镍：地球上含量丰富的元素，人类使用历史悠久

镍：地球上含量丰富的元素，人类使用历史悠久

镍的化学符号为Ni，原子序数为28。镍既是亲铁元素，又是亲铜元素，在地球中的含量排在硅、氧、铁、镁之后，居第五位。地球上的镍大部分分布在地核中，是天然的镍铁合金。在地壳中，镁铁质岩的镍含量高于硅铝质岩，如橄榄岩的镍含量是花岗岩的1000倍，辉长岩的镍含量是花岗岩的80倍。

镍被人类发现的时间并不长，其使用可以追溯到公元前300年左右。我国至少在春秋战国时期就出现了含镍的武器和合金器皿。古代云南出产的一种“白铜”也含有较高的镍。当时我国生产的含镍产品不仅在国内畅销，还远销国外。直到现在，白铜在波斯语和阿拉伯语中仍被称为“中国石”。

1943年4月，美国《化学教育》杂志刊登了一篇题为《神秘的白铜》的文章。文章首次采用了音译，并这样描述白铜：“它们是由一种金属制成的。这种金属发光，具有纯银的柔和光泽；但它们不是银，而是一种坚硬的金属。中国人称之为‘白铜’。他们小心翼翼地保守着制造白铜的秘密。当这种奇怪的金属传播开来时，欧洲的金属工人一代又一代地试图仿制白铜，但一直失败，甚至找不到失败的原因。直到18世纪中叶，一位瑞典科学家才鉴定出一种新金属，另一位科学家承认它就是制造白铜的神秘合金中的金属。这与德国萨克森州的矿工发现并咒骂它是假铜的金属是一样的。”

上述内容可以作为镍矿发现史的结论。

“魔鬼的铜”

和钴一样，镍的“”这个名字也带有迷信色彩，意为“小妖精”。镍矿看上去像铜矿，但铜无法冶炼出来。过去人们认为这是魔鬼的恶作剧。

当时，德国有一种质地较重、表面带有绿色斑点的红褐色矿石，用于制造青色玻璃。早期的矿工试图从这种矿石中冶炼铜，但只散发出有毒烟雾，无法还原成铜。矿工们将此归咎于魔鬼的影响，给这种“毒矿石”起了个绰号叫“尼科尔铜”。“尼科尔”一词的意思是“欺骗的魔鬼”。所谓的“尼科尔铜”可以理解为“假铜”或“魔鬼的铜”。

镍铜溶于酸时呈绿色，和一般的铜盐溶液颜色相同。但瑞典矿物学家克朗施塔特的多次实验证明，镍铜中不含铜。有一次，他把一块铁块扔进酸溶液中，按照他的假设，铁会很快地从溶液中取代掉铜。然而，令他吃惊的是，经过很长时间，想象的情况依然没有发生。难道矿石表面的绿色物质不是铜？会不会是一种新物质？克朗施塔特把绿色物质放在木炭上焚烧，发现这种物质变成了黑色的炉渣。加入3份黑色溶剂，便成为表面呈淡黄色、切面呈白色光泽的粗金属；其形状由小薄片组成，硬而脆，稍受磁铁吸引。将其溶解在硝酸、王水和盐酸中，可得到绿色溶液。 这些性质表明这种物质不同于当时发现的所有金属，是一种新金属。喀琅施塔得把这种金属命名为“镍”，并发表了他的研究成果。

喀琅施塔得论文发表后，得到众多学者的认可，但法国的萨奇和莫奈却不同意，认为所谓的镍只不过是砷、钴、铁和铜的混合物。后来另一位科学家通过各种复杂的实验获得了纯度更高的镍，并于1775年公布了研究结果，认为上述四种物质的混合物具有与镍截然不同的性质，从而证实了镍作为一种新金属的科学存在。

1865年法国人加尼埃首次在新喀里多尼亚发现硅酸镍矿，并于1875年正式开采该矿，这是世界上真正意义上冶炼镍矿的开始。

从珠宝制造到武器制造

镍被发现之后，德国人首先将其掺入铜中，制成了所谓的“日耳曼银”，或称“德国银”，也就是我国古代的“白铜”。

最初，镍被认为是一种贵金属，由于产量非常有限，常被用来制作珠宝。20世纪以来，人们发现了镍的多种用途，镍工业得到了迅速发展。

镍，银白色金属，具有良好的塑性、抗腐蚀性、抗氧化性、耐高温性和磁性，是十分重要的有色金属原料，是国民经济发展中重要的战略物资。国防工业中镍被广泛应用于制造飞机、坦克、舰船、雷达、导弹、宇宙飞船、原子反应堆等领域；民用工业中，机器制造、陶瓷颜料、防腐涂料、永磁材料、电子遥控器等领域也都离不开镍。镍的主要用途是生产不锈钢，其次是生产合金，全世界用于不锈钢生产的镍占镍产量的60%以上。随着全球不锈钢需求量的稳步增长，对镍的需求量还在不断增加。

1889 年，詹姆斯·赖利向英国钢铁协会提交了一份具有历史意义的论文，全面评述了生产镍钢的可能性。在此之前，镍钢曾被用来生产装甲板，最早是在法国，然后是意大利和英国。试验表明，含镍量为 3% 的钢具有出色的抗炮弹爆炸性能，再加上其极强的韧性，这种钢最适合用于装甲板。赖利声称，这种钢可以硬化和回火到令人难以置信的强度，几乎达到每平方毫米 1500 牛顿。他进一步证实，富镍钢实际上是坚不可摧的。

赖利的报告震惊了全球军事界和工程界，此后镍钢开始大量用于制造车辆、飞机零部件以及高强度齿轮和轴系零件。

不可或缺的添加剂

在不锈钢中添加镍，可以增加其强度和韧性，改善不锈钢的切削加工性；但不锈钢性能的差异并不仅仅决定于镍含量，而是铬、碳、锰、氮等其他几种主要元素综合作用的结果。

合金中添加镍可增强合金的耐腐蚀性能。不同类型的镍合金具有不同的性能。例如镍铬合金耐热性高，电阻大，可用来制造热电电阻丝；镍钴合金是永磁材料，广泛应用于电子遥控、原子能工业和超声波技术等。镍铜锰铁合金强度高、塑性和耐腐蚀性好，是制造电器、海上船舶和医疗器械的重要材料；镍铁合金在弱磁场中具有良好的磁性能，广泛应用于电讯、计算机、控制系统等领域；镍钛合金因生物相容性好，在骨科、牙科等临床部门得到广泛应用；镍铜锌合金用于制造家具等。

最新研究成果表明，在不同种类的钢中添加镍或其他元素，会改变钢的性能，提高其力学性能和塑性；在204Cu不锈钢中添加微量的稀土元素铈，会明显提高不锈钢的耐腐蚀性能。

稍有科学常识的人都知道，铁路钢轨之间会发生热胀冷缩。如果在相距约120公里的伦敦地标海德公园大理石门与英格兰东南部的多佛之间铺设一条钢带，温度每升高1℃，钢带就会伸长约1.5米；如果金属带是用铝制成的，温度每升高1℃，金属带就会伸长3米；但如果铺设的是含36%镍铁合金，金属带只会伸长8厘米。这种镍铁合金最初被称为“因瓦”合金，自1896年问世以来，一直被用来制造精密测量带和精密计时器。它的使用可以最大程度地减少温度变化带来的不准确性。当然，这种合金在低温下收缩也会很小。人们通常用它来制造储存液化气的罐体。

镍含量为 78.5% 的镍铁合金特别容易受到低强度磁力的影响，用于横跨大西洋的电缆，可将传输速度提高四倍。镍在 20 世纪 70 年代开发的强磁合金中也发挥着重要作用，例如 镍铁合金或 铝镍钴铁铜合金。

硫化镍矿、红土镍矿

虽然地球上镍的总量很高，但目前可供人类开发利用的镍资源仅限于陆地上的硫化镍矿和红土镍矿。

硫化镍矿为岩浆矿床，因一般含铜，所以常被称为含铜硫化镍矿；红土镍矿为风化矿床。据美国地质调查局2015年1月公布的数据，全球镍矿储量约8100万吨金属，其中硫化镍矿约占全球镍矿储量的40%，主要分布在俄罗斯、加拿大、澳大利亚、中国、南非和北欧；红土镍矿约占全球镍矿储量的60%，主要分布在赤道附近的新喀里多尼亚、印尼、菲律宾、古巴、巴西等国家。

已知的含镍矿物有50多种，其中最常见的有十余种，硫化镍矿中常见的含镍矿物有镍黄铁矿和镍磁黄铁矿（其中镍以同质异象形式存在），红土镍矿中的镍主要以镍褐铁矿（多为氧化铁，结晶很少或没有）的形式存在。

传统上从硫化镍矿中提取镍金属已有近百年的历史；但经过百年的开采，全球硫化镍矿资源日趋枯竭，因此近年来从红土镍矿中提取镍金属逐渐成为全球镍矿提取的主流。

主要镍消费国的困境

我国镍矿储量居世界第九位，金属量仅为300万吨，占世界总储量的4%，且大部分为硫化镍矿（约占90%）。我国镍矿资源集中分布，主要分布在西北、西南、东北地区，重点在甘肃、新疆、云南、吉林、湖北、四川等省区。

随着国内硫化镍矿开采量的不断增加，镍矿储量不断减少，伴随而来的是镍矿品位降低、开采深度增加、开采难度加大、成本上升等一系列问题。我国自2006年起从菲律宾进口红土镍矿。

国内镍矿资源相对匮乏，尤其是红土镍矿，不仅储量稀缺，而且品位低，开采成本高，这就意味着我国在红土镍矿上没有竞争力。随着不锈钢行业的不断发展，我国不锈钢产量居世界第一，占全球产量的一半以上。红土镍矿是镍铁的主要原料，镍铁是不锈钢的主要原料，因此，我国每年需要进口大量的红土镍矿来发展不锈钢产业。受地理位置和成本制约，我国镍生产企业主要依赖从印尼（每年进口量超过进口总量的一半）和菲律宾进口红土镍矿。作为全球最大的镍消费国，我国镍产业对外依存度较高，2014年的统计数据显示，我国镍消费量在90万至100万吨之间，而进口占比超过80%。 正是由于国内镍原料供应短缺，对外依赖性强且单一，这种依赖性成为制约下游镍相关产业发展的瓶颈。

我国镍资源消耗量巨大，如果能将含镍废料回收再利用，前景相当看好。但现实情况是，我国废镍回收利用率与发达国家相比还有很大差距，镍资源浪费严重。

需要海底和南极洲的资源

加大国内外镍矿勘探开发力度，特别是红土镍矿的勘探开发，对我国、对世界都是适用的。那么，除了已知的镍矿资源，我们还可以从哪里寻找镍资源呢？

除了硫化镍矿和红土镍矿外，海底锰结核中的镍储量也相当可观，估计海底锰结核储量在3万亿吨以上，是多种金属和镍的重要远景资源。而且与两大常规镍矿相比，锰结核增长迅速，每年以1000万~1500万吨的速度增加，因此锰结核有可能成为人类取之不尽、用之不竭的自生矿产资源。但受开采技术、开采成本以及对海洋环境污染等影响，目前开采利用这一镍矿资源的国家并不多，只有美国、法国、日本、德国、澳大利亚等国家处于试验阶段。 虽然我国在锰结核勘探开发方面起步较晚，但面对资源日益枯竭的现实，也需要积极发展海底锰结核开采、冶炼技术，为大规模开采做好前期准备。

此外，南极地区还蕴藏着丰富的各种有色金属，包括镍（主要分布在南极半岛和沿海岛屿）。尽管《南极环境保护条约议定书》禁止各国在50年内（即到2048年）开采南极矿产资源，但一些国家一直以“科学考察、环境保护”为名，对南极矿产资源进行调查和勘探。过去，我国的南极科考活动更多的是注重科学问题，未来也应加强对南极矿产资源的调查和开发利用。就目前的南极资源而言，除了勘探开发的技术难度外，还存在着环境污染、领土主权等诸多问题；一旦地球其他地方的资源枯竭，开发利用南极资源恐怕将势在必行。