Нікель

Нікель— елемент побічної підгрупи восьмої групи, четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва, з атомним номером 28. Позначається символомNi(лат.Niccolum). Проста речовинанікель(CAS-номер: 7440-02-0) - це пластичний ковкий перехідний метал сріблясто-білого кольору, при звичайних температурах повітря покривається тонкою захисною плівкою оксиду. Хімічно малоактивний. Назву свою цей елемент отримав від злого духу гір, який, згідно з німецькою міфологією, підкидав шукачам міді мінерал, схожий на мідну руду; пор. ньому. Nickel - бешкетник.

Нікель (англ., франц. і нім. Nickel) відкрито в 1751 р. Однак задовго до цього саксонські гірники добре знали руду, яка зовні була схожа на мідну руду і застосовувалася в скловаренні для фарбування стекол у зелений колір. Усі спроби отримати з цієї руди мідь виявилися невдалими, у зв'язку з чим наприкінці XVII ст. руда отримала назву купфернікель (Kupfernickel), що означає «Медний диявол». Руду цю (червоний нікелевий колчедан NiAs) в 1751 досліджував шведський мінералог Кронштедт. Йому вдалося отримати зелений оксид і шляхом відновлення останнього — новий метал, який назвали нікелем. Коли Бергман отримав метал у чистішому вигляді, він встановив, що за своїми властивостями метал схожий на залізо; докладніше нікель вивчали багато хіміки, починаючи з Пруста. Ніккел — лайливе слово мовою гірників. Воно утворилося зі спотвореного Nicolaus - родового слова, що мало кілька значень. Але головним чином слово Nicolaus служило характеристики двоособистих людей; крім того, воно означало «пустотливий маленький дух», «оманливий ледар» і т. д. В українській літературі початку XIX ст. вживалися назви ніколан (Шерер, 1808), ніколан(Захаров, 1810), ніколь та нікель (Двігубський, 1824).

2. Фізичні властивості

Металевий нікель має сріблястий колір із жовтуватим відтінком, дуже твердий, в'язкий і ковкий, добре полірується, притягується магнітом, проявляючи магнітні властивості при температурах нижче 340 °C.

3. Хімічні властивості

Атоми нікелю мають зовнішню конфігурацію електронної 3d 8 4s 2 . Найбільш стійким нікелю є стан окислення Ni(II).

Нікель утворює сполуки зі ступенем окиснення +2 та +3. При цьому нікель зі ступенем окиснення +3 лише у вигляді комплексних солей. Для сполук нікелю +2 відома велика кількість звичайних та комплексних сполук. Оксид нікелю Ni2O3 є сильним окислювачем.

Нікель характеризується високою корозійною стійкістю - стійкий на повітрі, у воді, лугах, ряді кислот. Хімічна стійкість обумовлена ​​його схильністю до пасивування - утворення на його поверхні щільної оксидної плівки, що має захисну дію. Нікель активно розчиняється у азотній кислоті.

З оксидом вуглецю CO нікель легко утворює летючий і отруйний карбоніл Ni(CO)4.

Тонкодисперсний порошок нікелю пірофорний (самоспалюється на повітрі).

Нікель горить лише у вигляді порошку. Утворює два оксиди NiO і Ni2O3 і відповідно два гідроксиди Ni(OH)2 та Ni(OH)3. Найважливіші розчинні солі нікелю - ацетат, хлорид, нітрат та сульфат. Розчини пофарбовані зазвичай у зелений колір, а безводні солі – жовті або коричнево-жовті. До нерозчинних солей відносяться оксалат і фосфат (зелені), три сульфіди NiS (чорний), Ni2S3 (жовтувато-бронзовий) та Ni3S4 (чорний). Нікель також утворює численні координаційні та комплексні сполуки. Наприклад, диметилгліоксимат нікелю Ni(C4H6N2O2)2, що дає чіткучервоне забарвлення в кислому середовищі, що широко використовується в якісному аналізі для виявлення нікелю

Водні розчини солей нікелю(II) містять іон гексаакванікелю(II) [Ni(H2O)6] 2+ . При додаванні до розчину, що містить ці іони, аміачного розчину відбувається осадження нікелю гідроксиду (II), зеленого желатинообразного речовини. Цей осад розчиняється при додаванні надлишкової кількості аміаку внаслідок утворення іонів гексаміміннікелю(II) [Ni(NH3)6] 2+ .

Нікель утворює комплекси з тетраедричною та плоскою квадратною структурою. Наприклад, комплекс тетрахлоронікелат (II) [NiCl4] 2- має тетраедричну структуру, а комплекс тетраціанонікелат(II) [Ni(CN)4] 2- має плоску квадратну структуру.

У якісному та кількісному аналізі для виявлення іонів нікелю (II) використовується лужний розчин бутандіондіоксиму, відомого також під назвою диметилгліоксиму. При його взаємодії з іонами нікелю (II) утворюється червона координаційна сполука біс(бутандіондіоксимато)нікель(II). Це — хелатна сполука та бутандіондіоксимато-ліганд є бідентатною.

4. Знаходження у природі

  • нікелін (червоний нікелевий колчедан, купфернікель) NiAs
  • хлоантит (білий нікелевий колчедан) (Ni, Co, Fe) As2
  • гарнієрит (Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6*H2O та інші силікати
  • магнітний колчедан (Fe, Ni, Cu)S
  • миш'яково-нікелевий блиск (герсдорфіт) NiAsS,
  • пентландит (Fe, Ni) 9S8

4.1. Родовища нікелевих руд

Основні родовища нікелевих руд знаходяться в Канаді, Укаїні, Кубі, ПАР, Новій Каледонії та в Україні [2] .

4.2. Природні ізотопи нікелю

Природний нікель містить 5 стабільних ізотопів: 58 Ni (68.27%), 60 Ni (26.10%), 61 Ni (1.13%), 62 Ni (3.59)%), 64 Ni (0,91%). Існують також штучно створені ізотопи нікелю, найстабільніші з яких — 59 Ni (період піврозпаду 100 тисяч років), 63 Ni (100 років) і 56 Ni (6 діб).

5. Отримання

Загальні запаси нікелю в рудах початку 1998 р. оцінюються у кількості 135 млн т., зокрема достовірні — 49 млн.т.

Основні руди нікелю - нікелін (купфернікель) NiAs, мілерит NiS, пентландит (FeNi) 9S8 - містять також миш'як, залізо та сірку; у магматичному пірротині також зустрічаються включення пентландіту. Інші руди, з яких теж видобувають Ni, містять домішки Co, Cu, Fe та Mg. Іноді нікель є основним продуктом процесу рафінування, але найчастіше його одержують як побічний продукт у технологіях інших металів. З достовірних запасів, за різними даними, від 40 до 66% нікелю знаходиться в «окислених нікелевих рудах» (ОНР), 33% - у сульфідних, 0,7% - в інших. Станом на 1997 р. частка нікелю, виробленого переробкою ЗНР, становила близько 40% загальносвітового обсягу виробництва. У промислових умовах ОНР ділять на два типи: магнезіальні та залізисті.

Тугоплавкі магнезіальні руди, як правило, піддають електроплавці на феронікель (5-50% Ni+Co, залежно від складу сировини та технологічних особливостей).

Найбільш залізисті - латеритові руди переробляють гідрометалургійними методами із застосуванням аміачно-карбонатного вилуговування або сірчанокислотного автоклавного вилуговування. Залежно від складу сировини та застосовуваних технологічних схем кінцевими продуктами цих технологій є: закис нікелю (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфідні концентрати різного складу, а також металеві електролітний нікель, нікелеві порошки та кобальт.

«Нікель довгий час не могли отримати впластичному вигляді внаслідок того, що він завжди має невелику домішку сірки у формі нікелю сульфіду, розташованого тонкими, крихкими прошарками на межах металу. Додавання до розплавленого нікелю невеликої кількості магнію переводить сірку у форму з'єднання з магнієм, що виділяється у вигляді зерен, не порушуючи пластичності металу. [4]

Основну масу нікелю отримують з гарнієриту та магнітного колчедану.

  1. Силікатну руду відновлюють вугільним пилом у трубчастих печах, що обертаються, до залізо-нікелевих котунів (5—8 % Ni), які потім очищають від сірки, прожарюють і обробляють розчином аміаку. Після підкислення розчину з нього електролітично одержують метал.
  2. Карбонільний метод (метод Монда). Спочатку з сульфідної руди отримують мідно-нікелевий штейн, над яким пропускають ЗІ під високим тиском. Утворюється легколетючий тетракарбонілнікель [Ni(CO)4], термічним розкладанням якого виділяють чистий метал.
  3. Алюмінотермічний спосіб відновлення нікелю з оксидної руди: 3NiO + 2Al = 3Ni + Al2O3

6. Застосування

Нікель є основою більшості суперсплавів - жароміцних матеріалів, що застосовуються в аерокосмічній промисловості для деталей силових установок.

  • монель-метал (65 - 67% Ni + 30 - 32% Cu + 1% Mn), жаростійкий до 500 ° C, дуже корозійно-стійкий;
  • біле золото (наприклад 585 проби містить 58,5 % золота та сплав (лігатуру) із срібла та нікелю (або паладію));
  • ніхром, сплав опору (60% Ni + 40% Cr);
  • пермалою (76 % Ni + 17 % Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), має високу магнітну сприйнятливість при дуже малих втратах на гістерезис;
  • інвар (65% Fe + 35% Ni), що майже не подовжується при нагріванні;
  • Крімтого, до сплавів нікелю відносяться нікелеві та хромонікелеві сталі, нейзильбер та різні сплави опору типу константану, нікеліну та манганіну. [5]

6.2. Нікелювання

Нікелювання - створення нікелевого покриття на поверхні іншого металу з метою запобігання його від корозії. Проводиться гальванічним способом з використанням електролітів, що містять сульфат нікелю(II), хлорид натрію, гідроксид бору, поверхнево-активні та глянсуючі речовини, та розчинних нікелевих анодів. Товщина одержуваного нікелевого шару становить 12 - 36 мкм. Стійкість блиску поверхні може бути забезпечена наступним хромуванням (товщина шару хрому 0,3 мкм).

Безтокове нікелювання проводиться в розчині суміші нікелю хлориду(II) і гіпофосфіту натрію в присутності цитрату натрію:

Процес проводять при рН 4 - 6 і 95 °C. [5]

6.3. Виробництво акумуляторів

Виробництво залізо-нікелевих, нікель-кадмієвих, нікель-цинкових, нікель-водневих акумуляторів.

6.4. Радіаційні технології

Нуклід 63 Ni, що випромінює β + -частки, має період напіврозпаду 100,1 року і застосовується в крайтронах.

6.5. Медицина

  • Застосовується при виготовленні брекет-систем (нікелід титану).
  • Протезування

6.6. Монетна справа

Нікель широко застосовується під час виробництва монет у багатьох країнах [6] . У США монета номіналом 5 центів носить розмовну назву «нікель» [7] .

6.7. Музична промисловість

Також нікель використовується для обмотки струн музичних інструментів.

7. Біологічна роль

8. Фізіологічна дія

Карбоніл нікелю [Ni(CO)4] - дуже отруйний. Гранично допустима концентрація його пари в повітрівиробничих приміщень 0,0005 мг/м³.

У XX столітті було встановлено, що підшлункова залоза дуже багата на нікель. При введенні за інсуліном нікелю продовжується дія інсуліну і тим самим підвищується гіпоглікемічна активність. Нікель впливає на ферментативні процеси, окислення аскорбінової кислоти, прискорює перехід сульфгідрильних груп у дисульфідні. Нікель може пригнічувати дію адреналіну та знижувати артеріальний тиск. Надмірне надходження нікелю в організм викликає вітіліго. Депонується нікель у підшлунковій та навколощитовидній залозах.