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Chimica: generalità

(antiq. nichèlio), sm. [sec. XVIII; dallo svedese nickel, dal tedesco Kupfernickel, propr. falso rame (da Kupfer, rame, e Nickel, nomignolo di un folletto maligno), nome dato dai minatori alla niccolite, con allusione alla difficoltà di estrarne il rame]. Elemento chimico di simbolo Ni, peso atomico 58,69 e numero atomico 28. Il nichel puro e compatto è un metallo dal caratteristico colore grigio chiaro, assai lucente dopo politura, magnetico, anche se meno del ferro (punto di Curie 353 ºC), di peso specifico 8,90 e con punto di fusione a 1453 ºC. Presenta caratteristiche meccaniche simili a quelle degli acciai dolci (resistenza a trazione variabile da 40 a 100 kg/mm² secondo il grado di incrudimento), ha buone caratteristiche di saldabilità e di lavorabilità per deformazione plastica sia a caldo sia a freddo sia alle macchine utensili; offre inoltre ottima resistenza agli agenti atmosferici e alle soluzioni alcaline dovuta soprattutto a fenomeni di passivazione. Queste specifiche proprietà ne giustificano il vasto impiego sia allo stato puro, sia in lega, nonostante il suo costo elevato. Tra il 1970 e il 1990 la produzione mondiale di nichel ha registrato un continuo progresso, passando da 736.500 t nel 1974 a 995.700 nel 1990. Al contrario, nei primi anni Novanta, si è verificato un netto calo, seguito da una ripresa a partire dal 1995. Nel 1996 sono state prodotte 1.058.000 t di nichel, di cui 242.000 t nei Paesi ex sovietici, 193.000 t in Canada, 125.000 t nella Nuova Caledonia e 88.000 t in Indonesia; nello stesso anno è stato scoperto nel Labrador nordorientale, a Voisey-Bay, il più esteso giacimento di nichel del mondo, entrato in attività nel 2006.

Chimica: i composti del nichel

Nei suoi sali solubili in acqua il nichel presenta in pratica solo la valenza due. I sali semplici, ossia quelli che non hanno carattere di complessi, in soluzione sono di colore verde-giallastro: da tali soluzioni cristallizzano generalmente sotto forma di esaidrati, data la grande tendenza del catione Ni2+ a coordinare sei molecole di acqua, ossia a formare il catione idrato [Ni(H2O)6]6+. Tali esaidrati, anch'essi di colore verde, per riscaldamento eliminano gradualmente la loro acqua di cristallizzazione fino a trasformarsi in sali anidri, di colore giallo. Il solfato di nichel esaidrato, NiSO4·6H2O, e il cloruro esaidrato, NiCl2·6H2O, facilmente solubili in acqua, sono i sali di nichel generalmente usati nell'industria galvanica. Aggiungendo alle loro soluzioni dell'idrossido di sodio precipita l'idrossido Ni(OH)2, di colore verde, praticamente insolubile e che trattato con acqua di cloro si trasforma nell'idrato di un ossido superiore del nichel di colore nero e di incerta composizione; quest'ultimo viene usato come depolarizzante negli accumulatori al ferro-nichel. L'idrossido di nichel è solubile nelle soluzioni acquose di ammoniaca formando il catione complesso [Ni(NH3)6]2+, di colore violetto. Il nichel forma una lunga serie di altri complessi variamente colorati con leganti di tipo diverso.

Metallurgia

Come metallo libero il nichel puro fu preparato per la prima volta nel 1801 dal chimico tedesco Richter. In natura si rinviene raramente allo stato nativo, sempre in lega con il ferro, come per esempio nei meteoriti ferrosi, costituiti da leghe ferro-nichel con tenore in nichel prevalentemente compreso tra il 6 e il 14%. Sotto forma di composti diversi il nichel costituisce lo 0,01% in peso della crosta. Concentrato, lo si rinviene per lo più in minerali costituiti da solfuri e arseniuri misti di nichel, rame, ferro e cobalto, come quelli dei grandi giacimenti canadesi dell'Ontario (zona di Sudbury), e nelle pirrotiti nichelifere (Paesi dell'ex Unione Sovietica, Scandinavia), oppure in giacimenti di minerali ossidati come quelli della Nuova Caledonia, Cuba, Brasile, costituiti dalla garnierite, un silicato di nichel e magnesio. La metallurgia del nichel è complessa: i processi di fabbricazione si differenziano secondo il tipo di minerale. Nel caso dei solfuri, questi, dopo arricchimento e arrostimento, vengono fusi per ottenere una metallina contenente il 16% di nichel la quale, in seguito a conversione in aria soffiata, viene liberata dal ferro per ossidazione e successiva scorificazione. Si perviene così a un concentrato di solfuri di nichel e di rame, contenente il 48% di nichel e il 27% di rame, il quale, rifuso in presenza di carbone e bisolfato sodico e colato in appositi contenitori (processo Orford), dà luogo a due strati, uno più denso, costituito essenzialmente da solfuro di nichel (Ni=72%) con piccole quantità di rame, l'altro, sovrastante, da solfuro di rame e solfuro sodico. Il solfuro di nichel così ottenuto può essere trasformato in nichel secondo due processi: il primo, ormai in disuso, comprende essenzialmente un arrostimento ossidante che trasforma il solfuro in ossido di nichel e la riduzione con carbonio (coke) dell'ossido a nichel; il secondo processo (Mond) comprende varie operazioni termo-chimiche di arricchimento in nichel e successivamente il trattamento della miscela polverizzata, contenente ca. il 95% di nichel, con ossido di carbonio a 50÷60 ºC, che comporta la formazione di nichel tetracarbonile allo stato gassoso [Ni+4CO —→ Ni(CO)4]. Il prodotto così ottenuto, inviato in apposite torri di decomposizione nelle quali la temperatura viene mantenuta a 180 ºC, si decompone in nichel metallico quasi puro, che si deposita su sferette di nichel aventi la funzione di germi di cristallizzazione, e in ossido di carbonio che viene rimesso in ciclo per la formazione del nichel tetracarbonile. Secondo un altro procedimento, brevettato dalla International Nickel Company (INCO), il nichel può essere ottenuto per elettrolisi dalla metallina. Per quanto riguarda l'elaborazione della garnierite, questa può essere trasformata dapprima in solfuro di nichel (metallina) attraverso una fusione del minerale miscelato con carbone e gesso e successivamente in nichel, dopo ossidazione della metallina e riduzione dell'ossido; oppure miscelata a carbone può essere fusa al forno elettrico per ottenere una lega ferro-nichel che viene trasformata in nichel dopo conversione e raffinazione elettrolitica, o anche utilizzata come ferrolega in acciaieria. Il nichel prodotto dai diversi processi sopra descritti presenta quantità globali di impurezze pari a ca. l'1-2%, costituite da ferro, rame, silicio, cobalto, carbonio, ossigeno, zolfo, metalli nobili, ecc., che possono essere ridotte o eliminate attraverso una successiva raffinazione elettrolitica seguita da una fusione dei catodi (nichel elettrolitico con titolo pari al 99,5%). Per ottenere gradi di purezza più elevati è necessario sottoporre il nichel raffinato a ulteriori trattamenti di raffinazione per via elettrochimica e per fusione a zone. Un terzo ca. della produzione mondiale di nichel è utilizzato, specialmente come metallo puro, nell'industria chimica, elettrochimica, elettrotecnica ed elettronica. La maggior parte del nichel viene impiegata però per la preparazione di moltissime leghe (oltre 3000) fra cui gli acciai (nei quali il nichel spesso è presente in quantità variabili dallo 0,5 al 35%) che hanno un posto prevalente, in quanto a essi è destinato oltre il 50% della produzione di nichel. La sua funzione è quella di migliorare le caratteristiche di tenacità, temperabilità, resistenza meccanica, resistenza alla corrosione e al calore dell'acciaio specie quando è associato al cromo (acciai inossidabili). Leghe a base di nichel contenenti altri elementi come rame, cromo, cobalto, titanio, alluminio, ecc. hanno grande importanza per le loro tipiche applicazioni in ambienti particolarmente aggressivi e in condizioni di temperature elevate. Le leghe nichel-cromo trovano largo impiego per costruire resistenze elettriche riscaldanti, mentre altre leghe del nichel vengono usate come metallo da conio, per la posateria, ecc. Il nichel, opportunamente preparato, viene usato come catalizzatore nei processi dell'industria chimica organica di idrogenazione e di polimerizzazione.