Niken là gì? Các nghiên cứu khoa học về Niken

Giới thiệu về nguyên tố Niken

Niken (Nickel) là một nguyên tố kim loại có ký hiệu hóa học là Ni, thuộc nhóm 10 và chu kỳ 4 trong bảng tuần hoàn. Nó là một kim loại chuyển tiếp có số nguyên tử là 28 và khối lượng nguyên tử xấp xỉ 58.69 u. Niken có màu trắng bạc, cứng, bóng và là chất dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. Đây là một trong những nguyên tố đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp luyện kim nhờ khả năng hợp kim hóa và chống ăn mòn cao.

Niken được nhà hóa học Thụy Điển Axel Fredrik Cronstedt phát hiện lần đầu tiên vào năm 1751, khi ông phân tích một loại quặng đồng và tách được kim loại mới không phải đồng. Tên gọi “Nickel” bắt nguồn từ từ "kupfernickel" trong tiếng Đức, nghĩa là “quỷ nhỏ của đồng”, vì các thợ mỏ xưa tin rằng quặng niken là quặng giả đồng không có giá trị. Ngày nay, niken đóng vai trò chiến lược trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại như luyện kim, pin, điện tử và sản xuất vật liệu siêu bền.

Tính chất vật lý và hóa học

Niken có điểm nóng chảy tương đối cao, đạt khoảng $1455^\circ C$, và điểm sôi là $2913^\circ C$. Mật độ riêng ở trạng thái rắn là $8.91 \, \text{g/cm}^3$. Kim loại này có tính mềm dẻo, có thể dát mỏng hoặc kéo thành sợi và giữ được độ bền cơ học ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, niken có từ tính yếu ở nhiệt độ thường và mất từ tính khi vượt quá nhiệt độ Curie $358^\circ C$.

Về mặt hóa học, niken có mức oxi hóa phổ biến nhất là +2, biểu hiện trong các hợp chất như NiCl₂, NiSO₄ và Ni(OH)₂. Ngoài ra, nó cũng có thể tồn tại ở mức oxi hóa +3, +1 hoặc 0 trong các phức chất. Niken phản ứng chậm với không khí và nước, nhờ lớp màng oxit mỏng bảo vệ bề mặt, khiến nó kháng ăn mòn tự nhiên. Tuy nhiên, niken tan được trong axit mạnh như HCl và H₂SO₄ khi có mặt của ion oxy hóa.

Một số tính chất tiêu biểu:

Thuộc tính	Giá trị	Ghi chú
Điểm nóng chảy	1455°C	Cao, ổn định trong hợp kim
Điện trở suất	6.99 μΩ·cm	Thấp, dẫn điện tốt
Độ cứng Mohs	4.0	Cứng vừa, gia công dễ
Nhiệt độ Curie	358°C	Mất từ tính trên ngưỡng

Phân bố tự nhiên và nguồn khai thác

Niken không tồn tại ở dạng nguyên chất trong tự nhiên mà được tìm thấy chủ yếu trong các loại quặng sulfide và laterite. Quặng sulfide giàu niken phổ biến là pentlandite ((Ni,Fe)₉S₈), thường khai thác ở các quốc gia có nền công nghiệp khai khoáng phát triển. Quặng laterite được hình thành từ quá trình phong hóa đá siêu mafic trong điều kiện nhiệt đới.

Các quốc gia dẫn đầu về trữ lượng và sản lượng niken:

• Indonesia: chiếm hơn 35% sản lượng toàn cầu, tập trung tại đảo Sulawesi.
• Philippines: có nhiều mỏ laterite, chủ yếu xuất khẩu sang Trung Quốc.
• Canada và Nga: khai thác niken từ quặng sulfide, phù hợp cho luyện kim truyền thống.
• New Caledonia: nổi tiếng với loại quặng garnierite giàu niken.

Thống kê chi tiết tại Britannica – Nickel.

Quá trình luyện và tinh chế

Luyện niken phụ thuộc vào loại quặng đầu vào. Với quặng sulfide, quy trình luyện nhiệt được ưu tiên, bao gồm các giai đoạn: nung quặng tạo oxit, khử oxit bằng khí hydro hoặc carbon monoxide và tinh chế bằng phương pháp Mond. Quá trình Mond đặc biệt hiệu quả khi cần niken có độ tinh khiết cao, sử dụng khí carbonyl để tạo ra Ni(CO)₄ – một hợp chất dễ bay hơi.

Phản ứng hóa học chính trong quá trình Mond: $\text{Ni} + 4 \text{CO} \rightarrow \text{Ni(CO)}_4$ (ở 50°C)
$\text{Ni(CO)}_4 \rightarrow \text{Ni} + 4 \text{CO}$ (ở 200°C)

Với quặng laterite, phương pháp thủy luyện được áp dụng nhiều hơn, bao gồm rửa axit, kết tủa hydroxide và khử nhiệt. Tuy nhiên, chi phí cao và tác động môi trường lớn khiến ngành công nghiệp tìm kiếm các công nghệ luyện mới như luyện áp suất cao hoặc vi sinh vật sinh học. Bảng dưới đây so sánh hai phương pháp phổ biến:

Tiêu chí	Luyện nhiệt (sulfide)	Thủy luyện (laterite)
Hiệu suất niken	85–95%	60–80%
Chi phí đầu tư	Cao	Rất cao
Ảnh hưởng môi trường	Vừa	Cao (nước thải, axit)
Độ tinh khiết	≥ 99.9%	70–90%

Ứng dụng trong công nghiệp

Niken là nguyên tố chiến lược trong công nghiệp hiện đại, chủ yếu nhờ khả năng chống ăn mòn, độ cứng cao và tính chất cơ – nhiệt ổn định. Khoảng 68% lượng niken trên thị trường toàn cầu được sử dụng để sản xuất hợp kim, đặc biệt là thép không gỉ. Thép không gỉ chứa 8–12% niken giúp cải thiện độ bóng, độ dẻo và khả năng chống oxy hóa của vật liệu.

Ngoài ra, niken còn đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực khác:

• Pin sạc: pin niken-cadmium (NiCd), niken-metal hydride (NiMH) và pin lithium-ion thế hệ mới có catot giàu niken như NMC hoặc NCA.
• Hóa dầu: xúc tác niken được sử dụng trong hydrogen hóa, tổng hợp ammonia và cracking hydrocacbon.
• Điện tử: lớp mạ niken dùng để bảo vệ linh kiện khỏi ăn mòn và tăng độ dẫn điện.
• Hàng không – quốc phòng: hợp kim siêu bền như Inconel và Monel dùng trong động cơ phản lực, tàu ngầm, lò phản ứng hạt nhân.

Ảnh hưởng sinh học và môi trường

Mặc dù một lượng nhỏ niken là cần thiết cho sự phát triển của một số vi sinh vật và thực vật, niken không được xem là vi chất thiết yếu đối với con người. Tiếp xúc lâu dài với niken có thể dẫn đến các phản ứng sinh học không mong muốn. Tác động phụ thường gặp nhất là viêm da tiếp xúc do dị ứng niken, đặc biệt khi dùng đồ trang sức hoặc điện thoại chứa hàm lượng niken cao.

Ở mức phơi nhiễm cao hơn, đặc biệt trong môi trường công nghiệp, niken dạng hạt mịn hoặc muối hòa tan (như NiCl₂, NiSO₄) có thể gây tổn thương phổi, viêm đường hô hấp và được xem là yếu tố nguy cơ gây ung thư phổi và xoang mũi. Theo IARC (Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế), một số hợp chất niken được xếp vào nhóm 1 – "chắc chắn gây ung thư cho người".

Nguồn tham khảo: ScienceDirect – Nickel Toxicology

Độc tính và an toàn hóa chất

Tiếp xúc nghề nghiệp với niken được kiểm soát nghiêm ngặt. Giới hạn tiếp xúc trong không khí tại nơi làm việc được OSHA (Cơ quan An toàn Lao động Hoa Kỳ) quy định như sau:

Hợp chất niken	Giới hạn tiếp xúc (TWA)	Ghi chú
Niken kim loại	1 mg/m³	Dạng bụi hoặc hơi
Muối niken hòa tan	0.1 mg/m³	Gây độc cao hơn

Người lao động trong các ngành luyện kim, điện tử, mạ điện hoặc sản xuất pin cần được trang bị đồ bảo hộ chuyên dụng và hệ thống thông gió cục bộ. Việc đánh giá nguy cơ, đo nồng độ niken trong không khí, và xét nghiệm sinh học định kỳ (máu hoặc nước tiểu) được khuyến cáo áp dụng theo hướng dẫn của ATSDR – Nickel Toxicity.

Tái chế và phát triển bền vững

Khoảng 60% lượng niken sử dụng hàng năm có thể được tái chế, chủ yếu từ thép không gỉ phế liệu, pin và các thiết bị điện tử. Tái chế niken không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn giảm đáng kể phát thải khí nhà kính, tiêu hao năng lượng và nhu cầu khai thác mỏ nguyên sinh. Công nghệ tái chế niken hiện đại bao gồm phân loại điện tử, hòa tách hóa học và tinh luyện điện hóa.

Trong bối cảnh tăng trưởng của xe điện và lưu trữ năng lượng, phát triển bền vững chuỗi cung ứng niken là ưu tiên toàn cầu. Các công ty đang đầu tư vào chu trình “tái sử dụng – tái chế – thu hồi” nhằm hướng đến nền kinh tế tuần hoàn. Đặc biệt, lĩnh vực tái chế pin lithium-ion chứa niken (như NMC, NCA) là trọng tâm của nhiều sáng kiến xanh quốc tế.

Nguồn chi tiết: Nature – Nickel and Battery Demand

Tình hình thị trường và sản lượng toàn cầu

Nhu cầu niken toàn cầu tăng mạnh trong thập kỷ gần đây, đặc biệt là từ ngành sản xuất xe điện (EV), chiếm hơn 30% tổng tiêu thụ niken sơ cấp vào năm 2024. Giá niken chịu ảnh hưởng lớn từ biến động địa chính trị, năng lực sản xuất tại Indonesia – quốc gia xuất khẩu niken lớn nhất – và quy định môi trường ngày càng khắt khe tại EU và Mỹ.

Sản lượng niken khai thác hàng đầu năm 2024 (ước tính):

Quốc gia	Sản lượng (tấn)	Loại quặng chính
Indonesia	1,800,000	Laterite
Philippines	400,000	Laterite
Nga	250,000	Sulfide
Canada	190,000	Sulfide

Tài liệu tham khảo

1. Britannica – Nickel
2. Nature – Nickel and Battery Demand
3. ScienceDirect – Nickel Toxicology
4. ATSDR – Nickel Toxicity Fact Sheet
5. Science.org – Critical Metals for Green Tech