بحث تقرير المعادن ، صور المعادن ، صفات المعادن -للتعليم الاماراتي

تاريخ النيكل ووجوده في الطبيعة

ألف الصينيون النيكل ـ دون ان يكتشفوه ـ قبل الميلاد ( العصور الوسطى ) كمكون أساس لمادة " باي ثنق " (Pai – Thung ) التي تعني النحاس الأبيض , والتي تتكون من 40 % نحاس , 32 % نيكل , 25 % زنك , 3 % حديد , وتشبه الفضة في شكلها . ومنذ ذلك الحين لم تظهر مادة ( باي ـ ثنق ) في اوروبا الا بعد النصف الأخير من القرن الثامن عشر الميلادي وبكميات قليلة . وقد كان الإعتقاد السائد في اوروبا آنذاك ان النيكل هو نفسه خام النحاس , بسبب التشابه الكبير بينهما في الشكل الخارجي والمظهر الطبيعي , ولهذا السبب لم يكن من السهل اختزال خام النيكل لإنتاج الفلز مما جعل الألمان يطلقون على الخام اسم " كيبفر ـ نيكل " ( Kupfer – Nickel ) حيث ترادف كلمة ( Nickel ) بالالماني كلمة نحاس بينما تعني كلمة ( Kupfer ) الألمانية " الشيطان " وقد جاءت تلك التسمية لإعتقاد الناس حينها ان الشيطان لا يسمح باستخلاص النحاس من تلك الخامة مما جعلهم يعتقدون ان تلك المادة الجديدة عبارة عن نحاس زائف , وقد كان هذا الإعتقاد سبباً في الإكتفاء بكلمة ( Nickel ) كإسم لهذا الفلز بواسطة العالم السويدي أكسيل كرونستد ( Axel Cronstedt ) الذي أفلح في استخلاص فلز النيكل ـ ولكن بصورة غير عالية النقاوة ـ من خام الجرسدورفايت والتعرف عليه عام 1751 م , وفي عام 1775 م تمكن بيرجمان ( Bergmann ) من التعرف على النيكل كفلز منفصل يختلف عن النحاس . تلا ذلك عام 1804 م استخلاص فلز النيكل بدرجة نقاوة عالية بواسطة الكيميائي ريتشر ( Richter ) مما جعله يلم بتفاصيل اكثر عن صفاته الكيميائية , والفيزيائية ممهداً الطريق لوضع الفلز ضمن المجموعة الفرعية الثامنة من مجموعات العناصر الإنتقالية التي تقع بين المجموعتين الرئسيتين الثانية والثالثة من الجدول الدوري للعناصر , بعد الحديد والكوبلت , الذين يشبهانه في كثير من الصفات .
وقد ساعد التشابه الكبير بين الفضة وسبيكة النحاس ـ نيكل المعروفة ( بالنحاس الأبيض ) التي كان ينتجها الصينيون منذ العصور الوسطى في ازدهار تجارة النيكل , خاصة وان السبيكة المشار اليها اقل ثمناً من الفضة , حيث شهدت الفترة من 1830 الى 1839 م انتاج كميات تجارية من تلك السبيكة في المانيا وانجلترا , اطلق عليها الفضة الألمانية ( German Silver ) اولاً وفضة النيكل ( Nickel Silver ) لاحقاً .
تلا ذلك تطور هام في صناعة السبائك المحتوية على النيكل عندما اصدرت الولايات المتحدة الأمريكية عام 1851 م عملة من سبيكة نحاسية تحتوي 12% نيكل , ثم تبعتها دول اخرى لتزدهر تجارة النيكل بشكل ملحوظ .

يعتبر معدن النيكل العنصر الثاني والعشرين من حيث الوفرة في القشرة الأرضية .
كما يعد المعدن السابع بالنسبة لوفرة العناصر الانتقالية .
بالرغم من وجود كثير من المعادن التي تحتوي على عنصر النيكل , الاان معادن الكبريتيد والأكاسيد تعد أهم المعادن الرئيسية اقتصادياً .

خامات الكبريتيدات

تشكل معادن الكبريتيدات حوالي 20 % من خامات انتاج النيكل في العالم , ولكن يقدر انتاجها من الفلز بأكثر من 60 % حيث ينتج الباقي من خامات الأكاسيد التي تشكل الغالبية العظمى ( 80 % ) من مصادر خام الفلز .
ومقارنة بالكبريتيدات الأخرى المحتوية على فلز النيكل يعد معدن البنتلانديت( " Pentlandite " ( Ni,Fe)9S8 ) أهم مصدر لانتاج النيكل .

حيث يتم منه انتاج اكثر من 59 % من فلز النيكل في العالم .
وعلى الرغم من اهمية البنتلانديت كمصدر أول للنيكل الا ان معادن
البايرهوتيت ( Fe2S8 ـPyrrhotite )

والكالكوبيرايت ( Chalcopyrite "CuFeS" )

لا تقل أهمية كمصدر للنيكل بسبب احتوائها على كميات قليلة من الفلز .
وياتي في المرتبة الثانية من حيث الأهمية خامات كبريتيدية أخرى مثل البيرايت ( FeS2 ) والكيوبانيت ( CuFe2O3 ) والفايولارايت ( NiFeS )

الخامات الأكسجينية

تتكون خامات النيكل الأكسجينية نتيجة تجوية صخور البريدوتايت ( Peridotite )

الى معدن الأوليفين ( Olivine ) ـ سيليكات مغنسيوم حديد ـ الذي يحتوي على 0.3 % من النيكل .

استخلاص النيكل

تختلف طرق استخلاص فلز النيكل حسب طبيعة الخام ـ كبريتيدي ام أوكسجيني ـ وتركيز النيكل فيه , وكمية وانواع الشوائب المصاحبة . ويمكن تقسيم تلك الطرق حسب نوع الخام الى ما يلي :

إستخلاص النيكل الكبريتيدي

يستخلص اكثرمن 90 % من خام النيكل الكبريتيدي بواسطة التعدين الحراري .
ورغم وجود عدة طرق للإستخلاص بواسطة التعدين , الا انها لا تختلف من حيث الخطوات الرئيسية التي تشمل التمحيص , والصهر , والتحويل .
يبدأ الاستخلاص بالتعدين الحراري بعمليات التكسير والطحن لفصل جزء كبير من الكبريتيدات عن بعضها البعض , تمهيداً لفصل اكبر جزء من كبرتيد الحديد بالفصل المغناطيسي ويلي ذلك اضافة الماء للخام الناتج لفصل كبريتيد النيكل من كبرتيد النحاس بالتعويم , حيث يبقى كبرتيد النحاس في القاع لكبر كثافته النوعية , ويطفو كبرتيد النيكل مع الرغوة .
تبدأ بعد ذلك عملية تمحيص خام النيكل الناتج عن درجة حرارة 600 ـ 700 درجة مئوية في وجود الهواء , ليتم اكسدة جزء كبير من كبرتيد الحديد المتبقي ضمن الخام حيث ان درجة الحرارة المذكورة لا تسمح بأكسدة كبريتيدات النحاس والنيكل لألفة كبريتيد الحديد للأكسدة مقارنة بالكبريتيدات المذكورة . يتم بعد ذلك ضغط الخليط في قوالب للصهر والإختزال في فرن دوار لانتاج خليط من كبريتيد النحاس والنيكل يطلق عليه المت ( Matte) . ينقل الخليط الى مفاعل محول ( Converter ) ليتم التخلص من الحديد المتبقي ـ على هيئة خبث من اكسيد الحديد ـ بواسطة الصهر عند درجة حرارة 1400 درجة مئوية وفي وجود الهواء , ويلي ذلك تبريد تدريجي للناتج للحصول على بلورات كبريتيدي النحاس والنيكل وسبائكهما , ثم تخضع البلورات الى عمليات تكسير وطحن , ليتم فصل كبريتيد النحاس من كبريتيد النيكل بطريقة التعويم . بعدها يمحص كبريتيد النيكل في وجود الهواء ليتم اكسدته الى اكسيد النيكل الذي يضاف اليه الكربون مع الكبس والضغط ويحفظ في قوالب ليتم تسخينه لانتاج فلز النيكل بدرجة نقاوة حوالي 99 % .

إستخلاص النيكل الأكسجيني

يستخلص النيكل الأكسجيني بشكل عام عن طريق الصهر حيث يتم اولاً ازالة محتوى الخام من الماء ( في هيئة ماء حر او هيدروكسيد ) , عن طريق التجفيف عند درجة حرارة 250 درجة مئوية . ثم يحول الخام الناتج الى فرن عند درجة حرارة 800 ـ 900 درجة مئوية لازالة المزيد من الماء , يلي ذلك صهر الخام عند درجة حرارة اكثر من 1450 درجة مئوية , ليتم حجز الناتج على هيئة حديد نيكل
( 24 % نيكل , 69 % حديد , 2 % كربون , 3 % سيليكون , 1.5 % نحاس , نسبة قليلة من الفسفور ) , ويخضع الخام الناتج الى عملية تنقية يتم بموجبها ازالة الكربون والكبريت والسليكون والفسفور ، يلى ذلاك صهر الناتج فى وجود الكبريت لتحويل الخام الى كبربتيدات ، والحديد والنيكل ،بعدةا يضخ الهواء على مصهور الكبريتيدات ليتم اكسدة الحديد وازالتة ليبقى المت (75% ـ 80% نيكل ، 1 ـ4% حديد ،20 % كبريت 0.4 ـ 1.7 كوبلت ) الذي يعالج لاستخلاص النيكل النقي .
كذلك يمكن استخلاص النيكل الأكسجيني عن طريق الصهر المائي الذي يتم بشكل عام حسب الخطوات التالية :

1 ـ تحميص الخام في وجود حامض الكبريت او الكلور .
2 ـ اذابة الناتج بالماء وغسله لاستخلاص محلول كبريتات او كلوريدات النيكل والكوبلت .
3 ـ تحميص الراسب في الخطوة السابقة بالصودا , وإذابة الناتج بحامض الكبريت او الكلور او النيتروجين لاستخلاص محاليل النيكل والكوبلت .
4 ـ ترسيب محاليل النيكل والكوبلت بإضافة كبريتيد الهيدروجين الى الكبريتيدات وذلك عند درجة حرارة 120 درجة مئوية وضغط 10 جوي وفقاً للتفاعلات التالية:

NiSO4 + H2S ——-> NiS + H2SO4

NiCl2 + H2S ——–> NiS + 2HCl

Ni( NO3 )2 + H2S ——–> NiS +2HNO3

تنقية النيكل

رغم ملاءمة النيكل المستخلص بالطرق السابقة للكثير من الصناعات , بسبب نقاوته التي تقارب 99 % الا ان هناك استخدامات خاصة تتطلب مزيداً من النقاوة للفلز , وفي هذه الحالة يمكن اخضاع الفلز إما للتنقية بالمناخل الكهربائية ( Electrolytic Refining ) او التنقية الكربونيلية ( Carbonyl Refining ) .

التنقية بالمناخل الكهربائية

تجري التنقية بالمناخل الكهربائية بوجة عام في وعاء يحتوي على عدة خلايا منخلية ( كهروليتية ) تملأ كل واحدة منها بخليط من كلوريد وكبريتيد الزنك في وجود عدد من المصاعد المصنوعة من فلز او مت النيكل , ويتخلل بين كل مصعدين من المصاعد مهبط مصنوع من النيكل الصافي . ويتم توصيل التيار الكهربائي بين المصاعد والمهابط على التوازي , وعند مروره فإن المصاعد تبدأ في الذوبان على شكل أيونات النيكل ويترسب النيكل النقي على المهابط .

Ni ——–> Ni2+ +2e ( المصعد )

Ni2+ +2e- ——-> Ni ( المهبط )

التنقية الكربونيلية

تعتمد فكرة التنقية بهذه الطريقة على خاصية تفاعل النيكل غير النقي مع أول اكسيد الكربون عند الضغط الجوي العادي , وعند درجة حرارة منخفضة نسبياً ( 40 ـ 80 درجة مئوية ) لتكوين غاز رباعي كربونيل النيكل , وتعود اهمية هذا التفاعل الى انه تفاعل عكوس عند درجة حرارة ( 150 ـ 300 درجة مئوية ) .
ورباعي كربونيل النيكل سائل متطاير درجة انصهاره ( – 19.3 درجة مئوية ) ودرجة غليانه ( 42.5 درجة مئوية ) . ومقارنة بالنيكل فإن اغلب الشوائب الموجودة مع النيكل لا تتفاعل مع أول اكسيد الكربون فضلاً عن ان بعضها مثل الحديد والكوبلت لا تتفاعل بسرعة ولا تكون مواد متطايرة . وعليه يستفاد من التفاعل المذكور لفصل النيكل من شوائبه , ثم استرجاعه مرة اخرى على شكل فلز خالص ( نسبة نقاوة تصل الى 99.95 % ) برفع درجة الحرارة الى ( 150 ـ 300 درجة مئوية ) .

Ni + 4CO ——> Ni(CO)4 ——> Ni + 4CO