النيكل: خصائص العنصر واستخداماته

النيكل هو معدن متعدد الاستخدامات ومقاوم للتآكل ويستخدم على نطاق واسع في صناعات مثل الفضاء والطاقة والتصنيع نظراً لخصائصه الميكانيكية الممتازة وقدرته على تشكيل سبائك متينة.

مقدمة عن العنصر

النيكل (Ni)، الذي يبلغ عدده الذري 28، هو عنصر فلز انتقالي، يُصنَّف من خلال لونه الأبيض الفضي ومقاومته القوية للتآكل والأكسدة. يوجد النيكل طبيعياً في بعض المعادن، بما في ذلك البنتلاندايت والغارنيت واللاتريت. وعلى الرغم من أنه ليس معدنًا شائعًا في القشرة الأرضية، إلا أنه يحظى بتقدير كبير لقدرته على إنتاج سبيكة معدنية قوية ومقاومة للتآكل، خاصة في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ. اكتُشف النيكل في عام 1751 على يد الكيميائي السويدي أكسل فريدريك كرونستيدت.

وصف الخواص الكيميائية

النيكل مستقر تماماً. ويرجع ذلك إلى تكوين طبقة واقية من الأكسيد فوق سطح المعدن. وهذا يجعله مفيداً جداً في وجود المواد المسببة للتآكل. الخواص الكيميائية الرئيسية للمعدن هي:

• الخاصية التحفيزية: مقاومة النيكل للأحماض والقواعد تجعله مفيداً في الظروف البيئية القاسية.
• الحموضة والقلوية: عندما يتفاعل مع الأحماض والقواعد، فإنه يشكل أملاحاً قابلة للذوبان، مما يجعله مفيداً في العديد من التطبيقات الصناعية.
• السبائك: يُستخدم النيكل كعنصر مهم في العديد من السبائك مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والنيكروم والمونيل، مما يضيف إليها خصائص ميكانيكية ممتازة وثباتاً حرارياً ومقاومة للتآكل.

جدول بيانات الخواص الفيزيائية

فيما يلي جدول يلخص الخواص الفيزيائية للنيكل:

النيكل معدن صلب وقابل للسحب وهو موصل جيد للكهرباء. كما أن درجة انصهاره العالية ومقاومته للتآكل تجعله مناسباً للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

الاستخدامات الشائعة

خصائصه المرغوبة مثل القوة العالية وقابليته للطرق ومقاومته للتآكل تجعله مادة أساسية في العديد من الصناعات. وفيما يلي شرح لتطبيقاته.

صناعة الفولاذ المقاوم للصدأ

يُعد النيكل عنصراً مهماً جداً في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ، حيث يشكل عموماً نسبة 8-12% من إجمالي المادة. إن وجود هذا العنصر يزيد بشكل كبير من مقاومة الفولاذ للتآكل وقوته ومتانته، مما يوفر تطبيقاً قيماً في ظروف التآكل العالية، على سبيل المثال، في أواني المطبخ والمصانع الكيميائية والمباني. يمكن أن تُعزى خصائص مقاومة الصدأ والبقع التي يتميز بها الفولاذ المقاوم للصدأ في المقام الأول إلى وجود النيكل في الأواني ووحدات الأحواض والمعدات الطبية.

البطاريات

للنيكل استخدامات في إنتاج البطاريات القابلة لإعادة الشحن، وخاصة في إنتاج بطاريات Ni-Cd و NiMH القابلة لإعادة الشحن. تحتوي بطارية Ni-Cd، على سبيل المثال، على النيكل والكادميوم كمواد رئيسية، بينما تتكون بطارية NiMH من النيكل وهيدريد الفلز وبعض المواد الأخرى. تشمل تطبيقات بطاريات هيدريد فلز النيكل الأدوات الكهربائية والسيارات الكهربائية الهجينة والإلكترونيات المحمولة. بالإضافة إلى ذلك، تدخل تطبيقات النيكل في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ وبعض السبائك.

العملات المعدنية

استُخدِم النيكل على نطاق واسع في صناعة العملات المعدنية لعدة قرون، خاصة في سبائك النحاس والنيكل. تم تصميم العملات المعدنية المصنوعة من النيكل (5 سنتات أو النيكل الأمريكي) باستخدام النيكل، وذلك لمقاومتها للتآكل ومظهرها المعدني. تدوم عملات النيكل طويلاً لأنها لا تبلى أو تتآكل عند استخدامها لعدة عقود.

السبائك

يستخدم النيكل على نطاق واسع في سبائك مختلفة عالية الأداء نظراً لقدرته على تعزيز القوة، وقابلية الطرْق، ومقاومة الحرارة، ومقاومة التآكل. بعض الأمثلة على السبائك التي تحتوي على النيكل هي:

• نيكروم: سبيكة عالية المقاومة تستخدم في عناصر التسخين للمحامص والأفران الصناعية والأفران.
• المونيل: هذه سبيكة تتكون بشكل أساسي من النيكل والنحاس. يتميز المونيل بمقاومته الشديدة للتآكل الناتج عن مياه البحر، وبالتالي يُستخدم في بعض العمليات الكيميائية وكذلك في صناعة الطيران.
• إنكونيل: مجموعة من السبائك عالية الحرارة المستخدمة في المحركات النفاثة والتوربينات الغازية والمفاعلات.

ويُعد استخدام النيكل في السبائك أحد القطاعات الأساسية للصناعات التي تتطلب منتجاً قوياً وطويل الأمد ومقاوم للتآكل.

طرق التحضير

يتم الحصول على النيكل من خاماته من خلال عمليتين مختلفتين:

1. العملية البيروميتالورجية: تجمع هذه العملية بين تسخين خامات النيكل داخل فرن لاستخلاص النيكل من العناصر الأخرى. يتم الصهر والتكرير لإنتاج النيكل غير اللامع. وتعطي المعالجة الإضافية للمنتج نيكل نقي.

2. عملية التعدين المائي: تتم معالجة خامات النيكل باستخدام محاليل حمضية و/أو قاعدية لإذابة النيكل بمساعدة عملية الترشيح. ثم يتم تكرير النيكل من خلال التكرير الإلكتروليتي للحصول على نيكل عالي النقاء.

هذه العمليات تجعل استخلاص النيكل من خاماته أمراً ممكناً، ويمكن استخدام النيكل الناتج في أغراض مختلفة.

المنتجات الصناعية ذات الصلة

تعدد استخدامات النيكل يجعله لا يمكن الاستغناء عنه في مختلف القطاعات. وتشمل بعض التطبيقات الصناعية للنيكل ما يلي:

• الفولاذ المقاوم للصدأ: يستخدم في صناعة السيارات، وقطاع البناء، وإعداد أواني المطبخ.
• المحفزات: يستخدم النيكل في تحفيز التفاعلات التي تتضمن الهدرجة في الصناعة الكيميائية لتحويل الدهون غير المشبعة إلى دهون مشبعة.
• الطلاء: يستخدم النيكل بشكل كبير في الطلاء الكهربائي لتغطية المعادن الأخرى. وتمنح هذه العملية طلاءً مقاومًا للتآكل لمواد مثل الدراجات والساعات والأجهزة الإلكترونية.

يؤكد وجود النيكل في هذه المنتجات على أهميته في تحسين أداء وطول عمر المواد والمعدات في قطاعات متعددة.

الأسئلة المتداولة

1. ما هي الاستخدامات الرئيسية للنيكل؟
يستخدم النيكل في المقام الأول في إنتاج الفولاذ المقاوم للصدأ والبطاريات والعملات المعدنية والسبائك المختلفة. ويتم تقييمه لقوته ومقاومته للتآكل وقدرته على تخزين الطاقة في البطاريات القابلة لإعادة الشحن.

2. كيف يُستخرج النيكل من خاماته؟
يتم استخلاص النيكل باستخدام الطرق البيروميتالورجية (التسخين والصهر) أو الطرق الهيدروميتالورجية ( النض بالأحماض أو المحاليل القلوية)، يليها التكرير الإلكتروليتي لإنتاج النيكل النقي.

3. ما هي الخواص الفيزيائية للنيكل؟
النيكل معدن مطيل وصلب ذو درجة انصهار عالية (1455 درجة مئوية )، وكثافة عالية (8. 908 جم/سم مكعب)، وتوصيلية كهربائية جيدة (1.43 × 10⁶ S/m).

4. لماذا يُستخدم النيكل في الفولاذ المقاوم للصدأ؟
يعزز النيكل من قوة الفولاذ المقاوم للصدأ ومقاومته للتآكل ومتانته، مما يجعله مثاليًا للاستخدام في صناعات مثل البناء والسيارات وأدوات المطبخ.

5. كيف يساهم النيكل في أداء البطاريات؟
يُعد النيكل عنصرًا أساسيًا في البطاريات القابلة لإعادة الشحن نظرًا لكثافة طاقته العالية وعمر دورته الطويل، مما يساهم في أداء السيارات الهجينة والأدوات الكهربائية .