Физико химические свойства никеля. Никель и сплавы никеля: химический состав, свойства, применение

05.12.2023 | Ремонт авто

Никель

НИ́КЕЛЬ -я; м. [нем. Nickel] Химический элемент (Ni), серебристо-белый тугоплавкий металл с сильным блеском (применяется в промышленности).

◁ Ни́келевый, -ая, -ое. Н. рудник. Н-ая руда. Н-ые сплавы. Н-ое покрытие.

ни́кель

(лат. Niccolum), химический элемент VIII группы периодической системы. Название от немецкого Nickel - имя злого духа, якобы мешавшего горнякам. Серебристо-белый металл; плотность 8,90 г/см 3 , t пл 1455°C; ферромагнитен (точка Кюри 358°C). Очень стоек к действию воздуха, воды. Главные минералы - никелин, миллерит, пентландит. Около 80% никеля идёт на никелевые сплавы. Применяют также для производства аккумуляторов, химической аппаратуры, для антикоррозионных покрытий (никелирование), как катализатор многих химических процессов.

НИКЕЛЬ

НИ́КЕЛЬ (лат. Niссolum), Ni, химический элемент с атомным номером 28, атомная масса 58,69. Химический символ элемента Ni произносится так же, как и название самого элемента. Природный никель состоит из пяти стабильных нуклидов (см. НУКЛИД) : 58 Ni (67,88 % по массе), 60 Ni (26,23 %), 61 Ni (1,19 %), 62 Ni (3,66 %) и 64 Ni (1,04 %). В периодической системе Д. И. Менделеева никель входит в группу VIIIВ и вместе с железом (см. ЖЕЛЕЗО) и кобальтом (см. КОБАЛЬТ) образует в 4-м периоде в этой группе триаду близких по свойствам переходных металлов. Конфигурация двух внешних электронных слоев атома никеля 3s 2 p 6 d 8 4s 2 . Образует соединения чаще всего в степени окисления +2 (валентность II), реже - в степени окисления +3 (валентность III) и очень редко в степенях окисления +1 и +4 (валентности соответственно I и IV).
Радиус нейтрального атома никеля 0,124 нм, радиус иона Ni 2+ - от 0,069 нм (координационное число 4) до 0,083 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации атома никеля 7,635, 18,15, 35,17, 56,0 и 79 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность никеля 1,91. Стандартный электродݑː٠потенциал Ni 0 /Ni 2+ –0,23 B.
Простое вещество никель в компактном виде - блестящий серебристо-белый металл.
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 (см. КРОНСТЕДТ Аксель Фредрик) 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 (см. РИХТЕР Иеремия Вениамин) , который для очистки провел 32 перекристаллизации никелевого купороса (сульфата никеля) и в результате восстановления получил чистый металл.
Нахождение в природе
В земной коре содержание никеля составляет около 8·10 -3 % по массе. Возможно, громадные количества никеля - около 17·10 19 т - заключены в ядре Земли, которое, по одной из распространенных гипотез, состоит из железоникелевого сплава. Если это так, то Земля примерно на 3 % состоит из никеля, а среди составляющих планету элементов никель занимает пятое место - после железа, кислорода, кремния и магния. Никель содержится в некоторых метеоритах, которые по составу представляют собой сплав никеля и железа (так называемые железоникелевые метеориты). Разумеется, как практический источник никеля такие метеориты значения не имеют. Важнейшие минералы никеля: никелин (см. НИКЕЛИН) (современное название купферникеля) NiAs, пентландит (см. ПЕНТЛАНДИТ) [сульфид никеля и железа состава (Fe,Ni) 9 S 8 ], миллерит (см. МИЛЛЕРИТ) NiS, гарниерит (см. ГАРНИЕРИТ) (Ni, Mg) 6 Si 4 O 10 (OH) 2 и другие никельсодержащие силикаты. В морской воде содержание никеля составляет примерно 1·10 -8 –5·10 -8 %
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 флотации (см. ФЛОТАЦИЯ) получают 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 (см. АММИАК) или серной кислоты (см. СЕРНАЯ КИСЛОТА) . Для дополнительной очистки черновой никель подвергают электрохимическому рафинированию.
Физические и химические свойства
Никель - ковкий и пластичный металл. Он обладает кубической гранецентрированной кристаллической решеткой (параметр а=0,35238 нм). Температура плавления 1455°C, температура кипения около 2900°C, плотность 8,90 кг/дм 3 . Никель - ферромагнетик (см. ФЕРРОМАГНЕТИК) , точка Кюри (см. КЮРИ ТОЧКА) около 358°C
На воздухе компактный никель стабилен, а высокодисперсный никель пирофорен (см. ПИРОФОРНЫЕ МЕТАЛЛЫ) . Поверхность никеля покрыта тонкой пленкой оксида NiO, которая прочно предохраняет металл от дальнейшего окисления. С водой и парами воды, содержащимися в воздухе, никель тоже не реагирует. Практически не взаимодействует никель и с такими кислотами, как серная, фосфорная, плавиковая и некоторыми другими.
Металлический никель реагирует с азотной кислотой, причем в результате образуется нитрат никеля(II) Ni(NO 3) 2 и выделяется соответствующий оксид азота, например:
3Ni + 8HNO 3 = 3Ni(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
Только при нагревании на воздухе до температуры выше 800°C металлический никель начинает реагировать с кислородом с образованием оксида NiO.
Оксид никеля обладает основными свойствами. Он существует в двух полиморфных модификациях: низкотемпературной (гексагональная решетка) и высокотемпературной (кубическая решетка, устойчива при температуре выше 252°C). Имеются сообщения о синтезе оксидных фаз никеля состава NiO 1,33-2,0 .
При нагревании никель реагирует со всеми галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) с образованием дигалогенидов NiHal 2 . Нагревание порошков никеля и серы приводит к образованию сульфида никеля NiS. И растворимые в воде дигалогениды никеля, и нерастворимый в воде сульфид никеля могут быть получены не только «сухим», но и «мокрым» путем, из водных растворов.
С графитом никель образует карбид Ni 3 C, c фосфором - фосфиды составов Ni 5 P 2 , Ni 2 P, Ni 3 P. Никель реагирует и с другими неметаллами, в том числе (при особых условиях) с азотом. Интересно, что никель способен поглощать большие объемы водорода, причем в результате образуются твердые растворы водорода в никеле.
Известны такие растворимые в воде соли никеля, как сульфат NiSO 4 , нитрат Ni(NO 3) 2 и многие другие. Большинство этих солей при кристаллизации из водных растворов образует кристаллогидраты, например, NiSO 4 .7Н 2 О, Ni(NO 3) 2 .6Н 2 О. К числу нерастворимых соединений никеля относятся фосфат Ni 3 (PO 4) 2 и силикат Ni 2 SiO 4 .
При добавлении щелочи к раствору соли никеля(II) выпадает зеленый осадок гидроксида никеля:
Ni(NO 3) 2 + 2NaOH = Ni(OH) 2 + 2NaNO 3
Ni(OH) 2 обладает слабоосновными свойствами. Если на суспензию Ni(OH) 2 в щелочной среде воздействовать сильным окислителем, например, бромом, то возникает гидроксид никеля(III):
2Ni(OH) 2 + 2NaOH + Br 2 = 2Ni(OH) 3 + 2NaBr
Для никеля характерно образование комплексов. Так, катион Ni 2+ с аммиаком образует гексаамминовый комплекс 2+ и диакватетраамминовый комплекс 2+ . Эти комплексы с анионами образуют синие или фиолетовые соединения.
При действии фтора F 2 на смесь NiCl 2 и КСl возникают комплексные соединения, содержащие никель в высоких степенях окисления: +3 - (K 3 ) и +4 - (K 2 ).
Порошок никеля реагирует с оксидом углерода(II) СО, причем образуется легко летучий тетракарбонил Ni(CO) 4 , который находит большое практическое применение при нанесении никелевых покрытий, приготовлении высокочистого дисперсного никеля и т. д.
Характерна реакция ионов Ni 2+ с диметилглиоксимом, приводящая к образованию розово-красного диметилглиоксимата никеля. Эту реакцию используют при количественном определении никеля, а продукт реакции - как пигмент косметических материалов и для других целей.
Применение
Основная доля выплавляемого никеля расходуется на приготовление различных сплавов. Так, добавление никеля в стали позволяет повысить химическую стойкость сплава, и все нержавеющие стали обязательно содержат никель. Кроме того, сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и используются при изготовлении прочной брони. Сплав железа и никеля, содержащий 36-38% никеля, обладает удивительно низким коэффициентом термического расширения (это - так называемый сплав инвар), и его применяют при изготовлении ответственных деталей различных приборов.
При изготовлении сердечников электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои (см. ПЕРМАЛЛОЙ) . Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80 % никеля. Общеизвестны применяемые в различных нагревателях нихромовые спирали, которые состоят из хрома (10-30 %) и никеля. Из никелевых сплавов чеканятся монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.
Высокая коррозионная стойкость никелевых покрытий позволяет использовать тонкие никелевые слои для защиты различных металлов от коррозии путем их никелирования. Одновременно никелирование придает изделиям красивый внешний вид. В этом случае для проведения электролиза используют водный раствор двойного сульфата аммония и никеля (NH 4) 2 Ni(SO 4) 2 .
Никель широко используют при изготовлении различной химической аппаратуры, в кораблестроении, в электротехнике, при изготовлении щелочных аккумуляторов, для многих других целей.
Специально приготовленный дисперсный никель (так называемый никель Ренея) находит широкое применение как катализатор самых разных химических реакций. Оксиды никеля используют при производстве ферритных материалов и как пигмент для стекла, глазурей и керамики; оксиды и некоторые соли служат катализаторами различных процессов.
Билогическая роль
Никель относится к числу микроэлементов (см. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ) , 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).

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "никель" в других словарях:

НИКЕЛЬ - (симв. Ni), металл с атомным весом 58,69, порядковый номер 28, принадлежит вместе с кобальтом и железом к VIII группе и 4 му ряду периодической системы Менделеева. Уд. в. 8,8, t° плавления 1 452°. В своих обычных соединениях Н.… … Большая медицинская энциклопедия

- (символ Ni), серебристо белый металл, ПЕРЕХОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, открытый в 1751 г. Его основные руды: сульфидные никеле железные руды (пентландит) и ар сенид никеля (никелин). У никеля сложный процесс очищения, включающий дифференцированное разложение… … Научно-технический энциклопедический словарь

- (нем. Nickel). Металл серебристо белого цвета, в чистом виде не встречается. В последнее время употребляется на выделку столовой и кухонной посуды. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. НИКЕЛЬ нем. Nickel … Словарь иностранных слов русского языка

Никель - представляет собой относительно твердый серовато белый металл с температурой плавления 1453 град. С. Он является ферромагнетиком, отличается ковкостью, пластичностью, прочностью, а также стойкостью к коррозии и окислению. Никель в основном… … Официальная терминология

Применение никеля в сплавах

Никель является основой большинства жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

монель-металл (65 - 67 % Ni + 30 - 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив;
нихром, сплав сопротивления (60 % Ni + 40 % Cr);
пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;
инвар (65 % Fe + 35 % Ni), 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.

се нержавеющие стали обязательно содержат никель, т.к. никель повышает химическую стойкость сплава. Также сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и и используются при изготовлении прочной брони. При изготовлении важнейших деталей различных приборов использется сплав никеля с железом (36-38% никеля), обладающий низким коэффициентом термического расширения.

При изготовлении сердечникиов электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои. Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80% никеля. Из никелевых сплавов чеканяться монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.

Никелирование металлов

Никель в чистом виде находит основное применение в качестве защитных покрытий от коррозии в различных химических средах. Защитные покрытия на железе и других металлах получаются двумя известными способами: плакировкой и гальванопластикой. Первым методом плакированный слой создается путем совместной прокатки в горячем состоянии тонкой никелевой пластинки с толстым железным листом. Соотношение толщин никеля и покрываемого металла при этом равно примерно 1:10. В процессе совместной прокатки, за счет взаимной диффузии, эти листы свариваются, и получается монолитный двухслойный или даже трехслойный металл, никелевая поверхность которого предохраняет этот материал от коррозии.

Такого рода горячий метод создания защитных никелевых покрытий широко применяется для предохранения железа и нелегированных сталей от коррозии. Это значительно удешевляет стоимость многих изделий и аппаратов, изготовленных не из чистого никеля, а из сравнительно дешевого железа или стали, но покрытых тонким защитным слоем из никеля. Из никелированных листов железа изготовляются большие резервуары для транспортировки и хранения, например, едких щелочей, применяемые также в различных производствах химической промышленности.

Гальванический способ создания защитных покрытий никелем является одним из самых старых методов электрохимических процессов. Эта операция, широко известная в технике под названием никелирование, в принципе представляет сравнительно простой технологический процесс. Он включает в себя некоторую подготовительную работу по весьма тщательной очистке поверхности покрываемого металла и подготовке электролитической ванны, состоящей из подкисленного раствора никелевой соли, обычно сульфата никеля. При электролитическом покрытии катодом служит покрываемый материал, а анодом - никелевая пластинка. В гальванической цепи никель осаждается на катоде с эквивалентным переходом его из анода в раствор. Метод никелирования имеет широкое применение в технике, и для этой цели потребляется большое количество никеля.

За последнее время метод электролитического покрытия никелем применяется для создания защитных покрытий на алюминии, магнии, цинке и чугунах. В работе описывается применение метода никелирования алюминиевых и магниевых сплавов, в частности для защиты дюралюминиевых лопастей винтовых самолетов. В другой работе описано применение никелированных чугунных барабанов для сушки в бумажном производстве; установлено значительное повышение коррозионной стойкости барабанов и повышение качества бумаги на никелированных барабанах по сравнению с обычными чугунными без никелировки.

Никелирование 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:

NiCl 2 + NaH 2 PO 2 + H 2 O = Ni + NaH 2 PO 3 + 2HCl

Процесс проводят при рН 4 - 6 и 95 °C.

Применение никеля в производстве аккумуляторов

Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

Самые распространенные «минусы» в химических источниках тока – это цинк, кадмий, железо, а самые распространенные «плюсы» – окислы серебра, свинца, марганца, никеля. Соединения никеля используются в производстве щелочных аккумуляторов. Кстати, железоникелевый аккумулятор изобретен в 1900 г. Томасом Алвой Эдисоном.

Положительные электроды на основе окислов никеля имеют достаточно большой положительный заряд, они стойки в электролите, хорошо обрабатываются, сравнительно недороги, служат долго и не требуют особого ухода. Этот комплекс свойств и сделал никелевые электроды самыми распространенными. У некоторых батарей, в частности цинково-серебряных, удельные характеристики лучше, чем у железоникелевых или кадмийникелевых. Но никель намного дешевле серебра, к тому же дорогие батареи служат намного меньше.

Окисноникелевые электроды для щелочных аккумуляторов делают из пасты, в состав которой входят гидрат окиси никеля и графитовый порошок. Иногда функции токопроводящей добавки вместо графита выполняют тонкие никелевые лепестки, равномерно распределенные в гидроокиси никеля. Эту активную массу набивают в различные по конструкции токопроводящие пластины.

В последние годы получил распространение другой способ производства никелевых электродов. Пластины прессуют из очень тонкого порошка окислов никеля с необходимыми добавками. Вторая стадия производства – спекание массы в атмосфере водорода. Этим способом получают пористые электроды с очень развитой поверхностью, а чем больше поверхность, тем больше ток. Аккумуляторы с электродами, изготовленными этим методом, мощнее, надежнее, легче, но и дороже. Поэтому их применяют в наиболее ответственных объектах – радиоэлектронных схемах, источниках тока в космических аппаратах и т.д.

Никелевые электроды, изготовленные из тончайших порошков, используются и в топливных элементах. Здесь особое значение приобретают каталитические свойства никеля и его соединений. Никель – прекрасный катализатор сложных процессов, протекающих в этих источниках тока. Кстати, в топливных элементах никель и его соединения могут пойти на изготовление и «плюс» и «минуса». Разница лишь в добавках.

Никель в радиационных технологиях

Нуклид 63 Ni, излучающий β + -частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах. Никелевые пластинки в последнее время применяют взамен кадмиевых в механических прерывателях нейтронного пучка с целью получения нейтронных импульсов с большим значением энергии.

Применение никеля в медицине

Применяется при изготовлении брекет-систем.
Протезирование

Образование алого осадка при добавлении диметилглиоксима к аммиачному раствору анализируемой смеси – лучшая реакция для качественного и количественного определения никеля. Но диметилгли-оксимат никеля нужен не только аналитикам. Красивая глубокая окраска этого комплексного соединения привлекла внимание парфюмеров: диметилглиоксимат никеля вводят в состав губной помады. Некоторые из подобных диметилглиоксимату никеля соединений – основа очень светостойких красок.

Другие сферы применения никеля

Имеются интересные указания о применении никелевых пластинок в ультразвуковых установках, как электрических, так и механических, а также в современных конструкциях телефонных аппаратов.

Есть некоторые области техники, где чистый никель применяется или непосредственно в порошкообразном виде или в виде различных изделий, получаемых из порошков чистого никеля.

Одной из областей применения порошкообразного никеля являются каталитические процессы в реакциях гидрогенизации непредельных углеводородов, циклических альдегидов, спиртов, ароматических углеводородов.

Каталитические свойства никеля аналогичны тем же свойствам платины и палладия. Таким образом, химическая аналогия элементов одной и той же группы периодической системы находит отражение и здесь. Никель, как металл более дешевый, чем палладий и платина, широко применяется в качестве катализатора при гидрогенизационных процессах.

Для этих целей целесообразно применять никель в виде тончайшего порошка. Он получается специальным режимом восстановления водородом закиси никеля в интервале температур 300-350°.

Данный металл серебристо-серого цвета относится к переходным - он обладает и щелочными, и кислотными свойствами. Основными достоинствами металла считаются ковкость, пластичность, а также высокие антикоррозийные показатели. Где и каким образом используется никель - читайте ниже.

Благодаря присутствию оксидной пленки на поверхности, металл наделен способностью отлично противостоять коррозии. К тому же покрытие из данного металла надежно защищает от окисления детали и предметы, изготовленные из других материалов. Именно поэтому никель широко используется в современной промышленности.

К тому же, элемент имеет не только антикоррозийные свойства. Он отлично противостоит воздействию различных щелочей. Благодаря этому, его применяют для защиты всевозможных алюминиевых, железных и чугунных деталей, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах. В том числе для изготовления самолетных лопастей, цистерн для перевозки опасных веществ и другого оборудования для химической промышленности.

Если говорить о других сферах нашей жизни, где использование никеля сегодня поставлено на широкую ногу, то стоит упомянуть производство:

протезов и брекетов для нужд медицины;
аккумуляторов;
химических реактивов;
"белого золота" в ювелирной промышленности;
обмотки для струн музыкальных инструментов.

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.

Другие области применения

Одной из наиболее распространенных областей, где сегодня используется никель в промышленности, является никелирование, то есть нанесение тонкого слоя никеля (толщина варьируется от 12 до 36 микрометров) на поверхность других металлов при помощи гальванического метода. Таким способом проходит антикоррозийная обработка:

металлических труб;
посуды;
столовых предметов;
смесителей и кранов для кухни или ванной комнаты;
мебельной фурнитуры и других декоративных изделий.

Обработанные таким образом предметы будут в течение продолжительного срока надежно защищены от воздействия влаги, а также, благодаря не тускнеющему со временем серебристому покрытию, сохранят презентабельный внешний вид.

Никель является 17-м химическим элементом периодической системы Менделеева с атомным номером 28. Вещество представляет собой переходный металл, отличающийся своею пластичностью и имеющий характерный серебристо-белый окрас. Не проявляет сильной химической активности. Само название вещества в переводе с немецкого означает «горный дух». С никелем люди были знакомы еще в 17-м столетии, однако он еще не был выделен в отдельное вещество. Его встречали в медных рудах во время добычи меди и называли лжемедь (купферникель) от духа гор. Выделение вещества как отдельного металла осуществил Аксель Кростедт в 1751 году и назвал его «никель».

В середине 18 века людям было известно 12 металлов, а также сера, фосфор, углерод и мышьяк. Тогда же к ним добавился и никель, которому был присвоен 17-ый номер.

Характеристика никеля

Новооткрытый элемент нашел свое применение не сразу. Только спустя два столетия люди стали активно использовать металл. Особенно популярным он стал в металлургии. Как выяснилось, никель является отличным легирующим элементом для стали и железа. Так, сплавы с никелем являются очень устойчивыми к различным химическим воздействиям, не поддаются коррозионному повреждению, а также могут выдерживать очень высокие температурные режимы. Например, сплав никеля и железа, который называется в металлургии инвар, не способен расширяться под воздействием высоких температур, это является одной из главных причин, по которой инвар используется для производства рельс для железных дорог и многих других элементов.

Физические свойства никеля

Никель является металлом с характерным желтовато-серебристым оттенком. На открытом воздухе сохраняет свой цвет и блеск, не тускнеет. Твердость металла по Бринеллю составляет 600-800 Мн/м 2 . Не смотря на достаточно высокую свою твердость, металл хорошо поддается различным физическим воздействиям и обработкам, в том числе ковке и полировке. Это позволяет использовать никель для производства очень тонких и деликатных изделий.

Металл имеет магнитные особенности даже в условиях достаточно низких температур (до -340 0 С). Не поддается коррозионному повреждению.

Физические свойства никеля

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

Никель имеет 28 атомный номер и обозначается в химической номенклатуре символом Ni. Имеет молярную массу 58,6934 г/моль. Атом никеля имеет радиус в 124 пм. Его электроотрицательность по шкале Полинга составляет 1,94, электронный потенциал равен 0,25 В.

Металл не подвергается негативному воздушному и водному воздействию. Это связано с образованием на его поверхности пленки в виде оксида никеля (NiO), которая предотвращает его дальнейшее окисление.

Реагирует с кислородом только при определенных условиях, в частности, при сильном нагревании. В условиях высоких температур способен также взаимодействовать абсолютно со всеми галогенами.

Проявляет бурную реакцию в азотной кислоте, а также в растворах с аммиаком. Однако, некоторые соли, например, соляная и серная, достаточно медленно растворяют металл. А вот в фосфорной кислоте он не растворяется вообще.

Получение никеля

Основным материалом для добычи никеля являются именно сульфидные медно-никелевые руды. Так, именно из таких руд получают порядка 80 % никеля от общего производства в мире, без учета России. Руды подвергаются селективному обогащению флотацией, после чего из руды выделяется медный, никелевый, а также пирротиновый концентраты.

Для получения чистого металла используется никелевый рудный концентрат, который наряду с флюсами подвергается плавлению в электрических шахтах или отражательных печах. В результате данного процесса отделяется пустая порода и извлекается никель в виде штейна, в составе которого находится до 15% никеля.

Иногда перед тем, как отправить на плавление концентрат, его подвергают обжигу и окускованию. В составе сульфидного расплава (штейна) после процесса плавки также обнаруживаются Fe, Со и практически полностью Сu, а также благородные металлы. Далее отделяется железо, после чего остается сплав, в составе которого присутствуют медь и никель. Сплав подвергается медленному охлаждению, после чего тонко измельчается и отправляется на дальнейшую флотацию с целью разделения этих двух элементов. Cu и Ni также можно разделить так называемым карбонильным процессом, в основе которого лежит обратимость реакции.

Наиболее распространенными считаются три способа получения никеля:

Восстановительный. За основу берется силикатная руда, из которой с участием угольной пыли образуются железно-никелевые окатыши, содержащие от 5% до 8% никеля. Для этого процесса используются вращающиеся трубчатые печи. После этого окатыши очищаются от серы, прокаливаются и обрабатываются раствором аммиака, из которого и получают после подкисления никель.
Карбонильный. Данный метод еще называют методом Монда. Основан на получении медно-никелевого штейна из сульфидной руды. Над штейном под высоким давлением пропускается СО, в результате чего образуется тетракарбонилникель, из которого под воздействием высоких температур происходит выделение особо чистого никеля.
Алюминотермический. Данный способ основан на восстановлении никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al 2 O 3

Соединения никеля

Никель образует множество различных соединений, как органических, так и неорганических, каждое из которых применяется в определенных областях человеческой деятельности.

Неорганические соединения никеля

Среди таковых стоит отметить оксиды. В частности его монооксид, образование которого происходит в результате реакции металла и кислорода при достаточно высокой температуре, превышающей 500 0 С, используется в качестве материала, из которого изготавливают краски и эмали в керамическом и стекольном производстве. А при производстве анодов, которые применяются в щелочных аккумуляторах, используется сесквиоксид никеля Ni 2 O 3 . Для его получения нитрат никеля или хлорат никеля подвергают очень медленному нагреванию.

Не последнее место отводится и гидроксидам никеля. Например, Ni(OH) 2 образуется в результате воздействия щелочей на водные растворы солей никеля. Для данного гидроксида характерен светло-зеленый цвет. Из гидроксида никеля под воздействием окислителя в щелочной среде образуется гидратированный оксид, на основе которого происходит работа щелочного аккумулятора Эдисона. Преимуществом данного аккумулятора является его способность на протяжении длительного времени находится незаряженным, в то время, как обычный свинцовый аккумулятор не может пребывать долго в незаряженном состоянии.

Соли никеля (ІІ), как правило, образуются в результате взаимодействия NiO или Ni(OH) 2 c разнообразными кислотами. Растворимые соли никеля, в большинстве случаев, образуют кристаллогидраты. Нерастворимыми солями являются фосфат Ni 3 (PO 4) 2 и силикат Ni 2 SiO 4 . Для кристаллогидратов и растворов характерен зеленоватый окрас, а безводные соли характеризуются желтым или коричнево-желтым цветом.

Также существуют комплексные соединения никеля (II). Для их образования растворяется оксид никеля в растворе аммиака. Диметилглиоксимат никля Ni(C 4 H 6 N 2 O 2) 2 применяется в качестве реакции на ионы никеля. Для него характерно окрашивание кислой среды в красный цвет.

Наименее характерными соединениями никеля выступают соединения никеля (III). Из таковых известно вещество черного цвета, которое получается в результате реакции окисления гидроксида никеля (II) в щелочной среде гипохлоритом или галогенами:

2Ni(OH) 2 + 2NaOH + Br 2 = Ni 2 O 3 *H 2 O + 2NaBr + H 2 O

Органические соединения никеля

Связь Ni-C осуществляется двумя способами:

По у-типу. Такие соединения называются у-комплексами. К ним относятся соединения, имеющие следующий вид: и , где R=Alk или Ar, L=PR3, где Х - ацидолиганд.
По р-типу. Именуются р-комплексами. К ним относятся алкеновые и полиеновые никельорганические соединения, в состав которых входит никель в нулевой степени окисления. Такие соединения характеризуются, как правило, тригональной или тетраэдрической структурой.

Открытие долго оспаривалось: современники полагали, что никель - это не самостоятельный металл, а сплав уже известных металлов с мышьяком и серой. Кронстедт настаивал на индивидуальности никеля, ссылаясь в качестве «вещественных доказательств», в частности, на зеленую окраску его соединений и легкость взаимодействия этого «полуметалла» с серой . Кронстедту приходилось бороться не только с физико-химическими, но и с астрологическими доводами своих оппонентов. «Число металлов превосходит уже число планет, в солнечном круге находящихся, - писал Кронстедт, - поэтому ныне размножения числа металлов опасаться не надлежит».

Но Кронстедт умер в 1765 г., так и не дождавшись признания своего открытия. И даже через 10 лет после его смерти во Французской энциклопедии, высшем своде знаний эпохи, было напечатано: «Кажется, что еще должны быть проведены дальнейшие опыты, чтобы убедить пас, есть ли этот королек «никеля», о котором говорит г. Кронстедт, особый полуметалл или его скорее следует считать соединением железа , мышьяка, висмута , кобальта и даже меди с серой».

В том же 1775 г. соотечественник Кронстедта химик и металлург Т. Бергман опубликовал свои исследования, которые убедили многих в том, что никель действительно новый металл. Но окончательно споры улеглись лишь в начале XIX в., когда нескольким крупным химикам впервые удалось выделить чистый никель. Среди них был Ж. Л. Пруст, автор закона постоянства состава химических соединений; интересно, что важным аргументом в пользу индивидуальности никеля Пруст считал своеобразный сладковатый вкус раствора никелевого купороса, резко отличный от неприятного вкуса медного купороса. Другой французский химик, Л. Ж. Тенар, окончательно выяснил магнитные свойства никеля (на их своеобразие указывал еще Бергман).

Полувековые усилия исследователей были подытожены Иеремией Рихтером, который более известен в истории химии как один из основоположников стехиометрии. Чтобы получить чистый никель, Рихтер после обжига купферникеля NiAs на воздухе (для удаления большей части мышьяка), восстановления углем и растворения королька в кислоте проделал 32 перекристаллизации никелевого купороса и затем из этих кристаллов восстановил чистый металл. Полученный этим «весьма многотрудным путем» никель был описан Рихтером в 1804 г. в статье «Об абсолютно чистом никеле, благородном металле, его получении и особых свойствах».

В историю элемента № 28 статья Рихтера вошла как пророческая: в ней были указаны почти все характерные особенности никеля, сделавшие его одним из главнейших металлов современной техники, - большая сопротивляемость коррозии, жаростойкость, высокая пластичность и ковкость, магнитные свойства. Эти особенности и определили пути, по которым никель был направлен человеком.

Металлический никель...

Первые применения никелю придумали ювелиры. Спокойный светлый блеск никеля (вспомним Маяковского: «Облил булыжники лунный никель») не меркнет на воздухе. К тому же никель сравнительно легко обрабатывается. Поэтому его стали применять для изготовления украшений, предметов утвари и звонкой монеты.

Но и это весьма незначительное поле деятельности элемент № 28 получил не сразу, потому что никель, который выплавляли металлурги, был совсем не похож на благородный металл, описанный Рихтером. Он был хрупок и практически непригоден для обработки.

Позже выяснилось, что ничтожной (по нормам столетней давности) примеси серы - лишь 0,03% - достаточно, чтобы вконец испортить механические свойства никеля; происходит это из-за того, что тончайшая пленка хрупкого сернистого никеля разъединяет зерна металла, нарушает его структуру. Примерно так же действует на свойства этого металла и кислород .

Проблему получения ковкого никеля решило одно открытие. Присадка магния в расплавленный металл перед разливкой освобождает никель от примесей: магний активно связывает, «принимает на себя» серу и кислород. Это открытие было сделано еще в 70-х годах позопрошлого века, и с тех пор спрос на никель стал расти.

Вскоре выяснилось, что элемент № 28 - не только декоративный металл (хотя никелированием как средством защиты других металлов от коррозии и для декоративны целей пользуются уже около ста лет). Никель оказался и одним из самых перспективных материалов для изготовления химической аппаратуры, которая должна выдерживать разъедающее действие концентрированных рассолов, горячих щелочей, расплавленных солей, фтора , хлора , брома и других агрессивных сред. Химическую пассивность этот металл сохраняет и при нагреве; жаростойкость проложила никелю дорогу в реактивную технику.

Уникальную совокупность свойств увидели в никеле конструкторы электровакуумных приборов. Не случайно больше трех четвертей всего металла, расходуемого электровакуумной техникой, приходится на чистый никель; из него изготовляют проволочные держатели, вводы, сетки, аноды, экраны, керны для оксидных катодов и ряд других деталей.

Здесь наряду с коррозионной и тепловой стойкостью никеля, его пластичностью и прочностью очень ценится низкая упругость пара: при рабочей температуре около 750°С объем электронной лампы насыщается ничтожным количеством никеля - порядка 10-12 г, которое не нарушает глубокого вакуума.

Магнитные свойства никеля

Во многих отношениях замечательны магнитные свойства никеля. В 1842 г. Дж. П. Джоуль описал увеличение длины стальных прутков при намагничивании. Через 35 лет физики добрались и до химических собратьев железа - кобальта и никеля . И тут оказалось, что кобальтовые прутки тоже удлиняются в магнитном поле, а у никеля этот замечательный эффект не обнаруживается. Еще через несколько лет (в 1882 г.) выяснилось, что никель не только не удлиняется, а, наоборот, даже укорачивается в магнитном поле. Явление было названо магнитострикцией. Сущность его состоит в том, что при наложении внешнего магнитного поля беспорядочно расположенные микромагнитики металла (домены) выстраиваются в одном направлении, деформируя этим кристаллическую решетку. Эффект обратим: приложение механического напряжения к металлу меняет его магнитные характеристики.

Поэтому механические колебания в ферромагнитных материалах затухают гораздо быстрее, чем в неферромагнитных: энергия колебаний расходуется на изменение состояния намагниченности. Понимание природы этого «магнитомеханического затухания» позволило создать не боящиеся усталости сплавы для лопаток турбин и многих других деталей, подвергающихся вибрации.

Но, пожалуй, еще важнее другая область применения магнитомеханических явлений: стерженек из никеля в переменном магнитном поле достаточной частоты становится источником ультразвука. Раскачивая такой стерженек в резонансе (для этого подбирают соответствующую длину), достигают колоссальной для ультразвуковой техники амплитуды колебаний - 0,01% от длины стержня.

Никелевые магнитострикторы были применены, между прочим, при никелировании в ультразвуковом поле: благодаря ультразвуку получаются чрезвычайно плотные и блестящие покрытия, причем скорость их нанесения может быть гораздо выше, чем без озвучивания. Так «никель сам себе помогает».

Никель обнаружен в железных метеоритах. «Масса самородного железа в 71 венский фунт весом, которая выпала на воздуха на глазах у нескольких очевидцев в шесть часов пополудни 26 мая 1751 г. близ деревни Грашина в Хорватии и зарылась в землю на три сажени на незадолго до того вспаханном поле»

Ультразвук имеет и множество других применений. Однако никто, по-видимому, не исследовал воздействия быстропеременного магнитного поля на реакции с участием металлического никеля: вызванная магнитострикцией пульсация поверхности должна была бы существенно повлиять на химическое взаимодействие, так что изучение реакции «звучащего» металла может выявить новые неожиданные эффекты.

Никель и его сплавы

Обратимся теперь к сплавам никеля. Но лучше сказать вернемся: ведь история применения никеля началась со сплавов: одни - железоникелевые - человек получил в готовом виде, другие - медноникелевые - он научился выплавлять из природных руд, еще не зная, какие металлы в них входят.

А сейчас промышленность использует несколько тысяч сплавов, в которые входит никель, хотя и в наше время сочетания железо - никель и медь - никель, предоставленные нам самой природой, остаются основой подавляющего большинства никельсодержащих сплавов. Но, наверное, самое важное - это не количество и разнообразие этих сплавов, а то, что в них человек сумел усилить и развить нужные нам свойства никеля.

Известно, например, что твердые растворы отличаются большей прочностью и твердостью, чем их компоненты, но сохраняют их пластичность. Поэтому металлические материалы, подлежащие обработке посредством ковки, прокатки, протяжки, штамповки и т. п., создают на основе систем, компоненты которых образуют между собой твердые растворы. Именно таковы сплавы никеля с медью: оба металла полностью смешиваются в любых пропорциях как в жидком состоянии, так и при затвердевании расплава. Отсюда - прекрасные механические свойства медно-никелевых сплавов, известные еще древним металлургам.

Праотец многочисленного рода этих сплавов - «пакт-хонг» (или «пекфонг»), который выплавляли в Китае, возможно до нашей эры, дожил до наших дней. Он состоит из меди, никеля (20%) и цинка, причем цинк играет здесь в основном ту же роль, что и магний при приготовлении ковкого никеля. Этот сплав в небольших количествах начали получать в Европе еще в первой половине XIX в. под названиями аргентан, немецкое серебро , нейзильбер (новое серебро) и массой других, причем почти все эти названия подчеркивали красивый - серебряный - внешний вид сплава. Никель обладает интересной «отбеливающей способностью»: уже 20% его полностью гасят красный цвет меди.

«Новое серебро» успешно конкурировало со старым, завоевав популярность у ювелиров. Применили его и для чеканки монет. В 1850 г. Швейцария выпустила первые монеты из нейзильбера, и вскоре ее примеру последовали почти все страны. Американцы даже называют свои пятицентовые монетки «nickel». Масштабы этого применения медноникелевых сплавов огромны: столбик из «никелевых» монет, которые изготовлены в мире за 100 с небольшим лет, достиг бы Луны!

Ныне нейзильбер и родственный ему мельхиор (в мельхиоре нет цинка, но присутствует около 1% марганца) применяются не только и не столько для замены столового серебра, сколько в инженерных целях: мельхиор наиболее стоек (из всех известных сплавов!) против ударной, или струевой, коррозии. Это отличный материал для кранов, клапанов и особенно конденсаторных трубок.

А вот более молодой сплав меди и никеля - дитя случая и находчивости. В начале XX в. возникли осложнения при переработке богатых канадских руд, содержавших вдвое больше никеля, чем меди; разделение этих двух металлов было твердым орешком для металлургов. Полковник Амброз Монель, тогдашний президент Международной никелевой компании, подал смелую мысль - не разделять медь и никель, а выплавлять их совместно в «натуральный сплав». Инженеры осуществили эту идею - и получился знаменитый монель-металл - один из главнейших сплавов химического машиностроения. Сейчас создано много марок монель-металла, различающихся природой и количеством легирующих добавок, но основа во всех случаях прежняя - 60-70% никеля и 28-30% меди. Высокая химическая стойкость, блестящие механические свойства и сравнительная дешевизна (его и сейчас выплавляют без предварительного разделения меди и никеля) создали монель-металлу славу среди химиков, судостроителей, текстильщиков, нефтяников и даже парфюмеров.

Если монель-металл - «натуральный сплав» из сульфидных медноникелевых руд, то ферроникель - естественный продукт плавки окисленных руд никеля. Отличие состоит в том, что» зависимости от условии плавки в этом продукте можно широко менять соотношение никеля и железа (большую часть железа переводят в шлак). Ферроникель различного состава используют затем в качестве полупродукта для получения многих марок стали и других железоникелевых сплавов.

Видманштеттова структура. В 1808 г. директор Промышленного музея в Вене Алоиз фон Вндманштеттен, получив от своего друга образцы железных метеоритов, отполировал их и протравил азотной кислотой. Возникли изящные линии травления, отражающие характерную структуру сплава

Таких сплавов великое множество. Всем хорошо известны конструкционные никелевые и нержавеющие хромоникелевые стали. На них уходит почти половина всего никеля, добываемого человеком. Инконель - «аристократический родственник» нержавеющих сталей, в котором железа почти не осталось, это сплав (точнее, группа сплавов на основе никеля и хрома с добавками титана и других элементов. Инконель стал одним из главных материалов ракетной техники. Нихром (20% Cr, 80% Ni) - важнейший из сплавов сопротивления, основа большинства электронагревательных приборов, от домашних электроплиток до мощных промышленных печей. Менее известны элинвар (45% Ni, 55% Fe; легирующие добавки - Cr, Mo, W), сохраняющий постоянную упругость при различных температурах, и платинит (49% Ni, 51% Fe). Последний не содержит платины , но во многих случаях заменяет ее. Как и платину, его можно впаять в стекло, и спай не треснет, поскольку коэффициенты теплового расширения стекла и платинита совпадают. У инвара (36% Ni, 64% Fe) коэффициент теплового расширения близок к нулю.

Особый класс составляют магнитные сплавы. Пожалуй, наибольшие заслуги здесь принадлежат пермаллою FeNi 3 - сплаву с феноменальной магнитной проницаемостью, перевернувшему технику слабых токов. Сердечники из пермаллоя есть в любом телефонном аппарате, а тонкие пермаллойные пленки - главный элемент запоминающих устройств вычислительных машин.

Двигатель американской ракеты «Атлас», работающий при 3200°C, выдерживает эту температуру благодари сотням маленьких никелевых трубок толщиной всего 0,3 мм, образующих стенки камеры сгорания. По этим трубкам проходит жидкое топливо, охлаждающее стенки и само при этом подогревающееся.