Ни́кель ( химический символ — Ni , от лат. Ni ccolum ) — химический элемент 10-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева , с атомным номером 28.

Простое вещество никель — это пластичный , ковкий , переходный металл серебристо-белого цвета . При обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида . Химически малоактивен.

Происхождение названия

Элемент получил своё название от имени духа гор (ср. нем. Nickel — озорник) немецкой мифологии, который «подбрасывал» искателям меди минерал красного цвета, похожий на медную руду (ныне известный как никелин )

История

Никель открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную и применялась в стекловарении для окраски стёкол в зелёный цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руда получила название купферникель (Kupfernickel), что переводится как «Медный упрямец» или «Медный озорник» . Сейчас известно, что купферникель представляет собой минерал никелин — арсенид никеля NiAs. Эту руду в 1751 г. исследовал шведский минералог А. Кронстедт . Ему удалось получить из руды зелёный оксид и путём его восстановления — новый белый металл, который он назвал в честь духа по названию минерала — никель . В современном немецком языке «купферникелем» называют сплав мельхиор .

Никкел — ругательное слово на языке горняков. Оно образовалось из искажённого Nicolaus — родового слова, имевшего несколько значений. Но главным образом слово Nicolaus служило для характеристики двуличных людей; кроме того, оно обозначало «озорной маленький дух», «обманчивый бездельник» и т. д. В русской литературе начала XIX в. употреблялись названия «николан» (Шерер, 1808 и Захаров, 1810), «николь» и «никель» (Двигубский, 1824).

Физические свойства

Никель — серебристо-белый металл, не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм, пространственная группа Fm3m . В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C.

• Удельное электрическое сопротивление 0,0684 мкОм∙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.
• Температура плавления = 1453 градуса Цельсия

Химические свойства

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d ⁸ 4s ² . Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).

Никель образует соединения со степенью окисления +1, +2, +3 и +4. При этом соединения никеля со степенью окисления +4 редкие и неустойчивые . Оксид никеля Ni ₂ O ₃ является сильным окислителем.

Никель 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. Никель активно растворяется в разбавленной азотной кислоте :

${\displaystyle {\mathsf {3Ni+8HNO_{3}(30\%)\rightarrow 3Ni(NO_{3})_{2}+2NO+4H_{2}O}}}$

и в горячей концентрированной серной:

${\displaystyle {\mathsf {Ni+2H_{2}SO_{4}\rightarrow NiSO_{4}+SO_{2}+2H_{2}O}}}$

С соляной и с разбавленной серной кислотами реакция протекает медленно. Концентрированная азотная кислота пассивирует никель, однако при нагревании реакция всё же протекает (основной продукт восстановления азота — NO ₂ ).

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и очень ядовитый карбонил Ni(CO) ₄ .

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Никель горит только в виде порошка. Образует два оксида NiO и Ni ₂ O ₃ и соответственно два гидроксида Ni(OH) ₂ и Ni(OH) ₃ . Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Водные растворы солей окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида: NiS (черный), Ni ₃ S ₂ (желтовато-бронзовый) и Ni ₃ S ₄ (серебристо-белый). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C ₄ H ₆ N ₂ O ₂ ) ₂ , дающий чёткую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля.

Водные растворы солей никеля(II) содержат ион гексаакваникеля(II) [Ni(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ . 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 гексааминникеля(II) [Ni(NH ₃ ) ₆ ] ²⁺ .

Никель образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат (II) [NiCl ₄ ] ²⁻ имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат(II) [Ni(CN) ₄ ] ²⁻ имеет плоскую квадратную структуру.

В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля (II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названиями диметилглиоксим и реактив Чугаева . То, что это вещество является реактивом на никель, установил в 1905 году Л. А. Чугаев . При его взаимодействии с ионами никеля (II) образуется красное координационное соединение бис(бутандиондиоксимато)никель(II). Это — хелатное соединение, и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

Нахождение в природе

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 1 апреля 2021 )

Никель довольно распространён в природе — его содержание в земной коре составляет ок. 0,01 % (масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (от 5 до 25 %). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 200 раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8 г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами , содержащими 0,13—0,41 % Ni. Он изоморфно замещает железо и магний . Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов . Никель 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 , никель образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

• никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) NiAs
• хлоантит (белый никелевый колчедан) (Ni, Co, Fe)As ₂
• гарниерит (Mg, Ni) ₆ (Si ₄ O ₁₁ )(OH) ₆ ·H ₂ O и другие силикаты
• магнитный колчедан (Fe, Ni, Cu)S
• герсдорфит (мышьяково-никелевый блеск) NiAsS
• пентландит (Fe,Ni) ₉ S ₈

В растениях в среднем 5⋅10 ⁻⁵ весовых процентов никеля, в морских животных — 1,6⋅10 ⁻⁴ , в наземных — 1⋅10 ⁻⁶ , в человеческом организме — 1,2⋅10 ⁻⁶ . 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.

Месторождения никелевых руд

Основные месторождения никелевых руд находятся в Канаде , России ( Мурманская область , Норильский район, Урал , Воронежская область ), ЮАР, Албании, Греции, Новой Каледонии, Украине и Кубе.

Наибольшими запасами никеля в мире обладает Индонезия (21 млн тонн). Там добывается больше всего никеля в год (более 340 тыс. тонн) .

Природные изотопы никеля

Природный никель содержит 5 стабильных изотопов: ⁵⁸ Ni (68,27 %), ⁶⁰ Ni (26,10 %), ⁶¹ Ni (1,13 %), ⁶² Ni (3,59 %), ⁶⁴ Ni (0,91 %). Существуют также искусственно созданные изотопы никеля, самые стабильные из которых — ⁵⁹ Ni (период полураспада 100 тысяч лет), ⁶³ Ni (100 лет) и ⁵⁶ Ni (6 суток).

Получение

Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 года оцениваются в количестве 135 млн т., в том числе достоверные — 49 млн т. Основные руды никеля — никелин (купферникель) NiAs, миллерит NiS, пентландит (FeNi) ₉ S ₈ — содержат также мышьяк , железо и серу; в магматическом пирротине также встречаются включения пентландита. Другие руды, из которых тоже добывают Ni, содержат примеси Co, Cu, Fe и Mg. Иногда никель является основным продуктом процесса рафинирования, но чаще его получают как побочный продукт в технологиях других металлов. Из достоверных запасов, по разным данным, от 40 до 66 % никеля находится в «окисленных никелевых рудах» (ОНР), 33 % — в сульфидных, 0,7 % — в прочих. 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 % Ni+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 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические никель 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 Англии — до 78 кг никеля на тонну. Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, нефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

«Никель 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.

1. Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей (5—8 % Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.
2. Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель [Ni(CO)4], термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.
3. Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al ₂ O ₃

Применение

В 2015 году 67 % потребления никеля пришлось на производство нержавеющей стали , 17 % на сплавы без железа, 7 % на никелирование и 9 % на прочие применения, такие как аккумуляторы, порошковая металлургия и химические реактивы .

Сплавы

Никель является основой большинства суперсплавов — 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;
• мельхиор ;
• белое золото (например, 585 пробы содержит 58,5 % золота и сплав ( лигатуру ) из серебра и никеля (или палладия));
• нихром , сплав никеля и хрома (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 .

Никель присутствует в качестве компонента ряда нержавеющих сталей .

Никелирование

Никелирование — 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).

Бестоковое никелирование проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) и гипофосфита натрия в присутствии цитрата натрия :

${\displaystyle {\mathsf {NiCl_{2}+NaH_{2}PO_{2}+H_{2}O\rightarrow Ni+NaH_{2}PO_{3}+2HCl}}}$

Процесс проводят при рН 4—6 и 95 °C .

Производство аккумуляторов

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

Химическая технология

Во многих химико-технологических процессах в качестве катализатора используется никель Ренея .

Радиационные технологии

Нуклид ⁶³ Ni , излучающий β ^- -частицы , имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах , а также детекторах электронного захвата (ЭЗД) в газовой хроматографии.

Медицина

• Применяется при изготовлении брекет-систем ( никелид титана ).
• Протезирование.

Монетное дело

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

Музыкальная промышленность

Также никель используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов .

Цены на никель

В течение 2012 года цены на никель колебались в пределах от $15 500 до $17 600 за тонну.

В октябре 2021 г. цены в Шанхае достигли $24067,64 за тонну, в Лондоне — $20705 за тонну .

Прогнозы потребления и производства

По последним оценкам компании «Норникель» , объем первичного потребления никеля в мире в 2023 году составит 3,22 млн тонн (рост на 7 % по отношению к прошлому году). Объем профицита рынка прогнозируется на уровне свыше 200 тыс. тонн. В 2024 году аналитики компании ожидают профицит на уровне 180 тыс. тонн.

В то же время «Норникель» прогнозирует объем производства никеля в 2023 году в размере 3,45 млн тонн (рост на 10 % год к году) .

Биологическая роль

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Никель относится к числу микроэлементов, 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.

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. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты , ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные.

Физиологическое действие

Проверить информацию. Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье. На странице обсуждения должны быть пояснения.

Никель и его соединения токсичны и канцерогенны .

Никель — основная причина аллергии ( контактного дерматита ) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В 2008 году Американским обществом контактного дерматита никель был признан «Аллергеном года» . В Европейском союзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека .

В России запрета на использование никеля в ювелирных украшениях и медицинской технике нет ввиду его химической инертности .

Никель может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление ^{[ источник не указан 1062 дня ]} . Избыточное поступление никеля в организм вызывает витилиго ^{[ источник не указан 1062 дня ]} . Депонируется никель в поджелудочной и околощитовидной железах ^{[ источник не указан 1062 дня ]} .

Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям — у растений появляются уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице ^{[ источник не указан 1062 дня ]} . Токсическая доза (для крыс) — 50 мг ^{[ источник не указан 1062 дня ]} . 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).

Примечания

Ссылки