Výskyt niklu v přírodě

Nikl (chemická značka Ni, lat. Niccolum) je bílý, feromagnetický, kujný a tažný kov. Nikl patří mezi přechodné kovy a je součástí mnoha důležitých slitin. Využívá se také jako povrchová (antikorozní) úprava kovových předmětů. Nikl se dá výborně leštit, je velmi tažný a dá se kovat, svářet a válcovat na plech nebo vytahovat v dráty. Patří mezi přechodné prvky, které mají valenční elektrony v d-sféře.

Historie a objev niklu

Jako prvek byl nikl objeven a popsán až v 18. století, ale jeho slitiny byly používány už ve staré Číně. Předměty ze slitin niklu se podařilo nalézt v Číně a jejich stáří je více než 2 000 let. Nikl byl objeven roku 1751 německým chemikem baronem Axelem Frederikem Cronstedtempři pokusech o izolaci mědi z rudy. Nový prvek pojmenoval podle jeho výskytu v rudě nikelinu. V hornické mluvě bylo tehdy slovo nikl hanlivým výrazem pro rudu, ve které horníci očekávali, že bude obsahovat měď, ale při jejím zpracovávání odolávala veškerému úsilí při jejím získávání. Ještě určitou dobu po objevu niklu zastávali někteří chemici názor, že nikelin je měděná ruda.

Výskyt niklu v přírodě

Jako relativně lehký prvek je nikl v přírodě poměrně hojně zastoupen. V zemské kůře jeho průměrný obsah činí kolem 100 mg/kg, tj. asi 100 ppm (parts per milion = počet částic na 1 milion částic) a ve výskytu přechodných prvků na zemi se řadí na 7. místo. V mořské vodě se jeho koncentrace pohybuje na úrovni 5,4 mikrogramu v jednom litru. V přírodě se vyskytuje pět stabilních izotopů. Přírodní nikl je směsí pěti stabilních izotopů. Největší zastoupení (68,1 %) má izotop 58Ni.

S ryzím niklem se v přírodě setkáme pouze vzácně ve slitině s železem v železných meteoritech, dopadajících na Zemi z kosmického prostoru. Geologové předpokládají, že velká část niklu přítomného na Zemi je soustředěna v oblasti jejího středu - v zemském jádře - a to právě z analogie s meteority. Předpokládá se, že převážná část niklu se nachází v zemském vnitřním a vnějším jádre.

Nikl má afinitu ke kyslíku i k síře, resp. arzenu a vytváří tedy dva typy ložisek. Jednak primární, sulfidická, ve kterých se nachází v sirnících a arzenidech - sulfid nikelnato-železitý - pentlandit (Ni,Fe)9S8 millerit NiS, nikelin NiAs, breithauptit NiSb, chloantit NiAs2, gersdorfit NiAsS, smaltin (Ni,Co,Fe)As2 a ullmanit NiSbS. Sekundární, kyslíkatá, lateritická, vznikající zvětráváním olivínu z ultrabazických hornin zemského pláště, které se dostaly na povrch.

Čtěte také: O výskytu niklu

Vrstvy zvětralin, nabohacené železem, hliníkem a ochuzené o křemík a se nazývají laterity a vznikají lateritickým zvětráváním. Niklonosné laterity se typicky vyskytují ve zvětralinách hadcových těles, což byly původně olivinické horniny ze zemského pláště, z hloubek okolo 50 km a více. Olivín je na povrchu nestálý, rychle zvětrává. Největším současně těženým nalezištěm niklových rud, odkud pochází 1/4 světové produkce niklu, je kanadské Sudbury, které bylo objeveno roku 1883 při výstavbě trati pro Kanadskou pacifickou železnici a nachází se v provincii Ontario. Další oblasti s bohatým výskytem niklových rud jsou např. Rusko (zejména okolí sibiřského města Norilsk), Nová Kaledonie, Austrálie, Kuba a Indonésie.

Nejdůležitější rudy niklu jsou novokaledonský garnierit (Ni,Mg)3Si2O5(OH) a kanadský pyrrhotin s příměsí pentlanditu, který obsahuje průměrně 3 % niklu. Celkem je známo téměř 200 nerostů s obsahem niklu. Nejvyšší obsah niklu (78,58 % Ni) má ze všech nerostů bunsenit NiO.

V roce 2012 dosáhla světová těžba rud niklu hodnoty 2,1 Mt, 330 kt niklových rud se vytěžilo na Filipínách, 320 kt v Indonézii, 270kt v Rusku, 230 kt v Austrálii a 220 kt v Kanadě. Celosvětové těžitelné zásoby niklových rud jsou 75 Mt, z toho připadá 20 Mt na Austrálii, 12 Mt je v Nové Kaledonii, 5,5 Mt zásob je v Brazílii, 6,1 Mt v Rusku a 5,5 Mt na Kubě.

Na území ČR se v současnosti nenacházejí žádné evidované zdroje niklu, ve dvacátých letech minulého století se niklová ruda těžila ve dvou malých dolech ve Šluknově a v Rožanech u Šluknova. Ve zdejším ložisku magmatického původu se nikl vyskytoval jako izomorfní příměs v pyrrhotinu, kovnatost dosahovala až 7% niklu. Během 2. světové války bylo poměrně bohaté ložisko hydrosilikátových niklových rud s kovnatostí až 6% objeveno v Křemži, ale průmyslová těžba niklu v Křemži nebyla zahájena. V roce 2010 bylo dovezeno 7 t niklových rud a 2600 t surového niklu.

Způsoby výroby niklu

Způsob výroby značně závisí na ostatních kovech nacházejících se v rudě spolu s niklem. Ty se oddělí, nikl se přivede na sulfid, který se následně praží za vzniku oxidu nikelnatého. Nečistý kovový nikl se pak redukuje uhlíkem. Nikl se následně přečišťuje elektrolyticky. Nejběžnějším způsobem výroby ze sulfidických niklových rud je Orfordův proces výroby niklu, který spočívá v tavení niklové rudy za přítomnosti síranu sodného a koksu. Surový hutní nikl se rafinuje elektrolyticky. Mokrý způsob výroby niklu spočívá v redukci niklové rudy vodním plynem a v následném loužení amoniakálním roztokem uhličitanu amonného.

Čtěte také: Více o niklu

Jiným způsobem je tzv. Mondův proces. Při něm se oxid nikelnatý redukuje vodním plynem (směs H2 a CO). Karbonylový způsob je založen na přípravě tetrakarbonylu niklu Ni(CO)4 a jeho následném rozkladu. Při této výrobě se může vycházet ze surového niklu získaného oxfordským způsobem, která probíhá při teplotě 50 °C a působením oxidu uhelnatého za obyčejného tlaku, což je Mondův proces. Karbonyl niklu se dá získat přímo ze sulfidu niklu působením oxidu uhelnatého při tlaku 200 atmosfér a teplotě 200-250 °C. Rozklad karbonylu probíhá za teploty 200 °C a normálním tlaku. K přečišťování niklu se také používá elektrolytická rafinace. Hlavně u surového niklu, který obsahuje platinu, protože z anodovéhokalu, který přitom odpadá, může být platina a kovy, které ji doprovází, snadno získány.

Chemické vlastnosti a sloučeniny niklu

Chemický prvek nikl je stříbrobílý, lesklý, kujný a tažný kov s feromagnetickými vlastnostmi. Kompaktní nikl za normálních podmínek dobře odolává vzduchu i vodě. Za vyšších teplot se nikl přímo slučuje s fluorem, chlorem, bromem, sírou, antimonem, arsenem a fosforem. Za laboratorní teploty reaguje s některými binárními sloučeninami fosforu, práškový nikl již od teploty 50°C reaguje s CO za vzniku těkavého tetrakarbonylu [Ni(CO)4], komplaktní kovový nikl reaguje za vyšších teplot s oxidem uhelnatým za vzniku černého karbidu Ni3C.

Ve sloučeninách vystupuje nikl většinou jako dvoumocný, vodné roztoky nikelnatých solí mají charakteristické světle zelené zbarvení, s výjimkou roztoku kyanidu nikelnatého Ni(CN)2, který je v alkalickém prostředí výrazně zlatý. Bezvodé nikelnaté soli bývají obvykle žluté nebo hnědé, ale bezvodý dusitan nikelnatý Ni(NO2)2 je tmavě červený. Nikl tvoří velké množství koordinačních sloučenin. Kvalitativní důkaz niklu se provádí 1% roztokem dimethylglyoximu C4H8N2O2 v 96% ethanolu (Čugajevovo činidlo) - vzniká karmínově červená sraženina komplexní sloučeniny niklu.

Reaktivita niklu je podobná jako reaktivita kobaltu. Rozpouští se ve zředěných minerálních kyselinách, v koncentrované kyselině dusičné se pasivuje. Ve vodných roztocích hydroxidů je kovový nikl stabilní. Nikl vytváří sloučeniny v oxidačních číslech I, II, III a IV. Nejběžnější jsou sloučeniny nikelnaté. Komplexy NiI jsou vzácné, tento oxidační stav je důležitý pro funkci enzymů, např. [NiFe]-hydrogenasy. Známe všechny čtyři nikelnaté halogenidy. Bezvodý fluorid nikelnatý lze připravit reakcí bezvodého fluorovodíku s chloridem nikelnatým nebo jeho tetrahydrátem, příp. Oxid nikelnatý, NiO, je zelená pevná látka. Není rozpustný ve vodě, krystaluje ve struktuře NaCl. Můžeme ho vyrobit termickým rozkladem uhličitanu nebo dusičnanu nikelnatého. Přímým spalováním niklu v kyslíku NiO nepřipravíme.

Měření 61Ni NMR spekter není úplně triviální, protože jádro má nízké zastoupení i citlivost. Je také kvadrupolární, takže v případě nesymetrického uspořádání okolo Ni centra jsou signály velice široké. Hodnoty chemických posunů závisejí silně na rozpouštědle. Standardem je Ni(CO)4, který je ovšem toxický, proto se častěji využívá Ni(PMe3)4, jehož posun v THF-d8 je 40 ppm, v toluenu-d8 se signál posune na 15,2 ppm, v benzenu-d6 je posun 35 ppm.

Čtěte také: Výskyt niklu v přírodě

Využití niklu

Praktické využití nachází nikl zejména složka celé řady různých slitin. Převážná část vyrobeného niklu se spotřebovává na výrobu různých slitin, nikl se dále používá na povrchovou úpravu kovů. Další použití niklu je na výrobu akomulátorů. Díky poměrně velmi dobré stálosti kovového niklu vůči atmosférickým vlivům i vodě se často nanáší velmi tenká niklová vrstva na povrchy méně odolných kovů, nejčastěji železa. Nanášení se provádí elektrolyticky obvykle z alkalického prostředí, kde je nikl přítomen jako kyanidový komplex a na pokovovaný předmět je vložen záporný elektrický potenciál, působí tedy jako katoda. Značné odolnosti kovového niklu se využívá při výrobě chemického nádobí, které je možno vystavit účinkům alkalických tavenin jako je hydroxid sodný nebo uhličitan draselný bez výraznějšího poškození.

Ocelářský průmysl je rozhodně největším světovým spotřebitelem niklu. Společně se železem, chromem a manganem patří mezi základní kovy, které slouží pro legování ocelí. Je třeba mít na zřeteli, že se ve světě vyrábí tisíce typů ocelí, které se značně liší svým složením, způsobem zpracování a následně pak svými vlastnostmi jako je tvrdost, pevnost, kujnost, chemická odolnost a další.

Nikl patří již dlouhou dobu mezi mincovní kovy, používané k ražení mincí, obvykle ve slitinách s mědí. V Československu se z těchto slitin razily především mince o nominální hodnotě 1, 2 a 5 Kčs. V současné ČR jsou mince 1, 2 a 5 Kč pouze niklem povrchově upravené (ražené z oceli, povrchová vrstva niklová). V USA a Kanadě se pro minci o hodnotě 5 centů používá označení nickel, do češtiny překládané jako niklák. V Evropské unii se tento fakt týká mincí s nominální hodnotou 1 a 2 eura. Tyto mince se vyrábí ze slitiny, která se nazývá nové stříbro neboli argentan či nejčastěji alpaka. Tato slitina se do Evropy dostala z Číny v 18. století, ale mince se z ní začaly razit ve velkém až po druhé světové válce. Alpaka obsahuje 10-20 % niklu, 40-70 % mědi a 5-40 % zinku.

Významné místo patří slitinám niklu ve výrobě šperků. V současné době poměrně populární bílé zlato je obvykle právě slitinou zlata, niklu, mědi a zinku. Zvláštní slitina niklu a stříbra slouží často jako materiál pro výrobu elektrických kontaktů v silně namáhaných silnoproudých spínačích, které musí vykazovat vysokou úroveň spolehlivosti. Jde o směs o složení přibližně 90 % Ag + 10 % Ni. Protože oba kovy se při tomto poměru v tavenině nemísí, vyrábí se slitina poměrně komplikovaným spékáním práškového materiálu za vysokých teplot a tlaků. Výslednému materiálu potom stříbro dodává vynikající elektrickou vodivost a nikl zase výhodné mechanické vlastnosti - tvrdost a odolnost proti otěru.

K dalším významným slitinám niklu patří konstantan, což je slitina 40 % niklu a 60 % mědi, která má konstantní velký elektrický odpor. Nikelin je slitina 31 % niklu, 56 % mědi, 13 % zinku a má také velký konstantní elektrický odpor. Manganin je slitina 4 % niklu, 12 % manganu a 84 % chromu, která se používá na zhotovování přesných elektrických odporů.

Značná část celosvětově vyrobeného niklu končí v současné době jako surovina pro elektrické články s možností mnohonásobného dobíjení. Pro zdroje s vyšší elektrickou kapacitou se používají spíše nikl - kadmiové galvanické elektrické články typu NiCd. Vykazují velmi dobré elektrické vlastnosti (kapacita x hmotnost) a lze je i zpětně dobíjet. Slouží často jako zdroj elektrického proudu v automobilech a dalších dopravních prostředcích. Na rozdíl od klasických olověných akumulátorů se v nich jako elektrolyt používá roztok alkalického hydroxidu.

Jemně rozptýlený elementární nikl - Raneyův nikl - je velmi účinným hydrogenačnímkatalyzátorem, který působí reakci dvojné vazby mezi uhlíkovými atomy s vodíkem za vzniku vazby jednoduché. Této reakce se využívá v potravinářství k výrobě ztužených tuků z rostlinných olejů. Běžné rostlinné oleje jsou chemicky estery nenasycených mastných kyselin s několika dvojnými vazbami v molekule.

Sloučeniny niklu se používají jako pigmenty a katalyzátory, např. tetrakarbonyl niklu katalyzuje některé cyklizační a karbonylační organické reakce, tzv. Reppeho syntézy (polymerace acetylenu na cyklické olefiny a aromatické sloučeniny, nebo syntéza kyseliny akrylové z acetylenu, vody a oxidu uhelnatého). Hydridový komplex [Ni]-H je katalyzátorem oligomerizace alkenů při výrobě α-olefinů metodou SHOP (Shell Higher Olefin Process). Fluorid nikelnatý NiF2 se používá jako katalyzátor při přípravě fluoridu chlorečného ClF5. Fluorid niklitý NiF3 slouží jako fluorační činidlo v organické chemii. Hydroxid nikelnatý Ni(OH)2 je základní složkou náplně Ni-Cd a Ni-Fe akumulátorů. Dusičnan nikelnatý Ni(NO3)2 se používá jako součást hnědých keramických glazur. Uhličitan nikelnatý NiCO3 slouží k přípravě lázní pro galvanické poniklování. Chlorid nikelnatý NiCl2 a jodid nikelnatý NiI2 katalyzují některé organické reakce. Titaničitan nikelnatý NiTiO3 slouží jako žlutý pigment. Chroman nikelnatý NiCrO4 se používá jako žáruvzdorný ochranný nátěr. Oxid nikelnatý NiO katalyzuje hydrogenační reakce. Oxid niklitý Ni2O3 slouží jako katalyzátor při výrobě kyseliny benzoové oxidací benzylalkoholu. Intermetalické sloučeniny NiAl, Ni3Al a NiAl3 se používají na ochranné povlaky lopatek plynových turbín a proudových motorů. Hexafluoronikličitan draselný K2[NiF6] se používá v laboratorní praxi jako velmi silné oxidační činidlo. Borid Ni2B se používá v organické chemii jako silné redukční činidlo a katalyzátor hydrogenace.

Vliv niklu na životní prostředí a zdraví

Nikl patří mezi několik málo prvků, jejichž vliv na zdravotní stav lidského organizmu je jednoznačně negativní. Nikl (Ni) je stříbrošedý, tvrdý, ale kujný kov. Ni je dobrým vodičem elektrického proudu odolávající korozi. Ni, jako součást řady enzymů a proteinů, je v malém množství nezbytný pro bakterie, rostliny i živočichy. V nadměrných množstvích je však toxický. Při kožním kontaktu může vyvolat lokální alergickou reakci. Při požití nebo v dechnutí dochází k poškození jater, ledvin, plic, cévní a nervové soustavy.

Přirozeným zdrojem Ni v prostředí je vulkanická činnost, požáry, půdní eroze a odpařování z mořské vody. Člověk zvyšuje množství niklu v prostředí především samotnou důlní činností, metalurgií a spalováním fosilních paliv včetně odpadů. Nikl je v prostředí všudypřítomný. Díky jeho snadné vazbě s atomy železa a hořčíku se většina niklu nachází v půdním profilu. Nikl (Ni) je stříbrošedý, tvrdý, ale kujný kov. Je dobrým vodičem elektrického proudu odolávající korozi. V přírodě nikl většinou doprovází síru a železo. Předpokládá se, že převážná část niklu se nachází v zemském vnitřním a vnějším jádře. Nejběžnějším oxidačním stavem je +2. V komplexních sloučeninách se může vyskytovat i s oxidačním číslem 0, +1 a +3. Většina niklu se spotřebuje na výrobu slitin, kterých existuje přes tři tisíce. Až 66 % světové produkce Ni je spotřebováno na výrobu nerez oceli. Ni se používá nejčastěji v kombinaci s železem, mědí (Monelův kov), chrómem, hliníkem a zinkem.

Negativní působení niklu na lidské zdraví do značné míry závisí na množství niklu, kterému byl jedinec vystaven a také na délce trvání této expozice. Důležité také je, v jaké podobě se s niklem setkáváme, protože bývá součástí řady sloučenin, které mohou působit různě. Posledním nezanedbatelným faktorem ovlivňujícím účinky na lidské zdraví je celkový zdravotní stav jedince, který se s touto látkou dostává do kontaktu.

Malé množství niklu je pro člověka pravděpodobně důležité, nicméně zatím nebyl pozorován žádný případ, kdy by byla zaznamenána negativní odezva organismu z důvodu jeho nedostatku. V souvislosti s niklem se nejčastěji objevuje kožní alergická reakce u lidí, kteří jsou na tento kov obzvláště citliví. Lidé si mohou přivodit zvýšenou citlivost vůči niklu například když nosí šperky, které jsou z něj vyrobeny a které jsou v dlouhodobějším kontaktu s pokožkou. U citlivých jedinců pak každý další kontakt s niklem způsobí velmi rychlou odezvu v podobě kožní vyrážky (dermatitidy) v místě kontaktu s kovem. U velmi citlivých jedinců může kontakt s niklem vést až ke vzniku astmatického záchvatu, ale takové případy se objevují jen velmi zřídka.

Vedle kožního kontaktu může způsobit negativní reakci organismu také jeho požití v potravě nebo pitné vodě, případně vdechnutí prachu, který nikl obsahuje. U lidí, kteří nejsou na nikl citliví, je potřeba značně velká expozice vůči tomuto kovu, aby byl nějaký efekt pozorován. Soli niklu mohou podobně jako čistý kov vyvolat také řadu zdravotních problémů. Mohou například způsobit pálení a svrbění rukou, které je následováno silným zarudnutím pokožky a vznikem vyrážek v meziprstí, na zápěstích a předloktích. Požití těchto solí vyvolává zvracení. U pracovníků, kteří nedopatřením vypili vodu obsahující velké množství niklu (až 100 000 x víc než v pitné vodě), byly pozorovány bolesti žaludku a ledvinové problémy. Niklový prach pro změnu způsobuje podráždění očí, nosu a krku. Jeho dlouhodobější vdechování může vést k rozvinutí akutní chronické bronchitidy, snížení funkce plic, ale i k propuknutí rakovinového onemocnění. Negativně mohou být zasaženy i horní cesty dýchací, kdy se mohou objevovat záněty dutin apod. Nemoci způsobené vdechováním niklového prachu byly pozorovány především u dělníků, kteří pracují v továrnách určených ke zpracování niklu. Pokud jde o karcenogenitu sloučenin niklu, počítají se podle závěrů expertního týmu IARC z roku 2018 mezi prokázané lidské karcinogeny (skupina 1). Samotný kovový nikl je hodnocen jako možný lidský karcinogen, tedy skupina 2B klasifikace IARC.

Co se týče vlivu niklu na ekosystémy, tak lze opět uvést, že určité množství tohoto kovu je nezbytné pro normální růst a rozmnožování některých živočichů. Nicméně je dobře známo, že nikl a jeho sloučeniny vykazují vysokou akutní a chronickou toxicitu pro vodní organismy. Míra toxicity niklu je přitom značně závislá na tvrdosti vody - čím je voda měkčí, tím větší je riziko způsobené kontaminací niklem. Pokud jde o vliv niklu a jeho sloučenin na rostliny a suchozemské organismy, tak zatím není dostatek dat k dostatečnému posouzení jeho toxicity.

Nikl se v prostředí vyskytuje přirozeně a poměrně hojně. Nalézáme ho v půdě, vodě, potravinách, značné množství niklu se uvolňuje například při sopečných erupcích. V prostředí se často nachází v kombinaci s arsenem, antimonem a sírou. Velké zásoby niklu jsou uloženy na mořských dnech. Čistý nikl můžeme nalézt v kombinaci s železem také v meteoritech. Zemské jádro je také složeno z velké části z niklu a železa (NiFe). Pro získávání niklu se používají rudy, kde se nikl zpravidla vyskytuje jako oxid ve směsi s železem (laterit a garnierit) nebo jako sulfid nikelnato-železitý, neboli pentlandit.

Antropogenní přídavek niklu do prostředí spočívá především ve spalování uhlí a dalších fosilních paliv. Do ovzduší se nikl uvolňuje také z procesů těžby a zpracování niklových rud, ocelářského průmyslu, galvanických procesů nebo spalování komunálního odpadu. Zdrojem niklu do ovzduší je také doprava, kdy dochází ke spalování pohonných hmot. Jemné částečky niklu a jeho sloučenin, které jsou obsažené v prachu, jsou přenášeny vzdušným prouděním.

Jak již bylo uvedeno výše, částice obsahující nikl se uvolňují do atmosféry jak z přírodních, tak antropogenních zdrojů. Suchou a mokrou depozicí se nikl a jeho sloučeniny dostávají do ostatních složek prostředí, jako je voda a půda. Nikl obsažený v půdě se může postupným vymýváním dostávat až do podzemních vod. V povrchových vodách se může nikl vyskytovat přirozeně a to zvětráváním horninového podloží, které ho obsahuje. Nikl který je ve vodě obsažen, pak podléhá různým fyzikálním a chemickým procesům, které ovlivňují jeho další setrvání v prostředí.

Specifický emisní limit pro Ni je Zákonem o ochraně ovzduší (201/2012 Sb.) stanoven na 5 mg/m3.

• Pitná voda: 20 µg/l nejvyšší mezní hodnota (NMH) pro nikl (vyhl. č. 252/2004 Sb.)
• Balené kojenecké a pramenité vody: nejvyšší mezní hodnota (NMH) 0,02 mg/l (podle příl. č. 2 k vyhl. č. 275/2004 Sb.)
• Balené přírodní minerální vody: nejvyšší mezní hodnota (NMH) 0,02 mg/l (podle příl. č. 1 k vyhl. č.

Vyhláška 153/2016 Sb. stanoví v zemědělské půdě tzv. preventivní limity rizikových látek a prvků.

tags: #výskyt #niklu #v #přírodě

Oblíbené příspěvky:

• Průvodce světem Lost Heaven
• Odbor životního prostředí: role a funkce
• Výlety do přírody Karlovy Vary
• Domácí postřiky na stromy
• Bezdotykový koš 48 litrů