nichel

(o nichelio) Elemento chimico (simbolo Ni; numero atomico 28, peso atomico 58,69).

Caratteristiche

Si trova in natura in diversi minerali come solfuro (nella millerite), solfuro doppio con ferro (pentlandite), arseniuro (niccolite), solfoarseniuro (gersdorfite), antimoniuro (breithauptite), silicato (garnierite). In Italia esistono giacimenti di niccolite e di solfuri nicheliferi (come la pirrotite), specie in Sardegna, Valdossola, Valsesia. Solo di rado il metallo si trova allo stato libero, per es., in qualche meteorite.

È un metallo bianco, d’aspetto simile all’argento, densità 8,9 g/cm³, punto di fusione 1455 °C, punto di ebollizione 3075 °C, malleabile, duttile, ferromagnetico; ha conducibilità elettrica pari a circa 1/7 di quella del rame; resiste bene agli agenti atmosferici; si scioglie difficilmente con acido cloridrico e solforico ma facilmente con acido nitrico; è inattaccabile dagli alcali, anche fusi.

Composti

I composti più stabili del n. sono quelli del n. bivalente; i sali idrati sono colorati per lo più in verde, quelli anidri, in giallo.

Acetato di n. (Ni(CH₃COO)₂ • 4H₂O) Cristalli di colore verde-blu, solubili in acqua, ottenuti sciogliendo altri sali di n. (idrossido, carbonato ecc.) in acido nitrico e facendo evaporare la soluzione ottenuta; si usa come mordente in tintoria e come catalizzatore.

Carbonato di n. (NiCO₃) Sale insolubile in acqua; nella forma basica, NiCO₃ • 2Ni • (OH)₂, è usato nella preparazione dell’ossido, come catalizzatore nei processi di indurimento dei grassi, per preparare vetri ceramici, colori per ceramica.

Ossido di n. (o ossido nicheloso; NiO) Si ottiene per calcinazione dell’idrossido, del carbonato, del nitrato; ha carattere basico; si trova anche in natura (bunsenite); si usa per colorare vetri e smalti ceramici e nella preparazione delle leghe ferrose.

Sesquiossido di n. (o ossido nichelico; Ni₂O₃) Polvere grigio-nera, insolubile in acqua, usata nella preparazione di elettrodi per accumulatori.

Solfato di n. (NiSO₄) Si trova in natura cristallizzato con 7 molecole di acqua (morenosite o vetriolo di n.) in prismi rombici verde smeraldo; dà facilmente coi solfati alcalini sali doppi, di cui importante quello di ammonio (NH₄)₂SO₄ • NiSO₄ • H₂O, usato per i bagni di nichelatura elettrolitica, come mordente per coloranti, per l’imbrunimento di zinco e ottone.

Solfuro di n. (NiS) Si trova allo stato naturale (millerite); si può preparare per reazione diretta dei due componenti (n. e zolfo) o per azione dell’idrogeno solforato o di solfuri su un sale di nichel.

Nichelcarbonile (o nicheltetracarbonile; Ni(CO)₄) Composto di coordinazione del n. metallico (cioè con numero di ossidazione zero) con l’ossido di carbonio; è un liquido incolore, assai volatile (bolle a 43 °C), e i suoi vapori sono molto tossici (provocano irritazione, edema polmonare e cancro dei polmoni per esposizione prolungata); insolubile in acqua, solubile nei solventi organici, esso si ottiene facendo passare, a una temperatura di 50-80 °C, ossido di carbonio su n. finemente suddiviso.

Cenni storici

Già anticamente si usavano composti metallici contenenti n. per fabbricare ornamenti, armi, utensili, ricavati direttamente dalla lavorazione dei meteoriti; si sono ritrovati oggetti che contenevano fino al 10% di n. (a Ur dei Caldei). In Cina, dalla fusione dei minerali dello Yunnan, si ottenne un’alpacca (lega di rame, zinco e n.) conosciuta in Europa col nome di paktong. Il n. fu individuato (1751) da A.F. Cronstedt nel minerale niccolite e fu preparato allo stato di metallo da T.O. Bergman (1775); le sue proprietà furono descritte in seguito da J.B. Richter. Nel 1823 E.A. Geitner produceva l’argentana, mentre nascevano altre leghe ancora (per es., German silver), che soppiantavano totalmente il paktong.

Nel 1843 fu realizzato il procedimento di nichelatura, che aprì a questo metallo un campo importantissimo di applicazione, mentre la Svizzera dava l’avvio alla fabbricazione delle monete di n. coniandone per la prima volta nel 1850; questa strada fu seguita da USA (1857), Belgio (1860), Germania (1873), Italia (1894). Frattanto anche nel campo metallurgico si compivano dei progressi e nel 1865 J. Warton trovava il sistema per ottenere n. puro e malleabile, che più tardi (1878) fu ottenuto anche aggiungendo magnesio al n. liquido. A mano a mano che si estendeva il campo delle applicazioni, si intensificavano le ricerche di nuovi giacimenti, nonché di nuovi procedimenti di estrazione: nel 1899 L. Mond, C. Langer e F. Quincke scoprirono casualmente che l’ossido di carbonio formava col n. un composto volatile (nichelcarbonile), che si scomponeva facilmente dando n. puro, e idearono il processo Mond.

Altri campi di applicazione avevano le leghe ferrose al n. per la loro resistenza alla corrosione (accertata da J. Gamgee nel 1876) e per le loro elevate qualità meccaniche, tanto che M. Ritchie riusciva a far adottare dalla Marina degli USA corazze di acciaio al nichel. Nel 1895 furono create diverse leghe di rame e n.; del 1905 è la lega di rame e n. resistente alla corrosione chiamata dal suo inventore lega Monel; nel 1906 si ottennero leghe resistenti alle alte temperature; nel 1920 si cominciarono a impiegare i bronzi al n. e nel 1925 le ghise al nichel.

Tecniche metallurgiche

La metallurgia del n. segue due strade diverse a seconda che si parta da minerali solforati o da minerali silico-magnesiaci. I minerali solforati, preventivamente arricchiti per flottazione, vengono dapprima arrostiti per eliminare parzialmente lo zolfo e ossidare parte del ferro, poi si portano a fusione in presenza di un opportuno fondente ricavando così una ‘metallina’ contenente n., rame e ferro sotto forma di solfuri; la metallina viene in seguito trattata in un convertitore, così da eliminare ulteriormente zolfo e ferro; il prodotto risultante è quindi sottoposto a raffreddamento controllato, macinazione fina, separazione magnetica e flottazione selettiva; il solfuro puro di n. che se ne ricava può servire per l’estrazione del metallo tramite preventiva trasformazione in ossido.

Il n. risultante dalla riduzione diretta dell’ossido può essere purificato dalle impurezze che ancora contiene (tra cui, in particolare, il cobalto) col processo Mond. Questo consiste nel trattare il metallo grezzo con ossido di carbonio alla temperatura di almeno 50 °C: si forma nichelcarbonile gassoso, mentre le altre impurezze restano inattaccate, allo stato solido. Il nichelcarbonile, invece, viene inviato in reattori, dove, portato alla temperatura di 180-200 °C, si decompone liberando n., con un titolo approssimativo del 99,9%, e ossido di carbonio, il quale ultimo rientra nel ciclo del processo. È possibile anche ottenere n. puro per via elettrolitica.

Il processo Hybinette consiste nell’arrostimento ulteriore della metallina contenente rame e n. fino a eliminazione quasi totale dello zolfo, e nella successiva lisciviazione con acido solforico che porta in soluzione il solo rame; il residuo insolubile contenente n. viene sottoposto a fusione riduttrice e il prodotto gettato in forma di anodi che vengono collocati in vasche di elettrolisi alternati con sottili catodi di n. puro: per effetto del processo elettrolitico il n. si trasferisce ai catodi, la massa dei quali, all’atto della loro rimozione dalle celle, è notevolmente aumentata (da pochi kg fino a oltre 50 kg). I minerali silico-magnesiaci subiscono invece un arrostimento in presenza di solfato di calcio, di fondenti e di un agente riducente che li trasforma in un solfuro doppio di n. e di ferro, dal quale si eliminano parzialmente il ferro e lo zolfo in un convertitore; successivamente il solfuro di n. viene ancora arrostito e quindi ridotto con carbone; in relazione al grado di eliminazione del ferro, si può ottenere n. impuro o addirittura una ferrolega.

Impiego

Il n. si impiega, più che per la fabbricazione di oggetti, per ricoprire altri metalli a scopo protettivo o decorativo; tale processo si chiama nichelatura. Essa si esegue per placcatura, per processo elettrolitico o per riduzione chimica. Col primo sistema, oggi abbandonato, si saldano a caldo sulle superfici di acciaio lamine di n. esenti da ossidi. Il processo elettrolitico consiste nel portare gli oggetti da nichelare, preventivamente puliti con spazzolatrici meccaniche e sgrassati con lavaggi in soluzioni alcaline, al catodo di un bagno elettrolitico, il cui anodo è costituito da placche di nichel. Un procedimento più moderno è quello di riduzione chimica: consiste nel portare l’oggetto da nichelare in un bagno di sali di n. e provocare per riduzione la deposizione di una pellicola di metallo.

Il metallo puro è adoperato nella fabbricazione di utensili di laboratorio (crogioli, capsule, pinze ecc.), di parti di tubi elettronici e di accumulatori elettrici, di monete ecc., e come catalizzatore in numerose reazioni chimiche. La maggior quantità però si impiega nella preparazione di numerose leghe binarie e ternarie, tra le quali hanno grande importanza quelle con ferro, rame, cromo, zinco, dotate di particolare resistenza alla corrosione, al calore, o che presentano basso coefficiente di dilatazione termica, elevata resistività elettrica ecc. Allo stato di fine suddivisione, nel quale stato può essere piroforico, il n. ha spiccate proprietà catalitiche specie per le reazioni d’idrogenazione e di polimerizzazione.

Nichelcromo Nome di varie leghe di n. e cromo o n., cromo e ferro, dotate di elevata resistenza agli agenti ossidanti e usate, in forma di fili, piattine ecc., per riscaldatori elettrici e resistori, e talvolta utilizzate per la costruzione di pezzi di forni o cassette da cementazione; possono contenere dal 5 al 20% di cromo e dal 5 al 40% di ferro; il resto è costituito da nichel.

Produzione

Fra i maggiori produttori Russia, Canada (nel 1993 è stato scoperto nel Labrador nord-orientale, a Voisey’s Bay, il più grande giacimento di n. del mondo), Australia, Nuova Caledonia e Indonesia. La domanda mondiale di n. è continuata ad aumentare più velocemente dell’offerta fino ai primi anni del 21° secolo. Nel 2008 si è registrata un’inversione di tendenza dovuta alla crisi del settore degli acciai inossidabili che assorbe circa il 60% del n. prodotto ogni anno nel mondo.

Patologie mediche

Le malattie da n. comprendono dermatiti, alcuni tumori (del naso e del polmone) e l’intossicazione da nichelcarbonile. Quest’ultima provoca edema nei polmoni ed emorragie negli organi parenchimatosi (fegato, milza ecc.); si manifesta con dispnea, cefalea, perdita della coscienza, talvolta coma. Si combatte con inalazioni di ossigeno e di carbogeno.