鎳 (Ni)

發現史

發現: 1751 · Axel Fredrik Cronstedt

由於鎳礦石很容易被誤認為銀礦石，因此對這種金屬的認識和使用是相對近期的事。然而，偶然使用到鎳是一件自古已有的事，可追溯至公元前3500年。從現今敘利亞境內出土的青銅含鎳量可高至2%。此外，中國有文獻指出當地在公元前1700至1400年期間已經有使用白銅（一種銅鎳合金）。英國早在17世紀就已經從中國進口這種白銅，但這種合金含鎳的事實要到1822年才被發現。中世紀的德國人在厄爾斯山脈發現了一種跟銅礦石很像的紅色礦物。然而，礦工們卻未能從中提煉到銅，因此他們就把這種困擾歸咎於他們傳說中的妖精Nickel（與英語中魔鬼別稱"Old Nick"相近）。他們把這種礦石命名為「銅妖」（Kupfernickel，其中Kupfer是銅的意思）。這種礦石就是現在的紅砷鎳礦，它是一種鎳的砷化物。1751年，阿克塞爾·弗雷德里克·克龍斯泰特男爵嘗試從銅妖礦石中煉出銅來──但卻煉出一種白色的金屬，因此他用為礦石命名的妖精名字，來為這種金屬命名。鎳在被發現以後的唯一來源就是罕見的銅妖礦石。直至1822年，才開始從製作鈷藍色染料的副產品中取得鎳。最早大規模生產鎳的國家是挪威，他們自1848年開始就從本地含鎳量高的磁黃鐵礦生產鎳。鐵的生產在1889年中引入了鎳，因此鎳的需求量增加。新喀里多尼亞的鎳礦床在1865年被發現，於1875年至1915年間為全世界提供了大部份的鎳。之後發現了更多大型的鎳礦床，使得真正的大規模生產鎳變得可行，這些礦床為1883年發現的加拿大索德柏立盆地，1920年發現的俄羅斯諾里爾斯克-塔爾納赫和1924年發現的南非梅倫斯基暗礁（Merensky Reef）。鎳從十九世紀開始就成為了鑄造硬幣的材料。在美國，Nickel（鎳，或其簡稱Nick）這個暱稱原本指的是由銅及鎳鑄成的1美分飛鷹硬幣，這種硬幣在1857-58年間把純銅的成份中的12%換成了的鎳。之後1859-64年流通的印第安頭像硬幣也用了一樣的合金成份，因此也用上了這個暱稱。要注意的是在之後1865年，在鎳成份提高至21%後，這個暱稱就被改作稱呼3美分硬幣。1866年，5美分盾牌硬幣名正言順地以25%的鎳含量（其餘75%為

用途與應用

現時美國鎳用途佔產量的比例如下：46%用於生產鎳鋼，34%用於生產非鐵合金及高溫合金，14%用於電鍍，剩下的6%則屬其他用途。鎳被用於各種特定及容易認出的工業品及消費品，其中包括不鏽鋼、鋁鎳鈷磁鐵、硬幣、蓄電池、電吉他弦線、麥克風收音盒及多種特殊合金。特別需要強調的是，鎳是一種合金金屬，它的主要用途是鎳鋼及鎳鑄鐵，而它們的種類繁多。鎳還被廣泛用於其他合金，例如鎳黃銅及鎳青銅，及含有各種金屬元素的其他合金（如英高鎳、英高合金、莫內爾合金及鎳蒙克合金），而各種合金元素則包括銅、鉻、鋁、鉛、鈷、銀及金。由於鎳具有良好的抗腐蝕性，所以以前的人偶爾會用鎳來代替裝飾用的銀。1859年開始，有些國家偶爾會把鎳用作便宜的鑄幣原料（見上文），但到了20世紀後期硬幣中的鎳基本已被較便宜不鏽鋼（即鐵）所取代，而美國硬幣則是這趨勢中重要的例外。對某些貴金屬而言，鎳是一種極佳的合金用劑，因此鎳被用於所謂的火試金法，專門探收各種鉑系元素。就這一點而言，鎳能夠從鉑系元素的礦石中探收到全部六種的元素，甚至還能稍微地探收到一點金。高通量的鎳礦也可能從事其他鉑系元素的開採（主要是鉑和鈀），這類礦場的例子有俄羅斯的諾里爾斯克和加拿大的索德柏立盆地。發泡鎳及網格鎳可被用於鹼性燃料電池的氣體擴散電極。鎳及其合金常被用作氫化反應的催化劑。雷尼鎳是一種常用的鎳催化劑形式，它是一種有多孔結構的鎳鋁合金，但很多時候也會用其他催化劑，例如相關的「雷尼型」催化劑。鎳是一種天然的磁致伸縮材料，亦即是說，在磁場下這種材料的長度會有少許改變。而就鎳的個案而言，長度的變化是減少的（即材料收縮），又稱負磁致伸縮，輻度約為一百萬分之五十。鎳也被用於燒結碳化鎢或其他硬金屬工業品，用量約為重量的6-12%。鎳可使碳化鎢帶磁性，並為燒結碳化鎢部件提供抗腐蝕性，不過它的硬度就比燒結用的鈷要低。鎳氫電池，可充電重複使用的環保電池。

同位素

天然鎳共有五種穩定的同位素：58Ni、60Ni、61Ni、62Ni和64Ni，其中58Ni的豐度最高（68.077%）。62Ni是現存元素中每核子束縛能最高的核種，其束縛能比58Fe及56Fe還要高，而56Fe很多時候被誤以為是擁有束縛能最高的原子核。已被發現的鎳放射性同位素共有18種，其中最穩定的三種為59Ni（半衰期76000年）、63Ni（半衰期100.1年）和56Ni（半衰期6.077天）。其他餘下的放射性同位素半衰期皆少於60小時，其中大部份的半衰期更少於30秒。此元素擁有一種亞穩態。恆星「死亡」過程中的矽燃燒過程會產生鎳-56，在之後的Ia型超新星爆炸時會大量放出鎳-56。這些超新星在中期到後期時，其光變曲線的形狀顯示的正是鎳-56的衰變，經電子捕獲而衰變成鈷-56，並最終衰變成鐵-56。鎳-59是一種長命的宇宙源放射性同位素，其半衰期為76000年。鎳-59在同位素地質學中有多種用途：它被用於鋻定隕石的著陸年份，和判定冰與沉積物中外太空塵埃的豐度。鎳-60是鐵-60的子體衰變產物，而鐵-60是一種已絕跡的放射性核種，其半衰期為260萬年。由於鐵-60的半衰期是如此長，所以如果太陽系的物質含有足夠高濃度的鐵-60，那麼它的耐久性就很有可能會影響到鎳-60的同位素構成測量結果。因此，外太空物質中的鎳-60豐度，可能會為太陽系的起源及其早期歷史提供線索。鎳-62的每核子束縛能比其他任何元素的任何同位素都高（每核子8.7946 MeV）。任何比鎳-62重的同位素，都不能在不損失能量的情況下，通過核融合來進行合成。1999年發現的鎳-48是已知重金屬同位素的核子中質子比率最高的。鎳-48含質子28個，中子20個，故具有雙幻數（跟鉛-208一樣），因此性質異常穩定。在各種鎳同位素的原子質量中，原子質量最輕的只有48u（48Ni），最重的則有78u（78Ni）。最近的測量結果指出，鎳-78的半衰期為0.11秒；科學家們相信，鎳-78這種同位素在超新星核合成過程中合成比鐵重的元素時具有重要作用。