निकेल (Ni) - परीक्षा अभ्यास मार्गदर्शक

प्रस्तावना

निकेल (Ni) हा चांदीसारखा पांढरा, चमकदार, किंचित सोनेरी रंगाचा धातू आहे, जो d-ब्लॉक संक्रमणी मूलद्रव्यांमध्ये मोडतो. गंजरोधक क्षमता, मजबुती आणि मिश्रधातूमध्ये हे गुणधर्म देण्याच्या क्षमतेमुळे तो अत्यंत मौल्यवान मानला जातो. औद्योगिक उत्प्रेरक (catalysts) आणि बॅटरी घटकांपासून ते नाणी आणि महत्त्वाच्या संरचनात्मक सामग्रीपर्यंत त्याचे विविध उपयोग आहेत, ज्यामुळे आधुनिक तंत्रज्ञान आणि दैनंदिन जीवनात ते एक महत्त्वाचे मूलद्रव्य बनले आहे.

CBSE/JEE द्रुत उजळणी नोट्स

• संज्ञा: Ni
• अणुक्रमांक (Z): 28
• अणुवस्तुमान (A): 58.69 u
• गट: 10
• आवर्त: 4
• ब्लॉक: d-ब्लॉक (संक्रमणी धातू)
• सामान्य ऑक्सिडेशन अवस्था: +2 (सर्वाधिक सामान्य), +3 (कमी स्थिर, अनेकदा संमिश्रणांमध्ये)
• स्वरूप: फेरोमॅग्नेटिक धातू
• घनता: 8.90 g/cm³
• द्रवणांक: 1455 °C
• उत्कलनांक: 2913 °C
• प्रमाण इलेक्ट्रोड संभाव्यता (E° Ni²⁺/Ni): -0.25 V
• गंजरोधक क्षमता: उच्च, हवेतील पॅसिव्हेशनमुळे.

इलेक्ट्रॉन संरूपण आणि बंध वर्तन

इलेक्ट्रॉन संरूपण

• मूलभूत अवस्था (Ground State): [Ar] 3d⁸ 4s²
• Ni²⁺ आयन: [Ar] 3d⁸ (दोन 4s इलेक्ट्रॉन गमावतो)
• Ni³⁺ आयन: [Ar] 3d⁷ (दोन 4s इलेक्ट्रॉन आणि एक 3d इलेक्ट्रॉन गमावतो)

बंध वर्तन

• निकेल सामान्यतः त्याच्या +2 ऑक्सिडेशन अवस्थेत आयनिक संयुगे (उदा. NiCl₂) बनवतो.
• ते सहजपणे अनेक कोऑर्डिनेशन संयुगे (संमिश्रणे) बनवते, जिथे ते केंद्रीय धातू आयन म्हणून कार्य करते.
• Ni(II) संमिश्रणांसाठी सामान्य भूमितींमध्ये (geometries) हे समाविष्ट आहे:
  • स्क्वेअर प्लॅनर (Square Planar): अनेकदा मजबूत फिल्ड लिगँड्ससह, ज्यात dsp² संकरितीकरण (hybridization) समाविष्ट असते (उदा. [Ni(CN)₄]²⁻). डायमॅग्नेटिक (Diamagnetic).
  • टेट्राहेड्रल (Tetrahedral): अनेकदा कमकुवत फिल्ड लिगँड्ससह, ज्यात sp³ संकरितीकरण समाविष्ट असते (उदा. [NiCl₄]²⁻). पॅरामॅग्नेटिक (Paramagnetic).
  • ऑक्टाहेड्रल (Octahedral): सहा लिगँड्ससह सामान्य, ज्यात sp³d² किंवा d²sp³ संकरितीकरण समाविष्ट असते (उदा. [Ni(NH₃)₆]²⁺). पॅरामॅग्नेटिक (Paramagnetic).
• निकेल ऑर्गनोमेटॅलिक संयुगे देखील बनवतो, विशेषतः निकेल टेट्राकार्बोनिल, Ni(CO)₄, जिथे निकेलची औपचारिक ऑक्सिडेशन अवस्था शून्य असते.

महत्त्वाच्या रासायनिक अभिक्रिया

1. विरल आम्लांसोबत अभिक्रिया

निकेल विरल, ऑक्सिडायझिंग नसलेल्या आम्लांसोबत (उदा. HCl, H₂SO₄) हळूहळू अभिक्रिया करून हायड्रोजन वायू मुक्त करतो. Ni(s) + 2HCl(aq) → NiCl₂(aq) + H₂(g)

2. ऑक्सिडायझिंग आम्लांसोबत अभिक्रिया

केंद्रित नायट्रिक आम्ल निकेलला पॅसिव्ह करते, कारण त्याच्या पृष्ठभागावर संरक्षक, अभेद्य ऑक्साईडचा थर तयार होतो, ज्यामुळे पुढील अभिक्रिया थांबते. विरल नायट्रिक आम्ल अभिक्रिया करू शकते, परंतु उत्पादने एकाग्रता आणि तापमानावर अवलंबून असतात.

3. ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया

उच्च तापमानावर, निकेल ऑक्सिजनसोबत अभिक्रिया करून निकेल(II) ऑक्साईड तयार करतो. 2Ni(s) + O₂(g) --(heat)--> 2NiO(s)

4. हॅलोजेनसोबत अभिक्रिया

निकेल हॅलोजेनसोबत गरम केल्यावर थेट अभिक्रिया करून निकेल हॅलाइड्स बनवतो. Ni(s) + Cl₂(g) --(heat)--> NiCl₂(s)

5. मॉन्ड प्रक्रिया (निकेलचे शुद्धीकरण)

ही प्रक्रिया अस्थिर निकेल टेट्राकार्बोनिलच्या निर्मिती आणि विघटनाचा उपयोग करते.

• निर्मिती: निकेल कार्बन मोनोक्साईडसोबत 50-60 °C तापमानावर अभिक्रिया करून अस्थिर निकेल टेट्राकार्बोनिल बनवतो. Ni(s) + 4CO(g) --(50-60°C)--> Ni(CO)₄(g)
• अपघटन: निकेल टेट्राकार्बोनिल 180-200 °C तापमानावर विघटित होऊन शुद्ध निकेल तयार करतो. Ni(CO)₄(g) --(180-200°C)--> Ni(s) + 4CO(g)

6. संमिश्र निर्मिती (Complex Formation)

निकेल(II) विविध स्थिर कोऑर्डिनेशन संमिश्रणे बनवतो.

• हेक्साअमिनिकेल(II) आयन: Ni²⁺(aq) + 6NH₃(aq) → [Ni(NH₃)₆]²⁺(aq) (ऑक्टाहेड्रल, पॅरामॅग्नेटिक)
• टेट्रासायनोनिकेललेट(II) आयन: Ni²⁺(aq) + 4CN⁻(aq) → [Ni(CN)₄]²⁻(aq) (स्क्वेअर प्लॅनर, डायमॅग्नेटिक)

औद्योगिक आणि जैविक महत्त्व

औद्योगिक महत्त्व

• मिश्रधातू (Alloys): निकेल अनेक उच्च-कार्यक्षम मिश्रधातूंचा एक प्राथमिक घटक आहे.
  • स्टेनलेस स्टील (Stainless Steel): गंजरोधक क्षमता, मजबुती आणि लवचिकता (ductility) सुधारते (उदा. ऑस्टेनिटिक स्टीलमध्ये 8-12% Ni असते).
  • नायक्रोम (Nichrome): निकेल आणि क्रोमियमची मिश्रधातू, उच्च विद्युत रोध आणि उच्च तापमानावर स्थिरता असल्यामुळे हीटिंग एलिमेंट्समध्ये वापरली जाते.
  • मोनल (Monel): निकेल आणि तांब्याची मिश्रधातू, समुद्राचे पाणी आणि विविध आम्लांमुळे होणाऱ्या गंजण्यास अत्यंत प्रतिरोधक.
  • इनव्हार (Invar): निकेल आणि लोहची मिश्रधातू, अत्यंत कमी औष्णिक प्रसरण गुणांकासाठी (coefficient of thermal expansion) ओळखली जाते, अचूक उपकरणांमध्ये वापरली जाते.
• उत्प्रेरक (Catalyst): औद्योगिक प्रक्रियांमध्ये मोठ्या प्रमाणात वापरले जाते.
  • हायड्रोजनीकरण (Hydrogenation): असंतृप्त वनस्पती तेलांच्या हायड्रोजनीकरणास उत्प्रेरित करून मार्जरीन आणि इतर घट्ट चरबी तयार करते.
  • मिथेन उत्पादन (Methane Production): नैसर्गिक वायूच्या स्टीम रिफॉर्मिंगमध्ये (steam reforming) हायड्रोजन आणि संश्लेषण वायू (synthesis gas) तयार करण्यासाठी वापरले जाते.
• बॅटरीज (Batteries): रिचार्जेबल बॅटरीजमधील एक आवश्यक घटक.
  • निकेल-कॅडमियम (NiCd) बॅटरीज.
  • निकेल-मेटल हायड्राइड (NiMH) बॅटरीज.
  • लिथियम-आयन (Lithium-ion) बॅटरीज (नवीन पिढी).
• इलेक्ट्रोप्लेटिंग (Electroplating): निकेल प्लेटिंग इतर धातूंना सजावटीचा फिनिश आणि गंजरोधक क्षमता प्रदान करते.
• नाणे तयार करणे (Coinage): त्याच्या टिकाऊपणा आणि झीज प्रतिकारशक्तीमुळे ऐतिहासिकदृष्ट्या नाण्यांमध्ये वापरले जात होते.

जैविक महत्त्व

• ट्रेस घटक (Trace Element): निकेल काही सजीवांमधील, प्रामुख्याने जीवाणू, बुरशी आणि काही वनस्पतींमधील अनेक एन्झाईम्ससाठी एक आवश्यक ट्रेस घटक आहे.
• एन्झाईम कोफॅक्टर (Enzyme Cofactor): हे युरेझ (युरिया चयापचयात समाविष्ट) आणि हायड्रोजिनेझ (हायड्रोजन चयापचयात समाविष्ट) सारख्या एन्झाईम्ससाठी कोफॅक्टर म्हणून कार्य करते.
• विषारीपणा (Toxicity): जरी कमी प्रमाणात आवश्यक असले तरी, निकेलच्या उच्च एकाग्रता विषारी आणि कर्करोगजनक असू शकते, विशेषतः निकेल संयुगे असलेले धूळ श्वासामार्गे शरीरात घेतल्यास.