Rich--house.ru

Строительный журнал Rich—house.ru
29 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Никель, свойства атома, химические и физические свойства

Никель и его характеристики

Общая характеристика никеля

Подобно кобальту, никель встречается в природе преимущественно в виде соединений с мышьяком или серой; таковы, например, минералы купферникель NiAs, мышьяковоникелевый блеск NiAsS и др. Никель более распространен, чем кобальт [около 0,01% (масс.) земной коры].

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком (рис. 1), очень тверд, хорошо полируется, притягивается магнитом. Он характеризуется высокой коррозионной стойкостью – устойчив в атмосфере, в воде, в щелочах и ряде кислот. Активно растворяется в азотной кислоте. Химическая стойкость никеля обусловлена его склонностью к пассивированию – к образованию на поверхности оксидных пленок, обладающих сильным защитным действием.

Рис. 1. Никель. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса никеля

Поскольку в свободном состоянии никель существует в виде одноатомных молекул Ni, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 58,6934.

Изотопы никеля

Известно, что в природе никель может находиться в виде пяти стабильных изотопов 58 Ni, 60 Ni, 61 Ni, 62 Niи 64 Ni. Их массовые числа равны 58, 60, 61, 62 и 64 соответственно. Ядро атома изотопа никеля 58 Ni содержит двадцать восемь протонов и тридцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы никеля с массовыми числами от 48-ми до 78-ми, а также восемь мета стабильных состояний, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 59 Ni с периодом полураспада равным 76 тысяч лет.

Ионы никеля

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов никеля выглядит следующим образом:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 .

В результате химического взаимодействия никель отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Молекула и атом никеля

В свободном состоянии никель существует в виде одноатомных молекул Ni. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу никеля:

Энергия ионизации атома, эВ

Радиус атома, нм

Сплавы никеля

Главная масса никеля идет на производство различных сплавов с железом, медью, цинком и др. Металлами. Присадка никеля к стали повышает её вязкость и стойкость против коррозии.

Сплавы на основе никеля можно разделить на жаропрочные (нимоник, инконель, хастелла [свыше 60% никеля, 15-20% хрома и др. металлы]), магнитные (пермаллой [78,5% никеля и 2,5% железа]) и сплавы с особыми свойствами (монель-металл, никелин, константан, инвар, платинит).

Примеры решения задач

Уравнения реакций, протекающих в растворах, изобразите в ионной и сокращенной ионной формах.

Ni 2+ + Zn 0 → Ni 0 + Zn 2+ .

Никель растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием сульфата никеля (II):

Ni 0 + 2H + → Ni 2+ + H2.

Нитрат никеля (II) можно получить по реакции обмена:

Подействовав на нитрат никеля (II) щелочью можно получить гидроксид никеля (II):

Хлорид никеля (II) из гидроксида никеля (II) можно получить по реакции нейтрализации с соляной кислотой:

ЗаданиеКакую массу хлорида никеля (II) можно получить при нагревании 17,7 г никеля и 12 л хлора (н.у.)? Какой объем 0,06М раствора можно приготовить из этой массы соли?
РешениеЗапишем уравнение реакции:

Найдем количество моль никеля (молярная масса – 59 г/моль) и хлора, вступивших в реакцию используя данные указанные в условии задачи:

n (Ni) = m (Ni) / M (Ni);

n (Ni) = 17,7 / 59 = 0,3 моль.

n (Cl2) = 12 / 22,4 = 0,54 моль.

Согласно уравнению задачи n (Ni): n (Cl2) = 1:1. Это означает, что хлор находится в избытке и все дальнейшие расчеты следует вести по никелю. Найдем количество вещества и массу образовавшегося хлорида никеля (II) (молярная масса 130 г/моль):

n (Ni) = n (NiCl2) = 0,3 моль.

m (NiCl2)= 0,3 × 130 = 39 г.

Рассчитаем объем 0,06М раствора, который можно получить из 39 г хлорида никеля (II):

Свойства никеля

Никель является 17-м химическим элементом периодической системы Менделеева с атомным номером 28. Вещество представляет собой переходный металл, отличающийся своею пластичностью и имеющий характерный серебристо-белый окрас. Не проявляет сильной химической активности. Само название вещества в переводе с немецкого означает «горный дух». С никелем люди были знакомы еще в 17-м столетии, однако он еще не был выделен в отдельное вещество. Его встречали в медных рудах во время добычи меди и называли лжемедь (купферникель) от духа гор. Выделение вещества как отдельного металла осуществил Аксель Кростедт в 1751 году и назвал его «никель».

В середине 18 века людям было известно 12 металлов, а также сера, фосфор, углерод и мышьяк. Тогда же к ним добавился и никель, которому был присвоен 17-ый номер.

Характеристика никеля

Новооткрытый элемент нашел свое применение не сразу. Только спустя два столетия люди стали активно использовать металл. Особенно популярным он стал в металлургии. Как выяснилось, никель является отличным легирующим элементом для стали и железа. Так, сплавы с никелем являются очень устойчивыми к различным химическим воздействиям, не поддаются коррозионному повреждению, а также могут выдерживать очень высокие температурные режимы. Например, сплав никеля и железа, который называется в металлургии инвар, не способен расширяться под воздействием высоких температур, это является одной из главных причин, по которой инвар используется для производства рельс для железных дорог и многих других элементов.

Физические свойства никеля

Никель является металлом с характерным желтовато-серебристым оттенком. На открытом воздухе сохраняет свой цвет и блеск, не тускнеет. Твердость металла по Бринеллю составляет 600-800 Мн/м 2 . Не смотря на достаточно высокую свою твердость, металл хорошо поддается различным физическим воздействиям и обработкам, в том числе ковке и полировке. Это позволяет использовать никель для производства очень тонких и деликатных изделий.

Металл имеет магнитные особенности даже в условиях достаточно низких температур (до -340 0 С). Не поддается коррозионному повреждению.

Физические свойства никеля

Атомный номер28
Атомная масса, а.е.м58,69
Атомный диаметр, пм248
Плотность, г/см³8,902
Удельная теплоемкость, Дж/(K·моль)0,443
Теплопроводность, Вт/(м·K)90,9
Температура плавления, °С1453
Температура кипения, °С2730-2915
Теплота плавления, кДж/моль17,61
Теплота испарения, кДж/моль378,6
Молярный объем, см³/моль6,6
Группа металловТяжелый металл

Химические свойства никеля

Никель имеет 28 атомный номер и обозначается в химической номенклатуре символом Ni. Имеет молярную массу 58,6934 г/моль. Атом никеля имеет радиус в 124 пм. Его электроотрицательность по шкале Полинга составляет 1,94, электронный потенциал равен 0,25 В.

Металл не подвергается негативному воздушному и водному воздействию. Это связано с образованием на его поверхности пленки в виде оксида никеля (NiO), которая предотвращает его дальнейшее окисление.

Реагирует с кислородом только при определенных условиях, в частности, при сильном нагревании. В условиях высоких температур способен также взаимодействовать абсолютно со всеми галогенами.

Проявляет бурную реакцию в азотной кислоте, а также в растворах с аммиаком. Однако, некоторые соли, например, соляная и серная, достаточно медленно растворяют металл. А вот в фосфорной кислоте он не растворяется вообще.

Химические свойства никеля

Ковалентный радиус, пм115
Радиус иона, пм(+2e) 69
Электроотрицательность (по Полингу):1,91
Электродный потенциал:
Степени окисления:3, 2, 0

Получение никеля

Основным материалом для добычи никеля являются именно сульфидные медно-никелевые руды. Так, именно из таких руд получают порядка 80 % никеля от общего производства в мире, без учета России. Руды подвергаются селективному обогащению флотацией, после чего из руды выделяется медный, никелевый, а также пирротиновый концентраты.

Для получения чистого металла используется никелевый рудный концентрат, который наряду с флюсами подвергается плавлению в электрических шахтах или отражательных печах. В результате данного процесса отделяется пустая порода и извлекается никель в виде штейна, в составе которого находится до 15% никеля.

Иногда перед тем, как отправить на плавление концентрат, его подвергают обжигу и окускованию. В составе сульфидного расплава (штейна) после процесса плавки также обнаруживаются Fe, Со и практически полностью Сu, а также благородные металлы. Далее отделяется железо, после чего остается сплав, в составе которого присутствуют медь и никель. Сплав подвергается медленному охлаждению, после чего тонко измельчается и отправляется на дальнейшую флотацию с целью разделения этих двух элементов. Cu и Ni также можно разделить так называемым карбонильным процессом, в основе которого лежит обратимость реакции.

Наиболее распространенными считаются три способа получения никеля:

  1. Восстановительный. За основу берется силикатная руда, из которой с участием угольной пыли образуются железно-никелевые окатыши, содержащие от 5% до 8% никеля. Для этого процесса используются вращающиеся трубчатые печи. После этого окатыши очищаются от серы, прокаливаются и обрабатываются раствором аммиака, из которого и получают после подкисления никель.
  2. Карбонильный. Данный метод еще называют методом Монда. Основан на получении медно-никелевого штейна из сульфидной руды. Над штейном под высоким давлением пропускается СО, в результате чего образуется тетракарбонилникель, из которого под воздействием высоких температур происходит выделение особо чистого никеля.
  3. Алюминотермический. Данный способ основан на восстановлении никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O3

Соединения никеля

Никель образует множество различных соединений, как органических, так и неорганических, каждое из которых применяется в определенных областях человеческой деятельности.

Неорганические соединения никеля

Среди таковых стоит отметить оксиды. В частности его монооксид, образование которого происходит в результате реакции металла и кислорода при достаточно высокой температуре, превышающей 500 0 С, используется в качестве материала, из которого изготавливают краски и эмали в керамическом и стекольном производстве. А при производстве анодов, которые применяются в щелочных аккумуляторах, используется сесквиоксид никеля Ni2O3. Для его получения нитрат никеля или хлорат никеля подвергают очень медленному нагреванию.

Не последнее место отводится и гидроксидам никеля. Например, Ni(OH)2 образуется в результате воздействия щелочей на водные растворы солей никеля. Для данного гидроксида характерен светло-зеленый цвет. Из гидроксида никеля под воздействием окислителя в щелочной среде образуется гидратированный оксид, на основе которого происходит работа щелочного аккумулятора Эдисона. Преимуществом данного аккумулятора является его способность на протяжении длительного времени находится незаряженным, в то время, как обычный свинцовый аккумулятор не может пребывать долго в незаряженном состоянии.

Соли никеля (ІІ), как правило, образуются в результате взаимодействия NiO или Ni(OH)2 c разнообразными кислотами. Растворимые соли никеля, в большинстве случаев, образуют кристаллогидраты. Нерастворимыми солями являются фосфат Ni3(PO4)2 и силикат Ni2SiO4. Для кристаллогидратов и растворов характерен зеленоватый окрас, а безводные соли характеризуются желтым или коричнево-желтым цветом.

Также существуют комплексные соединения никеля (II). Для их образования растворяется оксид никеля в растворе аммиака. Диметилглиоксимат никля Ni(C4H6N2O2)2 применяется в качестве реакции на ионы никеля. Для него характерно окрашивание кислой среды в красный цвет.

Наименее характерными соединениями никеля выступают соединения никеля (III). Из таковых известно вещество черного цвета, которое получается в результате реакции окисления гидроксида никеля (II) в щелочной среде гипохлоритом или галогенами:

Органические соединения никеля

Связь Ni-C осуществляется двумя способами:

  1. По у-типу. Такие соединения называются у-комплексами. К ним относятся соединения, имеющие следующий вид: [Ni(R2)L2] и [NiX(R)L2], где R=Alk или Ar, L=PR3, где Х – ацидолиганд.
  2. По р-типу. Именуются р-комплексами. К ним относятся алкеновые и полиеновые никельорганические соединения, в состав которых входит никель в нулевой степени окисления. Такие соединения характеризуются, как правило, тригональной или тетраэдрической структурой.

Никель: характеристика металла, свойства и применение на практике

Главная страница » Никель: характеристика металла, свойства и применение на практике

Никель (Ni, атомный № 28) – химический элемент, один атом которого содержит 28 протонов, 28 электронов и от 30 до 36 нейтронов, в зависимости от изотопа. Существует пять стабильных изотопов: 58 (68%), 60 (26%), 62 (4%), 61 (1%), 64 (около 1%). Температура плавления никеля составляет 1450°C, относительная атомная масса 58,69 при плотности 8,9.

Общий взгляд на никель как на металл

В обычной жизни о существовании этого металла могут напоминать мельхиоровые монеты – денежные средства, широко распространённые в социуме. Либо перезаряжаемые батареи мобильных телефонов с коими часто приходится иметь дело.

Однако это всего лишь малая часть всей массы распространённых применений металла, несравнимого по ценности с золотом, серебром и другими химическими элементами.

Никель по ценности, конечно же, уступает золоту и серебру, оценивается не на таком высоком уровне, как, например, высокотехнологичные аэрокосмические металлы — алюминий и титан. Тем не менее, металлу тоже находится применение в той же аэрокосмической сфере и в других областях.

Рассмотрим внимательнее этот химический элемент с целью получения всеобъемлющей информации для потенциального использования.

Никель широко использовался в сплавах (например, мельхиор монетный) на протяжении тысячелетий, однако был признан химическим элементом лишь в 1751 году. Первые упоминания об этом химическом элементе принадлежат шведскому химику — барону Аксель Фредерик Кронштедту.

Примерно такой выглядит внешне менералсодержащая руда — никколит, из которой в своё время разработчики горных пород пытались извлечь медь, но получили совсем другой результат

Именно этот учёный первым получил чистое вещество из руды красноватого оттенка — никколита. Минералсодержащая порода никколит получила своё название благодаря внешнему виду, напоминающему медную руду.

Однако реальной меди такой минерал не содержит. На ранних этапах добычи, пытавшиеся извлечь медь из такой руды шахтёры, называли продукт изысканий «Old Nick». Это название несколько изменённое (niccolite) так и закрепилось в дальнейшем.

Современное представление химических элементов периодической таблицей Менделеева показывает никель среди переходных элементов (металлов) 10 группы. Химический элемент по составу достаточно близок к железу в некоторых отношениях, и очень похож на медь в других отношениях.

В принципе, не удивительно, учитывая, что никель находится в периодической таблице ровно посередине между этими металлами.

Потенциальные области добычи и получения

Среди химических элементов земной коры никель числится вполне обычным компонентом, но значительная доля этого вещества находится за границами земного мира в буквальном смысле. Так, практически все метеориты, когда-либо упавшие на Землю, традиционно содержали никель.

Метеоритный осколок, где обнаружен высокий процент содержания никеля. Как правило, анализ практически всех метеоритных осколков подтверждается положительными результатами теста

Это в достаточной степени распространённый металл среди наиболее распространенных элементов в земной коре, который имеет порядковый номер 22 (примерно в два раза встречается чаще меди) по рейтингу присутствия.

Большая часть никеля добывается из целого ряда минералсодержащих руд:

  • пентландита и пирротина (железо-никелевые сульфиды — две наиболее важные никелевые руды),
  • гарниерита (водный силикат),
  • миллерита (сульфид)
  • никколита (арсенид).

Ведущими производителями никеля выступают страны:

  • Индонезия
  • Филиппины
  • Канада
  • Новая Каледония

Несколько сниженные объёмы добычи демонстрируют Австралия и Россия. Далее идут Соединенные Штаты, несмотря на отсутствие в этой стране активных никелевых рудников.

Относительно небольшое количество никеля производственные сферы США добывают в качестве побочного продукта на медных и палладий-платиновых рудниках. Мировые запасы никеля в целом составляют примерно 130 млн. тонн на суше, и куда большие объёмы на дне океана, если отталкиваться от этой цифры.

Один из рудников Новой Каледонии, где осуществляется активная добыча руды для промышленной сферы. На уровне промышленного производства выполняется переработка в чистый металл или сплавы

Как и некоторые другие металлы, химический элемент допустимо извлекать из руды при помощи:

  • технологии плавки (нагревания внутри доменной печи),
  • электролизом (расщепление руды на составляющие путём пропускания электрического тока через раствор),
  • путём взаимодействия с кислотами (процесс Монда).

Физические и химические свойства никеля

Никель характеризуется типичным металлом: твёрдым при повседневных температурах, достаточно прочным и крепким, податливым (в обработке) и пластичным (вытягивается в провод). Металл легко полируется, демонстрирует хорошие показатели в качестве проводника тепла и электричества, в достаточной степени обладает магнитными свойствами.

По параметрам прочности и ударной вязкости никель схож с железом (правде, менее магнитный). При этом металл в значительной степени более устойчив к влиянию коррозии и окислению (поэтому в этом плане больше схож с медью). Кристаллы никеля имеют гранецентрированную кубическую структуру.

Так выглядит внешне миллерит – минералсодержащая руда, из которой также выполняется добыча популярного химического элемента с последующей переработкой в чистый продукт или сплавы

Среди химических свойств выделяется относительно низкая реактивность. Металл реагирует на воздействие сильных кислот, но остаётся нейтральным в реакции по отношению к щелочам. Именно поэтому никель часто применяют для выравнивания контейнеров под щелочные вещества.

Применение химического элемента под разные нужды

Подавляющее большинство производимого металла используется как составная часть сплавов. Только относительно небольшой объём производства применяется как чистый никель. В мире примерно две трети всего производимого металла используется в процессе производства нержавеющей стали.

Достаточно твёрдая и устойчивая к влиянию коррозии никелевая сталь (содержание никеля около 3%) является важным компонентом производства широкого ассортимента автомобильных деталей (запчастей), включая клапаны и приводные валы различных видов.

Цветные сплавы (где нет содержания железа) также выступают распространённым материалом, где применяется никель. Мельхиор (изготовление монет) – один из примеров сплава, где содержится три четверти меди и одна четверть никеля.

Другие никелевые сплавы включают нитинол с памятью формы, сочетающий никель с титаном (например, оправы очков). Также имеет место широкий спектр высокотехнологичных аэрокосмических «суперсплавов» (работают при очень высоких температурах).

Рабочее колесо турбины с лопастями, обработанными никелевым покрытием с целью дополнительной защиты и усиления эксплуатационных свойств

Турбинные лопасти (используются в конструкциях реактивных двигателей, паровых турбин), как правило, обрабатываются никелевым напылением с целью придания большей прочности и организации защитного покрытия под коррозионную стойкость. Химический элемент также используется:

  • для гальванических металлов,
  • в порошкообразной форме для производства катализаторов (веществ, ускоряющих химические реакции),
  • для изготовления никелевой сетки под печать на текстиле и др.

Важные соединения никеля включают нитраты, хлориды, сульфаты, используемые в гальванике. Оксиды никеля используются в конструкциях батарей питания и топливных элементов. Никель-ферриты широко применяются для изготовления электромагнитных деталей силовых трансформаторов и прочей электроаппаратуры.

Свойства, характеристики и особенности состава никеля

Никель характеризуется отличной коррозионной стойкостью, высокой прочностью, эстетической привлекательностью и способностью принимать любую заданную ему форму. Благодаря своим свойствам этот металл давно применяется в строительстве. Более 60% никеля идет на производство нержавеющей стали.

С участием никеля строят дома, выполняют интересный архитектурный дизайн, делают отделку стен и изготавливают водосточные трубы. Никель присутствует в нашей жизни повсеместно. Поэтому сегодня мы рассмотрим его состав, структуру и свойства никеля.

Структура и состав

Никель имеет белый цвет с серебристым оттенком. Этот металл часто сочетается с другими материалами. В результате образуются сплавы.

  • Никель содержится в пище, земной коре, воде и даже в воздухе.
  • Никель имеет гранецентрированную кубическую решетку (а = 3,5236А). В обычном состоянии он представлен в форме β-модификации. При катодном распылении переходит в α-модификацию с гексагональной решеткой. Если далее нагреть никель до 200°C, то его решетка станет кубической.
  • У никеля недостроенная 3d-электронной оболочка, поэтому его относят к переходным металлам.
  • Элемент никель входит в состав самых важных магнитных сплавов и материалов, у которых коэффициент теплового расширения минимален.

Далее мы погорим про магнитные, технологические свойства никеля, его механические,физические и технические характеристики.

Свойства никеля

Плотность и масса

Никель относится к ряду тяжелых металлов. Его плотность в два раза больше, чем у металла титан, но равна по числовому значению плотности меди.

Численное значение удельной плотности никеля составляет 8902 кг/м3. Атомная масса никеля: 58,6934 а. е. м. (г/моль).

Механические характеристики

Никель обладает хорошей ковкостью и тягучестью. Благодаря этим характеристикам он легко подвергается прокату. Из него довольно просто получить тонкие листы и небольшие трубы.

Известны следующие механические характеристики никеля:

  • Повышенная прочность.
  • Предел прочности равный 450 МПа.
  • Высокопластичность материала.
  • Коррозионная стойкость.
  • Высокая температура плавления.
  • Высокая каталитическая способность.

Механические характеристики описываемого металла зависят от наличия примесей. Самыми опасными и вредными считается сера, свинец, висмут, цинк и сурьма. Если никель насытить газами, то его механические свойства станут хуже.

Тепло- и электропроводность

  • Металл никель имеет следующую теплопроводность: 90,1 Вт/(м·К) (при температуре 25°C).
  • Электропроводность никеля равна 11 500 000 Сим/м.

Коррозионная стойкость

Под коррозионной стойкостью понимается способность металла при воздействии на него агрессивной среды противостоять разрушению. Никель относиться к материалам с высокой стойкостью к коррозии.

Никель не покрывается ржавчиной в нижеперечисленных средах:

  • Окружающая атмосфера. Никель обладает хорошей устойчивостью к высоким температурам. Если никель находится в условиях промышленной атмосферы, то он всегда покрывается тонкой пленкой, которая приводит к потускнению никеля.
  • Щелочи в горячем и холодном виде, а так же их расплавленные состояния.
  • Органические кислоты.
  • Неорганические кислоты.

Кроме этого, ржавчиной никель не покрывается в горячих спиртах и жирных кислотах. Благодаря этому этот металл широко используют в пищевой промышленности.

Химическая промышленность то же широко использует никель. Это происходит благодаря коррозионной стойкости никеля к воздействию высокой температуры и большой концентрации растворов.

Никель подвержен коррозии при следующих окружающих его условиях:

  • Морская вода.
  • Щелочные растворы гипохлоритов.
  • Сера или любая среда, содержащая серу.
  • Растворы окислительных солей.
  • Гидрат аммиака и аммиачная вода.

Токсичность никеля рассмотрена ниже.

Температуры

Известны следующие термодинамические свойства никеля:

  • Температура плавления никеля: 1726 K или 2647 °F или 1453 °C.
  • Температура кипения никеля: 3005 K или 4949 °F или 2732 °C.
  • Температура литья: 1500-1575 °C.
  • Температура отжига: 750 — 900 °C.

Токсичность и экологичность

В больших количествах никель оказывает токсичное действие на организм. Если речь идет о приеме его с пищей, то повышенное содержание этого элемента обязательно вызовет угрозу для здоровья.

Часто встречающие негативное последствие от переизбытка никеля – это аллергия. Так же при воздействии этого металла (в больших количествах) на организм возникают расстройства желудка и кишечника, обязательно повышается содержание эритроцитов. Никель может вызвать хронический бронхит, почечный стресс и нарушение работы легких. Переизбыток никеля провоцирует рак легкого.

Если вода для питья содержит 250 частиц никеля на миллион частиц воды, то такое содержание может вызвать болезнь крови и проблемы с почками. Однако это довольно редко явление.

Никель содержится в табачном дыме. Вдыхание этого дыма или пыли с содержанием никеля приводит к бронхиту и нарушению функционирования легких. Получить это вещество возможно в условиях вредного производства или в неблагоприятных экологически районах.

Токсичность никеля представляет собой опасность только в случае попадания в организм человека в больших количествах. Если никель используется в промышленности и в строительных делах, то он не опасен.

Другие характеристики

Еще никель имеет следующие характеристики:

  • Удельное электрическое сопротивление никеля равное 68,8 ном·м.
  • В химическом плане никель схож с железом, кобальтом, купрумом и некоторыми благородными металлами.
  • Никель взаимодействует с кислородом при температуре в 500 С.
  • Если никель переходит в мелкодисперсное состояние, то он может самовоспламениться.
  • Никель не реагирует с азотом даже при условии очень высокой температуры.
  • Никель медленнее чем железо растворяется в кислотах.

Никель

Никель — металл с атомным номером 28. Обозначается символом Ni. Он имеет серебристо-белый оттенок, в нормальных условиях покрывается оксидной пленкой. Благодаря своей пластичности, никель легко поддается ковке.

Физические свойства

Никель — ферромагнетик, то есть при температуре ниже точки Кюри он обладает намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля. Для никеля точка Кюри составляет 358 ⁰С. Металл не тускнеет на открытом воздухе.

Основные физические свойства никеля:

  • Структура решетки — кубическая гранецентрированая.
  • Плотность при нормальных условиях — 8,902 г/см3.
  • Температура плавления — 1453 ⁰С.
  • Удельная теплота плавления — 17,61 кДж/моль.
  • Температура кипения – 3000 ⁰С.
  • Удельная теплота испарения — 378,6 кДж/моль.
  • Молярная теплоемкость — 26,1 Дж/(K*моль)
  • Удельная теплоемкость — 0,440 кдж/(кг*К).
  • Теплопроводность — 90,9 Вт/(м*К).
  • Удельное электрическое сопротивление — 0,0684 мкОм*м.

История

Никель был официально открыт в 1751 году химиком Акселем Кронстедтом, который нашел его в кобальтовой земле. Однако еще раньше его раскапывали в горах Саксонии. Горняки использовали руду, содержащую никель, для изготовления стекла. По внешним признакам саксонцы сначала принимали эту руду за серебряную и пытались переплавить ее в драгоценный металл, но этого не получалось. Кроме того, при плавлении из руды выделялся ядовитый газ, который наносил вред горнякам. Неудачу потерпели и попытки добыть из этой руды медь.

В итоге в конце XVII в. саксонцы назвали руду «купферникель», что в переводе означает «медный дьявол». Это связано с тем, что горняки считали выделение ядовитого газа происками злых духов, обитавших в горах. Именно купферникель исследовал Аксель Кронстедт в 1751 году. Он получил из него окисел зеленого цвета и восстановил его до металла, который до этого не был известен науке. Химик назвал этот металл никелем.

В 1775 году Торберн Улаф Бергман получил никель в более чистом виде и подробнее описал его свойства. Он выяснил, что по своему составу этот металл больше похож на железо, чем на медь. В конце XVIII – начале XIX вв. многие химики, начиная с Жозефа Луи Пруста, детально изучали никель. В 1804 году немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер получил наконец чистый металл, и никель окончательно утвердился как химический элемент.

Биологическая роль

Никель — микроэлемент, который необходим всем живым организмам. Его среднее содержание в растениях — 0,00005 %, в наземных животных — 0,000001 %, в морских — 0,00016 % массы тела.

Роль никеля в организме изучена не до конца. Известно, что он участвует в ферментативных реакциях и влияет на окислительные процессы. Он содержится в легких, печени, мышцах, поджелудочной и щитовидной железах, некоторых отделах головного мозга. Микроэлемент также накапливается в ороговевших тканях человека, животных и птиц, в том числе в волосах и перьях.

Избыточное содержание никеля в растениях приводит к уродливым формам, в организме животных — к различным глазным заболеваниям (кератоконъюнктивитам, кератитам).

Пары и пыль никеля токсичны и могут вызывать поражения кожи, легких и носоглотки, а частое вдыхание паров металла опасно появлением злокачественных новообразований.

Нахождение в природе и производство

Больше всего никеля содержится в глубоких слоях. В земной коре — его 0,0058%, в ультраосновных породах — 0,2 %. Если верить гипотезе, что земное ядро состоит из никелистого железа, общее содержание никеля в земле составляет примерно 3%. Никель также обнаружен в некоторых метеоритах.

В земной коре этот металл соседствует с железом и магнием, с которыми он имеет сходную валентность. В минералах магния и железа никель содержится в виде изоморфной примеси. Также существует 53 известных науке минерала никеля. Большая часть из них была образована под воздействием давления и высоких температур, например, при застывании магмы. Сульфидные руды, содержащие данный металл, имеют в своем составе медь. Некоторые руды никеля включают железо, серу, мышьяк, кобальт, магний.

Больше всего этого металла добывается на территории России. Крупные никелевые рудники также находятся в Канаде, Австралии, Новой Каледонии, Индонезии и на Кубе.

Больше всего никеля (около 80%) получают из сульфидных медно-никелевых руд, значительно меньше — из силикатных (окисленных) руд.

Химические свойства

Никель химически малоактивен. Он образует поверхностную оксидную пленку, из-за чего устойчив в атмосфере, щелочи, многих кислотах и воде. Металл не подвергается коррозии. Образует два оксида (NiO и Ni2O3) и два гидроксида (Ni(OH)2 и Ni(OH)3).

Хлорид, нитрат, сульфат и нитрат никеля — четыре растворимые соли. Они имеют желтый или желто-коричневый оттенок и окрашивают растворы в зеленый цвет. Фосфат, оксалат и сульфиды никеля (черный, зеленый и бронзовый) — нерастворимые соли.

Металл поглощает газы (углерод, водород и многие другие), которые ухудшают его механические свойства. С кислородом взаимодействует при температуре выше 500 ⁰С.

В мелкодисперсном состоянии никель самовоспламеняется на воздухе. При нагревании соединяется с галогенами. Образует сульфид при горении в сере, а при нагревании оксида NiO с серой получается моносульфид. Металл также вступает в реакцию с азотной кислотой: образуются нитрат никеля и оксид азота.

По химическим свойствам больше всего похож на железо и кобальт, в меньшей степени — на благородные металлы и медь. Он горит только в виде порошка, проявляет переменную валентность в соединениях (чаще всего двухвалентен). Образует комплексные и координационные соединения.

Применение

Наиболее широкая область применения никеля — изготовление сплавов различных металлов. Его сплавляют:

  • Со сталью. Это повышает химическую стойкость сплава: все нержавеющие стали содержат в своем составе никель.
  • С железом. Этот сплав имеет низкий коэффициент термического расширения, благодаря чему он успешно используется для изготовления различных деталей для электроприборов.
  • С кобальтом и магнием. Образуется жаростойкий сплав, который выдерживает высокие температуры до 500 ⁰С и отличается устойчивостью к коррозии.
  • С золотом и серебром. Это так называемое «белое золото» — прочный ювелирный сплав.
  • С хромом. В результате образуется нихром — жаропрочный, крипоустойчивый, пластичный сплав, который хорошо держит форму.
  • С железом, медью и хромом. Этот сплав характеризуется высокой магнитной восприимчивостью.

Сплавы никеля отличаются высокой степенью вязкости, благодаря чему находят применение при изготовлении брони. Многие сплавы используются в газотурбинных установках, конструкциях атомных реакторов. Из них также делают нагревательные элементы и монеты. Сплавы получили широкое применение в производстве аккумуляторов.

Никель используется и в чистом виде: из него изготавливают трубы, листы и др., а в химических лабораториях он служит катализатором многих реакций. Из металла также производят специализированную химическую аппаратуру. Оксид никеля применяется в производстве стекла, керамики и глазурей. Для многих металлов используется никелирование — создание никелевого покрытия с целью защитить от коррозии.

Из никеля делают спирали электронных сигарет, им обматывают струны музыкальных инструментов. В медицине этот элемент используется для протезирования и изготовления брекет-систем.

Никель

Ni28
58,6934
[Ar]3d 8 4s 2
Никель

Никель —элемент побочной подгруппы восьмой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (Niccolum). Простое вещество никель (CAS-номер: 7440-02-0) — это пластичный ковкий переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой защитной пленкой оксида. Химически малоактивен.

Никель (Nickel) открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную руду и применялась в стекловарении для окраски стекол в зеленый цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руда получила название купферникель (Kupfernickel), что приблизительно означает «дьявольская руда». Руду эту (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог Кронштедт. Ему удалось получить зеленый окисел и путем восстановления последнего — новый металл, названный никелем. Когда Бергман получил металл в более чистом виде, он установил, что по своим свойствам металл похож на железо; более подробно никель изучали многие химики, начиная с Пруста. Никкел — ругательное слово на языке горняков. Оно образовалось из искаженного Nicolaus — родового слова, имевшего несколько значений. Но главным образом слово Nicolaus служило для характеристики двуличных людей; кроме того, оно обозначало «озорной маленький дух», «обманчивый бездельник» и т. д. В русской литературе начала XIX в. употреблялись названия николан (Шерер, 1808), николан (Захаров, 1810), николь и никель (Двигубский, 1824).

Название

Никель получил своё название от гнома Ника, который, согласно французской мифологии, подбрасывал искателям серебра похожий на серебро метал.

Нахождение в природе

Никель довольно распространён в природе — его содержание в земной коре составляет ок. 0,01 %(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (до 8 %). Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

  • никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) NiAs
  • хлоантит (белый никелевый колчедан) (Ni, Co, Fe)As2
  • гарниерит (Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6*H2O и другие силикаты
  • магнитный колчедан (Fe, Ni, Cu)S
  • мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) NiAsS,
  • пентландит (Fe,Ni)9S8

В растениях в среднем 5•10 −5 весовых процентов никеля, в морских животных — 1,6•10 −4 , в наземных — 1•10 −6 , в человеческом организме — 1…2•10 −6 . О никеле в организмах известно уже немало. Установлено, например, что содержание его в крови человека меняется с возрастом, что у животных количество никеля в организме повышено, наконец, что существуют некоторые растения и микроорганизмы — «концентраторы» никеля, содержащие в тысячи и даже в сотни тысяч раз больше никеля, чем окружающая среда.

Получение

Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 г. оцениваются в количестве 135 млн т., в том числе достоверные — 49 млн.т. Основные руды никеля — никелин (купферникель) NiAs, миллерит NiS, пентландит (FeNi)9S8 — содержат также мышьяк, железо и серу; в магматическом пирротине также встречаются включения пентландита. Другие руды, из которых тоже добывают Ni, содержат примеси Co, Cu, Fe и Mg. Иногда никель является основным продуктом процесса рафинирования, но чаще его получают как побочный продукт в технологиях других металлов. Из достоверных запасов, по разным данным, от 40 до 66 % никеля находится в «окисленных никелевых рудах» (ОНР), 33 % — в сульфидных, 0,7 % — в прочих. По состоянию на 1997 г. доля никеля, произведённого переработкой ОНР, составила порядка 40 % от общемирового объёма производства. В промышленных условиях ОНР делят на два типа: магнезиальные и железистые.

Тугоплавкие магнезиальные руды, как правило, подвергают электроплавке на ферроникель (5-50 % Ni+Co, в зависимости от состава сырья и технологических особенностей).

Наиболее железистые — латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с применением аммиачно-карбонатного выщелачивания или сернокислотного автоклавного выщелачивания. В зависимости от состава сырья и применяемых технологических схем конечными продуктами этих технологий являются: закись никеля (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические никель электролитный, никелевые порошки и кобальт.

Менее железистые — нонтронитовые руды плавят на штейн. На предприятиях, работающих по полному циклу, дальнейшая схема переработки включает конвертирование, обжиг файнштейна, электроплавку закиси никеля с получением металлического никеля. Попутно извлекаемый кобальт выпускают в виде металла и/или солей. [2] Еще один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии — до 78 кг никеля на тонну. Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, пефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

  1. Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей (5—8 % Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.
  2. Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель [Ni(CO)4], термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.
  3. Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O3

Физические свойства

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень тверд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом, проявляя магнитные свойства при температурах ниже 340 °C.

Химические свойства

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d 8 4s 2 . Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).

Никель образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом никель со степенью окисления +3 только в виде комплексных солей. Для соединений никеля +2 известно большое количество обычных и комплексных соединений. Оксид никеля Ni2O3 является сильным окислителем.

Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью — устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию — образованию на его поверхности плотной оксидной пленки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в азотной кислоте.

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)4.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Никель горит только в виде порошка. Образует два оксида NiO и Ni2O3 и соответственно два гидроксида Ni(OH)2 и Ni(OH)3. Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Растворы окрашены обычно в зеленый цвет, а безводные соли — желтые или коричнево-желтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зеленые), три сульфида NiS (черный), Ni2S3 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (черный). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C4H6N2O2)2, дающий четкую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля

Водные растворы солей никеля(II) содержат ион гексаакваникеля(II) [Ni(H2O)6] 2+ . При добавлении к раствору, содержащему эти ионы, аммиачного раствора происходит осаждение гидроксида никеля (II), зеленого желатинообразного вещества. Этот осадок растворяется при добавлении избыточного количества аммиака вследствие образования ионов гексамминникеля(II) [Ni(NH3)6] 2+ .

Никель образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат (II) [NiCl4] 2- имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат(II) [Ni(CN)4] 2- имеет плоскую квадратную структуру.

В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля (II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названием диметилглиоксима. При его взаимодействии с ионами никеля (II) образуется красное координационное соединение бис(бутандиондиоксимато)никель(II). Это — хелатное соединение и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

Применение

Сплавы Никеля

Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

— Монель-металл (65 — 67 % Ni + 30 — 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив;
— Нихром, сплав сопротивления (60 % Ni + 40 % Cr);
— Пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;
— Инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании.

К сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина.

Никелирование

Никелирование — создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 — 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).

Бестоковое никелирование проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) и гипофосфита натрия в присутствии цитрата натрия:

Процесс проводят при рН 4 — 6 и 95 °C.

Производство аккумуляторов

Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

Радиационные технологии

Нуклид 63 Ni, излучающий β + -частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах.

Никель (хим. элемент)

Н и кель (лат. Niccolum), Ni, химический элемент первой триады VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 28, атомная масса 58,70; серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. Природный никель состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 58 Ni (67,76%), 60 Ni (26,16%), 61 Ni (1,25%), 63 Ni (3,66%), 64 Ni (1,16%).

Историческая справка. Металл в нечистом виде впервые получил в 1751 шведский химик А. Кронстедт, предложивший и название элемента. Значительно более чистый металл получил в 1804 немецкий химик И. Рихтер. Название «никель» происходит от минерала купферникеля (NiAs), известного уже в 17 в. и часто вводившего в заблуждение горняков внешним сходством с медными рудами (нем. Kupfer — медь, Nickel — горный дух, якобы подсовывавший горнякам вместо руды пустую породу). С середины 18 в. никель применялся лишь как составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое развитие никелевой промышленности в конце 19 в. связано с нахождением крупных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии и в Канаде и открытием «облагораживающего» его влияния на свойства сталей.

Распространение в природе. Никель — элемент земных глубин (в ультраосновных породах мантии его 0,2% по массе). Существует гипотеза, что земное ядро состоит из никелистого железа; в соответствии с этим среднее содержание никеля в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где никеля 5,8 × 10 -3 %, он также тяготеет к более глубокой, так называемой базальтовой оболочке. Ni в земной коре — спутник Fe и Mg, что объясняется сходством их валентности (II) и ионных радиусов; в минералы двухвалентных железа и магния никель входит в виде изоморфной примеси. Собственных минералов никеля известно 53; большинство из них образовалось при высоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения никеля связаны с процессами в магме и коре выветривания. Промышленные месторождения никеля (сульфидные руды) обычно сложены минералами никеля и меди (см. Никелевые руды). На земной поверхности, в биосфере никель — сравнительно слабый мигрант. Его относительно мало в поверхностных водах, в живом веществе. В районах, где преобладают ультраосновные породы, почва и растения обогащены никелем.

Физические и химические свойства. При обычных условиях никель существует в виде b -модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решётку (a = 3,5236 ). Но никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере H2, образует a -модификацию, имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки (а = 2,65 , с = 4,32 ), которая при нагревании выше 200 °С переходит в кубическую. Компактный кубический никель имеет плотность 8,9 г/см 3 (20 °С), атомный радиус 1,24 , ионные радиусы: Ni 2+ 0,79 , Ni 3+ 0,72 ; tпл 1453 °С; tkип около 3000 °С; удельная теплоёмкость при 20 °С 0,440 кдж/(кг·К) [0,105 кал/(г°С)]; температурный коэффициент линейного расширения 13,310 -6 (0—100 °С); теплопроводность при 25 °С 90,1 вмl (м·K) [0,215 кал/(см·сек· о С)]; то же при 500 °С 60,01 вм/(м·К) [0,148 кал/см (сек· о С)]. Удельное электросопротивление при 20 °С 68,4 ном·м, т. е. 6,84 мком·см; температурный коэффициент электросопротивления 6,8 × 10 -3 (0—100 °С).

Никель — ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400—500 Мн/м 2 (т. е. 40—50 кгс/мм 2 ), предел упругости 80 Мн/м 2 , предел текучести 120 Мн/м 2 ; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м 2 ; твёрдость по Бринеллю 600—800 Мн/м 2 . В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует Кюри точке) никель ферромагнитен. Ферромагнетизм никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d 8 4s 2 ) его атомов. Никель вместе с Fe (3d 6 4s 2 ) и Со (3d 7 4s 2 ), также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d-электронной оболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которого для атомов никеля составляет 6 m Б, где m Б — Бора магнетон. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах никеля приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений никеля (окислы, галогениды и др.) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой, см. Магнитная структура). Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монель-металл, инвар и др.).

В химическом отношении Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами. В соединениях проявляет переменную валентность (чаще всего 2-валентен). Никель — металл средней активности, Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H2, CO и др.); насыщение никеля газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 °С; в мелкодисперсном состоянии никель пирофорен — на воздухе самовоспламеняется. Из окислов наиболее важна закись NiO — зеленоватые кристаллы, практически нерастворимые в воде (минерал бунзенит). Гидроокись выпадает из растворов никелевых солей при прибавлении щелочей в виде объёмистого осадка яблочно-зелёного цвета. При нагревании никеля соединяется с галогенами, образуя NiX2. Сгорая в парах серы, даёт сульфид, близкий по составу к Ni3S2. Моносульфид NiS может быть получен нагреванием NiO с серой.

С азотом никель не реагирует даже при высоких температурах (до 1400 °С). Растворимость азота в твёрдом никеле приблизительно 0,07% по массе (при 445 °С). Нитрид Ni3N может быть получен пропусканием NH3 над NiF2, NiBr2 или порошком металла при 445 °С. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni3P2 в виде серой массы. В системе Ni — As установлено существование трёх арсенидов: Ni5As2, Ni3As (минерал маухерит) и NiAs. Структурой никель-арсенидного типа (в которой атомы As образуют плотнейшую гексагональную упаковку, все октаэдрические пустоты которой заняты атомами Ni) обладают многие металлиды. Неустойчивый карбид Ni3C может быть получен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка никеля в атмосфере CO при 300 °С. В жидком состоянии никель растворяет заметное количество С, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении графита никель теряет ковкость и способность обрабатываться давлением.

В ряду напряжений Ni стоит правее Fe (их нормальные потенциалы соответственно —0,44 в и —0,24 в) и поэтому медленнее, чем Fe, растворяется в разбавленных кислотах. По отношению к воде никель устойчив. Органические кислоты действуют на никель лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют никель; разбавленная азотная — очень легко; концентрированная HNO3 пассивирует никель, однако в меньшей степени, чем железо.

При взаимодействии с кислотами образуются соли 2-валентного Ni. Почти все соли Ni (II) и сильных кислот хорошо растворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Труднорастворимы соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная и фосфорная. Большинство солей никеля разлагается при прокаливании (600—800 °С). Одна из наиболее употребительных солей — сульфат NiSO4 кристаллизуется из растворов в виде изумруднозелёных кристаллов NiSO4 × 7H2O — никелевого купороса. Сильные щёлочи на никель не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (NH4)2CO3 с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства из них характерно наличие комплексов [Ni (NH3)6] 2 + и [Ni (OH)2(NH3)4]. На избирательном образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения никеля из руд. NaOCI и NaOBr осаждают из растворов солей Ni (II), гидроокись Ni (OH)3 чёрного цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно 2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (C4H7O2N)2Ni служит для аналитического определения Ni.

При повышенных температурах никель взаимодействует с окислами азота, SO2 и NH3. При действии CO на его тонкоизмельчённый порошок при нагревании образуется карбонил Ni (CO)4 (см. Карбонилы металлов). Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый никель.

Получение. Около 80% никеля от общего его производства (без СССР) получают из сульфидных медно-никелевых руд. После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавят в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10—15% Ni. Обычно электроплавке (основной метод плавки в СССР) предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Сu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni — файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu, и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового никеля отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном никеле (марка 110) 0,01%.

Для разделения Cu и Ni используют также т. н. карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции:

Получение карбонила проводят при 100—200 атм и при 200—250 °С, а его разложение — без доступа воздуха при атмосферном давлении и около 200 °С. Разложение Ni (CO)4 используют также для получения никелевых покрытий и изготовления различных изделий (разложение на нагретой матрице).

В современных «автогенных» процессах плавка осуществляется за счёт тепла, выделяющегося при окислении сульфидов воздухом, обогащенным кислородом. Это позволяет отказаться от углеродистого топлива, получить газы, богатые SO2, пригодные для производства серной кислоты или элементарной серы, а также резко повысить экономичность процесса. Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов. Всё более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислорода при повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно никель переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением).

Из силикатных (окисленных) руд никель также может быть сконцентрирован в штейне при введении в шихту плавки флюсов — гипса или пирита. Восстановительно-сульфидирующую плавку проводят обычно в шахтных печах; образующийся штейн содержит 16—20% Ni, 16—18% S, остальное — Fe. Технология извлечения никеля из штейна аналогична описанной выше, за исключением того, что операция отделения Cu часто выпадает. При малом содержании в окисленных рудах Со их целесообразно подвергать восстановительной плавке с получением ферроникеля, направляемого на производство стали. Для извлечения никеля из окисленных руд применяют также гидрометаллургические методы — аммиачное выщелачивание предварительно восстановленной руды, сернокислотное автоклавное выщелачивание и др.

Применение. Подавляющая часть Ni используется для получения сплавов с др. металлами (Fe, Сг, Cu и др.), отличающихся высокими механическими, антикоррозионными, магнитными или электрическими и термоэлектрическими свойствами. В связи с развитием реактивной техники и созданием газотурбинных установок особенно важны жаропрочные и жаростойкие хромоникелевые сплавы (см. Никелевые сплавы). Сплавы никеля используются в конструкциях атомных реакторов.

Значительное количество никеля расходуется для производства щелочных аккумуляторов и антикоррозионных покрытий. Ковкий никель в чистом виде применяют для изготовления листов, труб и т.д. Он используется также в химической промышленности для изготовления специальной химической аппаратуры и как катализатор многих химических процессов. Никель — весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешёвыми и распространёнными материалами.

Переработка руд никеля сопровождается выделением ядовитых газов, содержащих SO2 и нередко As2O3. Очень токсична CO, применяемая при рафинировании никеля карбонильным методом; весьма ядовит и легко летуч Ni (CO)4. Смесь его с воздухом при 60 °С взрывается. Меры борьбы: герметичность аппаратуры, усиленная вентиляция.

Никель в организме является необходимым микроэлементом. Среднее содержание его в растениях 5,0·10 -5 % на сырое вещество, в организме наземных животных 1,0 × 10 -5 %, в морских — 1,6 × 10 -5 %. В животном организме никель обнаружен в печени, коже и эндокринных железах; накапливается в ороговевших тканях (особенно в перьях). Физиологическая роль никеля изучена недостаточно. Установлено, что никель активирует фермент аргиназу, влияет на окислительные процессы; у растений принимает участие в ряде ферментативных реакций (карбоксилирование, гидролиз пептидных связей и др.). На обогащенных никелем почвах содержание его в растениях может повыситься в 30 раз и более, что приводит к эндемическим заболеваниям (у растений — уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные с повышенным накоплением никеля в роговице: кератиты, кератоконъюнктивиты).

Лит.: Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 2 — Металлы, пер. с рум., М., 1972, с. 581—614; Справочник металлурга по цветным металлам, т. 2 — Цветные металлы, М., 1947 (Металлургия никеля, с. 269—392); Войнар А. И., Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека, 2 изд., М., 1960; Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине, т. 1—2, Л., 1970.

Свойства сплавов никеля

Свойства никеля являются важными параметрами для поиска, переработки и сфер применения металла. Они учитываются при формировании составов с другими материалами.

Параметры никеля

Никель – это металл со свойственным ему серебристо-белым цветом. При температуре 1453 °C переходит в жидкое состояние, а кипит при 2732 °C. Никель пластичен, легко поддается обработке под воздействием давления.

Химическое свойство никеля характеризуется способностью образовывать соединения с разной степенью окисления. В естественных условиях на поверхности металла возникает тонкая пленка из оксида.

Металл обладает высоким показателем устойчивости к коррозии. Никель не реагирует с рядом концентрированных кислот и щелочей, но активно растворяется в разбавленной азотной кислоте.

С никелем не вступают в реакцию:

  • инертные газы;
  • литий;
  • калий;
  • натрий;
  • цезий;
  • рубидий;
  • стронций;
  • барий;
  • иридий;
  • цезий.

С углеродным соединением никель образует карбонил — летучий переходный металл, используемый в процессе получения материалов высокого класса чистоты. Порошок никеля способен самовоспламеняться при соприкосновении с воздухом с образованием оксидов.

Никель продуцирует ряд растворимых и нерастворимых солей. Например, раствор сульфата металла придает жидкости зеленую окраску. Нерастворимые соли обычно имеют насыщенный желтый цвет.

Формы нахождения металла

В естественных условиях никель встречается в сочетании с рядом химических элементов, а в форме самородков находится в железных метеоритах.

Содержание металла в составе ультраосновных пород значительно выше, чем в кислых образованиях. В зависимости от условий формирования минералов происходит процесс замещения никелем других элементов (железа, магния).

В гидротермальных условиях никель формирует соединения с мышьяком, кобальтом, серебром. Повышенные концентрации металла связаны с минеральными образованиями-арсенидами и сульфидами.

Сырьем для извлечения ценного компонента являются сульфидные, медно-никелевые руды с содержанием мышьяка:

  • никелин — соединение с мышьяком;
  • хлоантит — белый колчедан, содержащий кобальт и железо;
  • гарниерит — силикатная порода с содержанием магния;
  • магнитный колчедан — соединение серы с железом и медью;
  • герсдорфит — мышьяково-никелевый блеск;
  • пентландит — соединение серы, железа и никеля.


Содержание металла в живых организмах зависит от условий и среды обитания. Некоторые представители флоры и фауны способны концентрировать металл.

Основные месторождения руд находятся в Канаде, Российской Федерации, Албании, ЮАР, на Кубе, в Греции.

Процесс извлечения металла из руд предусматривает применение технологий в зависимости от типа сырья. Иногда никель является второстепенным материалом обогащения породы.

Тугоплавкие руды с содержанием магния подвергают электрической выплавке. Содержащие железо латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическим методом с последующей обработкой щелочными растворами.

Породу с меньшим содержанием железа плавят, подвергают обжигу и электрической выплавке. Попутно извлекают металлический кобальт или его соли. Повышенное содержание металла наблюдается в золе каменных углей в Англии. Этот факт связывают с деятельностью микроорганизмов, концентрирующих никель.

Пластичность и другие физические свойства никелевых составов зависят от чистоты материала. Незначительная примесь серы придает металлу хрупкость. Добавление в расплавленный материал магния очищает смесь от второстепенных примесей с образованием соединения с серой.

Отрасли применения никеля

Физико-химические свойства металла определяют его использование:

  • в изготовлении нержавеющей стали;
  • для формирования сплавов, не содержащих железо;
  • с целью нанесения защитных покрытий на изделия гальваническим способом;
  • для производства химических реактивов;
  • в порошковой металлургии.

Металл применяют при производстве аккумуляторов, с его помощью происходят каталитические процессы химических реакций в промышленном производстве. Сплавы с титаном являются отличным материалом для изготовления протезов и приспособлений для выравнивания зубов.

Состав на основе химического элемента № 28 является сырьем для чеканки монет, изготовления спиралей электронных сигарет. Его используют для обмотки струн музыкальных инструментов.

При изготовлении сердечников для электромагнитов используются составы — пермаллои, включающие 20–60% железа. Никель используется при изготовлении различных деталей и аппаратуры для химической отрасли промышленности.

Оксиды металла применяются при производстве стекла, глазури и керамических изделий. Современное производство специализируется на изготовлении разнообразного проката: проволоки, ленты, фольги, трубок.

Устойчивость к агрессивной среде позволяют использовать прокат из никеля для транспортировки щелочей в химической отрасли.

Инструменты из сплава на основе никеля применяются в медицине и при проведении научных исследований. Металл используется при создании точных приборов для дистанционного управления процессами в атомной энергетике, радиолокационных установок.

Характеристика никелевых сплавов

В составах металл сочетается в основном с железом и кобальтом. Его применяют в качестве лигатурного компонента для производства различных конструкционных видов стали, магнитных и немагнитных сплавов.

Металлические сплавы на основе химического элемента № 28 обладают прочностью, устойчивостью к температурам, деформации, влиянию внешней среды. Их число достигает нескольких тысяч. Самыми распространенными составами являются сочетания с хромом, молибденом, алюминием, титаном, бериллием.

Металл считается лигатурным компонентом золота, придающим ювелирным изделиям характерный белый цвет и прочность. По отношению к этому составу существуют мнения об аллергическом влиянии никеля на кожу.

В сочетании с хромом образуется соединение нихром, обладающее устойчивостью к высокой температуре, минимальным коэффициентом электрического сопротивления, пластичностью.

Его применяют для изготовления нагревательных приборов, деталей, в качестве покрытия. Высокая прочность соединения позволяет подвергать его механической обработке, точению, сварке, штамповке.

Особую группу образуют сплавы, в состав которых включена медь. Среди них самыми популярными являются:

  • монель;
  • латунь;
  • бронза;
  • нейзильбер.

Составы, содержащие химический элемент № 28, применяются в конструкциях атомных реакторов в качестве защитных оболочек для предохранения урановых стержней от влияния среды.

Более века назад было установлено, что железно-никелевый состав, содержащий 28% описываемого металла, теряет свои свойства к намагничиванию. Сплавам, содержащим 36% никеля, свойственен незначительный показатель линейного расширения, что позволяет его применять в изготовлении точных приборов и инструментов.

Этот состав, который обозначается FeNi36, называется инваром, то есть «неизменным». Широкое применение в производстве нашел сплав ковар, содержащий 29%никеля, 17% кобальта и 54% железа.

Он обладает высокой адгезией к расплавленному стеклу, что позволяет использовать состав для изготовления электрических выводов, проходящих через данное вещество.

Металл никель

Никель является жарпочрочным, жаростойким и коррозионностойким металлом, что определяет его применение в качестве конструкционного материала для изделий, подверженных воздействию различных агрессивных сред в том числе при повышенных температурах, а также подверженных механическим нагрузкам при высоких температурах. Помимо этого никель служит является популярным легирующим элементом для сталей и сплавов. На странице представлено описание данного металла: физические свойства, области применения, марки никеля, виды продукции.

Основные сведения о никеле

Никель (Ni) (Niccolum) — химический элемент с атомным номером 28 в периодической системе, ковкий и пластичный металл. Имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, хорошо полируется, притягивается магнитом. Плотность никеля составляет 8,902 г/см 3 , температура плавления tпл. = 1453°С, температура кипения tкип. = 2730-2915°С, данный металл является ферромагнетиком, точка Кюри около 358 °C. На воздухе компактный никель стабилен. Поверхность никеля покрыта тонкой пленкой оксида NiO, которая прочно предохраняет металл от дальнейшего окисления.

В земной коре содержание никеля составляет около 8·10 -3 % по массе. Возможно, громадные количества никеля — около 17·10 19 тонн — заключены в ядре Земли, которое, по одной из распространенных гипотез, состоит из железоникелевого сплава. В морской воде содержание никеля составляет примерно 1·10 -8 -5·10 -8 %.

История открытия никеля

Свойства никеля

Физические свойства никеля

Свойство

Никель
Атомный номер

28
Атомная масса, а.е.м

58,69
Атомный диаметр, пм

248
Плотность, г/см³

8,902
Удельная теплоемкость, Дж/(K·моль)

0,443
Теплопроводность, Вт/(м·K)

90,9
Температура плавления, °С1453
Температура кипения, °С2730-2915
Теплота плавления, кДж/моль17,61
Теплота испарения, кДж/моль378,6
Молярный объем, см³/моль6,6
Группа металловТяжелый металл

Химические свойства никеля

Свойство

Никель
Ковалентный радиус, пм

115
Радиус иона, пм

(+2e) 69
Электроотрицательность (по Полингу):

1,91
Электродный потенциал:

0
Степени окисления:

3, 2, 0

Марки никеля и сплавов

Достоинства / недостатки никеля

    Достоинства:
  • обладает высокой жаропрочностью и жаростойкостью;
  • имеет высокую коррозионную стойкость во многих агрессивных средах.
    Недостатки:
  • имеет высокую стоимость.

Применение никеля

Никель по большей части является составным компонентом различных сплавов. Все нержавеющие стали обязательно содержат никель, так как никель повышает химическую стойкость сплава. Также сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и используются при изготовлении прочной брони. При изготовлении важнейших деталей различных приборов используется сплав никеля с железом (36-38% никеля), обладающий низким коэффициентом термического расширения.

При изготовлении сердечников электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои. Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80% никеля. Из никелевых сплавов чеканятся монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.

Различные металлы никелируют, что позволяет защитить их от коррозии. На металл наносится тонкий никелевый слой, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Вместе с этим никелирование придает изделиям красивый внешний вид.

Никель широко используют при изготовлении различной химической аппаратуры, в кораблестроении, в электротехнике, при изготовлении щелочных аккумуляторов, для многих других целей. Специально приготовленный дисперсный никель находит широкое применение как катализатор самых разных химических реакций. Оксиды никеля используют при производстве ферритных материалов и как пигмент для стекла, глазурей и керамики; оксиды и некоторые соли служат катализаторами различных процессов. Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

Читать еще:  Как пользоваться водяным уровнем: преимущества и сложности
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector