Els empèdocles moderns – Axel Fredrik Cronstedt (1751) i l’element 28 (Ni) – níquel (nilbiocti, Nbo)

Encara que el mite de Faust l’associem especialment amb Goethe, abans d’ells ja havia estat objecte de l’obra de Johan Spiess (1587), de Johannes Feinaug (1588), de Christoper Marlowe (1592), de Jacob Biedermann (1602) i de Gotthold Ephraim Lessing (1759). També l’esmenten, ni que sigui de passada, Martin Luther (1483-1546) o Philipp von Hutten (1505-1546). Hom l’ha volgut vincular amb Johann Fust (1400-1466) i Georgius Faustus (1480-1570). Però sembla que la base del mite és molt anterior. En efecte, de sant Teòfil d’Adana, mort l’any 538, s’explica que va vendre l’ànima al diable a canvi de coneixement i prestigi que el fes avançar posicions en la jerarquia eclesiàstica. Teòfil aconseguí, però, salvar l’ànima i aconseguir la santedat. El mite de Faust és estretament lligat a la saviesa esotèrica de l’astrologia i de l’alquímia, conscient sempre de la incompletitud del seu coneixement i que es posa al davant la tasca de troba la pedra filosofal que és alhora la panacea, l’elixir de l’eterna joventut. Coneixement, màgia i immortalitat són estretament lligats, com suggereixen els dos arbres del Paradís Terrenal. Però el mite ens ensenya l’hubris del coneixement, la pèrdua de la innocència. La difusió del coneixement fa menys savis als savis, menys divins i als déus, i així s’explica el càstig a Prometeu o a Adam. Mefistòfeles, el diable que tracta amb Faust, és un representant del Mal. Faust, que aspira al coneixement, sembla no distingir entre el Bé i el Mal, com si cerqués la saviesa a través de la reducció del dualisme. La física d’Empèdocles es basava en una sèrie d’oposicions duals, materials (càlid-fred; humit-sec) i espirituals (amor-odi). Els alquimistes i els astròlegs oposaven ço diürn a ço nocturn, ço masculí a ço femení. La dualitat entre el Bé i el Mal, base del mite de Faust, en indicar-nos que aspirar al coneixement absolut és dolent, no és absent de problemes. Epicur ja emprava el problema de l’existència del Mal per refutar l’existència d’uns déus alhora omnipotents i benvolents. El Dimoni, amb múltiples noms, des dels bíblics Satan o Lucífer, als més populars com Old Nick o en Pere Porter, és realment l’antiimatge de Déu? O n’és un instrument (una mena d’auditor extern), com el Satan del Llibre de Job? O, més senzillament, és una criatura en rebel•lió i condemnada a l’autodestrucció, com s’estima més contemplar-la l’ortodòxia cristiana contemporània? Nosaltres en tot cas arribem al nombre 28 de la nostra sèrie.

Mite similar al de Faust és el de Pan Twardoski, aquí pintat per Michał Elwiro Andriolli en el 1895. Aquest noble de la Cracòvia del Cinc-cents, vengué l’ànima al diable a canvi de coneixement astrològic i de poders sobrenaturals. Penedit, és salvat per la Mare de Déu, que el fa pujar a la Lluna on viurà fins el dia del judici

Axel Fredrik Cronstedt i la descoberta del níquel

Axel Fredrik Cronstedt va nàixer el 23 de desembre del 1722 a Ströppsta (parròquia de Turinge, Comtat d’Estocolm). Pertanyia a la família noble dels Cronstedt per adopció, a través del seu pare, Gabriel Oderman. La mare, Maria Elisabeth Adlerberg, segona muller de Gabriel, era de noble llinatge (per la línia materna, descendia dels comtes de Dahlberg). Dels seus matrimonis successius, Gabriel Oderman fou pare de 25 infants, tots ells amb dret al títol de baró o baronessa.

Gabriel pensà per al jove Fredrik en una carrera militar d’especialista, la qual cosa exigia una sòlida formació bàsica en matemàtiques. Així, l’agost del 1738, a quinze anys, ingressà en la Universitat d’Uppsala. Atret per la mineralogia a través d’un dels seus professors, Johan Gottschalk Wallerius (1709-1785), s’orientà a la fi per a una carrera en aquest camp. El 1742, ingressà en el Bergskollegium, graduant-se en el 1746.

En aquest període tingué entre els seus mestres a Georg Brandt. Brandt, des del 1741, havia sistematitzat, com vam veure la setmana passada, la química dels metalls (or, argent, coure, estany, ferro i plom) i dels “semimetalls” (mercuri, bismut, zinc, antimoni, arsènic i cobalt).

Des del 1747, Cronstedt ocupà càrrecs en l’administració sueca de mines, començant pel de “geschworner”. Als problemes de l’explotació de les mines, aplicà els coneixements mineralògics i químics moderns. Un d’aquests problemes era l’extracció de coure en el mineral conegut com a “coure de níquel”, que no tan sols no deixava anar el seu metall sinó que, segons les condicions, podia generar vapors tòxics. Níquel o Nickel era dels noms emprats per designar el Dimoni, com si aquesta criatura és digués realment Nicolau, i hom tingués dret a denominar-la “Vell Nick”. En qualsevol aquest “coure endimoniat”, malgrat el seu aspecte de mineral de coure, no donava gens de material metàl•lic quan se’l sotmetia a tractament similars als minerals de coure “normals”.

Retrospectivament, podem dir que aquest material era conegut ja en diferents èpoques i països ja de bell antuvi, encara que sota noms diversos. En quantitats menors, era ja present en els primers materials de bronze del IV mil•lenni a.e.c. Sota el nom de “baitong” (“coure blanc”), el material descrit en textos xinesos dels segles XVII-XV a.e.c., on se li donaven diversos usos. Aquest material, sota el nom de Paktong o de “coure blanc”, era produït i exportat activament per la metal•lúrgia xinesa, i havia estat introduït a Europa ja en el segle XVII.

D’altra banda, el nom de “Kupfernickel” ja apareix a Alemanya des del 1694, per referir-se a un mineral de color roig de les Erzgebirge, la serralada que comparteixen Saxònia i Bohèmia. Aquest material també és conegut com a “Rotnickelkies” i “Arsennickel”.

Cronstedt tenia presents els estudis fets per Georg Brandt i per Henric Kalmeter (nascut el 1693), tots ells vinculats al Bergskollegium suec. Calia pensar que darrera el “coure-níquel” hi hauria un “semimetall” semblants als descrits per Brandt. Kalmeter suposava que el “coure-níquel” contenia bismut i cobalt, però els seus estudis no eren concloents. Kalmeter es va morir el 24 de desembre del 1750 a Estocolm sense haver resolt la qüestió.

Cronstedt sotmeté “coure-níquel” a diferents condicions d’extracció per separar el coure dels altres metalls i semimetalls hipotèticament presents. No aconseguí extreure coure, però si un material metàl•lic de color blanc. Descartat que es tractés d’algun dels metalls i semimetalls ja coneguts per Brandt i Kalmeter, suposà que es tractava d’un de prèviament desconegut, i li donà el nom de “níquel”.

De fet, el “coure-níquel” no contenia gens de coure, sinó que era un compost de níquel i d’arsènic, la qual cosa explicava la seva potencial toxicitat. En correspondència, el material passà a ser conegut com a niquelina o nicolita, mentre el nom de níquel era reservat al metall (la fracció no-arsènica) d’aquest mineral.

Niquelina, procedent del districte de Timiskaming, a Ontario

A “Rön och försök, gjorda med en malmart från Los kobolt-grufvor”, Cronstedt recollia les recerques publicades a la Reial Acadèmia Sueca de Ciències entre el 1751 i el 1754. En el mateix any, feia la descripció de diversos minerals de les mines de Bastnäs, que contenien un altre metall, que Cronstedt, seguint el criteri de Wallerius del 1747, anomena tung sten (“pedra pesant”), atenent al seu alt pes específic. En el 1753, Cronstedt esdevenia ja membre de la Reial Acadèmia Sueca de Ciències.

Cronstedt va dedicar-se especialment a la qüestió de la classificació dels minerals. A aquesta tasca s’hi dedicaven també Wallerius (Mineralogica, 1747) i Carl Linnaeus (1707-1778). Conjugar les propietats cristal•logràfiques i químiques en una única classificació no era gens fàcil. Cronstedt pensava que tant Wallerius com Linnaeus es fixaven massa en característiques externes, de color o de textura. En el 1758 va fer publicar, sense signar, “Försök till mineralogie: Mineralrikets upställning”. L’obra fou publicada també en una traducció danesa i, en el 1760, en una d’alemanya. Cronstedt insistia en la necessitat de diferenciar entre “mineral simple” i la “roca” que pot integrar una diversitat de minerals. A diferència de la classificació “en arbre” (grups i subgrups) que Linnaeus aplicava en els regnes vegetal i animal, en el regne mineral calia pensar més en una combinació de diverses agrupacions possibles.

En l’anàlisi química de minerals, Cronstedt fou pioner de l’aplicació de bufadors, inspirats en els utilitzats pels vidriers i els ferrers. En el 1756, estudià mostres d’estilbita, escalfant-les amb un bufador connectat a una flama. Aquestes mostres emetien una gran quantitat de vapor d’aigua, cosa que el va fer descriure-les com a zeolites (del grec ζέω + λίθος, pedra que bull). La zeolita, doncs, calia entendre-la com un material amb una capacitat considerable d’adsorbir aigua.

Cronstedt es va morir a 42 anys, el 19 d’agost del 1765 a Säter. Amb el temps la seva fama creixeria. La seva “Mineralogia” es va reeditar en alemany el 1770, i seguidament aparegué en francès (1771) i en anglès (1772). Tant per l’aportació teòrica com pel desenvolupament de l’ús experimental del bufador, Cronstedt ha estat considerat un dels fundadors de la mineralogia moderna, quan no directament el fundador.

Amb les aportacions de Cronstedt i d’altres, els metalls (o semimetalls) simples superaven no tan sols el nombre clàssic, de set, sinó també el de dotze que havia proposat Georg Brandt en el 1741. Al Traité Élémentaire de Chimie (1789), Antoine Lavoisier enumera 33 substàncies simples, de les quals més de la meitat (17) són “substàncies simples metàl•liques oxidables o acidificables”. Entre aquestes hi ha el “nickel”.

A “New System of Chemical Philosophy” (1808), de John Dalton, el níquel apareix en el llistat d’elements simples, simbolitzat amb la lletra N.

Jöns Jacob Berzelius sistematitza els símbols dels elements químics en una obra del 1813. El “nickel” apareix simbolitzat amb les inicials “Ni”, que ja l’han acompanyat fins els nostres dies. En donar el nom llatí, Berzelius s’estima més mantindre “Nickel”. D’altres autors, l’adapten com a “Niccolum”. La majoria de llengües, però, han adoptat el mot “nickel”, fent-ne correccions ortogràfiques i fonètiques oportunes (nikkel, nichel, níquel, nikl, nikelo, etc.), però algunes s’han estimat més introduir termes autòctons (konukōreko, en maorí).

En el 1822, hom comprovà que l’anomenat “coure blanc Paktong”, del qual havien crescut les importacions xineses a Anglaterra, era bàsicament un aliatge de coure i níquel, i es crearen a Alemanya aliatges similars, coneguts com a “argent alemany”. La niquelina o nicolita era la principal font de níquel. En el 1824 a això se suma el níquel obtingut com a subproducte de la fabricació de blau de cobalt, ja que els minerals de cobalt emprats contenien quantitats de níquel. A partir del 1848, a Noruega s’exploten dipòsits de pirroïta (un mineral de sulfur de ferro) rica en níquel. En el 1865, es descobreixen dipòsits rics en níquel a Nova Caledònia.

Flying Eagle cent del 1857, amb un contingut de níquel del 12%

A mitjan del segle XIX, hom comença a emprar níquel en els aliatges per a moneda fraccionada. Tradicionalment, moltes d’aquestes monedes es feien de coure. En el 1857, comença als Estats Units l’emissió de monedes d’un centau amb un aliatge de coure-níquel (12% de níquel, en el cas del Flying Eagle). En el 1865, s’emeten monedes de tres centaus, amb un aliatge de coure-níquel del 75%-25%. En el 1866, aquest aliatge s’aplica a monedes de cinc centaus, i fins els nostres dies el mot “nickel” és sinònim de cinc centaus de dòlar americà. En el 1881, s’emeten a Suïssa les primeres monedes consistents gairebé en níquel pur.

En el 1865, John Newlands publica un intent de sistematització dels elements químics en set grups. El níquel i el cobalt comparteixen casella, amb el nombre atòmic de 22, com a quart període del primer grup (és a dir del grup de l’hidrogen, del fluor i del clor).

La raó de posar en la mateixa casella níquel i cobalt venia del fet que, malgrat ésser considerats elements químics diferents, compartien el mateix pes atòmic (59 equivalents d’hidrogen). Així, en la taula de Dmitri Mendeleev del 1869, Ni i Co també apareixen en la mateixa casella, dins del quart període, i co-encapçalant un grup d’elements, en el qual també figuren el platí (cinquè període) i l’osmi (sisè període).

En la versió del 1871, la taula de Mendeleev apareix més compactada. El ferro, el cobalt, el níquel i el coure apareixen els quatre dins de la casella del quart període i del grup VIII, que sembla una mena de calaix de sastre de metalls de difícil classificació. Hom descongestionarà després aquest grup VIII, de manera que el Ni guanya per fi una casella pròpia, encapçalant un grup de metalls (“grup 10”) en el qual trobem el pal•ladi (cinquè període) i el platí (sisè període). No serà, ja entrat en el segle XX, i introduït ja el concepte de “nombre atòmic” que hom entendrà com és que el Ni i Co comparteixen pes atòmic (59), sense ésser el mateix element químic.

La demanda de níquel per a la indústria de l’acer comença a créixer el 1889. També creix la demanada. A les mines de Nova Caledònia que, des del 1875, són el primer centre de producció del metall, s’hi sumen les de Sudbury Basin (Canadà).

La Gran Guerra desplaçà definitivament, en el 1915, Nova Caledònia, teatre d’operacions militars en tant que parcialment sota control de l’Imperi Alemany, com a principal productora de níquel. En el 1920, hom trobà dipòsits a Norilsk-Talnakh (Rússia) i, el 1924, a Merensky Reef (Sud-àfrica). Però el major productor de níquel era Canadà. Això ho testimonien les monedes de 5 cèntims de dòlar canadenc que des del 1922, es fan de níquel al 99,9%.

Les monedes de níquel pur (99,9%), com aquestes monedes de 10 i 25 cèntims amb els rostres de les reines Juliana i Beatriu dels Països Baixos, són ferromagnètiques

Amb el temps, el preu del níquel, si bé ha patit fluctuacions, ha tendit a encarir-se. Així els aliatges de níquel o s’han rebaixat o s’han emprat per les monedes de valor facial més elevat. En el 1981, Canadà deixà d’emprar níquel al 99,9% per a les monedes de 5 cèntims i, en el 2000, per a monedes de valor superior. El níquel continua com a component de moltes monedes, però de manera minoritària: el nickel nord-americà, de 25% de níquel i 75% de coure, és més aviat l’excepció. Això ha ocasionat algun disgust a la United States Mint. El 14 de desembre del 2006, la US Mint va criminalitzar la fossa o exportació de monedes de centau i de níquels, amb multes de 10.000$ i fins a cinc anys de presó. L’abril del 2007, l’augment del preu del níquel, va fer que el valor facial global de la moneda de 5 centaus fos de més de 9, encara que des de llavors ha baixat fins a nivells similars al del valor facial.

Moneda d’1 €. La corona, de color daurat, és feta d’“argent alemany”, és a dir d’un aliatge del 60% de coure, 20% de níquel i 20% de zinc. La part interior, de color argentí, es formada per tres capes de coure-níquel (25%), níquel i coure-níquel.

El níquel: isòtops i abundància

La massa atòmica estàndard del níquel és de 58,6934 uma, és a dir unes dècimes inferior a la massa atòmica del cobalt, tot i que aquest element té el nombre atòmic directament inferior. Això s’explica perquè, mentre l’únic isòtop estable del cobalt és el 59Co, l’isòtop majoritari del níquel és el 58Ni. En tot cas, en la massa atòmica estàndard del Ni també entren alguns isòtops més pesants, especialment el 60Ni. La llista completa d’isòtops coneguts del níquel és aquesta:
– níquel-48 (48Ni; 48,01975 uma). Nucli format per 28 protons i 20 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,01 s. No fou detectat fins el 1999. La combinació de dos “nombres màgics” (28 protons i 20 neutrons) el fa menys inestable del que s’esperaria.
– níquel-49 (49Ni; 49,00966 uma). Nucli format per 28 protons i 21 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,013 s.
– níquel-50 (50Ni; 49,99593 uma). Nucli format per 28 protons i 22 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,0091 s. Decau a cobalt-50, amb emissió d’un positró.
– níquel-51 (51Ni; 50,97772 uma). Nucli format per 28 protons i 23 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,03 s. Decau a cobalt-51, amb emissió d’un positró.
– níquel-52 (52Ni; 51,97568 uma). Nucli format per 28 protons i 24 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,038 s. Decau majoritàriament (83%) a cobalt-52 (amb emissió d’un positró) o, alternativament (17%), a ferro-51 (amb emissió d’un protó i d’un positró).
– níquel-53 (53Ni; 52,96847 uma). Nucli format per 28 protons i 25 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,045 s. Decau bé a cobalt-53 (55%; amb emissió d’un positró) o bé a ferro-52 (45%; amb emissió d’un protó i d’un positró).
– níquel-54 (54Ni; 53,95791 uma). Nucli format per 28 protons i 26 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,104 s. Decau a cobalt-54, amb emissió d’un positró.
– níquel-55 (55Ni; 54,951330 uma). Nucli format per 28 protons i 27 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,204 s. Decau a cobalt-55, amb emissió d’un positró.
– níquel-56 (56Ni; 55,942132 uma). Nucli format per 28 protons i 28 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 5,2488•105 s (6 dies). Decau a cobalt-56, amb emissió d’un positró. Els nuclis de 56Ni, són un dels principals productea de la nucleosíntesi dels estels més massius, especialment en la fase de supernova Ia (14 4He → 56Ni). Com que tant 56Ni com 56Co són inestable, l’acumulació final es produeix en forma de 56Fe (la qual cosa fa que el ferro sigui el sisè element més abundant de l’univers).
– níquel-57 (57Ni; 56,9397935 uma). Nucli format per 28 protons i 29 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,281•105 s (36 hores). Decau a cobalt-57, amb emissió d’un electró.
– níquel-58 (58Ni; 57,9353429 uma). Nucli format per 28 protons i 30 neutrons. Teòricament, decau a 58Fe, amb emissió de dos positrons, amb una semivida de 2•1028 s (més de deu ordres de magnitud superior a l’edat actual de l’univers). Això fa que sigui un isòtop observacionalment estable. De fet, és el més abundant dels isòtops del níquel, amb una freqüència de 68,0769%.
– níquel-59 (59Ni; 58,9343467 uma). Nucli format per 28 protons i 31 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,4•1012 s (76000 anys). Decau a cobalt-59, normalment per captura electrònica (99%) o, alternativament (0,000015%) per emissió d’un positró. A la Terra hi ha una producció continuada per l’acció dels raigs còsmics. L’abundància relativa de 59Ni ha estat emprada en geocronologia, tant per datar el temps que meteorits porten a la Terra, com per caracteritzar la pols de micrometeorits en sediments, glaç, etc.
– níquel-60 (60Ni; 59,9307864 uma). Nucli format per 28 protons i 32 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa del 26,2231% en mostres terrestres. L’abundància del 60Ni a la Terra és un reflex de l’abundància primigènia de 60Fe, del qual ja no en quedarien pràcticament res. A banda d’aquest origen, també hi ha producció de 60Ni per la desintegració de 60Co i de 60Cu.
– níquel-61 (61Ni; 60,9310560 uma). Nucli format per 28 protons i 33 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa del 1,1399%. És l’únic isòtop estable del níquel amb un espín nuclear (3/2) i, en aquest sentit, és emprat en estudis d’espectroscopia de ressonància electroparamagnètica.
– níquel-62 (62Ni; 61,9283451 uma). Nucli format per 28 protons i 34 neutrons. De tots els isòtops de la taula periòdica general és, superant el 56Fe i tot, el de major energia d’unió per nucleó (8794,5 keV; comptant-hi l’efecte de l’escorça electrònica). És un isòtop estable, amb una abundància relativa del 3,6345%.
– níquel-63 (63Ni; 62,9296694 uma). Nucli format per 28 protons i 35 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 3,159•109 s (100 anys). Decau a coure-63, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (63mNi) a 87,15 keV, que té una semivida de 1,67•10-6 s.
– níquel-64 (64Ni; 63,9279660 uma). Nucli format per 28 protons i 36 neutrons. És un isòtop estable, amb una abundància relativa de 0,9256%. Una part de 64Ni prové de la desintegració de 64Co i 64Cu.
– níquel-65 (65Ni; 64,9300843 uma). Nucli format per 28 protons i 37 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 9061,9 s (2 hores i mitja). Decau a coure-65, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (65mNi) a 63,37 keV, que té una semivida de 6,9•10-5 s.
– níquel-66 (66Ni; 65,9291393 uma). Nucli format per 28 protons i 38 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,97•105 s (55 hores). Decau a coure-66, amb emissió d’un electró.
– níquel-67 (67Ni; 66,931569 uma). Nucli format per 28 protons i 39 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 21 s. Decau a coure-67, amb emissió d’un electró. Posseeix un isòtop inestable (67mNi) a 1007 keV, que té una semivida de 1,33•10-5 s, i que decau bé directament a coure-67 o, ho fa retornant a l’isòmer basal.
– níquel-68 (68Ni; 67,931869 uma). Nucli format per 28 protons i 40 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 29 s. Decau a coure-68, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastables, un a 1770,0 keV (68m1Ni; semivida de 2,76•10-7 s) i un altre a 2849,1 keV (68m2Ni; semivida de 8,60•10-4 s).
– níquel-69 (69Ni; 68,935610 uma). Nucli format per 28 protons i 41 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 11,5 s. Decau a coure-69, amb emissió d’un electró. Posseeix dos estats metastable, un a 321 keV (69m1Ni; amb una semivida de 3,5 s, i que decau bé a l’isòmer basal o coure-69) i un altre a 2701 keV (69m2Ni; amb una semivida de 4,39•10-7 s).
– níquel-70 (70Ni; 69,93650 uma). Nucli format per 28 protons i 42 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 6,0 s. Decau a coure-70, amb emissió d’un electró. Posseeix un estat metastable (70mNi) a 2860 keV, que té una semivida de 2,32•10-7 s.
– níquel-71 (71Ni; 70,94074 uma). Nucli format per 28 protons i 43 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 2,56 s. Decau a coure-71, amb emissió d’un electró.
– níquel-72 (72Ni; 71,94209 uma). Nucli format per 28 protons i 44 neutrons. És un isòtop inestable, amb una semivida de 1,57 s. Decau normalment (>99,9%) a coure-72 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a coure-71 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– níquel-73 (73Ni; 72,94647 uma). Nucli format per 28 protons i 45 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,84 s. Decau normalment (>99,9%) a coure-73 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a coure-72 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– níquel-74 (74Ni; 73,94807 uma). Nucli format per 28 protons i 46 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,68 s. Decau normalment (>99,9%) a coure-74 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a coure-73 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– níquel-75 (75Ni; 74,95287 uma). Nucli format per 28 protons i 47 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,6 s. Decau normalment (98,4%) a coure-75 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (1,6%), a coure-74 (amb emissió d’un neutró i d’un electró).
– níquel-76 (76Ni; 75,95533 uma). Nucli format per 28 protons i 48 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,470 s. Decau normalment (>99,9%) a coure-76 (amb emissió d’un electró) o, alternativament (<0,1%), a coure-75 (amb emissió d’un neutró d’un electró).
– níquel-77 (77Ni; 76,96055 uma). Nucli format per 28 protons i 49 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,3 s. Decau a coure-77, amb emissió d’un electró.
– níquel-78 (78Ni; 77,96318 uma). Nucli format per 28 protons i 50 neutrons. És un isòtop molt inestable, amb una semivida de 0,12 s. Decau a coure-78, amb emissió d’un electró. Els nuclis de 78Ni constitueixen un pas intermedi en la nucleosíntesi, en supernoves, d’elements més pesants que el Fe.

L’àtom neutre de níquel conté 28 electrons, amb una configuració basal d’escorça de 1s22s22p63s23p63d84s2 o de 1s22s22p63s23p63d94s1. És el primer element (ja en el quart període) del grup 10, en el marc del bloc d (metalls de transició). L’estat d’oxidació més habitual és +2, per bé que també el podem trobar en +4 (p. ex., en complex tetraalquil descrit per Carnes et al., 2008), en +3, en +1 (complex dinuclear amb N2, descrit per Pfirrmann et al., 2009), en 0 i en -1. El radi atòmic és de 1,24•10-10 m.

Peça de níquel pur, amb la cara superior polida

En condicions estàndards de pressió i de temperatura, el níquel apareix com un sòlid metàl•lic, llustrós, d’aspecte argentí però amb una certa tonalitat daurada si se’l poleix. És un metall relativament dur (4,0 en l’escala de Mohs), dúctil i dens (8908 kg•m-3). És ferromagnètic en aquestes condicions (cosa que tan sols compleixen, a més del ferro, el cobalt i el gadolini), i fins a una temperatura de 628 K. L’estructura cristal•lina és cúbica centrada en la cara, amb una mida de cel•la de 352 pm (el doble del radi atòmic).

En condicions estàndards de pressió, fon a 1728 K. La densitat del níquel líquid en aquest punt és de 7810 kg•m-3. La temperatura d’ebullició, a pressió estàndard, és de 3003 K.

Els complexos de Ni(II) en solucions aquoses poden prendre diverses coloracions d’acord amb quins altres ions s’acomplexen. Per ell mateix ([Ni(H2)6]2+, a la dreta de tot) té una coloració verda. Amb ions clorur ([NiCl4]2-, el segon per la dreta), groga. Acomplexat amb etilendiamina [Ni(C2H4(NH2)2)3]2+, el segon per l’esquerra), viola. Acomplexat amb ions amoni ([Ni(NH3)6]2+, a l’esquerra de tot), blava.

El níquel(II) és la forma més reactiva del níquel, i el trobem formant sulfurs, sulfats, carbonats, hidròxids, carboxilats, halurs, etc. En canvi, del níquel(III) i del níquel(IV), s’han descrit bàsicament els corresponents fluorurs i òxids.

El tetracarbonil-níquel (Ni(CO4) fou descobert per Ludwig Mond i Carl Langer en el decurs dels seus estudis sobre l’eliminació de CO en barreges de gasos també riques en H2 (1889). El coneixement d’aquesta substància l’aplicaren després en els processos d’extracció de níquel de minerals de sulfur i d’arseniür. A temperatura ambient, el Ni(CO4) és un líquid volàtil, i molt tòxic ja que fàcilment allibera CO.

L’abundància del níquel en l’univers és condicionada pels processos de nucleosíntesi que tenen lloc en els estels més massius, particularment en la fase de supernova, així com per l’estabilitat dels nuclis que s’hi formen. El resultat global és el d’un element relativament abundant si atenem a la seva posició en la taula periòdica. Són bastants els elements de nombre atòmic inferior que són menys abundants que el níquel (liti, beril•li, bor, fluor, fòsfor, clor, potassi, escandi, titani, vanadi, crom, manganès, cobalt). En canvi, no n’hi ha cap de nombre atòmic superior que sigui més abundant que el níquel.

En el Sistema Solar, l’isòtop més abundant del níquel, el 58Ni assoleix una abundància atòmica de 1 ppm, corresponent a 49 ppm en termes de massa. El níquel és comptat entre els elements sideròfils, dels quals és el més abundant just després del ferro. Així doncs, les abundàncies relatives del níquel més elevades tenen lloc de manera associada al ferro. És el cas dels meteorits metàl•lics (consistents majoritàriament en ferro i níquel). En els planetes majors, en els quals té lloc un procés de diferenciació, el níquel, juntament amb el ferro, tendeix a concentrar-se en els nuclis interiors.

Un exemple particular d’això és la Terra. En termes de massa, el níquel suposa l’1,8% de la massa planetària (0,8% en termes atòmics). Però si ens limiten al nucli terrestre, el níquel assoleix una concentració en termes de massa del 5,8%. En canvi, en l’escorça aquest valor se situa en un 0,008%.

Tall d’un meteorit metàl•lic que evidencia les línies que ja descrigué en el 1808 el comte Alois von Beckh Widmanstätten, i que es corresponen a diferències en la proporció de ferro i níquel de diferents zones del meteorit

Entre el níquel de l’escorça cal comptar l’aportat per meteorits ferro-niquèlics, i que es presenta en forma d’aliatges com la kamacita (90:10 de ferro:níquel) i la tenita (65:25 de ferro:níquel). Rics en níquel són minerals com la pentlandita ((Fe,Ni)9S8), la mil•lerita (NiS), la niquelina (NiAs) o la gal•lena (PbS, però amb quantitats variables de Zn, Cd, Fe, Cu, Sb, As, Bi o Se). Val a dir que la producció mundial de níquel, de 2,1 milions de tones anuals, prové bàsicament de laterites (com la limonita, (Fe, Ni)O(OH); la garnierita (Ni,Mg)3Si2O5(OH)4) o de sulfurs magmàtics (com l’esmentada pentlandita). Les reserves continentals de laterita contindrien 78 milions de tones de níquel, mentre que les de sulfurs suposarien uns altres 52 milions.

La concentració de níquel en la hidrosfera depèn del context geològic per a les aigües continentals. En l’oceà, la concentració és de 0,56 mg•m-3.

En l’atmosfera és present en forma de traces, amb valors transitoris més elevats associats al vulcanisme o a activitats mineres i industrials.

El níquel és comptat entre els oligoelements essencials. Encara que sospitada abans, no fou fins els anys 1970 que començà a conèixer rols específics del níquel en els organismes vivents. El níquel és cofactor de l’ureasa, enzim que sintetitzen algunes plantes per alliberar el nitrogen contingut en l’urea. El níquel és present en grups de ferro-sofre que fan de cofactors d’hidrogenases, com les presents en microorganismes capaços d’extreure energia de l’oxidació de gas H2. El cofactor F430 és un níquel-tetrapirrol, que participa en el complex metil-coenzim M-reductasa, que té un rol central en el metabolisme energètic dels arqueons metanogènics. Però el níquel també és present en molts altres enzims microbians: algunes CO-hidrogenases (que usen complexos Fe-Ni-S com a cofactors), algunes superòxid-dismutases o en glioxilases de tipus I (com la que descriven Greig et al., 2006, en Trypanosoma cruzi, on els cations Ni2+ fan el paper que realitzen més habitualment els cations Zn2+).

En el cofactor F430, present en arqueons metanogènics, trobem níquel associat al tetrapirrol, de la mateixa manera que hi trobem ferro en el grup hem, magnesi en les clorofil•les o cobalt en la cobalamina. En aquests arqueons, el níquel consisteix un nutrient ben rellevant i, en alguns casos, pot ser el nutrient limitant per al seu creixement

Quantitativament, el níquel no és gaire rellevant en la biosfera. La seva participació en la metanogènesi, però, el fa qualitativament rellevant. Rothman et al. (2014) han postulat, en aquest sentit, un rol especial del níquel en la Gran Extinció del Permià-Triàssic (fa 252 milions d’anys). Rothman et al. proposaven que el níquel alliberat com a conseqüència d’un augment de l’activitat volcànica en la zona de l’actual Sibèria, estimulà la metanogènesi, en tant que per als arqueons metanogènics el níquel pot constituir el nutrient limitant per al creixement. L’expansió resultant de la metanogènesi hauria alterat el cicle del carboni, la qual cosa es traduí finalment en la destrucció del 96% de les espècies marines i el 70% de les terrestres.

En el cos humà, la concentració típica de níquel, certament variable, se situa en 0,14 ppm en termes de massa, que es tradueixen en 0,015 ppm en termes atòmics. Això suposaria per a un cos de 70 kg, una quantitat de níquel de 15 mg. La ingesta diària mitjana de níquel se situa en 69-162 μg diaris. Aquesta ingesta pot augmentar degut a la migració de níquel des d’estris de cuina fets d’acer inoxidable, per bé que rarament això ens duria a depassar el nivell superior tolerable d’ingesta (de 1 mg diari).

Es desconeix si el níquel o els seus compostos juguen cap paper fisiològic en l’organisme humà. Sí que es coneixen els seus efectes tòxics. El llindar d’exposició per inhalació de risc mínim a níquel per a períodes de 15-364 d, s’estima en 0,2 μg•m-3. Els vapors i la pols de sulfur de níquel han estat classificats com a possibles carcinògens.

Però la toxicitat del níquel l’associem sobretot a la dermatitis al•lèrgia per contacte. La profusió d’ús d’aliatges de níquel en joieria (particularment després de la introducció de l’anomenat “argent alemany”, en els anys 1820), fa que el níquel sigui probablement una de les causes més conegudes d’al•lèrgia per contacte (i sens dubte, és la primera pel que fa a metalls). La picor i envermelliment en la zona de la pell que entra en contacte amb l’anell, la polsera o l’arracada. La sensibilització pot variar força de pacient en pacient, i fins i tot el níquel que deixen anar les monedes d’1 € o de 2 € poden provocar reaccions.

Aplicacions industrials del níquel

El recobriment de peces metàl•liques amb una capa de níquel els protegeix de la corrosió i els dóna un acabat més llustrós

La galvanoplàstia amb níquel, és a dir dipositar una capa de níquel (“niquelar”) superfícies d’altres metalls, per a protegir-les de la corrosió i donar-los un aspecte llampant, és l’aplicació icònica del níquel. “Niquelat”, adjectiu introduït ja en el 1888, serà emprat ben aviat en el sentit figuratiu de cosa acabada, polida, neta i impecable. Per als niquelats es fan servir com a electròlits sulfat (NiSO4•6•H2O) o clorur

El sulfat de níquel(II) hexahidratat és la matèria primera més habitual per a la niquelació

Però l’economia del níquel va més enllà. Els principals països productors de níquel són Filipines, Indonèsia, Rússia, Austràlia, Canadà, Brasil i Nova Caledònia. Els minerals explotats són laterites i sulfurs, dels quals hi ha reserves considerables, sense comptar la possibilitat d’explotar els nòduls de manganès del fons oceànic. A la producció de níquel cal sumar-hi el reciclatge.

La producció mundial de níquel ha crescut exponencialment al llarg del segle XX

Els processos de metal•lúrgia extractiva que s’apliquen als minerals rics en níquel donen lloc a un metall d’una puresa de més del 75%, suficient per a algunes aplicacions (elaboració d’acers inoxidables). Hi ha una tendència incipient a deixar de banda les tècniques pirometal•lúrgiques per processos íntegrament hidrometal•lúrgics, que aprofiten la flotació diferencial. En tot cas, el procés de Sherrit-Gordon i similars són necessaris per arribar a pureses del 99%, que s’aconsegueix després d’eliminar el coure (per addició d’H2S) i el cobalt (mitjançant solvents).

Per a pureses més elevades, hom empra tècniques d’electrorefinat. Per arribar a la puresa del 99,99% i superiors, es fa servir el procés de Mond, en el qual es fa reaccionar el níquel amb monòxid de carboni en presència d’un catalitzador de sofre, i després es recupera el níquel a partir del carbonil resultant.

Bales de níquel, producte final del procés de Mond, que precipiten després de sotmetre el carbonil de níquel a temperatures molt elevades.

Globalment, la producció de níquel té diversos destins:
– l’elaboració d’acers (46%). El níquel participa en la formulació de diversos acers inoxidables, en acer magnètic (p.ex., Alnico, on el Ni oscil•la entre el 5% i el 24%).
– l’elaboració d’aliatges i superaliatges no-ferris (34%). A banda dels aliatges emprats en la confecció de monedes. El níquel és el metall majoritari dels aliatges comercialitzats per Special Metal Corporations com a Inconel (44-72%) o com a Nimonic (>50%) i un dels presents en els aliatges “Incoloy” (35% en el cas de l’Incoloy 020). És també el metall majoritari en els aliatges coneguts com a Monel (63%), patentats per David H. Browne en el 1906.
– la galvanoplàstia (14%).
– altres (6%). El níquel és emprat en tècniques analítiques de detecció en minerals dels metalls platinoids (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Hs, Mt, Ds) i de l’or (Au). L’esponja de níquel és un component d’alguns elèctrodes de difusió de gas de cèl•lules de combustible alcalí. El níquel és utilitzat en la composició (6%-12%) del carbur de tungstè cementat.

Àlep de turbina del motor aeronàutic Turbo-Union RB199, feta d’un superaliatge de níquel

Arxivat a Ciència i Tecnologia
%d bloggers like this: