Никель

(Nickel)

Физические и химические характеристики Никеля

Получение Никеля, основные соединения никеля, никелирование

Содержание

Содержание

Раздел 1. Характеристики.

Раздел 2. Нахождение в природе.

Раздел 3. Получение.

Раздел 4. Применение.

- Подраздел 1. Сплавы.

- Подраздел 2. Никелирование.

Раздел 5. Монетное дело.

Ni — это элемент побочной подгруппы восьмой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28.

Характеристики никеля

Ni – это серебристо белый металл, не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 НМ, пространственная группа Fm3m. В чистом виде поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 C.

Удельное электрическое сопротивление 0,0684 мк Ом∙м.

Коэффициент линейного теплового расширения α=13,5∙10-6 K-1 при 0 C

Коэффициент объёмного теплового расширения β=38—39∙10-6 K-1

Модуль упругости 196-210 ГПа.

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления никель(II).

Ni образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом Ni 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.

Ni 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. Ni активно растворяется в азотной кислоте.

С оксидом углерода CO Ni легко образует летучий и весьма ядовитый карбонит никель (CO)4.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Ni горит только в виде порошка. Образует два оксида никельO и Ni2O3 и соответственно два гидроксида никель(OH)2 и никель(OH)3. Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат.

Растворы окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида:

никельS (черный)

Ni3S2 (желтовато-бронзовый)

Ni3S4 (серебристо-белый).

Ni также образует многочисленные координационные и комплексные соединения.

Водные растворы солей никеля(II) содержат ион гексаакваникеля (II) никель(H2O)62+. 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) никель(NH3)62+.

Ni образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат (II) NiCl42− имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат (II) никель(CN)42− имеет плоскую квадратную структуру.

В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля (II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названием диметилглиоксима. При его взаимодействии с ионами никеля (II) образуется красное координационное соединение бис (бутандиондиоксимато) Ni (II). Это хелатное соединение и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

Природный Ni состоит из 5 стабильных изотопов,58никель,60никель,61никель,62никель является наиболее распространенным (68,077% природного изобилия).

Нахождение в природе

Ni довольно распространён в природе — его содержание в земной коре составляет около 0,01 %(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный Ni (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 % никель. Он изоморфно замещает железо и магний.

Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Ni 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, Ni образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Ni обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

Никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) никель As.

Хлоантит (белый никелевый колчедан) (никель, Co, Fe)As2

Гарниерит (Mg, никель)6(Si4O11)(OH)6 c H2O и другие силикаты.

Магнитный колчедан (Fe, никель, Cu)S

Мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) никель As S,

Пентландит (Fe, никель)9S8

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.

Получение

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) никель As, миллерит никель S, пентландит (Fe никель)9S8 — содержат также мышьяк, железо и серу; в магматическом пирротине также встречаются включения пентландита. Другие руды, из которых тоже добывают никель, содержат примеси Co, Cu, Fe и Mg. Иногда Ni является основным товаром процесса рафинирования, но чаще его получают как побочный товар в технологиях других металлов. Из достоверных запасов, по разным данным, от 40 до 66 % никеля находится в окисленных никелевых рудах (ОНР),

33 % в сульфидных. 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 % никель+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 % никель), синтер (89 % никель), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические Ni 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 Британии — 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.

«Ni 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.

Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железоникелевых окатышей (5—8 % никель), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.

Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают кобальт под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель никель(CO)4, термическим разложением выделяют особо чистый металл.

Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O.

Применение

Сплавы

Ni является основой большинства супер сплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

монель-металл (65 — 67 % никель + 30 — 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500°C, очень коррозионно-устойчив;

белое золото (585 проба содержит 58,5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));

золото, сплав состоит из никеля" height="479" src="/pictures/investments/img778301_8_Beloe_zoloto_splav_sostoit_iz_nikelya.jpg" title="8. Белое золото, сплав состоит из никеля" width="683" />

Нихром, сплав сопротивления (60 % никель + 40 % Cr);

Пермаллой (76 % никель + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;

Инвар (65 % Fe + 35 % никель), 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.

Никелевые трубы применяют для изготовления конденсаторов в производстве водорода, для перекачки щелочей в химическом производстве. Никелевые химически стойкие инструменты широко используют в медицине и научно-исследовательской работе. Ni применяется для приборов радиолокации, телевидения, дистанционного управления процессами в атомной технике.

Из чистого никеля изготовляют химическую посуду, различные аппараты, приборы, котлы с высокой коррозионной стойкостью и постоянством физических свойств, а из никелевых материалов — резервуары и цистерны для хранения в них пищевых продуктов, химических реагентов, эфирных масел, для транспортирования щелочей, для плавления едких щелочей.

На основе порошков чистого никеля изготовляют пористые фильтры для фильтрования газов, топлива и других продуктов в химической промышленности. Порошкообразный Ni потребляют также в производстве никелевых сплавов и в качестве связки при изготовлении твёрдых и сверхтвёрдых материалов.

Биологическая роль никеля относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что Ni 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 никель(CO)4. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений).

Ni основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки).

В Евро союзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека.

Карбонит никеля никель(CO) — очень ядовит. Предельно допустимая концентрация его паров в воздухе производственных помещений 0,0005 мг/мі.

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. Ni оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Ni может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление. Избыточное поступление никеля в организм вызывает витилиго. Депонируется Ni в поджелудочной и околощитовидной железах.

Никелирование

Никелирование — это 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).

Никелирование без тока проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) и гипофосфитной смесью натрия в присутствии цитрата натрия:

NiCl2 + NaH2PO2 + H2O = никель + NaH2PO3 + 2HCl

процесс проводят при рН 4 — 6 и 95°C

Наиболее распространено электролитическое и химическое никелирование. Чаще никелирование (так называемое матовое) производится электролитическим способом. Наиболее изучены и устойчивы в работе сернокислые электролиты. При добавлении в электролит блеск образователей осуществляется так называемое блестящее никелирование. Электролитические покрытия обладают некоторой пористостью, которая зависит от тщательности подготовки поверхности основы и от толщины покрытия. Для защиты от коррозии необходимо полное отсутствие пор, поэтому наносят многослойное покрытие, которое при равной толщине надёжнее однослойного (например, стальные предмета торговли часто покрывают по схеме Cu — никель — Cr).

Недостатки электролитического никелирования — неравномерность осаждения никеля на рельефной поверхности и невозможность покрытия узких и глубоких отверстий, полостей и т.п. Химическое никелирование несколько дороже электролитического, но обеспечивает возможность нанесения равномерного по толщине и качеству покрытия на любых участках рельефной поверхности при условии доступа к ним раствора. В основе процесса лежит реакция восстановления ионов никеля из его солей с помощью гипофосфитной смеси натрия (или др. восстановителей) в водных растворах.

Никелирование используется, например, для покрытия деталей химической аппаратуры, автомобилей, велосипедов, медицинского инструмента, приборов.

Также Ni используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.

Монетное дело

Ni широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «Ni»

Ni был компонентом монет, начиная с середины 19 века. В Соединенных Штатах, термин "Ni" или "ник" первоначально был применен в медно-никелевых монетах (летающий орел), который пришел на смену купрума с 12% никеля 1857-58.

Еще позже в 1865 году, срок назначенного на три процента никеля увеличился на 25%. В 1866 году пять процентов никеля (25% никеля, 75% купрума). Наряду со сплавом пропорции, этот термин был использован в настоящее время в Соединенных Штатах. Монеты из почти чистого никеля впервые были использованы в 1881 году в Швейцарии, и в частности более 99,9% Ni из пяти центовых монет были отчеканены в Канаде (крупнейший производитель никеля в мире в то время).

пенни, сделанные из никеля" height="431" src="/pictures/investments/img778307_14_Britanskie_monetyi_v_5_i_10_penni_sdelannyie_iz_nikelya.jpg" title="14. Британские монеты в 5 и 10 пенни, сделанные из никеля" width="682" />

Италия 1909 год" height="336" src="/pictures/investments/img778308_15_Monetyi_iz_nikelya_Italiya_1909_god.jpg" title="15. Монеты из никеля, Италия 1909 год" width="674" />

Источники

Википедия – Свободная энциклопедия, WikiPedia

hyperon-perm.ru – Производство Гиперон

cniga.com.ua – Книжный портал

chem100.ru – Справочник Химика

bse.sci-lib.com – Значение слов в Большой Советской Энциклопедии

chemistry.narod.ru – Мир Химии

dic.academic.ru – Словари и энциклопедии