Никель

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
28 КобальтНикельМедь
Ni

Pd
Водород Гелий Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон Натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера Хлор Аргон Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо Кобальт Никель Медь Цинк Галлий Германий Мышьяк Селен Бром Криптон Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Цезий Барий Лантан Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Ртуть Таллий Свинец Висмут Полоний Астат Радон Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Хассий Мейтнерий Дармштадтий Рентгений Коперниций Унунтрий Флеровий Унунпентий Ливерморий Унунсептий УнуноктийПериодическая система элементов
28Ni
Cubic-face-centered.svg
Electron shell 028 Nickel.svg
Внешний вид простого вещества
Никель
Серебристо-белый металл
Свойства атома
Название, символ, номер

Ни́кель / Niccolum (Ni), 28

Атомная масса
(молярная масса)

58,6934(4)[1] а. е. м. (г/моль)

Электронная конфигурация

[Ar] 3d8 4s2

Радиус атома

124 пм

Химические свойства
Ковалентный радиус

115 пм

Радиус иона

(+2e) 69 пм

Электроотрицательность

1,91 (шкала Полинга)

Электродный потенциал

-0,25 В

Степени окисления

3, 2, 0

Энергия ионизации
(первый электрон)

 736,2 (7,63) кДж/моль (эВ)

Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)

8,902 г/см³

Температура плавления

1 726 K

Температура кипения

3 005 K

Уд. теплота плавления

17,61 кДж/моль

Уд. теплота испарения

378,6 кДж/моль

Молярная теплоёмкость

26,1[2] Дж/(K·моль)

Молярный объём

6,6 см³/моль

Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки

кубическая гранецентрированая

Параметры решётки

3,524 Å

Температура Дебая

375 K

Прочие характеристики
Теплопроводность

(300 K) 90,9 Вт/(м·К)

28
Никель
Ni
58,693
3d84s2

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

Происхождение названия[править | править вики-текст]

Элемент получил своё название от имени злого духа гор немецкой мифологии, который подбрасывал искателям меди минерал мышьяково-никелевый блеск, похожий на медную руду (ср. нем. Nickel — озорник); при выплавлении руд никеля выделялись мышьяковые газы, из-за чего ему и приписали дурную славу.

История[править | править вики-текст]

Никель (англ., франц. и нем. Nickel) открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную и применялась в стекловарении для окраски стёкол в зелёный 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 «Медный дьявол». Руду эту (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог Кронштедт. Ему удалось получить зелёный окисел и путём 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 искажённого 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).

Физические свойства[править | править вики-текст]

Никель — серебристо-белый металл, не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм, пространственная группа Fm3m. В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C.

Химические свойства[править | править вики-текст]

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. 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[4]. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию — образованию на его поверхности плотной оксидной плёнки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в разбавленной азотной кислоте:

\mathsf{3 Ni + 8 HNO_3 (30%) \rightarrow 3 Ni(NO_3)_2 + 2 NO + 4 H_2O}

и в горячей концентрированной серной:

\mathsf{Ni + 2 H_2SO_4 \rightarrow NiSO_4 + SO_2 + 2 H_2O}

С соляной и с разбавленной серной кислотами реакция протекает медленно. Концентрированная азотная кислота пассивирует никель, однако при нагревании реакция всё же протекает[5] (основной продукт восстановления азота — NO2).

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и очень 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. Водные растворы солей окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида: NiS (черный), Ni3S2 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (серебристо-белый). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C4H6N2O2)2, дающий чёткую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля

Водный раствор сульфата никеля имеет зелёный цвет.

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), зелёного 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 названиями диметилглиоксим и реактив Чугаева. То, что это вещество является реактивом на никель установил в 1905 году Л. А. Чугаев[6][7]. При его взаимодействии с ионами никеля (II) образуется красное координационное соединение бис(бутандиондиоксимато)никель(II). Это — хелатное соединение и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

Нахождение в природе[править | править вики-текст]

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 %). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 200 раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13 — 0,41 % Ni. Он изоморфно замещает железо и магний. Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Никель проявляет сидерофильные и халькофильные свойства. При повышенном содержании в магме серы возникают сульфиды никеля вместе с медью, кобальтом, железом и платиноидами. В гидротермальном процессе совместно с кобальтом, мышьяком и серой и иногда с висмутом, ураном и серебром, никель образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. 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.

Месторождения никелевых руд[править | править вики-текст]

Основные месторождения никелевых руд находятся в Канаде, России (Мурманская область, Норильский район, Урал, Воронежская область[8]), Кубе, ЮАР, Новой Каледонии и на Украине[9].

Природные изотопы никеля[править | править вики-текст]

Природный никель содержит 5 стабильных изотопов: 58Ni (68.27 %), 60Ni (26.10 %), 61Ni (1.13 %), 62Ni (3.59 %), 64Ni (0.91 %). Существуют также искусственно созданные изотопы никеля, самые стабильные из которых — 59Ni (период полураспада 100 тысяч лет), 63Ni (100 лет) и 56Ni (6 суток).

Получение[править | править вики-текст]

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.[10] Ещё 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.

«Никель долгое время не могли получить в пластичном виде вследствие того, что он всегда имеет небольшую примесь серы в форме сульфида никеля, расположенного тонкими, хрупкими прослойками на границах металла. Добавление к расплавленному никелю небольшого количества магния переводит серу в форму соединения с магнием, которое выделяется в виде зерен, не нарушая пластичности металла.»[11]

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

Применение[править | править вики-текст]

Сплавы[править | править вики-текст]

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;
  • белое золото (например 585 пробы содержит 58,5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));
  • нихром, сплав никеля и хрома (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;
  • Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина.[12]
  • Никель присутствует в качестве компонента ряда нержавеющих сталей.

Никелирование[править | править вики-текст]

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:

\mathsf{NiCl_2 + NaH_2PO_2 + H_2O \rightarrow Ni + NaH_2PO_3 + 2HCl}

Процесс проводят при рН 4 — 6 и 95 °C[12].

Производство аккумуляторов[править | править вики-текст]

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

Химическая технология[править | править вики-текст]

Во многих химико-технологических процессах в качестве катализатора используется никель Ренея.

Радиационные технологии[править | править вики-текст]

Нуклид 63Ni, излучающий β+-частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах, а также детекторах электронного захвата (ЭЗД) в газовой хроматографии.

Медицина[править | править вики-текст]

  • Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана).
  • Протезирование

Монетное дело[править | править вики-текст]

Никель широко применяется при производстве монет во многих странах[13]. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель»[14].

Теплоизоляторы[править | править вики-текст]

Чистый никель ввиду очень низкой теплопроводности[источник не указан 869 дней] иногда применяется для изготовления разного рода держателей нагретых предметов, сочетая хорошую теплоизоляцию с высокой прочностью и достаточной электропроводностью. В частности, из никеля делаются держатели и проводники для кварцевых горелок дуговых ртутных ламп.

Музыкальная промышленность[править | править вики-текст]

Также никель используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.

Цены на никель[править | править вики-текст]

В течение 2012 года цены на никель колебались в пределах от $15 500 до $17 600 за тонну.

Биологическая роль[править | править вики-текст]

Никель относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших тканях, особенно в перьях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям — у растений появляются уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице. Токсическая доза (для крыс) — 50 мг. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил Ni(CO)4. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений).

Физиологическое действие[править | править вики-текст]

Никель — основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В 2008 году Американским обществом контактного дерматита никель был признан «Аллергеном года».[15] В Евросоюзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека[16].

Карбонил никеля [Ni(CO)4] — очень ядовит. Предельно допустимая концентрация его паров в воздухе производственных помещений 0,0005 мг/м³.

В XX веке было установлено, что поджелудочная железа очень богата никелем. При введении вслед за инсулином никеля продлевается действие инсулина и тем самым повышается гипогликемическая активность. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Никель может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление. Избыточное поступление никеля в организм вызывает витилиго. Депонируется никель в поджелудочной и околощитовидной железах.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Т. 85. — № 5. — С. 1047-1078. — DOI:10.1351/PAC-REP-13-03-02
  2. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 240. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8
  3. Под ред. Дрица М. Е. Свойства элементов. — Металлургия, 1985. — С. 484-489. — 672 с.
  4. Третьяков Ю. Д. (ред.) «Неорганическая химия» в 3 т. — том 3, книга 2, стр. 40 — М.:"Академия", 2007
  5. Третьяков Ю. Д. (ред.) «Неорганическая химия» в 2 т. — т. 1, стр. 391 — М.: «Химия», 2001
  6. Чугаев Л.А. О металлических соединениях α-диоксимов // Журнал Русского физико-химического общества. — 1905. — В. 2. — Т. 37. — С. 243.
  7. Соловьев Ю. И. Исследования Л. А. Чугаева по химии комплексных соединений // История химии в России: Научные центры и основные направления исследований. — М.: Наука, 1985. — С. 275—279.
  8. Воронежская область может стать центром добычи меди и никеля
  9. Никель — распространение в природе. Амерест. Проверено 17 марта 2011. Архивировано из первоисточника 22 августа 2011.
  10. Никель: в 3-х томах. Т. 2. Окисленные никелевые руды. Характеристика руд. Пирометаллургия и гидрометаллургия окисленных никелевых руд/ И. Д. Резник, Г. П. Ермаков, Я. М. Шнеерсон. — М.: 000 «Наука и технологии». 2004—468 с.— ISBN 5-93952-004-9
  11. С.С. Штейнберг. Металловедение / Под ред. И.Н. Богачева и В.Д. Садовского. — Свердловск: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961. — С. 580. — 14 350 экз.
  12. 1 2 Химия. Пер. с немецкого канд. хим. наук В. А. Молочко, С. В. Крынкиной. Изд. «Химия», М. 1989 (оригинал на немецком языке: Chemie. Von W. Schroter, K.-H. Lautenschläger, H. Bibrack und A. Schnabel. Veb Fachbuchverlag Leipzig)
  13. Из чего делают монеты?
  14. Доллар Соединённых Штатов Америки (Доллар США)
  15. Nickel Named 2008 Contact Allergen of the Year
  16. The European Directive restricting the use of Nickel

Ссылки[править | править вики-текст]