1.1 鎳的自然屬性

1.1.1 鎳的物理、化學性質

鎳（Ni）屬于金屬元素，原子序數為28，位于元素周期表中第四周期第ⅧB族。鎳有5種同位素，分別是58Ni（66.4%）、60Ni（26.7%）、61Ni（1.6%）、62Ni（3.7%）及64Ni（1.6%），相對原子量為58.6934，原子半徑為124.6pm。鎳的電子層結構為1s22s22p63s23p63d84s2，如圖1-1所示。價電子層結構為3d84s2。其中，最外層4s有2個電子，次外層3d有8個電子（3d電子層最多可容納10個電子），超過了5個，因而其價電子基本不可能全部參加成鍵，所以呈現出的最高氧化態與族數不對應。通常情況下，鎳的氧化態有+1價、+2價、+3價、+4價和+6價，以+2價最為穩定。另外，在周期表中，鎳與鐵、鈷屬于同族元素，因此三者具有相似的物理化學性質，在親氧和親硫性質方面與相鄰的銅元素接近。

純鎳是一種銀白色金屬，有金屬光澤，晶型為面心立方結構，密度為8.908 g/cm3，熔點為1453 ℃，沸點為2730 ℃。其具有優良的機械強度、良好的延展性和一定程度的鐵磁性。鎳的導電性能優良，且純度越高導電性越好，在20℃且純度為99.80%～99.99%時，對應的電阻率為9.9～6.8 μΩ/m。鎳具有較好的化學穩定性，室溫下很難被空氣中的氧氣氧化，即使加熱到500 ℃，也只能在其表面形成一層薄的氧化層。同時，鎳對強堿的抗蝕能力強，強酸如鹽酸、硫酸等對鎳的腐蝕作用也極為緩慢，但鎳易被稀硝酸溶解，而在濃硝酸中，由于生成致密的鈍化膜，使溶解速度減慢。鎳在純凈水、海水、大多數無機鹽溶液和有機溶劑中均具有良好的耐蝕性。

1.1.2 鎳的主要化合物及其性質

鎳的化合物有很多種，在自然界中主要以鎳的氧化物、硫化物和砷化物3種形式存在。因為鎳的氧化物、硫化物和砷化物廣泛存在于自然界的含鎳礦物中，因此了解其氧化物、硫化物和砷化物的物理、化學性質對于了解鎳礦的性質以及鎳礦的冶煉至關重要。

氧化鎳（NiO）和三氧化二鎳（Ni2O3）是鎳的氧化物中最常見的兩種。氧化鎳的晶體結構為立方晶系Fm-3m空間群，即巖鹽結構，與NaCl的結構相同，晶格常數為a=b=c=0.418nm，如圖1-2所示。其中，每個Ni原子與6個O原子相連，形成正八面體，Ni原子處于八面體的中心，O原子位于八面體的頂點；常溫下，氧化鎳粉末呈綠色或黑綠色，相對密度為6.67g/cm3，熔點為1984 ℃，溶于酸和氨水，不溶于水和液氨。氧化鎳在空氣中加熱至400 ℃時，被空氣中的氧氣氧化生成三氧化二鎳；當加熱至600 ℃時，又轉化為氧化鎳。氧化鎳與氧化鈷（CoO）、氧化亞鐵（FeO）的性質也具有一定的相似性，一般都可形成不穩定的NiO·SiO2和穩定的2NiO·SiO3這兩類硅酸鹽化合物[4]；另外，氧化鎳還具有催化作用，可使二氧化硫（SO2）氧化轉變為三氧化硫（SO3）。三氧化二鎳為灰黑色的固體，密度為4.83 g/cm3。與鹽酸反應可生成氯氣，與硫酸和硝酸反應可生成氧氣。而三氧化二鎳在低溫時較穩定，升高溫度時易發生化學反應，當溫度升至400～450℃時，生成四氧化三鎳（Ni3O4），升高至更高溫度時則形成氧化鎳。

鎳的硫化物[4]有硫化鎳（NiS）、二硫化三鎳（Ni3S2）、五硫化六鎳（Ni6S5）、二硫化鎳（NiS2）、四硫化三鎳（Ni3S4）、六硫化七鎳（Ni7S6）和八硫化九鎳（Ni9S8）。其中，硫化鎳和二硫化三鎳被研究得最多。硫化鎳是一種黑色固體，具有α-NiS、β-NiS和γ-NiS 3種物相結構。其中，α-NiS能溶于鹽酸，在空氣中易轉變成Ni(OH)S；β-NiS最穩定，其熔點為810℃；γ-NiS在396℃時轉變為β-NiS。二硫化三鎳（Ni3S2）在鎳的冶金學中稱為低硫化鎳，冶煉過程中其性質穩定。

鎳的砷化物[4]主要包括砷化鎳（NiAs）和二砷化三鎳（Ni3As2）。加熱時，砷化鎳（NiAs）自身發生反應生成二砷化三鎳（Ni3As2）和砷單質（As），反應方程式如下：

3NiAs=Ni3As2+As　（1-1）

在較高氧化氣氛中，砷化鎳礦（如NiAs）可形成三氧化二砷（As2O3）和砷酸鹽（NiO·As2O3）。三氧化二砷具有揮發性，因此，在砷化鎳礦的冶煉過程中，首先要對砷化鎳礦進行氧化焙燒，除去一部分As2O3之后，再將剩下的砷酸鹽（NiO·As2O3）進行還原焙燒，使其轉變為砷化物，進一步高溫氧化，砷以As2O3的形式揮發，如此反復多次的交替氧化-還原焙燒，最終實現完全脫砷。

1.1.3 鎳在生物體中的作用和危害

1. 鎳在生物體中的作用

鎳在自然界生物體中的含量極少，不足萬分之一，但它具有重要的生理學功能[5-9]。在植物體中，鎳是許多植物的重要組織成分，對植物的正常生長和發育至關重要[10-16]。鎳的含量取決于植物的種類和生長環境。苔蘚植物和蕨類植物具有較高的鎳含量，若在富鎳環境，鎳的積累更多。鎳在植物中的主要作用表現在以下幾個方面：

1）植物中許多生物酶的形成與鎳有關

例如，脲酶廣泛存在于高等植物、藻類、真菌及細菌中，Dixon等人[17]從刀豆中提取出含鎳的脲酶，證明了鎳是脲酶的金屬輔基。Polacco等人[18]的研究表明，水稻和煙草愈傷組織細胞中也普遍含有依賴鎳的脲酶。鎳還是氫酶、一氧化碳脫氫酶和甲醛還原酶的金屬輔基。其中，氫酶是一類生物體內催化氫的氧化或質子還原的氧化還原酶，它與氫的利用和能量代謝有關，鎳是組成氫酶的重要元素，還可以調整氫酶的表達。

2）鎳對植物的生長發育有重要影響

Eskew等人[19]研究了鎳對豆科植物生長和發育的影響，研究發現，鎳是豆科植物甚至是所有高等植物所必需的微量元素。

3）鎳對植物有多種生理效應

聶先舟及其合作者在其著作里提出[20]，鎳對延緩水稻葉片衰老有重要作用，可使葉片保持較高的葉綠素、磷脂含量、蛋白質及膜脂不飽和指數。Smith等人[21]也認為菊花的葉片及花的衰老與鎳有關。其原理很可能是鎳抑制了植物體內乙烯的產生以達到延緩植物衰老的目的。

在動物體中，鎳也發揮著關鍵的生理學功能。相關研究報道，第一代鼠體內鎳的缺失可導致其第二代在出生前后的死亡率增加、肝臟發育改變及生長遲緩，隨后出現貧血、血紅蛋白及血球容量下降。這種現象在缺失鎳的第二代幼鼠中表現更為突出，之后的研究也證實了鎳在高等動物體中的重要性。1974年，鎳被世界衛生組織（WHO）確認為人體必需的微量元素。在正常情況下，人體內鎳的總含量約為10 mg，血液中鎳的標準含量為0.11 μg/mL。人體一般通過呼吸道吸入、皮膚接觸吸收和消化道攝入3種主要途徑獲得鎳。當鎳進入人體后，能與血液中的血清蛋白、氨基酸和巨球蛋白結合，并隨血液到達人體的各個代謝器官。鎳還具有刺激人體造血的功能，可以促進紅細胞的再生。鎳也是蛋白質的組分，并且參與了細胞膜的構造。鎳大量存在于人體內DNA（脫氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）中，參與核酸和蛋白質的代謝，適量的鎳有助于人體中DNA和RNA正常生理功能的發揮。鎳還是合成胰島素的重要元素，對人體的新陳代謝有較大的影響。鎳也是人體中多種酶的輔助因子和激活劑[6]。

2. 鎳的危害

鎳在生物體中雖具有重要的生理學功能，但過量的鎳攝入對植物和動物均可產生嚴重的不良影響[6, 22,23]。

一般植物體內的鎳含量為0.1～1.0 mg/kg（干重），許多靈敏性植物鎳的中毒濃度為10 mg/kg，其他作物大于50 mg/kg。Ni2+易被大多數植物吸收，并能與Ca2+、Mg2+、Fe2+、Zn2+等陽離子產生競爭作用。植物體內的鎳含量過高，會導致植物體內鐵、鋅和錳等元素的缺乏，植物的葉片邊緣失綠并生成灰斑，導致失綠病。鎳的過剩還會抑制農作物根系的生長，土壤中的鎳含量過高會導致植物的生長發育減緩。

動物若過多地攝入鎳，則對動物的心臟、肝臟、腎、肺等許多重要器官，以及神經、免疫、生殖系統都會產生嚴重的危害，進而導致許多重大疾病的發生。鎳的化合物可通過多種途徑透過人體或動物的膜屏障進入體內，然后與組織細胞內的重要生物分子發生相互作用，導致許多毒性反應。硫酸鎳、氯化鎳、氫氧化鎳等多種鎳的化合物被國際癌癥研究機構（IARC）認定為人類確證的致癌物質，過多地接觸這些鎳的化合物會引發肺癌、鼻咽癌等癌癥[6]。

綜合考慮，一方面，我們需要加強鎳資源的回收和高效利用，降低鎳在土壤、水、大氣環境中的暴露；另一方面，為了避免鎳的過多攝入，我們需要加強鎳的開采、冶煉、加工等行業從業人員的勞動防護，加大鎳毒性干預機制的研究力度，尋找鎳中毒的高效解毒藥劑，有效地預防和降低鎳的毒害。