니켈

니켈

준위별 전자수

니켈(nickel)은 주기율표 10족 4주기 철족에 속하는 전이금속원소로, 원소기호 Ni, 원자번호 28, 원자량 58.70g/mol, 녹는점 1455℃, 끓는점 2732℃, 밀도는 8.9 g/㎤이다. 은백색의 강한 광택이 있는 금속이다.

중국에는 약 2,000년 전부터 양은이나 백동(큐프로니켈)에 상당하는 니켈합금이 화폐 등에 이용되었다. 독일에서는 17세기 말부터 홍니켈석이 유리를 녹색으로 착색하는 데 이용되었다. 1751년 스웨덴의 광물학자 A. F. 크론슈테트(1722~65)가 처음으로 홍비니켈석(니콜라이트)에서 새로운 원소를 추출하고 니켈이라 명명했다. 중요한 광석으로 펜틀란다이트(pentlandite) · 규니켈석(garnie-rite) · 침니켈석 · 홍비니켈석 등이 있다. 운석 속에도 존재하며, 지구의 중심부에는 철과 함께 다량으로 존재한다고 추정된다.

니켈은 배터리 양극재의 핵심소재이다. 양극재의 구성에 따라 배터리의 용량과 출력 등 성능이 좌우된다. 일반적으로 니켈(N), 망간(M), 코발트(C), 알루미늄(A) 등을 조합해 만든다. 배터리 업계에서는 최근에 이 양극재에 니켈의 비중을 높이는 작업을 진행하고 있다. 이른바 하이니켈(High-Ni) 배터리다.

동위원소

자연계에서 존재하는 니켈 동위 원소로는 ⁵⁸Ni, ⁶⁰Ni, ⁶¹Ni, ⁶²Ni, ⁶⁴Ni가 존재한다. ⁵⁸Ni은 니켈 동위 원소 중에서 68.077%로 자연계에서 가장 많이 차지하는 동위 원소이다. 대부분의 ⁵⁸Ni은 30P에서 시작된 헬륨 융합 과정을 통해 생성된다. 30P의 헬륨 과정은 ⁵⁴Co에서 멈추는데 이 다음 산물인 ⁵⁸Cu을 형성하려면 에너지를 방출하여 순탄하게 일어나지만 이미 항성의 핵이 응축되기 시작하므로 그리 많은 양이 형성되지 않는다. 하지만 항성의 중심핵이 응축하고 시간적 여유가 없지만 이러한 이유 때문에 ⁵⁸Ni이 니켈 동위 원소들 중 가장 풍부하게 존재하는 것이며, 니켈이 철보다 10배 이상 희귀한 이유가 된다.

⁶⁰Ni은 니켈 동위 원소 중 26.233%로 풍부하게 존재한다. ⁶⁰Ni은 ⁶⁰Fe가 베타 붕괴로 인해 생성되므로 초신성 폭발의 R-과정을 통해 생성한다.

⁶²Ni는 니켈 동위 원소 중 3.634%를 차지하며 항성의 핵융합으로 인해 생성되기도 하며 초신성 폭발을 통해서도 생성한다. 왜냐하면 ⁶²Ni는 모든 원소들 중 핵자간 결합 에너지가 가장 높으므로 가장 안정적 동위 원소이기 때문이다. ( ⁶²Ni의 결합 에너지는 8.794549 MeV, ⁵⁸Fe의 결합에너지는 8.792221 MeV, ⁵⁶Fe의 결합에너지는 8.790323 MeV )

따라서 ⁶²Ni가 항성의 핵융합으로 인해 생성되는 최종 동위 원소이다. 그럼에도 불구하고 6⁶²Ni는 철보다 희귀하며 니켈 동위 원소들 중에서도 희귀하다. 이유는 30P의 헬륨 과정은 ⁵⁴Co를 형성할 때에 항성의 중심핵은 응축하기 시작한다. 그 다음 산물인 ⁵⁸Cu는 에너지를 방출하므로 순탄하게 일어나지만 이미 항성의 중심핵이 응축하기 시작하여 시간이 많지 않으므로 ⁵⁸Ni은 많은 양이 형성되지 않는다. 그 다음 산물인 ⁶²Ga은 ⁵⁸Cu보다 결합 에너지가 낮기 때문에 에너지를 흡수해야 생성되며, 58Cu에 비해 형성될 시간적 여유가 더욱 더 없으므로 미량 생성된다. 형성된 ⁶²Ga은 어마어마한 에너지를 내뿜는데 3번의 B+ 붕괴를 통해 총 14.75 MeV의 엄청난 에너지를 내뿜고 ⁶²Ni로 붕괴한다. 따라서 ⁶²Ni는 항성의 핵융합을 통해서도 생성되지만 상당비율이 초신성 폭발을 통해서 생성된다.

⁶¹Ni과 ⁶⁴Ni는 초신성 폭발의 R-과정을 통해 생성된다.

주요 성질

니켈은 은백색의 강한 광택이 있는 금속이다. 철족 원소로 단단하며 가단성과 연성이 있다. 황 화합물인 침상니켈석이나 비소 화합물인 홍비니켈석, 황/비소 화합물인 황비니켈석 광물에서 산출된다.

공기 중에서 변하지 않고, 산화 반응을 일으키지 않아 도금이나 합금 등을 통해 동전의 재료로 사용된다. 자성을 띠며 코발트와 함께 산출된다.

니켈은 강자성을 띠는 다섯 원소 중 하나이다.

일반적인 산화 상태는 +2로, 0, +1, +3 상태도 관찰된다.

니켈-62은 존재하는 원소 중 가장 안정성이 뛰어난 핵종으로, 그 다음은 철-58이다.

지구에서의 존재

니켈은 지구의 외핵과 내핵의 성분 중 하나이다. 지각에는 84ppm이 존재하지만 지구 자체에는 1.83%가 존재하는데 지구 내핵의 5.8%가 니켈로 이루어져 있다.

참고자료

• 〈니켈(nickel)〉, 《사이언스올》
• 〈니켈〉, 《나무위키》
• 〈니켈〉, 《위키백과》
• 이종민 수석연구원, 〈무한한 가치의 금속, 니켈(Nickel)〉, 《포스코경영연구원》, 2014-07-21

같이 보기

• 하이니켈
• 리튬 하이니켈 배터리
• 금속

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