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:
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:
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
(молярная масса)
(первый электрон)
Содержание
Происхождение названия
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
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». Данную руду (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
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
Никель образует соединения со степенью окисления +1, +2, +3 и +4. При этом соединения никеля со степенью окисления +4 редкие и неустойчивые. 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 плёнки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в разбавленной азотной кислоте:
и в горячей концентрированной серной:
С соляной и с разбавленной серной кислотами реакция протекает медленно. Концентрированная азотная кислота пассивирует никель, однако при нагревании реакция всё же протекает (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.
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. 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
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 (от 5 до 25 %). 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.
Месторождения никелевых руд
Основные месторождения никелевых руд находятся в Канаде, России (Мурманская область, Норильский район, Урал, Воронежская область), Кубе, ЮАР, Албании, Греции, а также на Новой Каледонии и Украине.
Природные изотопы никеля
Природный никель содержит 5 стабильных изотопов: 58 Ni (68,27 %), 60 Ni (26,10 %), 61 Ni (1,13 %), 62 Ni (3,59 %), 64 Ni (0,91 %). Существуют также искусственно созданные изотопы никеля, самые стабильные из которых — 59 Ni (период полураспада 100 тысяч лет), 63 Ni (100 лет) и 56 Ni (6 суток).
Получение
Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 года 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. 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.»
Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.
Применение
В 2015 году 67 % потребления никеля пришлось на производство нержавеющей стали, 17 % на сплавы без железа, 7 % на никелирование и 9 % на прочие применения, такие как аккумуляторы, порошковая металлургия и химические реактивы.
Сплавы
Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.
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.
Химическая технология
Во многих химико-технологических процессах в качестве катализатора используется никель Ренея.
Радиационные технологии
Медицина
Монетное дело
Никель широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель».
Музыкальная промышленность
Также никель используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.
Цены на никель
Биологическая роль
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/м 3 (для различных соединений).
Физиологическое действие
Никель и его соединения токсичны и канцерогены.
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». В Евросоюзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека.
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.
Температура плавления разных металлов в таблице
Каждый металл и сплав имеет собственный уникальный набор физических и химических свойств, среди которых не последнее место занимает температура плавления. Сам процесс означает переход тела из одного агрегатного состояния в другое, в данном случае, из твердого кристаллического состояния в жидкое. Чтобы расплавить металл, необходимо подводить к нему тепло до достижения температуры плавления. При ней он все еще может оставаться в твердом состоянии, но при дальнейшем воздействии и повышении тепла металл начинает плавиться. Если температуру понизить, то есть отвести часть тепла, элемент затвердеет.
Как происходит
Плавление всех металлов происходит примерно одинаково — при помощи внешнего или внутреннего нагревания. Первый осуществляется в термической печи, для второго используют резистивный нагрев при пропускании электрического тока или индукционный нагрев в высокочастотном электромагнитном поле. Оба варианта воздействуют на металл примерно одинаково.
При увеличении температуры увеличивается и амплитуда тепловых колебаний молекул, возникают структурные дефекты решетки, выражающиеся в росте дислокаций, перескоке атомов и других нарушениях. Это сопровождается разрывом межатомных связей и требует определенного количества энергии. В это же время происходит образование квази-жидкого слоя на поверхности тела. Период разрушения решетки и накопления дефектов называется плавлением.
Разделение металлов
В зависимости от температуры плавления металлы делятся на:
В зависимости от температуры плавления выбирают и плавильный аппарат. Чем выше показатель, тем прочнее он должен быть. Узнать температуру нужного вам элемента можно из таблицы.
Еще одной немаловажной величиной является температура кипения. Это величина, при которой начинается процесс кипения жидкостей, она соответствует температуре насыщенного пара, который образуется над плоской поверхностью кипящей жидкости. Обычно она почти в два раза больше, чем температура плавления.
Обе величины принято приводить при нормальном давлении. Между собой они прямопропорциональны.
Температура плавления никеля
Температура плавления никеля.
Температура плавления никеля относится к разделу о плавкости металлов, так как данный химический элемент является металлом.
Температура плавления (обычно совпадает с температурой кристаллизации) — температура, при которой твёрдое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние и наоборот.
Температура — физическая величина, характеризующая термодинамическую систему и количественно выражающая интуитивное понятие о различной степени нагретости тел.
Жидкое состояние вещества является промежуточным между твердым (кристаллическим) и газообразным состоянием.
Удельная теплота плавления — количество теплоты, которое необходимо сообщить одной единице массы кристаллического вещества в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое (то же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества).
Температура плавления никеля при нормальных условиях:
Температуру плавления обозначают Тпл
Температура плавления никеля (Тпл) составляет 1455 °C (1728 K).
Температура плавления никеля приведена при нормальных условиях (согласно ИЮПАК), т.е. при давлении 10 5 (100 000) Па.
Для сведения: 101 325 Па = 1 атм = 760 мм рт. ст.
Необходимо иметь в виду, что температура плавления металлов может изменяться в зависимости от условий окружающей среды (давления). Точное значение температуры плавления металлов в зависимости от условий окружающей среды (давления) необходимо смотреть в справочниках.
Зависимость температуры фазового перехода (в том числе и плавления, и кипения) от давления для однокомпонентной системы даётся уравнением Клапейрона-Клаузиуса.
