- Общая характеристика никеля
- История открытия
- Название
- Месторождения и применение
- Способы добычи и переработки
- Получение
- Плотность никеля и другие его физические свойства
- Физические свойства никеля
- Химические свойства никеля
- Механические характеристики
- Тепло- и электропроводность
- Важнейшие соединения:
- Сплавы
- Валентность никеля в соединениях
- Электронная схема никеля
- От кастрюли до АЭС
- Радиационные технологии
- Производство аккумуляторов
- Использование материала в строительстве
- Медицина
- Перспективы
- Про Франца-Иосифа, аллергию и зубные протезы
- Примеры решения задач
- Интересные факты
Общая характеристика никеля
Никель – двадцать восьмой элемент Периодической таблицы. Обозначение – Ni от латинского «niccolum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 28.
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.
История открытия
Уже с 17 в. рудокопам Саксонии (Германия) была известна руда, которая по внешнему виду напоминала медные руды, но меди при выплавке не давала. Ее называли купферникель (нем. Kupfer — медь, а Nickel — имя гнома, подсовывавшего горнякам вместо медной руды пустую породу). Как оказалось впоследствии, купферникель — соединения никеля и мышьяка, NiAs. История открытия никеля растянулась почти на полвека. Первым вывод о присутствии в купферникеле нового «полуметалла» (то есть, по тогдашней терминологии, простого вещества, промежуточного по свойствам между металлами и неметаллами) сделал шведский металлург А. Ф. Кронстедт в 1751 году.
Однако более двадцати лет это открытие оспаривалось и господствовала точка зрения, что Кронстедт получил не новое простое вещество, а какое-то соединение с серой то ли железа, то ли висмута, то ли кобальта, то ли какого-то другого металла.Только в 1775 г., через 10 лет после смерти Кронстедта, швед Т. Бергман выполнил исследования, позволявшие заключить, что никель — это простое вещество. Но окончательно никель как элемент утвердился только в начале 19-го века, в 1804 году, после скрупулезных исследований немецкого химика И. Рихтера, который для очистки провел 32 перекристаллизации никелевого купороса (сульфата никеля) и в результате восстановления получил чистый металл.
Название
Никель получил своё название от гнома Ника, который, согласно французской мифологии, подбрасывал искателям серебра похожий на серебро метал.
Месторождения и применение
Руды никеля добывают в 20 странах, основные из них:
- Канада (центральная часть страны);
- Индонезия;
- Россия (Красноярский край, Мурманская область, Урал);
- Австралия (запад материка);
- Новая Каледония и др.
Никель входит в состав руд вместе с медью, железом и различными примесями:
- никелин (красный никелевый колчедан или купферникель) NiAs;
- магнитный колчедан (Fe,Ni,Cu)S;
- пентландит (Fe,Ni)9S8;
- гарниерит (Mg,Ni)6(Si4O11)(OH)6·H2O и другие силикаты.
В самородном виде встречается в железных метеоритах, которые могут включать от 5 до 25 % никеля.
Чаще всего никель получают как побочный продукт при выплавке других металлов.
Применение: более 90% добываемого никеля уходит в металлургию:
1. Производство нержавеющей стали; сплавов для различных отраслей промышленности, в том числе аэрокосмической, например:
- монель-металл (до 67% Ni + 30% Cu + 1% Mn), жаропрочный, устойчив к коррозии;
- нихром (60 % Ni + 40 % Cr);
- инвар (65% Fe + 35% Ni);
- мельхиор (Cu + до 30% Ni + <1% Fe, Mn) и др.
2. Никелирование — способ покрытия поверхностей других металлов электролитами на основе сульфата никеля (II) для защиты от коррозии.
Около 9% получаемого никеля расходуется на:
- производство аккумуляторов, содержащих также железо, кадмий и цинк;
- изготовление химических реактивов, в том числе, катализатора никель Ренея (сплав с алюминием);
- радиационные технологии: газовая хроматография; нуклид 63Ni применяется в крайтронах;
- медицина: изготовлении брекет-систем на основе никелида титана и протезов;
- выплавка монет. В США 5-центовая монета в обиходе называется «никель», но никеля в ней всего 25 %;
- производство обмотки струн музыкальных инструментов.
Способы добычи и переработки
Почти весь никель получают из гарниерита (зеленой никелевой руды) и колчедана.
Добыча проходит стандартным для большинства руд закрытым (шахтным) способом.
Извлеченное сырье восстанавливают тремя методами:
- Взаимодействием с угольной пылью во вращающихся печах-трубах. Полученные железо-никелевые окатыши избавляют от серы, затем прокаливают, обрабатывают раствором аммиака. На подкисленный раствор воздействуют электролитом, получая металл.
- Из оксидной руды металл восстанавливают алюминотермическим способом.
- Карбонильный метод. Из руды получают медно-никелевый штейн, над которым под давлением запускают СО. Получается тетракарбонилникель. Это летучее соединение, поэтому разлагается от воздействия тепла. Металл получается особо чистым.
Карбонильный способ фигурирует в литературе также как метод Монда.
Получение
Значительную часть никеля получают из сульфидных медно-никелевых руд. Из обогащенного сырья сначала готовят штейн — сульфидный материал, содержащий, кроме никеля, еще и примеси железа, кобальта, меди и ряда других металлов. Методом флотацииполучают никелевый концентрат. Далее штейн обычно подвергают обработке для отделения примесей железа и меди, а затем обжигают и образовавшийся оксид восстанавливают до металла. Существуют и гидрометаллургические методы получения никеля, в которых для его извлечения из руды используют раствор аммиака или серной кислоты. Для дополнительной очистки черновой никель подвергают электрохимическому рафинированию.
Плотность никеля и другие его физические свойства
Никель представляет собой серовато-белый металл (рис. 1), ковкий и тягучий, хорошо полирующийся. Он кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке, хотя некоторые примеси способны стабилизировать метастабильную гексагональную структуру.
В отличие от железа и кобальта никель хуже намагничивается и теряет ферромагнитные свойства при гораздо более низкой (358o) температуре.
Основные константы никеля приведены в таблице ниже.
Таблица 1. Физические свойства и плотность никеля.
Плотность, г/см3 | 8,90 |
Температура плавления, oС | 1455 |
Температура кипения, oС | 2730 |
Температура Кюри, oС | 358 |
Тип кристаллической решетки | гранецентрированная кубическая |
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, °С | 1453 |
Температура кипения, °С | 2730-2915 |
Теплота плавления, кДж/моль | 17,61 |
Теплота испарения, кДж/моль | 378,6 |
Молярный объем, см³/моль | 6,6 |
Группа металлов | Тяжелый 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 |
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.
При температуре от 0 до 631 К никель становится ферромагнитным. Происходит этот процесс благодаря особенному строению внешних оболочек атома никеля.
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.
Важнейшие соединения:
В соединениях кобальт проявляет степень окисления +3, +2, 0.
Оксид никеля(II), NiO — твердое вещество от светло- до тёмно-зелёного или чёрного цвета. Преобладают основные свойства, водородом и другими восстановителями восстанавливается до металла.
Гидроксид никеля(II), Ni(OH)2 — зеленого цвета, мало растворим в воде, и щелочах, хорошо во многих кислотах, преобладают основные свойства. При нагревании разлагается, образуя NiO.
Соли никеля(II) — обычно получают взаимодействием NiO или Ni(OH)2 с различными кислотами. Растворимые в воде соли никеля обычно образуют кристаллогидраты, например, NiSO4*7Н2О, Ni(NO3)2*6Н2О. К числу нерастворимых соединений никеля относятся фосфат Ni3(PO4)2 и силикат Ni2SiO4. Кристаллогидраты и растворы окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые.
Комплексные соединения никеля(II) весьма многочислены (к.ч.=6). Их образованием объясняется например растворение оксида никеля в растворе аммиака. Диметилглиоксимат никеля Ni(C4H6N2O2)2, дающий чёткую красную окраску в кислой среде, используется как качественная реакция на ионы никеля (II).Соединения никеля(III) — менее характерны. Известен, напиример оксид
Ni2O3*H2O, вещество чёрного цвета, получается при окислении гидроксида никеля(II) в щелочной среде гипохлоритом или галогенами:
2Ni(OH)2 + 2NaOH + Br2 = Ni2O3*H2O + 2NaBr + H2O
Сильный окислитель.
Существуют также комплексные соединения никеля(III), например, K3[NiF6].
Карбонил никеля, Ni(CO)4. Диамагнитная бесцветная жидкость, очень летучая и токсичная. Затвердевает при -23°С, при нагревании до 180-200°С разлагается на металлический никель и оксид углерода(II). Ni(CO)4 мало растворим в воде, хорошо в органических растворителях, не реагирует с разбавленными кислотами и щелочами.
Сплавы
Благодаря антикоррозийным свойствам, элемент повсеместно применяется для производства различных сплавов из железа, меди, титана, олова, молибдена и т. д. На это расходуется свыше 80 процентов от общего объема добываемого во всем мире Ni, месторождения которого находятся на территории России (Урал, Мурманская и Воронежская области, Норильский район) ЮАР, Канады, Греции, Албании и других государств. Ni применяется для изготовления нержавеющей стали. Сплавы с железом используются практически во всех отраслях современной промышленности, а также при строительстве любых гражданских или промышленных объектов.
В результате различного процентного сочетания с медью получают сплавы монели, константин и другие. Они применяются для изготовления монет, резервуаров для хранения серной, хлорной или фосфорной кислоты, запасных частей и деталей машин (клапанов, теплообменников, втулок, пружин, лопастей крыльчаток), предназначенных для использования в режиме повышенных нагрузок.
Сплавы с добавлением хрома — нихромы — жаропрочны поэтому используются для изготовления конструктивных элементов газовых турбин, деталей реактивных двигателей, оборудования для ядерных реакторов.
В процессе добавления молибдена получают сплавы, стойкие к воздействию кислот и других агрессивных составов (сухому хлору).
Сплавы с участием алюминия, железа, меди и кобальта — алник и магнико — обладают свойствами постоянных магнитов и применяются при изготовлении различных радиоизмерительных приборов и электротехники.
Изделия из инвара — сплава с добавлением железа (Ni — 35 процентов, Fe — 65%) обладают свойством практически не растягиваться при нагревании.
Валентность никеля в соединениях
Никель – двадцать восьмой по счету элемент Периодической таблицы Д.И. Менделеева. Он находится в четвертом периоде в VIIIВ группе. В ядре атома никеля содержится 28 протонов и 31 нейтрон (массовое число равно 59). В атоме никеля есть четыре энергетических уровня, на которых находятся 28 электронов (рис. 1).
Рис. 1. Строение атома никеля.
Электронная формула атома никеля в основном состоянии имеет следующий вид:
1s22s22p63s23p63d84s2.
А энергетическая диаграмма (строится только для электронов внешнего энергетического уровня, которые по-другому называют валентными):
Наличие двух неспаренных электронов свидетельствует о том, что никель проявляет в своих соединениях валентность II (NiO, Ni(OH)2, NiCl2, NiBr2). Известно, что для никеля также характерна валентность III (Ni2O3, NiOOH).
Электронная схема никеля
Ni: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8
Короткая запись:
Ni: [Ar]4s2 3d8
Одинаковую электронную конфигурацию имеют атом никеля и -3Mn, -2Fe, -1Co, +2Zn, +3Ga, +4Ge, +5As, +6Se, +7Br
Порядок заполнения оболочек атома никеля (Ni) электронами: 1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → 4f → 5d → 6p → 7s → 5f → 6d → 7p.
На подуровне ‘s’ может находиться до 2 электронов, на ‘s’ — до 6, на ‘d’ — до 10 и на ‘f’ до 14
Никель имеет 28 электронов, заполним электронные оболочки в описанном выше порядке:
2 электрона на 1s-подуровне
2 электрона на 2s-подуровне
6 электронов на 2p-подуровне
2 электрона на 3s-подуровне
6 электронов на 3p-подуровне
2 электрона на 4s-подуровне
8 электронов на 3d-подуровне
От кастрюли до АЭС
Применение никеля в современном мире разнообразно. Львиная доля добытого в мире металла уходит на производство сплавов, легированной стали.
В чистом виде наш герой наносится на поверхности в качестве средства от ржавчины. Еще из него делают тигли, приборы, котлы с высокими антикоррозионными свойствами.
Никелевые сплавы используют для изготовления красивой, блестящей посуды. Секрет фирмы «Цептер» (Zepter) в металле, из которого делают такие удобные и симпатичные кастрюльки. Формула цептеровской нержавейки — 18 частей хрома, 10 частей никеля. Посуда хороша, плюсов много, минус один — цена…
Никельсодержащие сплавы применяют в производстве емкостей для хранения пищевых продуктов, химических веществ, эфирных масел.
Аккумуляторные электроды в щелочных батареях — тоже никель.
Оборудование для АЭС, ракетная техника, реактивная авиация не смогут обойтись без «озорника» и его сплавов.
Познавательно: «никель» — так десятилетиями называют 5-центовую монету в США (хотя никеля в ней только 25%, остальное медь).
Радиационные технологии
Нуклид полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах, а также детекторах электронного захвата (ЭЗД) в газовой хроматографии.
Производство аккумуляторов
Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.
Использование материала в строительстве
Мировая добыча никеля в 1887 году составляла всего 600 т. Металл применялся для изготовления монет. Но уже с 80-ых годов никелевая промышленность стала активно развиваться. Толчком послужила высокая коррозионная стойкость металла, а, главное, его сплавов.
- Никелирование в качестве способа «облагородить» изделие также стало применяться с конца 19 века и только в 30-х годах 20 века было вытеснено хромированием. В строительстве же и сейчас используют никелированные детали при сооружении самых разных декоративных конструкций.
- По тем же причинам никелированные детали используются в производстве мебели. Слой металла не только придает изделию блеск и красивый цвет, но и защищает каркас от любых внешних воздействий.
- Декоративные качества обуславливают еще одну сферу применения – фурнитура для мебели, окон, дверей, бытовой техники и так далее. Ручки, петли, накладные элементы из металла прекрасно смотрятся и служат очень долго.
- Никелированные краны, смесители, душевые лейки и другие ванные аксессуары никогда не выходят из моды, так как никелевый слой обеспечивает изделиям превосходный внешний вид и исключительную стойкость к коррозии любого вида. Конечно, по декоративности этот вариант уступает бронзе, ведь основой здесь служит сталь, а она не отличается ковкостью. Но серебристый цвет и нетускнеющий блеск тоже привлекательны.
- Гораздо шире применяются сплавы с никелем, в особенности различные нержавеющие и конструкционные стали. Представить себе современное строительство без участия металлопроката нереально.
Никель – металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью и способный сообщать это свойство своим сплавам. Это качество чаще всего служит причиной использования металла.
Медицина
- Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана).
- Протезирование.
Перспективы
Одна из главных сфер потребления никеля – щелочные батареи (аккумуляторы). Она актуализируется на волне интереса к выпуску электромобилей. Сегодня главный аккумуляторный компонент – кобальт, но он дорог, поставки из Африки проблемны. Разработаны более эффективные образцы с доминированием лития и никеля. Установлено, что благодаря никелю мощность аккумуляторов увеличивается. При этом его цена в шесть раз меньше кобальта, а предложение в 20 раз выше.
Специалисты прогнозируют рост спроса на никель к 2025 году до 400 000 тонн (с 75 000 тонн в 2016 году).
Про Франца-Иосифа, аллергию и зубные протезы
Многие новооткрытые металлы поначалу стоили очень дорого. Позволить себе изделия из таких металлов могли только очень богатые люди. Франц-Иосиф, император Австро-Венгрии, ел из никелевой посуды, на зависть прочим царям-королям. Бум на редкий металл прошел, а император вдруг заболел. Лейб-медики причины болезни найти не смогли, и вину за болезнь свалили на никель. Бедный металл законодательно изгнали из кухонь.
Прошло время, металл реабилитировали. А Франц-Иосиф благополучно выздоровел, пережил всех горе-лекарей, и просидел на троне аж 68 лет.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
Задание | Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: NiCl2 → Ni → NiSO4 → Ni(NO3)2 → Ni(OH)2 → NiCl2. Уравнения реакций, протекающих в растворах, изобразите в ионной и сокращенной ионной формах. |
Ответ | Поместив в раствор хлорида никеля (II) более активный, чем никель металл, можно получить никель в свободном виде (реакция замещения): NiCl2 + Zn → Ni + ZnCl2; Ni2+ + Zno → Nio + Zn2+. Никель растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием сульфата никеля (II): Ni + H2SO4 (dilute) → NiSO4 + H2↑; Nio + 2H+ → Ni2+ ++ H2. Нитрат никеля (II) можно получить по реакции обмена: NiSO4 + Ba(NO3)2 → Ni(NO3)2 + BaSO4↓; SO42- + Ba2+ → BaSO4↓. Подействовав на нитрат никеля (II) щелочью можно получить гидроксид никеля (II): Ni(NO3)2 + 2NaOH → Ni(OH)2↓+ 2NaNO3; Ni2+ + 2OH— = Ni(OH)2↓. Хлорид никеля (II) из гидроксида никеля (II) можно получить по реакции нейтрализации с соляной кислотой: Ni(OH)2 + 2HCl → NiCl2 + 2H2O; OH— + H+ = H2O. |
ПРИМЕР 2
Задание | Какую 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? |
Решение | Запишем уравнение реакции: Ni + Cl2 = NiCl2. Найдем количество моль никеля (молярная масса – 59 г/моль) и хлора, вступивших в реакцию используя данные указанные в условии задачи: n = m / M; n (Ni) = m (Ni) / M (Ni); n (Ni) = 17,7 / 59 = 0,3 моль. n = V / Vm; n (Cl2) = V (Cl2) / Vm; 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) = 1:1; n (Ni) = n (NiCl2) = 0,3 моль. m = n×M; m (NiCl2)= n (NiCl2)×M (NiCl2); m (NiCl2)= 0,3 × 130 = 39 г. Рассчитаем объем 0,06М раствора, который можно получить из 39 г хлорида никеля (II): c = n/V; V = c/n; V(NiCl2) = n (NiCl2)/ c (NiCl2); V (NiCl2)= 0,3 / 0,06 = 0,5 л. |
Ответ | Масса хлорида никеля (II) равна 39 г, объем 0,06М раствора – 0,5 л (500 мл). |
Интересные факты
Интересных фактоа связанных с никелем достаточно много. В первую очередь стоит отметить тот факт, что никель является довольно аллергенным веществом. У людей с повышенной чувствительностью возможно возникновение никелевой аллергии. Около 10% от всех новорожденных детей имеют повышенную чувствительность к никелю. За 2008 год Американское сообщество контактного дерматита признало никель аллергеном года. В ученом мире существует довольно много интересных теорий. Одной из таких является то, что никель выделившийся в результате извержения вулканов способствовал росту количества бактерий Methanosarcina. Этот вид бактерий способен вырабатывать метан и в результате извержений вулканов «Сибирской ловушки» в этой местности погибли все анаэробные организмы. Количество этих бактерий увеличилось на столько, что производимый ими метан попросту вытеснил кислород.
- http://ru.solverbook.com/spravochnik/ximiya/ximicheskie-elementy/nikel-i-ego-xarakteristiki/
- https://megabook.ru/article/%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%B5%D0%BB%D1%8C
- http://himsnab-spb.ru/article/ps/ni/
- https://wika.tutoronline.ru/himiya/class/11/elektronnoe-stroenie-atoma-nikelya
- https://jgems.ru/metally/nikel
- http://ru.solverbook.com/spravochnik/ximiya/plotnost/plotnost-nikelya/
- https://www.metotech.ru/nikel-opisanie.htm
- http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/tsvetnyie/nikel/svoystva-osobennosti-sostava.html
- http://www.kontren.narod.ru/x_el/info28.htm
- https://priem-metalla.ru/stati/gde_ispolzuetsya_nikel/
- http://ru.solverbook.com/spravochnik/ximiya/valentnost/valentnost-nikelya/
- https://k-tree.ru/tools/chemistry/periodic.php?element=Ni
- https://TheMineral.ru/metally/nikel
- https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/6526
- http://stroyres.net/metallicheskie/vidyi/tsvetnyie/nikel/primenenie-v-byitu-stroitelstve.html
- https://pressadv.ru/stali/nikel-metall.html
Ваша оценка?
