ИСТОРИЯ

ЗАЙМЕМСЯ
ХИМИЕЙ


Название: Никель (niccolum)
Порядковый номер: 28
Группа: viii
Период: 4
Атомная масса: 58,71
Электроотрицательность: 1,91
Температура плавления: 1453?С
Температура кипения: 2913?С
Плотность (г/см3): 8,9
Характерные степени окисления: +2
Цвет: Блестящий с серебристым оттенком
Кем открыт: Алекс Кронштедт
Год открытия: 1751
Страна открытия: Швеция
Кристалическая структура:
гранецентрированный куб

Никель (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 Н. 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 «Н.» 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. Н. 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. Н. — 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 Н. в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где Н. 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 Н. входит в виде изоморфной примеси. Собственных минералов Н. известно 53; большинство из них образовалось при высоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения Н. связаны с процессами в магме и коре выветривания. Промышленные месторождения Н. (сульфидные руды) обычно сложены минералами Н. и меди. На земной поверхности, в биосфере Н. — 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 Н. существует в виде b -модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решётку ( a = 3,5236 å). Но Н., подвергнутый катодному распылению в атмосфере h 2 , образует a -модификацию, имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки ( а = 2,65 å, с = 4,32 å), которая при нагревании выше 200 °С переходит в кубическую. Компактный кубический Н. имеет плотность 8,9 г/см 3 (20 °С), атомный радиус 1,24 å, ионные радиусы: ni 2+ 0,79 å, ni 3+ 0,72 å; t пл 1453 °С; t kип 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).

Н. — 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 ) Н. ферромагнитен. Ферромагнетизм Н. обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d 8 4s 2 ) его атомов. Н. 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 Н. составляет 6 m Б , где m Б — Бора магнетон . Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах Н. приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений Н. (окислы, галогениды и др.) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой) . Н. 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). Н. — металл средней активности, Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (h 2 , co и др.); насыщение Н. газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 °С; в мелкодисперсном состоянии Н. 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 Н. соединяется с галогенами, образуя nix 2 . Сгорая в парах серы, даёт сульфид, близкий по составу к ni 3 s 2 . Моносульфид nis может быть получен нагреванием nio с серой.

С азотом Н. не реагирует даже при высоких температурах (до 1400 °С). Растворимость азота в твёрдом Н. приблизительно 0,07% по массе (при 445 °С). Нитрид ni 3 n может быть получен пропусканием nh 3 над nif 2 , nibr 2 или порошком металла при 445 °С. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид ni 3 p 2 в виде серой массы. В системе ni — as установлено существование трёх арсенидов: ni 5 as 2 , ni 3 as (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 ni 3 c может быть получен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка Н. в атмосфере co при 300 °С. В жидком состоянии Н. растворяет заметное количество С, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении графита Н. 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 Н. устойчив. Органические кислоты действуют на Н. лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют Н.; разбавленная азотная — очень легко; концентрированная hno 3 пассивирует Н., 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 Н. разлагается при прокаливании (600—800 °С). Одна из наиболее употребительных солей — сульфат niso 4 кристаллизуется из растворов в виде изумруднозелёных кристаллов niso 4 ? 7h 2 o — никелевого купороса. Сильные щёлочи на Н. не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (nh 4 ) 2 co 3 с образованием растворимых аммиакатов , окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства из них характерно наличие комплексов [ni (nh 3 ) 6 ] 2 + и [ni (oh) 2 (nh 3 ) 4 ]. На избирательном образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения Н. 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 (c 4 h 7 o 2 n) 2 ni служит для аналитического определения ni.

При повышенных температурах Н. взаимодействует с окислами азота, so 2 и nh 3 . При действии co на его тонкоизмельчённый порошок при нагревании образуется карбонил ni (co) 4. Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый Н.

Получение. Около 80% Н. 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 Н. 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 Н. отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Н. (марка 110) 0,01%.

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 so 2 , 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 Н. переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением).

Из силикатных (окисленных) руд Н. 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 Н. 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 Н. 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. Сплавы Н. используются в конструкциях атомных реакторов.

Значительное количество Н. расходуется для производства щелочных аккумуляторов и антикоррозионных покрытий. Ковкий Н. 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. Н. — весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешёвыми и распространёнными материалами.

Переработка руд Н. сопровождается выделением ядовитых газов, содержащих so 2 и нередко as 2 o 3 . Очень токсична co, применяемая при рафинировании Н. карбонильным методом; весьма ядовит и легко летуч ni (co) 4 . Смесь его с воздухом при 60 °С взрывается. Меры борьбы: герметичность аппаратуры, усиленная вентиляция.

А. В. Ванюков.

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 Н. обнаружен в печени, коже и эндокринных железах; накапливается в ороговевших тканях (особенно в перьях). Физиологическая роль Н. изучена недостаточно. Установлено, что Н. активирует фермент аргиназу, влияет на окислительные процессы; у растений принимает участие в ряде ферментативных реакций (карбоксилирование, гидролиз пептидных связей и др.). На обогащенных Н. 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 Н. в роговице: кератиты, кератоконъюнктивиты).

И. Ф. Грибовская.

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.

cкачать реферат по теме: "Никель".

Назад



(С) Дистанционный творческий конкурс-проект "Моя Веб-страница", 2005
(С) Хмелев Алексей, 2005
http://www.eidos.ru/project/all/web/index.htm