Никель: свойства никеля, способы получения, где добывают

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.

Никель. Внешний вид и его характеристики

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:

  1. 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.
  2. Из оксидной руды металл восстанавливают алюминотермическим способом.
  3. 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.
Читайте также:  Смешивание растворов

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:
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.

Читайте также:  Галогены: список элементов и химические свойства

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.

Сплавы никеля

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).

Строение атома никеля и валентность

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):

энергетическая диаграмма

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.
Читайте также:  Дисперсные системы

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

Никелевый порошок

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.

Источники
  • 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?

Петр Иваныч
Петр Иваныч
Возможно этот человек ответит на ваши вопросы
Задать вопрос
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Всё о химии
Adblock
detector