Il nichel (o nichelio) è l'elemento chimico di numero atomico 28 e il suo simbolo è Ni. È il primo elemento del gruppo 10 del sistema periodico, facente parte del blocco d, ed è quindi un elemento di transizione. Nella vecchia nomenclatura ha costituito, insieme al ferro e al cobalto la triade del gruppo VIII del sistema periodico, detto anche gruppo del ferro; allo stato metallico condivide con essi il ferromagnetismo, sebbene meno spiccato che nel ferro.
Il nichel è un metallo leggermente meno duro del ferro puro (4 contro 4,5 su scala Mohs) e una conducibilità elettrica lievemente inferiore, ma è molto più resistente alla corrosione. Presenta una lucentezza bianco argentea con una lieve sfumatura gialla, riscontrabile nello spettro della luce riflessa.
Etimologia Il termine deriva dallo svedese Nickel, diminutivo di Nikolaus, anticamente associato a persona da poco, folletto o ragazzo irrequieto, troppo pieno di vitalità. Esiste poi il derivato tedesco Kupfernickel ("rame del diavolo"), nome dato dai minatori che, cercando il rame, trovavano invece questo elemento e ne davano la colpa a un genio maligno.Peter W. Atkins, Chimica Generale p.623; ISBN 88-08-15276-6
Storia Il nichel si usa almeno dal 3500 a.C. Alcuni bronzi provenienti dalla Siria contengono fino al 2% di nichel. Inoltre esistono alcuni manoscritti cinesi che suggeriscono che il "rame bianco" (paitung) fosse in uso in Oriente fra il 1700 e il 1400 a.C. Comunque, poiché i minerali di nichel possono facilmente essere confusi con minerali di argento, l'uso consapevole del nichel in quanto tale risale all'era contemporanea.
I minerali che contengono nichel, come la niccolite o falso rame, erano apprezzati anticamente per il colore verde che conferivano al vetro. Nel 1751 il mineralogista svedese Axel Fredrik Cronstedt, tentando di estrarre rame dalla niccolite, ottenne invece un metallo bianco-argenteo che battezzò nickhel, dal tedesco Kupfernickel (falso rame) o da nickel (folletto, diavoletto).
Il nichel naturale nella sua forma elementare è stato descritto per la prima volta da Paul Ramdohr 1967 e riconosciuto dall'International Mineralogical Association (IMA) come specie minerale indipendente (numero di input interno dell'IMA: 1966-039).
La prima moneta di nichel puro venne coniata nel 1881, mentre monete in nichel-rame vennero emesse da tre sovrani del Regno indo-greco nel II secolo a.C.
La moneta statunitense detta "nichelino" a causa della particolare lega usata non è ferromagnetica, mentre l'equivalente canadese lo era fino all'anno di conio 1958 compreso.Effettivamente, vengono indicate con questo nome tutte le monete di piccolo taglio a base di nichel, come anche quella da 20 centesimi di lira, coniata da re Umberto I di Savoia.
Caratteristiche Il nichel è un metallo argenteo che presenta un mix di proprietà ferrose e non ferrose. Appartiene al blocco del ferro ed è duro, malleabile e duttile. Il nichel è uno dei cinque elementi ferromagnetici (temperatura di Curie = 354°C) ed è resistente alla corrosione.
Si accompagna molto spesso con il cobalto: entrambi si possono trovare nel ferro meteoritico. È assai apprezzato per le proprietà che conferisce alle leghe metalliche di cui fa parte.
Lo stato di ossidazione più comune del nichel è +2, ma sono stati osservati anche complessi di nichel in stati di ossidazione 0, +1 e +3.
L'energia di ionizzazione del nichel è di 7,640 eV e la sua affinità elettronica è pari a 1,156 eV.
Disponibilità L'abbondanza stimata del nichel sulla crosta terrestre è pari a circa 8,4 × 101 mg/Kg, mentre negli oceani è pari a circa 5,6 × 10-4 mg/l. Il raggio ionico del nichel divalente è simile a quello del ferro divalente e del magnesio divalente permettendo ai tre elementi di poter essere sostituiti l'uno con l'altro nei reticoli cristallini di alcuni silicati e ossidi.
La maggior parte di tutto il nichel viene estratto da due tipi di deposito minerale:
il primo tipo è costituito da lateriti in cui i minerali principali sono limonite nichelifera [(Fe,Ni)O(OH)] e garnierite (un silicato idrato di nichel), il secondo tipo è costituito da depositi di solfuri di origine magmatica in cui il principale minerale è la pentlandite [(Ni,Fe)9S8].
Il nichel si trova anche nella kamacite, una lega naturale di ferro e nichel.
Le riserve maggiori di nichel sono in Australia e Nuova Caledonia e ammontano a circa il 45% delle riserve totali note.
Si stima che, a partire dalle zone emerse in cui si è osservato almeno 1% di concentrazione di nichel, le risorse di nichel disponibili siano almeno 130 milioni di tonnellate, circa il doppio delle riserve già note. Il 60% è in lateriti e il 40% in depositi di solfuri.
Nel 2011 la Russia è stato il più grande produttore di nichel con circa il 20% della produzione mondiale seguito da vicino da Canada, Australia, Indonesia e Filippine, come riportato da "US Geological Survey".
I maggiori produttori di nichel nel 2019 Posizione Paese Produzione (mille tonnellate) 1 853 2 323 3 279 4 208 5 181 6 159 7 120 8 60 9 57
Isotopi Dell'elemento nichel si conoscono almeno trentuno isotopi, con numeri di massa che vanno da A = 48 ad A = 78. Tra questi, gli isotopi stabili (o almeno apparentemente stabili) del nichel esistenti in natura sono i cinque seguenti, con le loro abbondanze relative in parentesi: 58Ni (68,077%), 60Ni (26,223%), 61Ni (1,1399%), 62Ni (3,6345%) e 64Ni (0,9256%).
Isotopi stabili Il primo isotopo naturale del nichel e il più abbondante, il 58Ni, è osservativamente stabile; tuttavia, è teoricamente soggetto a decadimento per dare l'ultimo isotopo stabile del ferro, il 58Fe, attraverso una doppia cattura elettronica (2 ε) o anche per cattura elettronica ed emissione di positrone (ε+β+), mentre il modo di doppia emissione di positrone (2 β+) risulta proibito e l'energia di decadimento massima è pari a 1,675 MeV. Tuttavia, l'emivita stimata per questi processi è superiore a 1021 anni, un periodo di centinaia di miliardi di volte superiore all'età dell'universo, per cui questo decadimento sarebbe del tutto inavvertibile e privo di qualsiasi conseguenza da un punto di vista pratico.
60Ni è l'ultimo prodotto della catena di decadimento dell'estinto radionuclide 60Fe (emivita: 2,6 milioni di anni), attraverso l'intermedio 60Co (due successivi decadimenti β−). L'abbondanza del 60Ni presente in materiale di origine extra-terrestre può aiutare a far luce sull'origine e sulla storia del sistema solare.
61Ni è l'unico nuclide stabile del nichel ad avere spin nucleare (3/2-) non nullo, il che permette l'uso della spettroscopia Mössbauer per i composti di nichel.
62Ni, terzo per abbondanza naturale, è il nuclide che ha il primato di essere il nuclide più fortemente legato, quello cioè avente la più alta energia di legame per nucleone, che ammonta a 8,7946 MeV/nucleone, seguito in questo dal 58Fe e poi dal 56Fe.
64Ni è l'ultimo isotopo stabile del nichel e il meno abbondante. Campioni di nichel arricchito in questo isotopo vengono usati per produrre, tramite bombardamento con protoni di ~17 MeV, il radioisotopo 64Cu secondo la reazione nucleare 64Ni(p,n)64Cu, il quale ha la caratteristica inusuale di decadere sia per emissione di elettrone (β−, 61%), sia per emissione di positrone (β+, 39%). Di questo isotopo del rame si sfrutta il suo modo di decadimento β+ in applicazioni di tomografia a emissione di positroni (PET).
Isotopi radioattivi Del nichel sono stati inoltre prodotti artificialmente ed identificati 18 isotopi radioattivi, di cui il più longevo è 59Ni con un'emivita di 76 000 anni, seguito da 63Ni (100,1 anni) e da 56Ni (6,077 giorni). Tutti gli altri isotopi hanno un'emivita inferiore alle 60 ore e nella maggior parte di essi inferiore ai 30 secondi.
54Ni (spin 0) è un isotopo del nichel povero di neutroni che decade (T1/2 = 0,104 s) per emissione di positrone (β+) in 54Co (Q = 7,78 MeV), il quale decade a sua volta (Q = 7,22 MeV), anch'esso per emissione di positrone, per dare 54Fe, un isotopo del ferro osservativamente stabile. Il raggio quadratico medio della sua carica elettrica nucleare è stato stimato in 3,737 femtometri.
55Ni (spin 7/2-) è un isotopo del nichel, anch'esso povero di neutroni, che decade β+ (T1/2 = 204,7 ms) in 55Co (Q = 7,67 MeV), il quale decade a sua volta (Q = 7,22 MeV), anch'esso β+, per dare 55Fe, il quale decade ancora, questa volta per cattura elettronica (ε), per dare infine 55Mn, stabile.
56Ni (spin 0) viene prodotto in grandi quantità nelle supernove di tipo II; questo nuclide, nonostante sia doppiamente magico (28 protoni e 28 neutroni), è radioattivo a vita breve (T1/2 ≈ 6 giorni) e decade ε/β+ a 56Co (Q = 1,11 MeV), che poi decade anch'esso con la stessa modalità (T1/2 ≈ 77 giorni, Q = 3,54 MeV) a 56Fe, stabile. Questi processi all'interno delle stelle massive costituiscono il principale punto di arrivo della nucleosintesi che porta alla formazione della maggior parte dei nuclei di ferro nell'Universo e nel sistema solare.
57Ni (spin 3/2-) decade in modalità cattura elettronica ed emissione di positrone (ε/β+) (T1/2 = 35,6 ore; Q = 3,262 MeV), dando l'isotopo 57Fe, spin 1/2- (stabile).
59Ni (spin 3/2-) è un radionuclide di origine cosmica che decade nella quasi totalità dei casi per cattura elettronica (ε) a 59Co, stabile, Q = 1,073 MeV; nell'1,5×10−5% decade β+ dando lo stesso prodotto. Grazie al suo tempo di dimezzamento sufficientemente lungo (76 000 anni) trova impiego in geologia per eseguire datazioni; in particolare, è stato usato per datare l'età delle meteoriti e per stimare l'abbondanza di pulviscolo cosmico nei ghiacci e nei sedimenti terrestri.
63Ni (spin 1/2-) decade β− all'isotopo stabile 63Cu (T1/2 = 101,2 anni; Q = 0,06698 MeV). Questo isotopo si trova nelle strutture di supporto dei reattori nucleari in quanto si forma dal 62Ni per cattura di neutrone.
65Ni (spin 5/2-) decade β− all'isotopo stabile 65Cu (T1/2 = 2,52 ore; Q = 2,138 MeV).
66Ni (spin 1) decade β− (T1/2 = 2,280 giorni) in 66Cu (Q = 251,99 keV), il quale decade a sua volta (Q = 2,64 MeV), anch'esso β−, per dare 66Zn, stabile.
Estrazione La maggior parte del nichel deriva da minerali di ferro contenenti nichel e rame, come la ghiaia magnetica al nichel. Il nichel deve prima essere arricchito mediante flottazione a circa il 5% di contenuto di nichel. Quindi il minerale viene arrostito in modo simile alla produzione di rame.
In questa fase il minerale viene prima pre-torrefatto per convertire una parte del solfuro di ferro in ossido di ferro. Successivamente, vengono aggiunti silicati e coke per eliminare le scorie di ossido di ferro come silicato di ferro. Allo stesso tempo, la pietra grezza rame-nichel è formata da nichel, rame e solfuro di ferro. Poiché questo è specificamente più pesante delle scorie di silicato di ferro, le due fasi possono essere separate facilmente.
In seguito, la pietra grezza viene messa in un convertitore dove vengono aggiunti silice e ossigeno trasformando il solfuro di ferro in ossido di ferro che verrà strofinato via. Il risultato è la pietra fine rame-nichel, che comprende circa l'80% di rame e nichel e circa il 20% di zolfo.
A questo punto il nichel deve essere separato dal rame. A tale scopo, la pietra fine viene fusa con solfuro di sodio (Na2S) portando alla formazione di un doppio solfuro di fusione tra rame e solfuro di sodio. Si formano due fasi: una di doppio solfuro di rame-sodio (liquido) e una nichel solfuro. Dopo la separazione, il solfuro di nichel viene tostato in ossido di nichel e quindi ridotto in nichel con la coke.
Per recuperare il nichel puro, la pietra ottenuta è raffinata per elettrolisi in cui l'elettrolita utilizzato è una soluzione di sale di nichel. Durante il processo, il nichel e tutti i componenti meno nobili si spostano nella soluzione, metre i componenti più nobili rimangono solidi e precipitano. La purezza del nichel così ottenuto si aggira intorno al 99,9%.