Níquel: historia, propiedades, estructura, usos, riesgos
El níquel es un metal de transición de color blanco cuyo símbolo químico es el Ni. Su dureza es mayor que la del hierro, además de que es un buen conductor del calor y la electricidad, y en general, se considera un metal poco reactivo y muy resistente a la corrosión. En su estado puro, es plateado con matices dorados.
En 1751, Axel Fredrik Cronsted, químico sueco, logró aislarlo de un mineral conocido como Kupfernickel (cobre del diablo), extraído de un mina de cobalto de una aldea sueca. Al principio, Cronsted pensaba que el mineral era de cobre, pero el elemento aislado resultó ser de color blanco, distinto del cobre.
Cronsted denominó al elemento como níquel y posteriormente se estableció que el mineral llamado kupfernickel era nicolita (arseniuro de níquel).
El níquel es extraído principalmente de dos depósitos: las rocas ígneas y otras segregaciones del magma terrestre. Los minerales son de naturaleza sulfurosa, como la pentladita. La segunda fuente de níquel la constituyen las lateritas, con minerales ricos en níquel como la garnierita.
La aplicación principal del níquel radica en la formación de aleaciones con numerosos metales; por ejemplo, interviene en la elaboración de acero inoxidable, actividad industrial que consume cerca del 70 % de la producción mundial de níquel.
Además, el níquel se utiliza en aleaciones como alnico, una aleación de naturaleza magnética destinada para la elaboración de motores eléctricos, altavoces y micrófonos.
El níquel comenzó a usarse en la elaboración de monedas a mediados del siglo XIX. Empero, actualmente se ha sustituido su uso por el de metales menos costosos; aunque se continúa utilizando en algunos países.
El níquel es un elemento esencial para las plantas, ya que activa la enzima ureasa que interviene en la degradación de la urea a amoníaco, utilizable por las plantas como fuente de nitrógeno. Además, la urea es un compuesto tóxico que provoca graves daños en las plantas.
El níquel es un elemento de gran toxicidad para los seres humanos, existiendo evidencia de ser un agente cancerígeno. Además, el níquel provoca por contacto dermatitis y el desarrollo de alergia.
Índice del artículo
- 1 Historia
- 2 Propiedades
- 2.1 Apariencia
- 2.2 Peso atómico
- 2.3 Número atómico (Z)
- 2.4 Punto de fusión
- 2.5 Punto de ebullición
- 2.6 Densidad
- 2.7 Calor de fusión
- 2.8 Calor de vaporización
- 2.9 Capacidad calórica molar
- 2.10 Electronegatividad
- 2.11 Energía de ionización
- 2.12 Radio atómico
- 2.13 Radio covalente
- 2.14 Conductividad térmica
- 2.15 Resistividad eléctrica
- 2.16 Dureza
- 2.17 Características
- 2.18 Isótopos
- 3 Estructura y configuración electrónica
- 4 ¿Dónde se encuentra el níquel?
- 5 Usos
- 6 Papel biológico
- 7 Riesgos
- 8 Referencias
El hombre conocía desde la antigüedad la existencia del níquel. Por ejemplo, se halló en objetos de bronces (3500 a.c.), presentes en tierras actualmente pertenecientes a Siria, un porcentaje de níquel del 2%.
Asimismo, manuscritos chinos hacen suponer que el “cobre blanco”, conocido como baitong, se usó entre 1700 y 1400 a.c. El mineral se exportó a Gran Bretaña en el siglo XVII; pero el contenido de níquel de esta aleación (Cu-Ni) no se descubrió sino hasta 1822.
En la Alemania medieval se encontró un mineral rojizo, parecido al cobre, y que presentaba manchas verdes. Los mineros trataron de aislar el cobre del mineral, pero fracasaron en su intento. Además, el contacto con el mineral producía trastornos de salud.
Por estas razones, los mineros atribuyeron al mineral una condición maligna y le asignaron diferentes nombres que ilustraban esta condición; como “Viejo Nick”, también kupfernickel (cobre del diablo). Ahora se sabe que el mineral en cuestión, era nicolita: arseniuro de níquel, NiAs.
En 1751, Axel Fredrik Cronsted trató de aislar cobre del kupfernickel, obtenido de una mina de cobalto situado cerca de Los Halsinglandt, una aldea sueca. Pero solamente logró obtener un metal blanco, que era hasta entonces desconocido y lo llamó nickel.
A partir de 1824, se logró obtener níquel como un subproducto de la producción de cobalto azul. En 1848, se estableció en Noruega una fundición para el procesamiento del níquel presente en el mineral pirrotita.
En 1889, se introdujo el níquel en la producción de acero, y los yacimientos descubiertos en Nueva Caledonia proporcionaron el níquel para el consumo mundial.
Blanco plateado, lustroso y con un ligero tinte dorado.
58,9344 u
28
1.455 ºC
2.730 ºC
-A temperatura ambiente: 8,908 g/mL
-En el punto de fusión (líquido): 7,81 g/mL
17,48 kJ/mol
379 kJ/mol
26,07 J/mol
1,91 en la escala de Pauling
Primer nivel de ionización: 737,1 kJ/mol
Segundo nivel de ionización: 1.753 kJ/mol
Tercer nivel de ionización: 3.395 kJ/mol
Empírico 124 pm
124,4±4 pm
90,9 W/(m·K)
69,3 nΩ·m a 20 ºC
4,0 en la escala de Mohs.
El níquel es un metal dúctil, maleable y tiene una dureza mayor que la del hierro, siendo un buen conductor eléctrico y térmico. Es un metal ferromagnético a temperaturas normales, siendo su temperatura de Curie de 358 ºC. A temperaturas mayores a esta, el níquel deja de ser ferromagnético.
El níquel es uno de los cuatro elementos ferromagnéticos, siendo los otros tres: hierro, cobalto y gadolinio.
Existen 31 isótopos del níquel, limitados por el 48Ni y 78Ni.
Hay cinco isótopos naturales: 58Ni, con una abundancia del 68,27 %; 60Ni, con una abundancia del 26,10 %; 61Ni, con una abundancia del 1,13 %; 62Ni, con una abundancia del 3,59 %; y 64Ni, con una abundancia del 0,9 %.
El peso atómico de casi 59 u para el níquel demuestra que no hay una marcada predominancia en ninguno de los isótopos (aun cuando el 58Ni sea el más abundante).
El níquel metálico cristaliza en una estructura cúbica centrada en las caras (fcc, por sus siglas en inglés: face centered cubic). Esta fase fcc es sumamente estable, y permanece inalterada hasta presiones cercanas a los 70 GPa; poca información bibliográfica hay respecto a fases o polimorfos de níquel bajo altas presiones.
La morfología de los cristales de níquel es variable, pues estos pueden disponerse de tal manera que definen un nanotubo. Como nanopartículas o sólido macroscópico, el enlace metálico sigue siendo el mismo (en teoría); es decir, son los mismos electrones de valencia los que mantienen unidos los átomos de Ni.
De acuerdo a las dos configuraciones electrónicas posibles para el níquel:
[Ar] 3d8 4s2
[Ar] 3d9 4s1
Son diez electrones los que intervienen en el enlace metálico; ya sea ocho o nueve en el orbital 3d, junto con dos o uno en el orbital 4s. Nótese que la banda de valencia está prácticamente llena, próxima a transportar sus electrones a la banda de conducción; hecho que explica su relativamente alta conductividad eléctrica.
La estructura fcc del níquel es tan estable, que incluso la adopta el acero cuando se le es adicionado. Así, el hierro inoxidable con un contenido alto níquel también es fcc.
El níquel, aunque no lo parezca, también tiene abundantes números o estados de oxidación. Los negativos resultan obvios sabiendo que apenas le faltan dos electrones para completar los diez de su orbital 3d; así, puede ganar uno o dos electrones, teniendo números de oxidación -1 (Ni–) o -2 (Ni2-), respectivamente.
El número de oxidación más estable para el níquel es el +2, asumiendo la existencia del catión Ni2+, el cual ha perdido los electrones del orbital 4s y tiene ocho electrones en el orbital 3d (3d8).
Asimismo, hay otros dos números de oxidación positivos: el +3 (Ni3+) y el +4 (Ni4+). A niveles escolares o de bachillerato, solo se enseña que el níquel existe como Ni(II) o Ni(III), lo cual se debe a que son los números de oxidación más comunes y hallados en compuestos muy estables.
Y cuando es el níquel metálico el que forma parte de un compuesto, es decir, con su átomo neutro Ni, se dice entonces que participa o se enlaza con un número de oxidación de 0 (Ni0).
El níquel constituye el 0,007 % de la corteza terrestre, por lo que su abundancia es baja. Pero, aun así es el segundo metal en abundancia después del hierro en el núcleo fundido de la tierra, conocido como Nife. El agua de mar tiene una concentración promedio de níquel de 5,6·10-4 mg/L.
Se encuentra normalmente en rocas ígneas, siendo la pentlandita, un mineral formado de sulfuro de hierro y níquel [(Ni,Fe)9S8], una de las fuentes principales de níquel:
El mineral pentlandita está presente en Sudbury, Ontario, Canadá; uno de los principales yacimientos de este metal en el mundo.
La pentlandita tiene una concentración de níquel entre 3 y 5 %, encontrándose asociada a la pirrotita, un sulfuro de hierro rico en níquel. Estos minerales se encuentran en rocas productos de las segregaciones del magma terrestre.
La otra fuente importante de níquel son las lateritas, constituidas por suelos áridos de las regiones cálidas. Son pobres en sílice y poseen varios minerales, entre ellos: la garnierita, un silicato de magnesio y níquel; y la limonita, un mineral de hierro [(Fe,Ni)O(OH) con un contenido entre 1 y 2 % de níquel.
Se estima que el 60 % del níquel es extraído de las lateritas, y el 40 % restante de los depósitos sulfurosos magmáticos.
El níquel también se encuentra en meteoritos de hierro con las aleaciones kamacita y taenita. La kamacita es una aleación de hierro y níquel, con un porcentaje de 7 % del mismo; mientras que la taenita, es la misma aleación, pero con un porcentaje de níquel entre el 20 y el 65 %.
El níquel se fija a los compuestos orgánicos, por esta razón se encuentra en alta concentración en el carbón y en el petróleo.
La China es el mayor productor del níquel del mundo, seguido de Rusia, Japón, Australia y Canadá.
Aleaciones
Se utiliza en aleación con el hierro fundamentalmente para la elaboración del acero inoxidable, ya que el 68 % de la producción de níquel es usado con este fin.
También forma una aleación con el cobre, resistente a la corrosión. Esta aleación está formada por un 60 % de níquel, 30 % de cobre y pequeñas cantidades de otros metales, especialmente hierro.
El níquel se usa en aleaciones resistivas, magnéticas y con otros fines, como la plata de níquel; y una aleación constituida por níquel y cobre, pero que no contiene plata. Los tubos de Ni-Cu se utilizan en las plantas de desalinización, blindajes y en la elaboración de monedas.
El níquel suministra tenacidad y resistencia a la tracción a las aleaciones que forma resistencia a la corrosión. Además de las aleaciones con el cobre, el hierro y el cromo, se usa en aleación con el bronce, el aluminio, el plomo, cobalto, plata y oro.
La aleación Monel está formada por un 17 % de níquel, 30 % de cobre y con trazas de hierro, manganeso y silicio. Es resistente al agua de mar, lo cual la hace ideal para su uso en las hélices de los barcos.
Acción protectora
El níquel al reaccionar con el flúor forma una capa protectora del elemento flúor, lo que permite que el níquel metálico o la aleación de Monel se utilicen en los conductos del gas flúor.
El níquel es resistente a la acción de los álcalis. Por esta razón se usa en los recipientes que contienen hidróxido de sodio concentrado. Asimismo, se usa en galvanoplastia para crear una superficie protectora para otros metales.
Otros usos
El níquel se utiliza como agente reductor de seis metales del grupo del platino de los minerales en los cuales está combinado; principalmente del platino y el paladio. La espuma o malla de níquel se utiliza en la elaboración de electrodos para baterías de combustible alcalino.
El níquel se emplea como catalizador de la hidrogenación de ácidos grasos insaturados vegetales, usándose en el proceso de elaboración de la margarina. El cobre y la aleación Cu-Ni, tienen acción antibacteriana sobre la E. coli.
Nanopartículas
Las nanopartículas de níquel (NPs-Ni), encuentran una amplia variedad de uso a raíz de su mayor área superficial en comparación a una muestra macroscópica. Cuando estas NPs-Ni se sintetizan a partir de extractos vegetales, desarrollan actividades antimicrobianas y antibacterianas.
La razón de lo anterior dicho se debe a su mayor tendencia a oxidarse en contacto con el agua, formándose cationes Ni2+ y especies oxigenadas muy reactivas, que desnaturalizan las células microbianas.
Por otro lado, las NPs-Ni se utilizan como material de electrodos en celdas de combustible sólido, fibras, imanes, fluidos magnéticos, partes electrónicas, sensores de gases, etc. Asimismo, son soportes catalíticos, adsorbentes, agentes decolorantes y depuradores de aguas residuales.
El cloruro, nitrato y sulfato de níquel son utilizados en baños de níquel en la galvanoplastia. Además, su sal de sulfato se usa en la preparación de catalizadores y mordientes para la tinción de textiles.
El peróxido de níquel se usa en baterías de almacenamiento. Las ferritas de níquel se emplean como núcleos magnéticos en las antenas en diversos equipos eléctricos.
El tertracarbonilo de níquel aporta monóxido de carbono para la síntesis de acrilatos, a partir de acetileno y alcoholes. El óxido combinado de bario y níquel (BaNiO3) sirve de materia prima para la fabricación de cátodos de muchas baterías recargables, como Ni-Cd, Ni-Fe y Ni-H.
Las plantas requieren de la presencia de níquel para su crecimiento. Se sabe que varias enzimas de las plantas lo utilizan como cofactor, entre ellas la ureasa; enzima que convierte la urea en amoníaco, pudiéndose utilizar este compuesto en el funcionamiento de las plantas.
Además, la acumulación de la urea produce una alteración en las hojas de las plantas. El níquel actúa en forma de catalizador para favorecer la fijación de nitrógeno por las legumbres.
Los cultivos más sensibles a la deficiencia del níquel son las legumbres (habas y alfalfa), cebada, trigo, ciruelas y durazneros. Su deficiencia se manifiesta en las plantas por una clorosis, caída de las hojas y deficiencias en el crecimiento.
En algunas bacterias la enzima ureasa es dependiente del níquel, pero se consideran que estas pueden tener una acción virulenta en los organismos que habitan.
Otras enzimas bacterianas, como la superóxido dismutasa, así como la glioxidasa presente en bacterias y algunos parásitos, por ejemplo en los tripanosomas, son dependientes del níquel. Sin embargo, las mismas enzimas en especies superiores no son dependientes del níquel sino del zinc.
La ingesta de grandes cantidades de níquel está asociada a la generación y desarrollo de cánceres pulmonar, nasal, de laringe y de próstata. Además, causa problemas respiratorios, insuficiencia respiratoria, asma y bronquitis. Los vapores de níquel pueden producir irritación pulmonar.
El contacto del níquel con la piel puede originar una sensibilización, lo que posteriormente produce una alergia, manifestada como una erupción cutánea.
La exposición cutánea al níquel puede ser causa de una dermatitis conocida como “picazón del níquel”, en personas previamente sensibilizadas. Al producirse la sensibilización al níquel, esta persiste en forma indefinida.
La Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer (IARC), colocó a los compuestos de níquel en el Grupo 1 (existe suficiente evidencia de carcinogenicidad en humanos). Sin embargo, la OSHA no regula al níquel como carcinógeno.
Se recomienda que la exposición al níquel metálico y a sus compuestos, no pueda ser mayor a 1 mg/m3 por ocho horas de trabajo en una semana laboral de cuarenta horas. Se tiene al carbonilo de níquel y sulfuro de níquel como compuestos muy tóxicos o carcinógenos.
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