NIKIEL.doc

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie

Wydział Kształtowania Środowiska i Rolnictwa

Kierunek: Ochrona Środowiska

Specjalność: Rekultywacja i Zagospodarowanie Gruntów

Natalia Kulesza

Katarzyna Nachowicz

Temat: Występowanie niklu w przyrodzie i jego znaczenie

Praca kontrolna z przedmiotu: Metale ciężkie w środowisku

Szczecin   2009/2010

Wstęp

Metale ciężkie umownie nazywane są metalami, których gęstość przekracza 5 g/cm³. Do metali ciężkich zaliczane są np.: żelazo, miedź, kadm, ołów, rtęć, cynk, chrom, nikiel, molibden i arsen.

Nikiel (Ni, łac. niccolum) - pierwiastek chemiczny z grupy metali przejściowych
w układzie okresowym. Atom niklu składa się z 28 protonów, 28 elektronów
oraz 31 neutronów. Jego masa atomowa wynosi 58,69, gęstość 8,90 g/cm3 w temp. 25°C, temperatura topnienia 1455°C (1726,15 K).

Położenie niklu w układzie okresowym pierwiastków (www.wikipedia.pl)

Posiada 29 izotopów z przedziału mas 50-78, z których 5 (58, 60, 61, 62, 64) jest trwałych. Dzieli się na tlenowe, siarczkowe i arsenkowe, zależnie od składu mineralogicznego rudy niklu. Nikiel został odkryty w roku 1751 przez Axela Cronstedta. W 1804 otrzymano go po raz pierwszy w stanie czystym. W średniowieczu nie rozróżniano rudy niklu (arsenku niklu)
od bardzo poszukiwanej rudy miedzi. „Fałszywą” rudę gwarkowie nazywali Kupfernickel.
Od niej pochodzi nazwa pierwiastka. Przed naszą erą był używany w stopach z miedzią
i cynkiem. Nikiel tworzy szereg związków kompleksowych, takich jak niklocen czy fosfiny
i karbonylki niklu, które znalazły zastosowanie jako katalizatory wielu reakcji,
m.in. na kompleksach niklu oparte są katalizatory polimeryzacji polietylenu wysokociśnieniowego.

                                                                      Nikiel (www.wikipedia.pl)

Właściwości fizyczne niklu

Nikiel jest metalem srebrzystobiałym o charakterystycznym połysku, jest bardzo twardy, kowalny i ferromagnetyczny, daje się dobrze polerować. W zwykłej temperaturze jest odporny na działanie czynników atmosferycznych.

Właściwości chemiczne niklu

Nikiel jest pierwiastkiem dwu-, trój- i czterowartościowym. Występuje w stopniach utlenienia +2, +3 i +4, trwałe są związki na stopniu utlenienia +2.W układzie okresowym pierwiastków, nikiel plasuje się wśród metali przejściowych, których cechą wspólną jest niekompletne zapełnienie powłok elektronowych. Częściowe wypełnienie elektronami walencyjnymi drugiej od zewnątrz powłoki elektronowej atomu niklu sprawia, że posiada
on właściwości paramagnetyczne a jego związki mają zwykle intensywne barwy. Ważniejsze jednak są dwie kolejne właściwości wynikające z niezapełnienia powłoki elektronowej: nikiel posiada własności katalityczne (przyspiesza określone reakcje chemiczne, nie wchodząc
w skład ostatecznego związku), a ponadto jest w stanie tworzyć związki kompleksowe. Związki kompleksowe (inaczej kompleksy, związki koordynacyjne) to związki chemiczne,
w których atom centralny otoczony jest przez inne atomy lub grupy atomów zwane ligandami, a przynajmniej jedno wiązanie atomu centralnego z ligandem ma charakter wiązania koordynacyjnego (uwspólnienie elektronów ligandu tak, że zapełniają one wolne miejsca w powłoce elektronowej niklu). Rozpuszcza się w kwasach nieutleniających wypierając z nich wodór, przechodzi przy tym do roztworu w postaci jonów niklawych Ni2+. Rozpuszcza się również w rozcieńczonym kwasie azotowym. W stężonym kwasie azotowym ulega pasywacji (Pasywacja - proces, w którym substancja aktywna chemicznie w danym środowisku wytwarza na swojej powierzchni powłokę pasywną, utworzoną z produktów reakcji chemicznej tej substancji z otoczeniem. O pasywacji mowa jest wtedy, gdy powłoka ta jest całkowicie odporna na dalsze reakcje z tym środowiskiem i jednocześnie na tyle szczelna, że stanowi barierę ochronną dla reszty substancji, którą otacza.) – pokrywa się ochronną warstewką tlenków, niedopuszczającą do dalszego rozpuszczania metalu. Nikiel w stanie silnie rozdrobnionym jest piroforyczny (Piroforyczność – właściwość pierwiastków
i związków chemicznych, powodująca samozapłon w kontakcie z tlenem z powietrza.
W postaci litej reaguje z tlenem dopiero po ogrzaniu, tworząc tlenek niklawy NiO. Na gorąco reaguje z siarką i chlorowcami. Nikiel tworzy tlenki: NiO – tlenek niklawy, Ni2O3*H2O – uwodniony tlenek niklowy oraz NiO2 – tlenek niklu(IV). Znane są liczne związki kompleksowe niklu.

Występowanie niklu

Nikiel występuje w przyrodzie jako Ni+, Ni 2+, Ni 3+ i należy do grupy pierwiastków syderofilnych. Największe jego koncentracje występują w jądrze Ziemi. Występuje również w skorupie ziemskiej w ilościach ok. 80 ppm w postaci minerałów garnieryt i pentlandyt. Nikiel wchodzi w skład minerałów magnezowo-żelazistych (głównie oliwinów i piroksenów) Jednak największe jego koncentracje związane są z wczesnomagmowymi złożami siarczkowymi, gdzie występuje w postaci samodzielnych skupień-pentlandytu ((Ni, Fe)9 S8 lub jego wrostków w pirotynie FeS. Wśród pospolitych skał osadowych największe koncentracje niklu występują w iłowcach i łupkach ilastych, a szczególnie w ich odmianach powstałych w środowiskach redukcyjnych. Jeszcze większe zawartości tego pierwiastka notuje się w popiołach węgli (do1%) i ropach naftowych (do 16%). Koncentracje niklu
w glebach wynoszą około 2-50 mg*kg -1. Szkodliwie działanie niklu można zmniejszając przez dodawanie magnezu do gleby.

Złoża niklu

Złoża rudy niklu występują głównie w skałach zasadowych i ultrazasadowych. Zawierają one rudy siarczkowe lub krzemianowe i tlenkowe. Na pierwsze z nich przypada około 60% obecnej produkcji oraz 27% zasobów światowych. Na rudy krzemianowe
i tlenkowe odpowiednio 40% produkcji i 73% zasobów światowych. Największe ilości złóż rud siarczkowych znajdują się na starych tarczach, natomiast złoża krzemianowych
i tlenkowych rud niklu, które zyskują na znaczeniu, na obszarach fałdowych. Złoża rud niklu mogą by klasyfikowane według kryteriów: geotektonicznych, genetycznych, chemicznych, mineralnych, technologicznych i morfologicznych. Istnieją też podziały złóż oparte na kilku kryteriach klasyfikacyjnych.

Rozmieszczenie złóż rud niklu na świecie

Największe złoża rud niklu typu siarczkowego w Europie znane są w Rosji i Finlandii, natomiast duże i eksploatowane złoża wietrzeniowe znajdują się w Albanii, Grecji
i Jugosławii. Małe złoża występują w Niemczech, Polsce, Szwecji i Norwegii. Historyczne znaczenie mają złoża rud niklu w Czechach, Słowacji, Francji, Hiszpanii, Wielkiej Brytanii.

W Polsce niewielkie złoża rudy niklu występują na Dolnym Śląsku. Związane
są one z prekambryjskimi masywami perydytowo-serpentynitowymi w Szklarach, Braszowicach i w masywie położonym między Gogołowem i Jordanowem Śląskim. Złoże rudy niklu w miejscowości Szklary były wydobywane i przetwarzane do 1982 roku, zawierały 1% niklu, jego grubość wahała się od paru do kilkunastu metrów. Zasoby oceniane były
na około 0,5 mln t rudy. Na pozostałych obszarach zawartość niklu w zwietrzelinie waha
się od 0,2 do 0,6%. Dodatkowo pewne ilości niklu w Polsce odzyskuje się z łupków miedzionośnych.

Metaliczny nikiel otrzymywany jest przez prażenie rud, z których powstaje tlenek,
i redukcje tlenku węglem. Nikiel na skalę przemysłową otrzymuje się zarówno metodą hutniczą jak i elektrolityczną.

Rola biologiczna niklu

Nikiel stanowi atom centralny ureaz - enzymów występujących w roślinach, bakteriach, mikoplazmach, grzybach, drożdżach, algach, a także u zwierząt bezkręgowych. Nikiel stanowi ponadto nieodzowny składnik trzech kolejnych enzymów bakteryjnych: hydrogenazy (2); reduktazy metylowej koenzymu M uczestniczącej w biogenezie metanu oraz dehydrogenazy tlenkowęglowej biorącej udział w tworzeniu grupy octanowej. Pozbawienie niklu roślin, a także niektórych bakterii przerywa ich cykl życiowy. Przypuszcza się, że u zwierząt wyższych (w tym u ludzi) Ni bierze udział w procesie erytropoezy, prawdopodobnie poprzez regulacyjny wpływ tego metalu na metabolizm witaminy B12. Przypuszczalnie metaloenzymem zależnym od niklu jest również kalcyneuryna - ważny czynnik regulacyjny w mózgu, mięśniach szkieletowych i innych tkankach. Jon Ni2+ jest silnym aktywatorem kalcyneuryny, prawdopodobnie poprzez zmianę konformacji łańcucha
β. Powyższe dane sugerują, że Ni prawdopodobnie odgrywa ważną rolę również
w metabolizmie człowieka. Mimo, że do tej pory nie opisano objawów niedoboru niklu,
jest on zaliczany jako pierwiastek śladowy diety. Bogate w nikiel są między innymi soczewica, owies oraz orzechy.

Toksyczność niklu

Ostre zatrucie w wyniku połknięcia niklu jest mało prawdopodobne. Ekstrapolacja wyników z doświadczeń na zwierzętach wskazuje, że dla wywołania objawów zatrucia
u ludzi konieczne byłoby przyjmowanie ponad 250 mg rozpuszczalnego niklu dziennie.
U człowieka największa koncentracja niklu (do 2 mg*kg -1) zanotowano w mięśniach, nerkach i wątrobie. Wśród osób przewlekle narażonych na nikiel w postaci lotnej (pary, aerozole, pyły) stwierdzono podwyższone ryzyko raka płuc i górnych dróg oddechowych, opisywano również przypadki astmy, pylicy płuc, przewlekłych chorób błony śluzowej nosa
z perforacją przegrody nosa oraz utratą powonienia. Przewlekłe toksyczne działanie niklu może się odbywać poprzez tworzenie wolnych rodników tlenowych. Katalaza, glutation
i mannitol wykazują działanie ochronne przed stresem oksydacyjnym indukowanym przez nikiel. Wykazano, że Ni indukuje peroksydację lipidów i hamuje agregację płytek krwi, proces ten można powstrzymać za pomocą kwasu askorbinowego. Nikiel może również indukować szereg procesów onkogenezy. Przewlekłe narażenie na zbyt wysokie dawki niklu może również powodować osłabienie odporności wrodzonej. Opisano działanie toksyczne
Ni na limfocyty NK, które biorą udział między innymi w zwalczaniu infekcji wirusowych.

Z punktu widzenia epidemiologii, największe znaczenie ma alergia na nikiel. U silnie uczulonych osób, zapalenie skóry (wyprysk) może sprowokować podane doustnie
0,3 mg niklu - dawki ledwie kilka razy wyższej od dziennego zapotrzebowania
na ten pierwiastek, która może zdarzyć się w normalnej diecie. Najczęstszą drogą uczulenia na Ni jest skóra, dlatego istotne znaczenie ma znajomość dawek niklu niezbędnych
do wywołania reakcji alergicznej. Większość analiz zależności efektu biologicznego od dawki niklu przeprowadzono pod okluzją, co oznacza, że roztwór niklu podany na skórę pokrywany był opatrunkiem, co przypomina sytuację pod bransoletką, zegarkiem czy klipsem.
Tego typu badania wykazały, że 5% osób uczulonych zareagowało odczynem zapalnym skóry przy dawce 0,44 µg Ni/cm2, a 10% zareagowało przy 1,04 µg Ni/cm2. W przypadku otwartej aplikacji (tzn. skórę jednokrotnie "malowano" roztworem soli niklu nie zakładając żadnego opatrunku), stężenia wywołujące uczulenie były około 6 razy wyższe niż przy okluzji.

Zastosowanie niklu

Nikiel stosowany jest przede wszystkim jako dodatek stopowy do stali specjalnych – kwasoodpornych, nierdzewnych i żaroodpornych, z których wykonuje się aparaturę chemiczną, opancerzenia do statków, łopatki do turbin itp. Czysty nikiel i jego stop z miedzią służą do wyrobu monet, oporów elektrycznych, narzędzi chirurgicznych. Nikiel używany
jest również do sporządzania powłok ochronnych na innych metalach (niklowanie). W postaci rozdrobnionej nikiel stosowany jest jako katalizator, szczególnie w reakcji uwodorowania związków organicznych ( między innymi w produkcji margaryny). Zaś zastosowanie związków niklu to np. wodorotlenek niklowy stosowany jest jako anoda w akumulatorach Edisona. Siarczan niklawy jest katalizatorem wielu syntez organicznych.

Podsumowanie

Nikiel jest pierwiastkiem wyjątkowym i kłopotliwym. Ten wysoce reaktywny metal należący do grupy przejściowej pierwiastków, jest piątym pod względem obfitości występowania pierwiastkiem na Ziemi. Metal ten jest trudny do wyeliminowania
z bezpośredniego otoczenia, ponieważ stanowi składnik wielu narzędzi oraz niezliczonych przedmiotów dnia codziennego. Wysoka reaktywność chemiczna i efekty biologiczne niklu wydają się wynikać z jego struktury atomowej. Mimo, że jego rola w fizjologii zwierząt pozostaje niejasna, nikiel jest zaliczany do pierwiastków śladowych. Z drugiej strony, metal ten wykazuje działanie immunotoksyczne i rakotwórcze. Jednak na plan pierwszy wysuwa
się ryzyko uczulenia na nikiel. Biorąc pod uwagę powszechność uczulenia, nikiel
jest najważniejszym alergenem kontaktowym: 50 - 60 milionów Europejczyków
jest uczulonych na nikiel. W niniejszej pracy omawiamy chemiczne i biologiczne właściwości niklu, czynniki ryzyka, objawy kliniczne i diagnostykę alergii na nikiel.

Literatura

·         „Podstawy geochemii środowiska” Z. M. Migaszewski, A. Gałuszka

·         „Kryteria zdrowotne środowiska-tom 108- nikiel”

·         „Geochemia i surowce mineralne” A. Polański

·         www.wikipedia.pl

·         „Surowce mineralne świata – Nikiel, Kobalt”, W. Blaschke, Wyd.Geologiczne, 1984 Warszawa;