 腐食環境に耐える化学工業用設備;
• 燃料電池や水の電気分解のための電極;
• 歯科合金や医療用義肢の構成要素;
• ガラスを緑色に着色し、その特性を向上させるためのガラス工業;
• 高い熱抵抗を必要とする電気用ワイヤーやケーブル;
• 海水に対する耐性を活かした海洋用途（プロペラ、バルブ）。

天体物理学と宇宙論における役割

ニッケルは天体物理学において特別な位置を占めています。同位体 \(\,^{62}\mathrm{Ni}\) は、全ての原子核の中で核子あたりの結合エネルギーが最も高く、エネルギー的に最も安定した核です。 しかし、恒星の核融合の最終生成物として最も豊富なのは鉄-56であり、恒星の核反応がその形成を優先します。 ニッケルは主に、大質量星の末期におけるケイ素燃焼と超新星爆発の際に合成されます。

放射性同位体 \(\,^{56}\mathrm{Ni}\) はIa型超新星において重要な役割を果たします。 爆発時に大量に生成され、コバルト-56、そして鉄-56への放射性崩壊が、これらの超新星の特徴的な輝度を数週間にわたって支えます。 この光度曲線の観測により、天文学者は宇宙距離を測定し、宇宙の膨張を研究することができます。

長寿命の同位体 \(\,^{59}\mathrm{Ni}\) （76,000年）は、原始太陽系における核合成イベントの年代測定に使用されます。 古代の隕石中の存在は、我々の太陽系を形成したガスと塵の雲を豊かにした核プロセスについての情報を提供します。 星のスペクトル線に見られるニッケルは、その化学組成と進化を決定するのに役立ちます。

N.B.:
ニッケルは地殻中で24番目に豊富な元素（質量比で約0.0089％）です。 しかし、地球の核では鉄とともに約5％を占め、はるかに豊富です。 ニッケルは主にペントランダイト ((Fe,Ni)₉S₈)、ガルニエライト（ニッケルとマグネシウムのケイ酸塩）、ニッケル含有ラテライトなどの鉱石中に存在します。 鉄隕石にはニッケルが5-20％含まれており、これは分化した惑星の核の組成を示しています。 ニッケルの抽出は主に鉱石の種類に応じた火法冶金または水法冶金によって行われ、金属は気体ニッケルカルボニル Ni(CO)₄ を用いたモンド法により高純度に精製されます。