Nickel là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học về Nickel

Nickel là gì?

Nickel là một nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp, có ký hiệu Ni và số nguyên tử 28. Nó là một kim loại cứng, màu trắng bạc, nổi bật với khả năng chống ăn mòn vượt trội và tính chất cơ học ổn định. Nickel đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hiện đại như sản xuất thép không gỉ, pin năng lượng cao, hợp kim đặc biệt và mạ điện. Tính linh hoạt và độ bền của nickel khiến nó trở thành vật liệu không thể thay thế trong sản xuất công nghiệp, công nghệ cao và năng lượng sạch.

Lịch sử phát hiện và tên gọi

Nickel được nhà hóa học người Thụy Điển Axel Fredrik Cronstedt phát hiện vào năm 1751 khi ông phân tích một khoáng chất màu đỏ nâu, ban đầu được cho là chứa đồng. Do thất bại trong việc chiết xuất đồng từ loại quặng này, thợ mỏ Đức gọi nó là "Kupfernickel" — nghĩa là "quỷ đồng". Từ đó, nguyên tố mới phát hiện được đặt tên là Nickel. Việc nhận diện và tinh chế nickel đánh dấu một bước tiến trong hiểu biết về kim loại chuyển tiếp và dẫn tới sự bùng nổ ứng dụng công nghiệp sau này.

Đặc điểm vật lý và hóa học

Nickel có độ bền cao, độ dẻo tốt và khả năng chống mài mòn nổi bật. Một số tính chất vật lý chính:

• Điểm nóng chảy: 1455 °C
• Điểm sôi: 2913 °C
• Mật độ: 8,908 g/cm³ ở 20 °C
• Từ tính: Có từ tính yếu ở nhiệt độ phòng, mất từ tính khi vượt qua nhiệt độ Curie 358 °C.

Về mặt hóa học, Nickel chủ yếu biểu hiện trạng thái oxy hóa +2, tạo thành các hợp chất như:

• Nickel(II) oxide (NiO)
• Nickel(II) chloride (NiCl₂)
• Nickel(II) sulfate (NiSO₄)

Ngoài ra, Nickel có khả năng tạo phức chất bền với nhiều loại ligand, đặc biệt trong hóa học hữu cơ và xúc tác.

Ứng dụng chính của Nickel

1. Thép không gỉ và hợp kim: Khoảng 68% lượng nickel toàn cầu được dùng trong sản xuất thép không gỉ. Nickel tăng cường khả năng chống oxy hóa và ăn mòn, giúp thép duy trì độ sáng bóng và độ bền cao, được ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, y tế, chế biến thực phẩm và năng lượng, theo World Stainless Association.

2. Pin năng lượng cao: Nickel là thành phần quan trọng trong pin lithium-ion, đặc biệt là trong dòng pin nickel-cobalt-manganese (NCM) và nickel-cobalt-aluminum (NCA), giúp tăng mật độ năng lượng và tuổi thọ pin, theo Benchmark Mineral Intelligence.

3. Công nghệ mạ điện: Nickel được dùng để mạ điện lên các kim loại khác nhằm tăng khả năng chống ăn mòn, độ bền cơ học và cải thiện thẩm mỹ bề mặt, được ứng dụng trong sản xuất ô tô, hàng gia dụng và công nghiệp nặng.

4. Hợp kim chịu nhiệt và môi trường khắc nghiệt: Hợp kim chứa nickel như Inconel, Monel và Hastelloy được dùng trong động cơ phản lực, nhà máy điện hạt nhân, giàn khoan dầu khí nhờ khả năng chống ăn mòn hóa học và chịu nhiệt độ cao vượt trội.

Nickel trong tự nhiên

Nickel chiếm khoảng 0,008% khối lượng lớp vỏ Trái Đất và phổ biến trong lõi Trái Đất hơn, góp phần tạo ra từ trường hành tinh. Trong tự nhiên, nickel được tìm thấy chủ yếu trong các khoáng vật như pentlandite ((Ni,Fe)₉S₈), garnierite (dạng silicat) và limonite chứa nickel.

Nickel cũng có mặt trong thiên thạch sắt và có thể đạt tỷ lệ lên tới 5-20% khối lượng thiên thạch. Các quốc gia sản xuất nickel lớn nhất hiện nay gồm Indonesia, Philippines, Nga, New Caledonia và Canada, theo báo cáo từ U.S. Geological Survey (USGS).

Quá trình khai thác và sản xuất Nickel

Nickel được khai thác từ hai loại quặng chính:

• Quặng sulfide: Dễ xử lý hơn, thường qua quy trình nghiền, tuyển nổi, nung luyện và tinh luyện điện phân.
• Quặng laterite: Phổ biến hơn nhưng xử lý phức tạp, đòi hỏi phương pháp luyện nhiệt hoặc thủy luyện bằng axit cao nhiệt.

Tái chế nickel từ thép không gỉ và hợp kim cũ là nguồn cung quan trọng, chiếm khoảng 40% lượng nickel tiêu thụ hàng năm, theo thống kê từ Nickel Institute.

Đồng vị của Nickel

Nickel có năm đồng vị ổn định tự nhiên:

• ⁵⁸Ni (68,1%)
• ⁶⁰Ni (26,2%)
• ⁶¹Ni (1,1%)
• ⁶²Ni (3,6%)
• ⁶⁴Ni (0,9%)

Một số đồng vị phóng xạ như ⁵⁹Ni, ⁶³Ni được sử dụng trong nghiên cứu vật liệu, đo tuổi vũ trụ và theo dõi chu trình môi trường của nickel.

Tính độc và ảnh hưởng sinh học

Nickel là một nguyên tố vi lượng thiết yếu đối với một số vi sinh vật và thực vật. Tuy nhiên, ở liều lượng lớn, nickel có thể gây hại cho sức khỏe con người, dẫn đến các bệnh về da, dị ứng và tiềm năng gây ung thư khi tiếp xúc lâu dài, theo dữ liệu từ ATSDR.

Nickel dạng hợp chất dễ bay hơi hoặc hòa tan trong nước thường có độ độc cao hơn so với dạng kim loại nguyên chất.

Tương lai của Nickel trong nền kinh tế xanh

Với sự phát triển nhanh chóng của ngành xe điện (EV) và nhu cầu lưu trữ năng lượng tái tạo, nhu cầu nickel đang gia tăng mạnh mẽ. Các dự án khai thác mới và công nghệ tái chế tiên tiến đang được thúc đẩy để đảm bảo nguồn cung bền vững và giảm thiểu tác động môi trường, theo phân tích từ International Energy Agency (IEA).

Kết luận

Nickel là nguyên tố quan trọng bậc nhất trong công nghiệp hiện đại nhờ sự kết hợp giữa độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn và tính ứng dụng rộng rãi. Từ sản xuất thép không gỉ đến năng lượng xanh, từ vật liệu chịu nhiệt cho đến mạ điện, nickel là nhân tố không thể thiếu cho sự phát triển bền vững. Tuy nhiên, thách thức về môi trường và sức khỏe liên quan đến khai thác và sử dụng nickel yêu cầu các giải pháp công nghệ mới và các chính sách quản lý nghiêm ngặt trong tương lai.