Nichel - Docenti.unina

UNIVERSITÁ DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II
SCUOLA INTERUNIVERSITARIA CAMPANA
DI SPECIALIZZAZIONE ALL’INSEGNAMENTO
VIII CICLO
LEZIONE DI
CHIMICA DEGLI ELEMENTI NELL’AMBIENTE
COME “RACCONTEREI”
IL NICHEL
IN UNA SCUOLA SUPERIORE
Destinatari:
Classe Terza o Quarta di un Istituto Tecnico Industriale – Indirizzo
Scientifico Tecnologico
Prerequisiti:
• Saper leggere la tavola periodica, individuando gli elementi in base alla
posizione che occupano e saperne prevedere le proprietà caratteristiche
• Conoscere e saper bilanciare le reazioni chimiche
• Conoscere i fondamenti della elettrochimica
Obiettivi:
• Conoscere le caratteristiche chimico-fisiche del Nichel
• Conoscere la diffusione del Nichel nell’ambiente
• Conoscere i principali
Nichel
processi di estrazione e di ottenimento del
• Conoscere gli usi e le applicazioni tecnologiche del Nichel
• Conoscere gli effetti del Nichel sulla salute e sull’ambiente
Il Nichel
Un po’ di storia
Nel 1751 lo svedese Axel Cronsted
isolò il Nichel da alcuni minerali nel
tentativo di estrarre il rame
Il nome deriva dal tedesco Kupfernickel,
“il rame del diavolo”, perché i minatori
attribuivano ad un genio maligno le colpe
del ritrovamento di questo metallo, che
allora non aveva alcun valore, al posto del
rame, elemento più prezioso ed utile
Proprietà del Nichel
Numero atomico
28
Ni
Nichel
58,71
Massa atomica
Metallo bianco-argenteo, duro,
duttile, malleabile, lucidabile
Configurazione elettronica
[ Ar ] 3d8 4s2
Stato di aggregazione (25°C)
Solido
Temperatura di fusione
1453°C
Temperatura di ebollizione
2913°C
Elettronegatività secondo Pauling
Densità
Stati di ossidazione
1,8
8,90 g/cm3
1 2 3 4
Il Nichel nell’ambiente
• La maggior parte del Ni presente sulla terra si trova
•
•
•
•
nel nucleo fuso ferro-nichel del pianeta
La quantità totale di Ni disciolta in mare è stata
calcolata essere intorno agli 8 miliardi di tonnellate
Il contenuto di Ni nel suolo è stimato essere 0,2 mg/l
Il contenuto di Ni può raggiungere i 450 mg/l in
alcune argille e terreni argillosi
È presente sulla crosta terrestre in un gran numero di
minerali tra cui solfuri, arseniuri, ossidi, silicati
Millerite
(NiS)
Niccolite
(NiAs)
Estrazione del Nichel
• Il Ni è estratto principalmente da depositi di solfuri
di origine magmatica, in cui il principale minerale è la
pentlandite
Pentlandite [(Ni,Fe)9S8]
Solfuro di nichel e ferro con impurezze
di Co e Cu
• Il metallo è estratto principalmente in Russia, in
•
Australia, a Cuba, in Canada ed in Sud Africa
La produzione annua supera le 500000 tonnellate e le
riserve facilmente sfruttabili dureranno per almeno
altri 150 anni
Metallurgia del Nichel
• La pentlantide (Ni,Fe)9S8 viene
•
•
•
fusa in un altoforno, in presenza di
silice, per eliminare il ferro
La massa fusa viene lasciata
raffreddare lentamente per più
giorni fino ad ottenere un solido
da cui si separano
le fasi di
solfuro di nichel
Queste fasi sono trasportate in
forma di lingotti alle raffinerie
Il solfuro di Ni viene arrostito per
produrre l'ossido di Nichel NiO,
che poi è ulteriormente raffinato
con il processo Mond o con il
processo elettrolitico
Metallurgia del Nichel
• Nel processo Mond l'ossido di nichel è fatto reagire con
gas d'acqua (H2 + CO). L'idrogeno riduce il metallo, che a
sua volta reagisce col CO per produrre il tetracarbonile di
Nichel, Ni(CO)4
• Questo gas è fatto passare su un letto di pastiglie di Ni
purissimo a 250° C. Così il tetracarbonile si decompone
depositando metallo puro al 99.95% e liberando CO che
viene rimessa in ciclo
• Nel processo elettrolitico l'ossido di nichel viene ridotto a
nichel con carbone: NiO + C → Ni + CO
• Si ottiene un metallo impuro ulteriormente raffinato per
elettrolisi con solfato o cloruro di nichel come elettroliti
Reattività del Nichel e dei suoi composti
•
•
•
•
•
Non è molto attivo chimicamente
Resiste alla corrosione
Non è attaccato dall’acqua
È solubile in acido nitrico diluito
Alcuni Sali di Nichel:
–
–
–
–
–
Ossido di Nichel, NiO
Cloruro di Nichel, NiCl2
Carbonato di Nichel, NiCO3
Nitrato di Nichel , Ni(NO3)2
Solfato di Nichel, NiSO4
La maggior parte dei sali di nichel sono di colore verde o
blu, e si trovano in forma idrata
Alcuni usi del Nichel
• Una notevole quantità di Nichel si usa sotto forma di
•
•
leghe tra cui:
– Acciaio Inox (lega Fe/C contenente il 18% di cromo e
l’8% di nichel)
– Monel (lega Ni/Cu con le tracce di ferro, manganese
e silicio)
– Nickel-silver (leghe di rame contenenti circa il 20%
di Ni e 5-10 % di Zn)
– Acciaio Invar (lega contenente 68% di Fe e 36% di
Nichel)
È usato con il cadmio per formare una coppia
redox Ni/Cd (accumulatori)
È usato come catalizzatore in vari processi,
tra cui l’idrogenazione degli oli
Alcuni usi del Nichel
• Il Nichel puro, grazie alla sua
buona conducibilità elettrica,
viene utilizzato per componenti
elettrici ed elettronici
• Un’intera
classe
di
superleghe a base di
Nichel è stata sviluppata
per realizzare le palette
di turbine a gas di
aviogetti e di alcuni
generatori di potenza
elettrica
Alcuni usi del Nichel
• Usato in lega con il rame per produrre monete
In Italia la prima moneta di nichel è stata coniata
nel 1894; il suo valore era di 20 centesimi di lira e
per questo veniva detta anche ventino, o nichelino.
• Usato per rivestimenti protettivi e ornamentali per i
metalli, in particolare per ferro e acciaio (Nichelatura)
Nichelatura
Si può eseguire una nichelatura elettrolitica o una
nichelatura chimica.
Nella nichelatura elettrolitica il metallo
che deve essere rivestito è posto al
catodo di una cella di elettrolisi mentre
una barretta di nichel è posto all’anodo. I
due elettrodi sono immersi in una
soluzione di solfato di nichel. Quando si
applica una tensione agli elettrodi, il
metallo all’anodo si ossida e si scioglie
passando in soluzione. Attraverso la
soluzione gli ioni del metallo migrano
Ni → Ni2+ + 2 everso il catodo, dove si riducono
depositando sul materiale da ricoprire
Ni2+ + 2 e- → Ni
uno strato metallico continuo.
Per ottenere un buon rivestimento è necessario che il metallo da
ricoprire sia ben pulito da ogni traccia
di grassi ed ossidi
(spazzolatura e decapaggio).
Nichelatura
Nella nichelatura chimica si sfrutta l’azione diretta sugli ioni nichel
di sostanze riducenti come ad es. ipofosfito di sodio (NaH2PO2× H2O).
Non sono quindi necessarie le normali apparecchiature richieste per i
depositi galvanici e la deposizione si può ottenere su qualsiasi
substrato (metallo, vetro, ceramica o plastica):
Ni2+ + H2PO2- + H2O  Ni + H2PO3- + 2H+
I cationi nichel sono ridotti a nichel metallo dagli ioni ipofosfito in
presenza di acqua, mentre gli ioni ipofosfito sono ossidati a ioni fosfito
con simultanea formazione di ioni idrogeno.
Oggetti nichelati
Il Nichel negli oggetti d’uso quotidiano
Il Nichel negli alimenti
• il cacao ne contiene 10 mg/Kg
• la liquirizia 4,4 mg/Kg
• le nocciole: 1,5 mg/Kg
• le lenticchie: 1,9 mg/Kg
Gli effetti del Nichel sulla salute
• Il nichel è essenziale in piccoli importi, ma quando
•
•
l'assorbimento è troppo alto può essere un pericolo per
la salute umana
Il nichel e determinati composti del nichel sono stati
ritenuti dal programma nazionale di tossicologia come
composti quasi cancerogeni
Il nichel viene frequentemente ritenuto il responsabile
di reazioni cutanee sotto forma di dermatite: pare che
addirittura il 7-10% della popolazione femminile e il 23% di quella maschile sia allergica al nichel
Questo problema può essere risolto
• utilizzando oggetti in plastica, vetro o
metalli nobili
• oppure utilizzando prodotti e cosmetici
“Nichel FREE”, oggi diffusi in commercio
Gli effetti del Nichel
sull’ambiente
• Il nichel è rilasciato nell'aria dalle centrali elettriche e
•
•
•
dagli inceneritori di rifiuti e generalmente sedimenta nel
terreno
Alte concentrazioni di nichel nei terreni possono
danneggiare visibilmente le piante
Alte concentrazioni di nichel in acque di superficie
possono diminuire i tassi di crescita delle alghe
Per gli animali il nichel è un alimento essenziale in piccole
quantità, ma pericoloso se si superano i limiti massimi
tollerabili. Ciò può causare, infatti, vari tipi di cancro in
punti differenti all'interno dei corpi degli animali,
soprattutto in quelli che vivono nei pressi di raffinerie
FINE