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 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 28Ni | |||||||||
| 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) | ||||||||
| Atomar | |||||||||
| Atommasse | 58,6934(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. Ionisierungsenergie | 7.639878(17) eV ≈ 737.14 kJ/mol | ||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 18.168838(25) eV ≈ 1753.03 kJ/mol | ||||||||
| 3. Ionisierungsenergie | 35.187(19) eV ≈ 3395 kJ/mol | ||||||||
| 4. Ionisierungsenergie | 54.92(25) eV ≈ 5299 kJ/mol | ||||||||
| 5. Ionisierungsenergie | 76.06(6) eV ≈ 7339 kJ/mol | ||||||||
| Physikalisch | |||||||||
| Aggregatzustand | fest | ||||||||
| Kristallstruktur | kubisch flächenzentriert | ||||||||
| Dichte | 8,908 g/cm³ (20 °C) | ||||||||
| Mohshärte | 4,0 | ||||||||
| Magnetismus | ferromagnetisch | ||||||||
| Schmelzpunkt | 1728K (1455 °C) | ||||||||
| Siedepunkt | 3003 K (2730 °C) | ||||||||
| Molares Volumen | 6,59 · 10−6 m3·mol−1 | ||||||||
| Verdampfungsenthalpie | 379 kJ·mol−1 | ||||||||
| Schmelzenthalpie | 17,7 kJ·mol−1 | ||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 4970 m·s−1 | ||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 444 J·kg−1·K−1 | ||||||||
| Austrittsarbeit | 5,15 eV | ||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 13,9 · 106S·m−1 | ||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 91 W·m−1·K−1 | ||||||||
| Chemisch | |||||||||
| Oxidationszustände | −1, ±0, +1, +2, +3, +4 | ||||||||
| Normalpotential | −0,257 V (Ni2+ + 2 e− → Ni) | ||||||||
| Elektronegativität | 1,91 (Pauling-Skala) | ||||||||
| Isotope | |||||||||
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| Weitere Isotope siehe Liste der Isotope | |||||||||
| NMR-Eigenschaften | |||||||||
| Sicherheitshinweise | |||||||||
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| MAK | Schweiz: 0,5 mg·m−3 (gemessen als einatembarer Staub) | ||||||||
| Toxikologische Daten | |||||||||
| 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
Nickelhaltige Legierungen wurden schon seit dem Altertum verwendet. In Gerzeh (Ägypten) wurden Objekte aus nickelhaltigem Meteoreisen gefunden, die etwa 3200 v. Chr. hergestellt wurden. Es wird geschätzt, dass das Ausgangsmaterial 6–9 % Nickel enthielt. Einige Bronzen aus Syrien, Sumer und der Indus-Kultur enthalten Nickelgehalte von über einem Prozent. Nickelhaltige Bronzen wurden vor allem in Objekten gefunden, bei denen Härte und Festigkeit wichtig war, dies deutet auf eine bewusste Verwendung des Elementes hin.Kupfer-Nickel-Legierungen mit Nickelgehalten von >10 % sind in der Späten Bronzezeit aus Ḫattuša bekannt. Sie wurden wahrscheinlich durch Schmelzen von Chalkopyrit, der mit Pentlandit vergesellschaftet ist, hergestellt und für Schmuckstücke wie Nadeln, Anhänger oder Siegel verwendet. Aus dem Griechisch-Baktrischen und Indo-Griechischen Königreich im 2. Jahrhundert vor Christus sind Münzen der Könige Euthydemos II., Agathokles und Pantaleon bekannt, die aus Kupfernickel mit einem Nickelgehalt von bis zu 20 % bestehen.
Nachweisbar absichtlich mit Nickel legiertes Kupfer wurde erstmals in China hergestellt. Es handelte sich um eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung, die Baitong oder Paktong („weißes Kupfer“) genannt wurde und heutzutage als Neusilber bekannt ist. Die Herstellung erfolgte wahrscheinlich dadurch, dass ein Gemisch von Pentlandit und Kupfererzen mehrfach geröstet wurde und das entstandene Kupfernickel dann mit Zink legiert wurde. Wann Paktong erstmals hergestellt wurde, ist nicht bekannt, erste Hinweise darauf gibt es aus dem vierten Jahrhundert. Während der Ming-Dynastie wurde Paktong in größeren Mengen für Haushaltsgegenstände wie Schüsseln oder Teller verwendet. Ab dem späten 17. Jahrhundert wurde Paktong aus China auch nach Europa exportiert und dort für dekorative Gegenstände wie Kerzenständer oder Kaminroste verwendet. Die genaue Zusammensetzung der Legierung blieb in Europe jedoch lange unbekannt.
1751 untersuchte Axel Frederic Cronstedt ein Erz, wahrscheinlich Nickelin (Kupfernickel), und entdeckte darin ein unbekanntes Metall. Er stellte zunächst das Oxid her und reduzierte es mit Kohle zum Metall. Drei Jahre später benannte er das neue Metall nach dem Erz Kupfernickel als Nickel. 1775 bestätigte Torbern Bergman die Entdeckung Cronstedts und stellte deutlich reineres Nickel her. Zudem konnte 1776 Gustaf von Engeström die Zusammensetzung des chinesischen Paktong als Nickellegierung bestimmen. Viele phsikalische Eigenschaften von Nickel wurden 1804 von Jeremias Benjamin Richter ermittelt.
Der Name Kupfernickel entwickelte sich im 17. Jahrhundert im Erzgebirge und wurde 1694 erstmals von Urban Hjärne schriftlich verwendet. Er leitet sich möglicherweise von einer Bezeichnung für böse Geister oder einem anderen Namen des Teufels ab, die im Englischen noch als „Old Nick“ existiert. Dies beruht wahrscheinlich darauf, dass die Bergleute ähnlich wie beim Cobalt glaubten, dass böse Geister das wertvolle Silber durch ein wertloses Metall ersetzt haben und die arsenhaltigen Erze beim Abbau auch noch Gesundheitsschäden verursachten.
Metallisches Nickel hatte lange Zeit keine große wirtschaftliche Bedeutung, bis in den 1870er Jahren die Verwendung von Nickel in Stählen entdeckt wurde und Theodor Fleitmann schmiedbares Nickel entwickelte. 1885 wurde der erste nickelhaltige Panzerstahl hergestellt und bald darauf für die Panzerung von Kriegsschiffen eingesetzt. Die anfangs wichtigsten Lagerstätten, in denen Nickelerze abgebaut wurden, lagen auf Neukaledonien und im Sudbury-Becken in Kanada.
Vorkommen
Nickel ist auf der Erde mit einem Anteil von 1,7 bis 1,9 % das fünfthäufigste Element. Allerdings ist sein Anteil an der kontinentalen Erdkruste nur gering und beträgt nur etwa 84 ppm. Dies liegt daran, dass Nickel ein stark siderophiles (eisenliebendes) Element ist und daher bei der Entstehung der Erde große Mengen Nickel in den Erdkern gelangt ist, sein Gehalt wird auf etwa 5 % geschätzt. Auch der Erdmantel ist reich an Nickel, dementsprechend enthält besonders Olivin häufig viel Nickel, es kann hier auf Grund des ähnlichen Ionenradius Magnesium ersetzen. Da Nickel zudem chalkophil (schwefelliebend) ist, können sich in ultramafische Lavaschmelzen Nickelsulfide bilden, von denen Pentlandit das Wichtigste ist. zudem ist eine hydrothermale Bildung von Pentlandit möglich.
In Lateriten können durch Verwitterung höhere Konzentrationen an Nickel entstehen als in den Ausgangsgesteinen. Je nach Ausgangsgestein entstehen oxidische Erze wie nickelhaltiger Goethit, wasserhaltige Silikaterze wie Garnierit oder Népouit oder Ton-Silikatvorkommen wie nickelhaltiger Smektit. Nickel-Laterit-Erze enthalten über 1 % Nickel. Nickellateriterze entstehen in humidem Klima mit Regenmengen von über 1000 mm jährlich und warmen Temperaturen. Zudem begünstigen ein flaches Relief und hoher Grundwasserspiegel die Bildung von lateritischen Nickelerzen. Dadurch bleibt das Nickel häufig am Ort zurück und es akkumuliert sich nur wenig. Die Lateritvorkommen bilden sich sowohl dadurch, dass aus den Ausgangsgesteinen leichter lösliche Elemente wie Magnesium gelöst werden als auch dadurch, dass Nickel ausgelaugt wird und in tieferen Schichten etwa von Goethit adsorbiert wird und sich anreichert.
Es ist eine Vielzahl von Nickelmineralen bekannt, wovon die häufigsten Sulfide oder Arsenide sind. Neben dem häufigsten, dem Pentlandit (Ni,Fe)9S8, zählen hierzu Millerit NiS, Gersdorffit NiAsS und Nickelin NiAs. Auch vom Nickelarsenat Annabergit Ni3[AsO4]2·8H2O sind diverse Fundorte bekannt. Außer in verschiedenen Verbindungen kommt Nickel gediegen sowie in einigen Legierungen wie Garutiit (Ni,Fe,Ir) und Awaruit FeNi3 vor. Insgesamt sind 2025 182 verschiedene Nickelminerale anerkannt.
In der Natur reichert sich Nickel im Saft sogenannter Nickelbäume an. Dieser Baumsaft kann bis zu einem Viertel aus Nickel bestehen.
Die beiden größten sulfidischen Nickellagerstätten sind zum einen Norilsk in Russland mit einer geschätzten Gesamtmenge an Nickel von 23 Millionen Tonnen und einem durchschnittlichen Nickelgehalt von 1,77 % und zum anderen Sudbury in Kanada mit 20 Millionen Tonnen Nickel und einem durchschnittlichen Nickelgehalt von 1,2 %. Große lateritische Vorkommen finden sich vor allem in Asien und Ozeanien (Indonesien, Philippinen, Neukaledonien), Südamerika und der Karibik (Brasilien, Kolumbien, Kuba, Dominikanische Republik), Australien, Griechenland, dem Balkan und dem Ural. Die größten bekannten Nickelvorkommen liegen in Indonesien und hier vor allem im Südosten Sulawesis, auf Halmahera, in Maluku und Papua Barat Daya. 2025 schätzte die United States Geological Survey die indonesischen Nickelreserven auf 55 Millionen Tonnen. Da die indonesischen Nickellagerstätten überwiegend in Regenwaldgebieten liegen, hat die verstärkte Ausbeutung erhebliche Auswirkungen durch Abholzung und Zerstörung von Lebensräumen.
Nickel als Mineral
Natürlich vorkommendes Nickel in seiner elementaren Form wurde erstmals 1967 durch Paul Ramdohr beschrieben und von der International Mineralogical Association (IMA) als eigenständige Mineralart anerkannt (Interne Eingangs-Nr. der IMA: 1966-039).
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) 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).
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. Als Begleitminerale können neben Heazlewoodit unter anderem noch Chalkopyrit, Chalkosin, Galenit, Godlevskit, gediegen Kupfer, Millerit, Orcelit, Pentlandit, Pyrit und Pyrrhotin auftreten. 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.
Abbau
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 %.
Traditionell wird der größte Teil der Nickelproduktion aus sulfidischen Erzen wie Pentlandit (ca. 34 % Nickel), Nickelmagnetkies (Verwachsungsaggregat aus Pyrrhotin und Pentlandit) 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.
Die Gewinnung verschiebt sich aufgrund der Ausbeutung der klassischen sulfidischen Lagerstätten zunehmend zu lateritischen Nickelerzen. Diese müssen jedoch aufwändig per Hochdruck-Säurelaugung (englisch high pressure acid leaching) gewonnen werden.
| Land | Förderung (in t) |
|---|---|
| Indonesien | 771.000 |
| Philippinen | 334.000 |
| Russland | 283.000 |
| Neukaledonien (Frankreich) | 200.000 |
| Australien | 169.000 |
| Kanada | 167.000 |
| Volksrepublik China | 120.000 |
| Brasilien | 77.100 |
| Vereinigte Staaten | 16.700 |
| Andere Länder | 373.000 |
| Gesamt | 2.510.000 |
Gewinnung und Darstellung
Darstellung des Kupfer-Nickel-Feinsteins
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
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.
Gewinnung von Rein- und Reinstnickel
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
Zur Darstellung kleinerer Mengen sehr reinen Nickels im Labor existieren unterschiedliche Verfahren:
- Reduktion des Oxids mit Wasserstoff bei 150 °C bis 250 °C:
- Reduktion einer Nickel(II)-chlorid-Suspension in Diethylether über eine Grignard-Reaktion
- Thermische Zersetzung von Nickel(II)-oxalat in Abwesenheit von Sauerstoff:
- Reduktion von Nickel(II)-chlorid mit einer Natriumdispersion:
Insbesondere die Thermolyse des Oxalats liefert fein verteiltes pyrophores Nickelpulver.
Eigenschaften
Physikalische Eigenschaften
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. Das Metall kristallisiert in einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur (Kupfer-Typ) in der Raumgruppe Fm3m (Raumgruppen-Nr. 225) mit dem Gitterparameter a = 352,4 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. 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.
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.
Chemische Eigenschaften
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. 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.
Isotope
Nickel hat fünf stabile Isotope: 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni und 64Ni. Diese gehören zu den stabilsten Atomkernen überhaupt. Von allen Nukliden hat 62Ni die größte Bindungsenergie pro Nukleon (gefolgt von 58Fe und 64Ni) und die zweitkleinste Masse pro Nukleon (hinter 56Fe und vor 60Ni). Die Nukleosynthese von Nickel und Eisen durch Siliciumbrennen ist daher die letzte Phase der Kernfusionsreaktionen in Sternen, bei denen noch Energie freigesetzt wird.
Physiologie
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:
- alpha-Fetoprotein bindet Nickel, ist aber nicht darauf angewiesen, da kein Enzym
- Aciredukton-Dioxygenase, ein Enzym des Methionin-Salvage-Stoffwechselwegs, das üblicherweise Nickel oder ein anderes zweiwertiges Kation bindet
- Polyribonukleotid-5′-hydroxylkinase Clp1, die als Cofaktor Magnesium, Mangan oder Nickel benötigt
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
Nickel ist mit der Nickeldermatitis der häufigste Auslöser für Kontaktallergien: In Deutschland sind schätzungsweise 1,9 bis 4,5 Millionen Menschen gegen Nickel sensibilisiert. 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. Außerdem ist ein erhöhter Nickelgehalt in der Atemluft und im Trinkwasser ein Risikofaktor für eine Sensibilisierung gegen Nickel bei Kindern.
Die tolerierbare tägliche Aufnahmemenge (TDI) von Nickel beträgt laut Europäischer Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) 2,8 Mikrogramm 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.
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).
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 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.
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.
Verbote
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; 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. Die Verwendung von Nickel und das Inverkehrbringen solcher Erzeugnisse ist in der Europäischen Union seit 2009 unmittelbar wirksam geregelt. 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.
Verwendung
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. 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) gefördert. Der Preis für Nickel unterliegt wegen Finanzmarktspekulationen zeitweise sehr hohen Preisschwankungen.
Verwendung als Metall
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
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, und Gold teilweise, aus Erzen zu sammeln.
Nickelschaum oder Nickelnetz wird in Gasdiffusionselektroden für alkalische Brennstoffzellen verwendet.
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:
- Konstantan, eine Legierung aus 55 % Kupfer und 45 % Nickel, die über einen großen Temperaturbereich einen annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand besitzt. Sie wird vor allem für genaue Widerstände verwendet.
- Nickelbasis-Superlegierungen sind Legierungen speziell für den Einsatz bei hohen Temperaturen und unter korrosiven Medien. Sie finden zum Beispiel in Flugzeugturbinen und Gasturbinen von Kraftwerken Anwendung.
- Raney-Nickel, eine Nickel-Aluminium-Legierung, die ein wichtiger Katalysator für die Hydrierung organischer Verbindungen ist.
- Neusilber, eine Kupfer-Nickel-Zink-Legierung mit 10–26 % Nickelanteil, die besonders korrosionsbeständig ist und hauptsächlich für Bestecke und elektrotechnische Geräte verwendet wird.
- Monel, ebenfalls eine Kupfer-Nickel-Legierung mit etwa 65 % Nickel, 33 % Kupfer und 2 % Eisen, die sich durch besondere chemische Beständigkeit, unter anderem gegen Fluor, auszeichnet. Sie wird deshalb für Fluor-Druckgasflaschen verwendet.
- Austenitisches Gusseisen mit Kugelgraphit, ein sphärolithisches Sondergusseisen mit bis zu 20 % Nickel, für den Einsatz in korrosiver Umgebung und bei hohen Temperaturen.
Nachweis
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:
.
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
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
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.
Halogenide
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). Das Hexahydrat kristallisiert im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe C2/m (Raumgruppen-Nr. 12).
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). Das Tetrahydrat kristallisiert im orthorhombischen Kristallsystem mit der Raumgruppe P21ab (Raumgruppen-Nr. 29, Stellung 3).
Weitere anorganische Nickelverbindungen
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.
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. Es bildete ein trigonales Kristallsystem mit der Raumgruppe R3c (Raumgruppen-Nr. 161).
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).
Organische Nickelverbindungen
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
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.
Literatur
- Eberhard Auer, Siegfried Müller, Rainer Slotta: 250 Jahre Nickel. Vom „nickel“ zum „EURO“. Verlag Deutsches Bergbau-Museum, Reihe Veröffentlichungen aus dem Deutschen Bergbau-Museum Bochum Bd. 95, Bochum 2001, ISBN 3-921533-81-3.
- A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1709–1721.
- Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente – das Periodensystem in Fakten, Zahlen und Daten. Hirzel, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
- VDM-Magazin Nr. 708, Themenheft Nickel, November 2022
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