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Nickel

chemisches Element mit dem Symbol Ni und der Ordnungszahl 28

Nickel ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ni und der Ordnungszahl 28. Es zählt zu den Übergangsmetallen, im Periodensystem steht es nach der älteren Zählweise in der 8. Nebengruppe oder Eisen-Platin-Gruppe, nach der neueren in der Gruppe 10 oder Nickelgruppe.

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl Nickel, Ni, 28
Elementkategorie Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block 10, 4, d
Aussehen glänzend, metallisch, silbrig
CAS-Nummer

7440-02-0

EG-Nummer 231-111-4
ECHA-InfoCard 100.028.283
Massenanteil an der Erdhülle 0,015 % (22. Rang)[2]
Atomar[3]
Atommasse 58,6934(4)[4] u
Atomradius (berechnet) 135 (149) pm
Kovalenter Radius 124 pm
Van-der-Waals-Radius 163 pm
Elektronenkonfiguration [Ar] 3d8 4s2
[Ar] 3d9 4s1[1]
1. Ionisierungsenergie 7.639878(17) eV[5] ≈ 737.14 kJ/mol[6]
2. Ionisierungsenergie 18.168838(25) eV[5] ≈ 1753.03 kJ/mol[6]
3. Ionisierungsenergie 35.187(19) eV[5] ≈ 3395 kJ/mol[6]
4. Ionisierungsenergie 54.92(25) eV[5] ≈ 5299 kJ/mol[6]
5. Ionisierungsenergie 76.06(6) eV[5] ≈ 7339 kJ/mol[6]
Physikalisch[3]
Aggregatzustand fest
Kristallstruktur kubisch flächenzentriert
Dichte 8,908 g/cm³ (20 °C)[7]
Mohshärte 4,0
Magnetismus ferromagnetisch
Schmelzpunkt 1728[8] K (1455[8] °C)
Siedepunkt 3003 K[9] (2730 °C)
Molares Volumen 6,59 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 379 kJ/mol[9]
Schmelzenthalpie 17,7[8] kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 4970 m·s−1
Spezifische Wärmekapazität 444[10] J·kg−1·K−1
Austrittsarbeit 5,15 eV[11]
Elektrische Leitfähigkeit 13,9 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 91 W·m−1·K−1
Chemisch[3]
Oxidationszustände −1, ±0, +1, +2, +3, +4
Normalpotential −0,257 V (Ni2+ + 2 e− → Ni)
Elektronegativität 1,91 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP
58Ni 68,077 % Stabil
59Ni {syn.} 76.000 a ε 1,072 59Co
60Ni 26,233 % Stabil
61Ni 1,14 % Stabil
62Ni 3,634 % Stabil
63Ni {syn.} 100,1 a β− 0.0669 63Cu
64Ni 0,926 % Stabil
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Spin-
Quanten-
zahl I 		γ in
rad·T−1·s−1 		Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
61Ni 3/2 0−2,395 · 107 3,59 · 10−3 017,914
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung aus Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 (CLP),[13] ggf. erweitert[12]

Nickel, Pulver

Gefahrensymbol Gefahrensymbol Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228​‐​351​‐​372​‐​317​‐​412
P: 210​‐​302+352​‐​201​‐​280​‐​308+313[12]
MAK

Schweiz: 0,5 mg·m−3 (gemessen als einatembarer Staub)[14]

Toxikologische Daten
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Es ist ein silbriges, duktiles, ferromagnetisches Metall mit einem messingartigen Schimmer. Es ist bereits seit 1751 bekannt. Das Metall hat viele Anwendungen, hauptsächlich wird es für Legierungen genutzt. Es ist unter anderem ein wichtiger Bestandteil von Edelstahl. Nickel ist auch für seine Verwendung als Münzmetall bekannt, in den Vereinigten Staaten und Kanada werden die 5-Cent-Münzen schlicht „Nickel“ genannt. Auch wird Nickel in einigen Akkumulatoren verwendet.

Der weltweit größte Produzent von Nickel ist Indonesien. Das meiste Nickel wird aus Mineralen wie Pentlandit, Millerit und Nickelin gewonnen, das Metall kommt nur selten gediegen vor.

Geschichte

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Axel Frederic Cronstedt, erster Hersteller reinen Nickels

Nickel wurde erstmals 1751 von Axel Frederic Cronstedt rein dargestellt und nach dem Mineral Kupfernickel (schwedisch kopparnickel, heute Nickelin) benannt, in dem er das bis dahin unbekannte Metall fand.[15]

Mit der Bezeichnung Kupfernickel belegten die mittelalterlichen Bergleute das Erz, das zwar aussah wie Kupfererz, aus dem sich aber kein Kupfer gewinnen ließ, als sei es von Berggeistern („Nickeln“) verhext. Eine ähnlich koboldhafte Etymologie findet sich bei Cobalt.

Die erste Münze aus reinem Nickel wurde 1881 geprägt, wobei Nickelmünzen schon für Agathokles Dikaios, einen griechisch-baktrischen König, vor 180 v. Chr. nachgewiesen sind.

Vorkommen

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Nickel kommt in der Erdkruste mit einem Gehalt von etwa 0,008 % vor.[16] Aufgrund geophysikalischer und geochemischer Indizien geht man davon aus, dass sich der größte Teil des Nickels auf der Erde und anderen terrestrischen Planeten im Kern befindet, wo es eine Legierung mit Eisen und einigen leichten Elementen bildet. Im Erdkern beträgt sein Massenanteil nach neuesten Modellen etwa 5,2 %.[17]

Gediegen, das heißt in elementarer Form, kommt Nickel nur selten vor. Bisher sind rund 50 Fundorte für gediegenes Nickel dokumentiert (Stand 2018), so unter anderem in Australien, China, Kanada, Russland und den Vereinigten Staaten von Amerika.[18]

In der Natur reichert sich Nickel im Saft sogenannter Nickelbäume an. Dieser Baumsaft kann bis zu einem Viertel aus Nickel bestehen.[19]

Traditionell wird der größte Teil der Nickelproduktion aus sulfidischen Erzen wie Pentlandit (ca. 34 % Nickel), Nickelmagnetkies (Verwachsungsaggregat aus Pyrrhotin und Pentlandit)[20] sowie einigen weiteren Nickelmineralen wie Millerit (ca. 64–65 % Nickel) und Nickelin (ca. 44 % Nickel) gewonnen. Darüber hinaus werden auch lateritische Nickelerze, vor allem aus Garnierit, einem Gemenge aus Népouit (ca. 46 % Nickel) und Willemseit (ca. 29 % Nickel), als Rohstoffe zur Nickelproduktion abgebaut. Insgesamt sind bisher rund 200 Nickelminerale bekannt, und einige haben noch weit höhere Nickelgehalte als die bereits genannten, kommen jedoch im Gegensatz zu diesen viel seltener vor. So ist beispielsweise der sehr seltene Bunsenit das Mineral mit dem höchsten Nickelgehalt von bis zu 78,58 %. Die ebenfalls seltenen Minerale Heazlewoodit und Awaruit enthalten zwischen 72 und 73 % Nickel.[21]

Die Gewinnung verschiebt sich aufgrund der Ausbeutung der klassischen sulfidischen Lagerstätten zunehmend zu lateritischen Nickelerzen.[22] Diese müssen jedoch aufwändig per Hochdruck-Säurelaugung (englisch high pressure acid leaching) gewonnen werden.[23]

 
Anteil der Nickelproduktion aus sulfidischen und lateritischen Erzen

Abbau

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Um das Nickel wirtschaftlich abbauen zu können, muss der Nickelgehalt des Erzes mindestens 0,5 % betragen. Die wichtigsten Vorkommen finden sich in Kanada (Sudbury-Becken), Neukaledonien, Russland (Norilsk und Halbinsel Kola), Australien (Queensland) und Kuba (Moa Bay und Nicaro). Ein häufiger Begleiter des Nickels ist Cobalt. Eine immer größere Rolle spielt auch bei Nickel Recycling aus diversen nickelhaltigen Abfällen. 2021 betrug der Anteil von Nickel aus Recycling in den USA bereits 52 %.[24]

In tropischen Gegenden wird Nickel zunehmend auch aus Lateriten gewonnen.[25]


Die größten Nickelproduzenten weltweit (2020)[24]
Land Förderung
(in t)
Indonesien  Indonesien 771.000
Philippinen  Philippinen 334.000
Russland  Russland 283.000
Neukaledonien  Neukaledonien (Frankreich) 200.000
Australien  Australien 169.000
Kanada  Kanada 167.000
China Volksrepublik  Volksrepublik China 120.000
Brasilien  Brasilien 77.100
Vereinigte Staaten  Vereinigte Staaten 16.700
Vereinte Nationen Andere Länder 373.000
Gesamt 2.510.000

Nickel als Mineral

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Natürlich vorkommendes Nickel in seiner elementaren Form wurde erstmals 1967 durch Paul Ramdohr beschrieben[26] und von der International Mineralogical Association (IMA) als eigenständige Mineralart anerkannt (Interne Eingangs-Nr. der IMA: 1966-039).[27]

Gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz (9. Auflage) wird Nickel unter der System-Nr. 1.AA.05 (Elemente – Metalle und intermetallische Verbindungen – Kupfer-Cupalit-Familie – Kupfergruppe)[28] beziehungsweise in der veralteten 8. Auflage unter I/A.04b (Nickel-Reihe) eingeordnet. Die vorwiegend im englischsprachigen Raum verwendete Systematik der Minerale nach Dana führt das Element-Mineral unter der System-Nr. 01.01.11.05 (Eisen-Nickelgruppe).[29]

Als Typlokalität gilt die Halbinsel Bogota nahe Canala in der Nordprovinz von Neukaledonien, wo sich gediegen Nickel in Form idiomorpher kubischer Körner oder eingewachsener Würfel bis etwa 0,1 mm als Einschlüsse in Heazlewoodit sowie als „spinnenartige“ unregelmäßige Masse zwischen den Heazlewooditkörnern fand.[26] Als Begleitminerale können neben Heazlewoodit unter anderem noch Chalkopyrit, Chalkosin, Galenit, Godlevskit, gediegen Kupfer, Millerit, Orcelit, Pentlandit, Pyrit und Pyrrhotin auftreten.[30]

Gewinnung und Darstellung

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Darstellung des Kupfer-Nickel-Feinsteins

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Der überwiegende Teil des Nickels wird aus nickel- und kupferhaltigen Eisenerzen wie Nickelmagnetkies gewonnen. Um die Gewinnung wirtschaftlich zu machen, muss das Nickel zunächst durch Flotation auf etwa fünf Prozent Nickelgehalt angereichert werden. Danach wird das Erz ähnlich wie bei der Kupferherstellung geröstet. Dabei wird das Erz zunächst vorgeröstet, um einen Teil des Eisensulfids in Eisenoxid umzuwandeln. Anschließend werden Silikate und Koks dazugegeben, um das Eisenoxid als Eisensilicat zu verschlacken. Gleichzeitig bildet sich der Kupfer-Nickel-Rohstein aus Nickel-, Kupfer- und Eisensulfid. Da dieser spezifisch schwerer als die Eisensilicat-Schlacke ist, können die beiden Phasen getrennt abgestochen werden.

Anschließend wird der Rohstein in einen Konverter gefüllt und Siliciumdioxid dazugegeben. Es wird Sauerstoff eingeblasen. Dadurch wird das restliche Eisensulfid zu Eisenoxid geröstet und danach verschlackt. Es entsteht der Kupfer-Nickel-Feinstein, der zu etwa 80 % aus Kupfer und Nickel und zu etwa 20 % aus Schwefel besteht.

Gewinnung von Rohnickel

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Zur Gewinnung des Rohnickels muss das Nickel vom Kupfer abgetrennt werden. Dazu verschmilzt man den Feinstein mit Natriumsulfid Na2S. Dabei bildet sich nur zwischen Kupfer- und Natriumsulfid ein leicht schmelzendes Doppelsulfid. Es bilden sich zwei einfach zu trennende Phasen aus Kupfer-Natrium-Doppelsulfid (flüssig) und Nickelsulfid. Nach der Abtrennung wird das Nickelsulfid zu Nickeloxid geröstet und danach mit Koks zu Nickel reduziert.

 
Elektrolytisch raffiniertes 99,9%iges Nickel als Knolle

Gewinnung von Rein- und Reinstnickel

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Nickelkugeln, nach dem Mond-Verfahren hergestellt

Um Reinnickel zu gewinnen, wird das Rohnickel elektrolytisch raffiniert. Dazu wird in einer Elektrolysezelle das Rohnickel als Anode, ein Nickelfeinblech als Kathode geschaltet. Als Elektrolyt dient eine Nickelsalzlösung. Während der Elektrolyse gehen an der Anode Nickel und alle unedleren Bestandteile in Lösung. Alle edleren Bestandteile bleiben fest und fallen als Anodenschlamm unter die Elektrode. Dieser dient als wichtige Quelle für die Herstellung von Edelmetallen wie Gold oder Platin. An der Kathode werden Nickelionen aus der Lösung zu Nickel reduziert, alle unedleren Bestandteile bleiben in Lösung. Die Reinheit von Elektrolytnickel beträgt rund 99,9 %.

Für die Gewinnung von Reinstnickel mit einer Reinheit von 99,99 % gibt es als Spezialverfahren das Mond-Verfahren, benannt nach Ludwig Mond, der 1890 Nickeltetracarbonyl entdeckte. Dieses Verfahren beruht auf der Bildung und Zersetzung des Nickeltetracarbonyls. Dazu wird feinverteiltes Rohnickelpulver bei 80 °C in einen Kohlenmonoxidstrom gebracht. Dabei bildet sich gasförmiges Nickeltetracarbonyl. Dieses wird von Flugstaub befreit und in eine 180 °C heiße Zersetzungskammer geleitet. Darin befinden sich kleine Nickelkugeln. An diesen zersetzt sich das Nickeltetracarbonyl wieder zu Nickel und Kohlenmonoxid. Es entsteht dadurch sehr reines Nickel.

 

Labordarstellung

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Zur Darstellung kleinerer Mengen sehr reinen Nickels im Labor existieren unterschiedliche Verfahren[31]:

  • Reduktion des Oxids mit Wasserstoff bei 150 °C bis 250 °C:
 
 
  • Reduktion von Nickel(II)-chlorid mit einer Natriumdispersion:
 

Insbesondere die Thermolyse des Oxalats liefert fein verteiltes pyrophores Nickelpulver.

Eigenschaften

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Physikalische Eigenschaften

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Magnetisierungskurven von 9 ferromagnetischen Materialien.
1. Stahlblech, 2. Elektroblech,3. Gussstahl, 4. Wolframstahl,
5. Magnetstahl, 6. Gusseisen, 7. Nickel, 8. Cobalt, 9. Magnetit[32]
 
kubisch-flächenzentrierte Struktur des Nickels
 
Molvolumen als Funktion des Drucks für Nickel bei Zimmertemperatur

Nickel ist ein silbrig-weißes Metall, das mit einer Dichte von 8,91 g/cm³ zu den Schwermetallen zählt. Es ist mittelhart (Mohs-Härte 3,8), schmiedbar, duktil und lässt sich ausgezeichnet polieren. Nickel ist wie Eisen und Cobalt ferromagnetisch, wobei die Curie-Temperatur 354 °C beträgt.[33] Das Metall kristallisiert in einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur (Kupfer-Typ) in der Raumgruppe Fm3m (Raumgruppen-Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 mit dem Gitterparameter a = 352,4 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle.[34] Diese Struktur behält es auch bei hohen Drücken bis mindestens 70 GPa bei. Eine weitere metastabile Modifikation mit kubisch-raumzentrierter Kugelpackung konnte in dünnen Schichten auf Eisen oder Galliumarsenid gewonnen werden. Sie besitzt mit 183 °C eine deutlich geringere Curie-Temperatur.[33][35]

Die Zugfestigkeit von weichgeglühtem Nickel liegt bei 400–450 MPa bei einer Bruchdehnung zwischen 30 und 45 %. Die Härtewerte liegen um die 80 HB. Kalt verfestigtes Nickel, dessen Bruchdehnung unter 2 % beträgt, erreicht Festigkeiten bis 750 MPa bei Härtewerten um 180 HB. Reinnickelhalbzeuge mit 99 % Ni-Gehalt können kalt hochverfestigt werden.

Das Isotop 62Ni hat die höchste Bindungsenergie je Nukleon aller Isotope aller Elemente.[36]

Chemische Eigenschaften

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Nickel ist in kompakter Form bei Raumtemperatur gegen Luft, Wasser, Salzsäure und Laugen sehr beständig und nicht brennbar. Verdünnte Säuren greifen Nickel nur sehr langsam an. Gegenüber konzentrierten oxidierenden Säuren (Salpetersäure) tritt analog zum rostfreien Stahl Passivierung ein. Löslich ist Nickel in verdünnter Salpetersäure (ca. 10- bis 15-prozentig). Auch eine halbkonzentrierte Salpetersäure (ca. 30-prozentig) bewirkt noch merkliche Passivierung. Der häufigste Oxidationszustand ist +II, seltener werden −I, 0, +I, +III und +IV beobachtet. Im Nickeltetracarbonyl hat Nickel die Oxidationszahl 0. Nickel(II)-Salze lösen sich in Wasser unter Bildung von Aquakomplexen mit grünlicher Farbe.

Fein verteiltes Nickelpulver kann durch kurzzeitige Einwirkung einer Zündquelle leicht entzündet werden und brennt nach deren Entfernung weiter. Die Entzündungsgefahr ist umso größer, je feiner der Stoff verteilt ist.[12] Fein verteiltes Nickel reagiert mit Kohlenmonoxid bei 50 bis 80 °C zu Nickeltetracarbonyl, Ni(CO)4, einer farblosen, sehr giftigen Flüssigkeit. Diese dient als Zwischenprodukt zur Herstellung von reinstem Nickel nach dem Mond-Verfahren. Bei 180 bis 200 °C zerfällt Nickeltetracarbonyl wieder in Nickel und Kohlenmonoxid.

Physiologie

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Der umstrittenen Essenzialität von Nickel steht die Existenz mehrerer Enzyme gegenüber, die im Normalfall Nickel enthalten, darauf aber nicht angewiesen sind, da dessen Rolle als Kation von anderen zweiwertigen Kationen übernommen werden kann. Im Menschen handelt es sich dabei um drei Proteine, von denen bekannt ist, dass sie Nickel binden:[37]

Für Pflanzen und verschiedene Mikroorganismen ist die Essenzialität von Nickel durch Isolierung mehrerer Enzyme (z. B. Urease, Co-F430), die Nickel im aktiven Zentrum enthalten, sowie durch Nachweis von Mangelerscheinungen in nickelarmer Umgebung, die sich durch Zusatz von Ni(II)-Salzen beheben lassen, gesichert.

In der Elektrophysiologie werden Nickel-Ionen dazu verwendet, spannungsaktivierte Calciumkanäle zu blockieren.

Gesundheitliche Probleme

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Nickel ist mit der Nickeldermatitis der häufigste Auslöser für Kontaktallergien: In Deutschland sind schätzungsweise 1,9 bis 4,5 Millionen Menschen gegen Nickel sensibilisiert.[40] Wegen daher geänderter Gesetzgebung sind Metalle und Legierungen, die mit der Haut in Kontakt kommen, seltener vernickelt. Etwa 10 % aller Kinder sind gegenüber Nickel sensibilisiert. Bei erneutem Kontakt mit dem Allergen können diese mit einer Kontaktallergie reagieren.[41] Außerdem ist ein erhöhter Nickelgehalt in der Atemluft und im Trinkwasser ein Risikofaktor für eine Sensibilisierung gegen Nickel bei Kindern.[42][43]

Die tolerierbare tägliche Aufnahmemenge (TDI) von Nickel beträgt laut Europäischer Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) 2,8 Mikrogramm (0.0028 Milligramm) pro Kilogramm Körpergewicht. 2019 hat die Arbeiterkammer Oberösterreich zwölf verschiedene Sojadrinks bei der Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit untersuchen lassen. Die Werte lagen zwischen 0,25 (Dennree Soja Drink Natur) und 0,69 Milligramm pro Liter (Ja! Natürlich Bio Soja Drink). Bei der Sojamilch mit den höchsten Werten hat ein 30 Kilo schweres Kind bereits bei einem Viertelliter mehr als doppelt so viel Nickel aufgenommen wie von der EFSA empfohlen.[44]

Nickelmetall und viele Nickelverbindungen sind als krebserzeugend, keimzellmutagen (erbgutverändernd) und reproduktionstoxisch (fortpflanzungsgefährdend) – KMR – sowie als haut- und atemwegssensibilisierend eingestuft.

Das Einatmen anorganischer Nickelverbindungen ist mit einem erhöhten Krebsrisiko für Plattenepithelkarzinome der Lunge und der oberen Luftwege verbunden. Derartige bösartige Neubildungen werden in Deutschland bei berufsbedingter Exposition als Berufskrankheiten anerkannt (BK 4109).[45]

Die aktuellen Einstufungen der verschiedenen Nickelverbindungen nach Verordnung (EG) Nr. 1272/2008 und nach der Technischen Regel für Gefahrstoffe (TRGS) 905 sowie TRGS 907 können der GESTIS-Stoffdatenbank oder der Gefahrstoffliste[46] des Instituts für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) entnommen werden. Für Nickelmetall wurde 2015 ein Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) von 6 µg/m³ erstmals in der alveolengängigen Fraktion (A-Fraktion) und 2018 zusätzlich ein AGW von 30 µg/m³ in der einatembaren Fraktion (E-Fraktion) in der TRGS 900 veröffentlicht.[47]

Nickel und seine Verbindungen können über den Atemtrakt, mit der Nahrung oder dermal aufgenommen werden. Die Allgemeinbevölkerung nimmt Nickel hauptsächlich über die Nahrung auf, die inhalative Belastung ist gering. Für arbeitsbedingt exponierte Personen ist die Aufnahme über den Atemtrakt meist der Hauptpfad. Zwar sind keine akut toxischen Effekte zu erwarten, jedoch können nach längerer Exposition insbesondere lungentoxische und nierentoxische Effekte auftreten; auch fruchtschädigende und atemwegssensibilisierende Effekte wurden beobachtet.[47]

Verbote

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Zur Eindämmung der Risiken einer Nickelempfindlichkeit und einer Wirkung als Allergen verlangte die Europäische Union 1994 von ihren Mitgliedstaaten Regelungen zur Begrenzung der Verwendung und des Inverkehrbringens von Produkten aus Nickel oder Nickelverbindungen, die unmittelbar und länger mit der menschlichen Haut in Verbindung kommen wie Ohrstecker, Armbanduhrgehäuse, Halsketten, Brillengestelle oder Reißverschlüsse als Teil der Bekleidung;[48] als Grenzwert war eine Nickelabgabe (Nickellässigkeit) von mehr als 0,5 Mikrogramm je Quadratzentimeter und Woche bestimmt, die auch bei einem beschichteten Erzeugnis aus Nickel nach zwei Nutzungsjahren nicht überschritten werden durfte. In Deutschland wurden diese Verbote durch die Bedarfsgegenständeverordnung für Bedarfsgegenstände, also Gegenstände mit Hautkontakt oder mit Lebensmitteln, umgesetzt und später durch Kennzeichnungsgebote ergänzt.[49] Die Verwendung von Nickel und das Inverkehrbringen solcher Erzeugnisse ist in der Europäischen Union seit 2009 unmittelbar wirksam geregelt.[50] Demnach gilt weiterhin der Grenzwert (Migrationslimit) von 0,5 μg/(cm² Woche), bei Stäben, die in die Haut gestochen werden (Ohrstecker, Piercings), jedoch nun von 0,2 μg/(cm² Woche). In der Praxis kann allerdings unklar sein, was „längerer“ Hautkontakt konkret bedeutet, etwa zur Beurteilung von Spielzeug, Nähnadeln oder Schreibstiften.[51]

Verwendung

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Hufeisenmagnet aus Alnico

Nickel wird als Metall in geringen Mengen benötigt, der größte Teil der Produktion geht in die Produktion von nichtrostenden Stählen und Nickellegierungen. Nickel wird in vielen spezifischen und erkennbaren Industrie- und Konsumgütern verwendet, einschließlich Edelstahl, Alnico-Magneten, Münzen, wiederaufladbaren Batterien, E-Gitarrensaiten, Mikrofonkapseln, Plattierungen auf Sanitärarmaturen und speziellen Legierungen wie Permalloy, Elinvar und Invar. Es wird zum Beschichten und als Grüntönung in Glas verwendet.[52] Die Reserven an nach heutigen Gesichtspunkten abbauwürdigen Nickelvorkommen liegen zwischen 70 und 170 Millionen Tonnen. Gegenwärtig werden weltweit jährlich mehr als zwei Millionen Tonnen (2020: 2,5 Mio. Tonnen[24]) gefördert. Der Preis für Nickel unterliegt wegen Finanzmarktspekulationen zeitweise sehr hohen Preisschwankungen.[53]

Verwendung als Metall

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Gaschromatograph

Reines Nickelmetall wird in feinverteilter Form als Katalysator bei der Hydrierung ungesättigter Fettsäuren verwendet. Auf Grund seiner chemischen Beständigkeit wird Nickel für Apparate im chemischen Labor und der chemischen Industrie verwendet (z. B. Nickeltiegel für Aufschlüsse). Aus Nickelmetall werden Nickellegierungen, z. B. für Münzen, hergestellt.

Nickel dient als Überzugsmetall zum Korrosionsschutz („Vernickeln“) von Metallgegenständen: Wegen seiner vor Oxidation schützenden Eigenschaften werden Metalle (insbesondere Eisen) mittels galvanischer Technik für bestimmte technische Zwecke mit einer Nickelschicht überzogen.

Ebenfalls genutzt wurde das Metall früher zur Herstellung der Fassungen von Nickelbrillen.

Als Betastrahler wird das Nickelisotop 63Ni in Elektroneneinfangdetektoren in Gaschromatografen eingesetzt.

Verwendung als Legierung

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Turboprop-Triebwerk Lycoming T53

Nickel ist ein bedeutendes Legierungsmetall, das hauptsächlich zur Stahlveredelung verwendet wird. Der größte Teil des Nickels geht dorthin. Es macht Stahl korrosionsbeständig und erhöht seine Härte, Zähigkeit und Duktilität. Mit Nickel hochlegierte Stähle werden in besonders korrosiven Umgebungen eingesetzt. Der Edelstahl V2A (der Name entstammt der „Versuchscharge 2 austenitisch“ im Krupp-Stahlwerk, entspricht X12CrNi18-8) enthält 8 % Nickel neben 18 % Chrom, V4A (Markennamen Cromargan oder Nirosta) 11 % neben 18 % Chrom und 2 % Molybdän.

Nickel ist ein ausgezeichnetes Legierungsmittel für bestimmte Edelmetalle und wird im Brandtest als Sammler von Elementen der Platinmetalle verwendet. Als solches ist Nickel in der Lage, alle sechs Platinmetalle, vor allem Platin und Palladium, vollständig aus Erzen zu sammeln und Gold teilweise zu sammeln.

Nickelschaum oder Nickelnetz wird in Gasdiffusionselektroden für alkalische Brennstoffzellen verwendet.[54][55]

Nickel und seine Legierungen werden häufig als Katalysatoren für Hydrierungsreaktionen verwendet. Raney-Nickel, eine feinteilige Nickel-Aluminium-Legierung, ist eine gebräuchliche Form, obwohl auch verwandte Katalysatoren verwendet werden, einschließlich Katalysatoren vom Raney-Typ.

Etwa 20 % des Nickels werden (in Deutschland) zur Herstellung von weiteren Nickellegierungen verwendet:

Nachweis

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Nachweisreaktion Bis(dimethylglyoximato)nickel(II)
 
Fällung des Nickel-Dimethylglyoxim-Komplexes aus einer Nickel(II)-sulfatlösung

Die Nachweis­reaktion für die in Wasser meist mit grüner Farbe löslichen Nickel(II)-salze wird in der quantitativen Analytik gravimetrisch sowie qualitativ im Kationentrenngang mit Dimethylglyoxim-Lösung (Tschugajews Reagens) durchgeführt. Nickelsalze werden zuvor gegebenenfalls durch Ammoniumsulfid als grauschwarzes Nickel(II)-sulfid ausgefällt und in Salpetersäure gelöst. Der spezifische Nachweis ist dann durch Reaktion mit Dimethylglyoxim in ammoniakalischer Lösung möglich. Dabei fällt das himbeerrote Bis(dimethylglyoximato)nickel(II) als Komplex aus:[56]

 .

Da Nickel aus ammoniakalischer Lösung mit Dimethylglyoxim quantitativ ausfällt, ist dieser Nachweis auch für die quantitative gravimetrische Nickelanalyse verwendbar. Aus ammoniakalischer Lösung kann auch mittels Elektrogravimetrie an einer Platinnetzelektrode eine quantitative Bestimmung erfolgen. Ähnlich anderen Schwermetallen wird Nickel heute meist durch Atomspektroskopie oder Massenspektrometrie auch im Ultraspurenbereich quantitativ bestimmt. Äußerst empfindlich ist die inverse Voltammetrie mit adsorptiver Anreicherung des Ni-Dimethyglyoxim-Komplexes an hängenden Quecksilbertropfen oder Quecksilberfilmelektroden.

Verbindungen

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Nickel kommt in Verbindungen hauptsächlich in der Oxidationsstufe +II vor. Die Stufen 0, +I, +III und +IV sind selten und meist instabil. Nickel bildet eine Vielzahl meist farbiger Komplexe.

Oxide

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Nickel(II)-oxid und Nickel(III)-oxid sind grüne beziehungsweise schwarze Feststoffe und werden zur Herstellung von Keramik, Gläsern und Elektroden verwendet. Außerdem werden sie als Katalysatoren für die Hydrierung organischer Verbindungen genutzt. Wie viele andere binäre Metalloxide ist Nickel(II)-oxid häufig nicht stöchiometrisch, was bedeutet, dass das Nickel-Sauerstoffverhältnis von 1:1 abweicht. Diese Eigenschaft geht mit einer Farbänderung einher, wobei das stöchiometrisch korrekte Nickel(II)-oxid grün und das nichtstöchiometrische Nickel(II)-oxid schwarz ist. Nickel(III)-oxid wirkt stark oxidierend und ist als Reinstoff unbekannt.[57]

Halogenide

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Nickel(II)-chlorid ist ein gelber, stark hygroskopischer Feststoff, der als Farbstoff für Keramik und zur Herstellung von Nickelkatalysatoren dient. Neben der wasserfreien Form gibt es noch wasserhaltige Nickel(II)-chloride, z. B. das grüne Nickel(II)-chlorid-Hexahydrat, das aus wässrigen Nickelchloridlösungen auskristallisiert. Das wasserfreie Nickel(II)-chlorid hat eine trigonale Kristallstruktur vom Cadmium(II)-chlorid-Typ mit der Raumgruppe R3m (Raumgruppen-Nr. 166)Vorlage:Raumgruppe/166.[58] Das Hexahydrat kristallisiert im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/m (Raumgruppen-Nr. 12)Vorlage:Raumgruppe/12.[59]

Nickel(II)-fluorid ist ebenfalls stark hygroskopisch und bildet gelbliche bis grüne tetragonale Kristalle. Im Gegensatz zu vielen Fluoriden ist es an der Luft stabil. Es kristallisiert im tetragonalen Kristallsystem mit der Raumgruppe P42/mnm (Raumgruppen-Nr. 136)Vorlage:Raumgruppe/136. Das Tetrahydrat kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem mit der Raumgruppe P21ab (Raumgruppen-Nr. 29, Stellung 3)Vorlage:Raumgruppe/29.3.[60]

Weitere anorganische Nickelverbindungen

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Nickelantimonid
 
Nickel(II)-sulfat-Hexahydrat

Nickel(II)-hydroxid und Nickel(III)-oxidhydroxid dienen zur Speicherung elektrischer Energie in Nickel-Cadmium- und anderen Nickelakkumulatoren.

Nickel(II)-nitrat verwendet man in der Keramikindustrie als braunes Pigment, in der Färberei als Beizmittel, zum elektrolytischen Vernickeln, zum Gewinnen von Nickel(II)-oxid und zum Herstellen von reinem Katalysatornickel. Nickel(II)-nitrat ist ein starkes Oxidationsmittel und kommt gewöhnlich in Form seines Hexahydrates Ni(NO3)2 · 6 H2O vor.

Nickel(II)-sulfat und Ammoniumnickel(II)-sulfat werden bei der Galvanisierung (Vernickelung) verwendet. Nickel(II)-sulfat ist die technisch wichtigste Nickelverbindung. Es dient zur Herstellung von anderen Nickelverbindungen und Katalysatoren. Die wässrigen Lösungen von Nickel(II)-sulfat und Nickel(II)-chlorid werden zur galvanischen Abscheidung von metallischen Nickelschichten verwendet. Weiterhin wird es in der Färberei als Beizmittel und bei der Herstellung von Gasmasken verwendet.[61]

Nickel(II)-carbonat kommt in mehreren Hydratformen vor. Es wird als Katalysator bei der Fetthärtung und zur Herstellung von Nickel(II)-oxid, keramischen Farben (Pigment) und Glasuren sowie beim Galvanisieren verwendet.[62] Es bildete ein trigonales Kristallsystem mit der Raumgruppe R3c (Raumgruppen-Nr. 161)Vorlage:Raumgruppe/161.[63]

Nickel(II)-sulfid fällt aus ammoniakalischen, nicht jedoch aus sauren, nickelhaltigen Lösungen mit Ammoniumsulfid aus. Dadurch kann Nickel mit der Ammoniumsulfid-Gruppe im Kationentrennungsgang abgetrennt werden.

Das als Breithauptit bekannte Nickelantimonid ist ein metallisch glänzendes Mineral und hat eine helle kupferrote Farbe. Anwendung findet Nickelantimonid als Werkstoff in magnetischen Feldplatten, wo es zwischen magnetisch empfindlichen Schichten aus Indiumantimonid eingebracht wird. Magnetische Feldplatten ändern in Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte ihren elektrischen Widerstand und dienen als Sensor für Magnetfelder. Es bildet eine hexagonale Kristallstruktur in der Raumgruppe P63/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194.[64]

Organische Nickelverbindungen

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Nickeltetracarbonyl Ni(CO)4 ist eine farblose, sehr giftige Flüssigkeit. Sie ist ein wichtiges Zwischenprodukt im Mond-Verfahren. Nickeltetracarbonyl war die erste entdeckte Metallcarbonyl-Verbindung.

Nickelkomplexe

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Lösungen von Tetraamminnickel(II)-sulfat (links) und Kaliumtetracyanoniccolat(II) (rechts)

Nickel und dabei v. a. Nickel(II)-Ionen bildet viele, meist farbige Komplexe. Die Koordinationszahlen 6, 5 oder 4 sind am häufigsten. Bei schwachen, einzähnigen Liganden, beispielsweise Wasser, liegen sie meist als oktaedrische und paramagnetische High-spin-Komplexe mit Koordinationszahl 6 vor. Starke Liganden wie Cyanid bilden quadratisch-planare, diamagnetische Low-spin-Komplexe. Ebenfalls einen quadratisch-planaren Komplex bildet Dimethylglyoxim, da der Komplex zusätzlich durch Wasserstoffbrücken stabilisiert ist. Letzterer Bis(dimethylglyoximato)nickel(II)-Komplex ist für den nasschemischen Nickelnachweis von Bedeutung. Anionische Nickelkomplexe enden auf „-niccolat“.

Beispiele für Amminkomplexe sind der blaue Tetraamminnickel(II)- und violette Hexaamminnickel(II)-komplex. Beide Verbindungen erhält man durch Zugabe von Ammoniak zu Nickel(II)-salzlösungen:

 

Durch Zugabe von Kaliumcyanid zu Nickel(II)-salzlösungen entsteht zunächst Nickel(II)-cyanid, das sich im Überschuss von Kaliumcyanid zu gelbem Kaliumtetracyanoniccolat(II) auflöst:

 

Eine entsprechende Verbindung entsteht mit Kaliumthiocyanat. Eine sehr empfindliche Verbindung ist das Kaliumhexafluoroniccolat(IV) (K2[NiF6]). Mit einem starken Reduktionsmittel lässt sich aus Kaliumtetracyanoniccolat(II) der zweikernige Komplex K4[Ni2(CN)6] mit einwertigem Nickel herstellen. Daneben existiert eine Vielzahl von Komplexen mit organischen Liganden wie beispielsweise Ethylendiamin oder Anionen von Carbonsäuren.[65]

Literatur

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Commons: Nickel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Nickel – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikibooks: Praktikum Anorganische Chemie/ Nickel – Lern- und Lehrmaterialien
Wikisource: Ueber die chemische Zusammensetzung der Producte der freiwilligen Zersetzung der Kobalt- und Nickelerze – Quellen und Volltexte

Einzelnachweise

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  3. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Nickel) entnommen.
  4. ↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
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  48. ↑ Richtlinie 94/27/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 30. Juni 1994, die sogenannte Nickel-Richtlinie
  49. ↑ Bei Inkrafttreten der BedGgstV 1992 waren zunächst nur Ohrstecker u. ä., die bis zur Epithelisierung im Wundkanal bleiben, ein verbotener Gegenstand nach § 3, Anl. 1 Ziff. 6. Kennzeichnungspflichten folgten in § 10 Abs. 6, Anl. 9. Aktuell (Stand Jan.2020) gültig sind noch die Höchstwerte der Nickellässigkeit bei gewerbsmäßigem Inverkehrbringen nach Anlage 5a zu § 6 BedGgstV. Verstöße hiergegen sind nach § 12 Abs. 3 in Verbindung mit § 59 LFGB strafbar. Bayerisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit: Nickel in Bedarfsgegenständen (Memento vom 31. März 2016 im Internet Archive)
  50. ↑ Anhang XVII Nr. 27 zu Artikel 67 der Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 des Europäischen Parlaments und des Rates, auch genannt REACH-Verordnung.
  51. ↑ Magdalena Köhler, Kugelschreiber kommen nicht nur vorübergehend mit dem Körper in Kontakt, Chemisches und Veterinäruntersuchungsamt Stuttgart, 8. Juli 2016. Deutscher Verband der Spielzeugindustrie i. V., Mitgliederinfo zur Argumentation gegen die Marktüberwachungsämter vom 4. August 2015. Zur Praxis und insbes. zu Tätowierfarben: Peter Laux: Schmuck & Co, Nickel ist überall..., Bundestinstitut für Risikobewertung, 2014
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  60. ↑ Jean D’Ans, Ellen Lax: Taschenbuch für Chemiker und Physiker. 3. Elemente, anorganische Verbindungen und Materialien, Minerale, Band 3. 4. Auflage, Springer, 1997, ISBN 978-3-540-60035-0, S. 640 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  61. ↑ Eintrag zu Nickel(II)-sulfat. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 5. Januar 2015.
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