니켈

3. 주요 성질

니켈은 은백색의 강한 광택을 띠는 금속으로, 철족 원소에 속한다. 단단하고 전성과 연성이 뛰어나다. 황 화합물인 침상니켈석이나 비소 화합물인 홍비니켈석, 황/비소 화합물인 황비니켈석 광물에서 산출된다.^[10]

공기 중에서 잘 산화되지 않아 도금, 합금 등에 사용되며, 동전의 재료로도 쓰인다. 코발트와 함께 산출되며 자성을 띤다. 강자성을 띠는 다섯 원소 중 하나이며, 퀴리 온도는 355°C이다. 이 온도 이상에서는 자성을 잃는다.^[11][5]

일반적인 산화 상태는 +2이며, 0, +1, +3 상태도 관찰된다.

염산 및 묽은 황산에 서서히 용해되지만, 그 반응은 매우 느리다. 묽은 질산에는 빠르게 용해되지만, 진한 질산에서는 부동태를 형성한다. 알칼리에는 비교적 강한 내식성을 보인다. 화학 반응식은 다음과 같다.

: Ni + 2H^+(aq) -> Ni^+(aq) + H2

: 3Ni + 8HNO3 -> 3Ni(NO3)2 + 2NO + 4H2O

니켈-62는 핵자 당 핵 결합 에너지가 가장 높은 핵종(8.7946 MeV/핵자)이다.^[18][19] 니켈의 동위 원소는 원자량 48 u(48|Ni)부터 78 u(78|Ni)까지 존재한다. 천연 니켈은 5가지 안정 동위 원소(, , , , )로 구성되며, 이 중 58|Ni가 68.077%로 가장 풍부하다.

3. 1. 전자 배치 논란

4. 지구에서의 존재

니켈은 지구의 외핵과 내핵의 주요 구성 성분 중 하나이며, 지각에도 미량 존재한다. 니켈 광석은 산화물 또는 황화물 형태로 산출된다. 산화물에는 니켈 함유 리모나이트( (Fe,Ni)O(OH) )와 가르니에라이트(다양한 수화 니켈 및 니켈이 풍부한 규산염의 혼합물)인 라테라이트가 포함된다.^[26] 황화물은 펜틀랜다이트 및 피로티트와 같은 광물에서 철과의 고용체로 존재하며, 화학식은 각각 Fe_9-xNi_xS₈ 및 Fe_7-xNi_xS₆이다.^[27][28]

지구물리학적 증거에 따르면 지구상의 니켈 대부분은 외핵과 내핵에 존재하는 것으로 여겨진다. 카마사이트와 테나이트는 천연적으로 발생하는 철과 니켈의 합금이다. 카마사이트는 90:10~95:5의 비율로, 테나이트는 니켈이 20%~65%이다. 이들은 철-니켈 운석에서도 발견된다.^[30]

5. 역사

기원전 3500년경부터 청동기에 니켈이 함유된 사례가 확인된다. 중세 독일에서 구리 광석과 혼동되어 Kupfernickel^de (악마의 구리)로 불렸다.^[148] 니켈 광석인 홍비니켈광(NiAs)이 구리 광석과 비슷하게 생겼음에도 불구하고 구리가 추출되지 않자 광부들이 이렇게 부르기 시작했다고 알려져 있다.

1751년 악셀 프레드리크 크론스테트가 니켈을 분리하고 명명했다.^[148] 이후 19세기부터 니켈 합금이 동전, 강철 등에 활용되면서 수요가 증가했다.

6. 화폐

일본에서는 2022년 현재 50엔 동전과 100엔 동전이 구리와 니켈 합금(백동)으로 만들어진다. 미국의 5센트 동전도 백동으로 만들어지지만, "니켈"이라고 불린다. 순니켈도 화폐 재료로 사용된 적이 있는데, 이는 니켈이 특수강이나 탄피 재료인 백동의 원료로 중요하여, 국가가 비축하고 평시에는 화폐로 유통시키고 유사시에는 다른 소재 화폐나 지폐로 대체하여 회수하기 위한 것이다.^[149] 일본에서도 제2차 세계 대전 직전인 1933년(쇼와 8년)부터 1937년(쇼와 12년)까지 5전과 10전 니켈 동전이 발행되어 군수 물자였던 니켈을 수입했다. 전후에도 1955년(쇼와 30년)부터 1966년(쇼와 41년)까지 니켈로 만든 50엔 동전(1959년(쇼와 34년)에 무공에서 유공으로 변경)이 발행되었다.

6. 1. 개요

6. 2. 한국

6. 3. 캐나다

6. 4. 스위스

6. 5. 미국

6. 6. 영국

7. 생산

1833년경 버밍엄은 말레이시아 무역을 위해 니켈 주화를 주조했다.^[59]

7. 1. 세계 생산 현황

7. 2. 추출 및 정제

7. 2. 1. 몬드 공정

7. 3. 한국의 니켈 광산 및 제련

8. 용도

니켈은 스테인리스강(68%), 비철합금(10%), 도금(9%), 합금강(7%), 주조(3%), 기타(배터리 포함, 4%) 등 다양한 분야에 사용된다.^[6] 특히 스테인리스강의 주원료로 사용되며, 그 외에도 합금, 촉매, 전극재 등 다양한 용도로 활용된다.

8. 1. 합금

8. 2. 촉매

8. 3. 전극재

8. 4. 기타 용도

9. 생물학적 역할

니켈은 1970년대까지는 인식되지 않았지만, 일부 식물, 세균, 고세균, 그리고 균류의 생장에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다.^{[98][99][100]} 우레아제와 같은 니켈 효소는 일부 생물체에서 병독성 인자로 간주된다.^[101][102] 우레아제는 요소의 가수분해를 촉매하여 암모니아와 카르바메이트를 생성한다.^[99][98] 니켈-철 수소화효소는 수소()의 산화를 촉매하여 양성자와 전자를 생성하고, 그 역반응인 양성자의 환원을 통해 수소 기체를 생성할 수 있다.^[99][98] 니켈-테트라피롤 보조인자 보조인자 F430는 메틸 코엔자임 M 환원효소에 존재하며, 메탄 생성균 고세균에서 메탄의 생성 또는 그 역반응을 촉매할 수 있다(산화 상태 +1).^[103] 일산화탄소 탈수소효소 중 하나는 Fe-Ni-S 클러스터로 구성되어 있다.^[104] 다른 니켈 함유 효소로는 희귀한 세균 종류의 슈퍼옥사이드 디스뮤타제^[105]와 세균 및 여러 진핵 트리파노소마 기생충에서 발견되는 글리옥살라제 I 효소가 있다.^[106]

니켈이 함유된 세균 감염을 통해 니켈 섭취가 인체 건강에 영향을 미칠 수 있지만, 니켈은 대장에 서식하는 세균에게 필수 영양소 역할을 하여 프리바이오틱스로 작용할 수도 있다.^[112]

시베리아 트랩 화산 폭발로 방출된 니켈은 가장 큰 규모로 알려진 페름기-트라이아스기 멸종 사건에서 메탄을 생성한 유리 고세균 속인 ''메타노사르시나''의 성장에 기여했을 것으로 추정된다.^[116]

10. 독성

니켈 노출의 주요 원인은 니켈이 식물에 필수적이기 때문에 경구 섭취이다.^[119] 일반적인 니켈의 배경 농도는 공기 중 20 ng/m³ 이하, 토양 중 100 mg/kg, 식물 중 10 mg/kg, 담수 중 10 μg/L, 해수 중 1 μg/L를 초과하지 않는다.^[120] 환경 농도는 인간의 오염으로 인해 증가할 수 있다. 예를 들어 니켈 도금된 수도꼭지는 물과 토양을 오염시킬 수 있으며, 광산과 제련은 니켈을 폐수에 배출할 수 있고, 니켈-강철 합금 조리기구와 니켈 안료가 들어간 그릇은 니켈을 음식에 방출할 수 있다. 니켈 광석 정련과 화석 연료 연소로 인해 공기가 오염될 수 있다. 인간은 담배 연기와 보석류, 샴푸, 세제 및 동전과의 피부 접촉을 통해 니켈을 직접 흡수할 수 있다.

일일 평균 노출은 인체 건강에 위협이 되지 않는다. 인체에 흡수된 대부분의 니켈은 신장에서 제거되어 소변을 통해 배출되거나 흡수되지 않고 위장관을 통해 배출된다. 니켈은 누적성 독극물이 아니지만, 더 많은 양이나 만성적인 흡입 노출은 독성이 있고, 심지어 발암성이 있으며, 직업병을 구성할 수 있다.^[121]

니켈 화합물은 황화 광석 제련소 근로자에 대한 역학 연구에서 관찰된 호흡기암 위험 증가를 기반으로 인체 발암물질로 분류된다.^{[122][123][124][125]} 니켈 금속은 의심스러운 발암물질로 분류된다.^{[122][123][124]}

감작된 사람들은 니켈 알레르기라고 알려진 피부 접촉 피부염을 보일 수 있다. 고도로 감작된 사람들은 니켈 함량이 높은 음식에도 반응할 수 있다.^[142] 한포진 환자도 니켈에 민감할 수 있다. 니켈은 전 세계적으로 가장 많이 확인된 접촉 알레르겐인데, 부분적으로는 피어싱용 귀걸이에 사용되기 때문이다.^[138] 피어싱된 귀에 영향을 미치는 니켈 알레르기는 종종 가려움증과 붉은 피부로 나타난다.

보고서에 따르면, 니켈에 의한 저산소증 유도 인자(HIF-1) 활성화와 저산소증 유도 유전자의 상향 조절은 모두 세포 내 아스코르브산 고갈에 의해 발생한다.^[143][144]

WHO 산하 IARC는 니켈 화합물을 “Group 1: 인체에 대한 발암성이 인정되는 화학물질”로 분류하고 있다.

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