Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

Никель характеризуется отличной коррозионной стойкостью, высокой прочностью, эстетической привлекательностью и способностью принимать любую заданную ему форму. Благодаря своим свойствам этот металл давно применяется в строительстве. Более 60% никеля идет на производство нержавеющей стали.

С участием никеля строят дома, выполняют интересный архитектурный дизайн, делают отделку стен и изготавливают водосточные трубы. Никель присутствует в нашей жизни повсеместно. Поэтому сегодня мы рассмотрим его состав, структуру и свойства никеля.

История

Название металла имеет немецкое происхождение. Так именуют в немецком фольклоре духа гор. Он подбрасывал старателям, разыскивающим медь, ее имитацию (никелин).

Nickel по-немецки – озорник.

Путь к признанию был извилистым:

• Промышленники обнаружили присутствие металла в «купферникеле» (по-немецки – «упрямая» медь) в 1751 году. Шведский металлург Август Кронштедт опознал соединение как никелево-мышьяковое.
• Никель классифицировали как «полуметалл».
• Спустя 24 года швед Томас Бергман доказал, что это просто металл.
• Немецкий химик Иоганн Рихтер получил чистый никель восстановлением никелевого купороса (1804 год), дал его научное описание.

Металл обрел международный статус.

Физико-химические характеристики

Никель устойчив к окислению. Это свойство обеспечивает тонкая поверхностная пленка оксида NiO, появляющаяся при обычных температурах.

Свойства атома
Название, символ, номер	Ни́кель / Niccolum (Ni), 28
Атомная масса (молярная масса)	58,6934(4) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d8 4s2
Радиус атома	124 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	115 пм
Радиус иона	(+2e) 69 пм
Электроотрицательность	1,91 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	-0,25 В
Степени окисления	0, +2, +3
Энергия ионизации (первый электрон)	736,2 (7,63) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	8,902 г/см³
Температура плавления	1726 K (1453 °C, 2647 °F)
Температура кипения	3005 K (2732 °C, 4949 °F)
Уд. теплота плавления	17,61 кДж/моль
Уд. теплота испарения	378,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,1 Дж/(K·моль)
Молярный объём	6,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	3,524 Å
Температура Дебая	375 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 90,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-02-0

Центрированная по граням структура обуславливает стойкость к нагрузкам, а особенности строения электронных оболочек атомов – свойство намагничивания.

Специфика структуры

Особенностью минерала является принадлежность его к переходным металлам. Отличается он также серебристо-белым оттенком и незначительной химической активностью.

Исследователям удалось выявить следующие особенности структуры никеля:

1. Наличие гранецентрированной кубической решетки, период которой составляет 0,35238 нм.
2. Кристаллическая структура способна выдерживать на себе давление до 70 ГПа.
3. Чаще всего металл существует в виде b-модификации с кубической решеткой с периодом 3,5236, а при катодном распылении в атмосфере H2 приобретает вид a-модификации с гексагональной решеткой. Она способна преобразиться в кубическую при нагревании.
4. Радиус атома элемента — 1,24 а.
5. Плотность — 8,9 г/см3.

Электронная формула никеля выглядит следующим образом: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8. Элемент имеет 28 электронов, на 1s, 2s, 3s, 4s-подуровнях размещены по 2 электрона, на 2p, 3p и 3d-подуровнях — по 6 электронов.

Степень окисления атомов в соединениях — 6, 4, 3, 2, 1, 0, -1. Строение атома никеля представляет собой положительно заряженное ядро, внутри которого размещены 28 протонов и 31 нейтрон.

Месторождения

Никель не относится к редкоземельным металлам – на планете его достаточно (0,01% по массе). В земной коре обнаружен исключительно в связанном виде.

Предполагается, что из его сплава с железом состоит земное ядро.

Второй источник самородного металла – железные метеориты.

Крупными залежами располагают страны Тихоокеанского бассейна:

• Австралия;
• Индонезия;
• Новая Каледония;
• Филиппины.

Мировые запасы никелевых руд исчисляются миллионами тонн.

Российские месторождения сосредоточены на Урале, в Воронежской и Мурманской областях, возле Норильска.

Медно-никелевые руды залегают в зонах глубинных разломов на древних щитах. Их характерная особенность – постоянный минеральный состав руд, среди которых кобальт, платиноиды, золото.

Втрое богаче по запасам месторождения экзогенного типа.

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.

Карбонильный способ фигурирует в литературе также как метод Монда.

Классификация сплавов

Классификация никелевых сплавов основывается на составе и свойствах.

Кислотостойкие

Сплавы с присадкой-легированием другими металлами:

• Хром, вольфрам придают сплаву стойкости в агрессивных окислительных средах.
• Соединения с медью или молибденом используются в агрессивных неокислительных средах.

Стойкость к коррозии обеспечивают кремний, алюминий.

Жаропрочные

Сплавы типа «никель + хром + присадка других легирующих элементов». Такими элементами выступают алюминий, вольфрам, титан, молибден, стронций, другие.

Такие сплавы металлов востребованы для изготовления узлов силовых установок, подверженных максимальным нагрузкам.

Параметры никеля

Никель – это металл со свойственным ему серебристо-белым цветом. При температуре 1453 °C переходит в жидкое состояние, а кипит при 2732 °C. Никель пластичен, легко поддается обработке под воздействием давления.

Химическое свойство никеля характеризуется способностью образовывать соединения с разной степенью окисления. В естественных условиях на поверхности металла возникает тонкая пленка из оксида.

Металл обладает высоким показателем устойчивости к коррозии. Никель не реагирует с рядом концентрированных кислот и щелочей, но активно растворяется в разбавленной азотной кислоте.

С никелем не вступают в реакцию:

• инертные газы;
• литий;
• калий;
• натрий;
• цезий;
• рубидий;
• стронций;
• барий;
• иридий;
• цезий.

С углеродным соединением никель образует карбонил — летучий переходный металл, используемый в процессе получения материалов высокого класса чистоты. Порошок никеля способен самовоспламеняться при соприкосновении с воздухом с образованием оксидов.

Никель продуцирует ряд растворимых и нерастворимых солей. Например, раствор сульфата металла придает жидкости зеленую окраску. Нерастворимые соли обычно имеют насыщенный желтый цвет.

Сферы применения

О руде, по описанию похожей на медь, знали еще саксонские горняки в Средние века. Она использовалась как зеленый пигмент для окраски стекол.

С тех пор, благодаря изучению свойств и характеристик металла, область применения расширилась.

Никель – один из лучших металлов-катализаторов. Другие плюсы: малая активность, устойчивость к агрессивной химии, вязкость, пластичность, ковкость.

Его применяют самостоятельно и в сплавах.

Чистый никель

Беспримесный никель востребован промышленным производством:

• Покрытие, стойкое коррозии. Применяется для защиты железа, алюминия, магния, цинка, чугуна, нелегированных сталей. Попутно снижает стоимость изделий.
• Приборы, котлы, тигли с постоянными физико-химическими характеристиками, устойчивые к коррозии.
• Резервуары для перевозки и хранения химических реагентов (включая едкие щелочи), эфирных масел.
• Трубы для перекачки щелочей, других агрессивных субстанций на предприятиях химического комплекса.
• Инструментарий для науки, медицины.
• Детали приборов радиолокации, телевидения, дистанционного управления процессами на атомных станциях.

Порошкообразный никель используют как катализатор при производстве спиртов, ароматических углеводородов, других соединений. Это связка при изготовлении сверхтвердых материалов, засыпка для фильтрования газообразных химических продуктов.

Сплавы

Известно более трех тысяч композиций никеля с металлами:

• Самые распространенные – с железом, кобальтом, хромом, молибденом, алюминием, титаном, бериллием.

Все нержавеющие стали содержат никель, поскольку этот металл повышает химическую стойкость сплава.

• Медно-никелевое соединение монель (никеля – две трети): химия, электротехника, медицина. А также оснастка для океанских лайнеров, морских судов, портов, защитные кожухи атомных реакторов, газовые турбины, двигатели реактивных самолетов.
• Сплавы никеля вязкие, с малым коэффициентом термического расширения. Из них делают броню для нужд военно-промышленного комплекса.
• Особая группа – сплавы на медной основе (нейзильбер, латунь, бронза, другие).
• Никелевые сплавы – основа современных монет (например, пятицентовика в США), обмотки струн музыкальных инструментов, брекетов.

Продукция металлургических предприятий поставляется в виде трубки, проволоки, нити, фольги, ленты, порошка, других конфигураций.

Продукция из никеля востребована там, где обязательна стойкость материалов к коррозии в агрессивных средах.

Предостережения

В составе никеля содержатся природные и искусственно созданные радиоактивные изотопы.

Это чревато проблемами со здоровьем, на бытовом уровне:

1. Это аллерген, что учитывают, выбирая украшения, часы, другие изделия, контактирующие с кожей. Они могут спровоцировать контактный дерматит.
2. Наличие никеля в организме человека снижает артериальное давление, провоцирует витилиго.
3. Избыток металла в почве – причина болезней животных, растений.
4. Особо опасны летучие соединения вещества.

Мелкодисперсный никелевый порошок самовоспламеняется при комнатной температуре.

Эти минусы не фатальны, но ими не стоит пренебрегать.

Биологическая роль [ править | править код ]

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. 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).

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).

Основные свойства

Применение никеля человеком основывается на комплексе свойств этого химического элемента. Первым делом следует назвать ковкость, тягучесть, благодаря которым становится возможным изготовление из металла трубок и очень тонких листов. Кроме того, можно выделить следующие особенности:

• твердость по Бринеллю рассчитана и составляет 600—800 Мн/м2 ;
• предел прочности при растяжении варьируется в интервале 400—500 Мн/м2 ;
• предел текучести составляет 120 Мн/м2 ;
• предел упругости равен 80 Мн/м2 .

Никель представляет собой металл желтовато- или бело-серебристого цвета. Свой оттенок он сохраняет при нахождении на открытом воздухе, не тускнеет даже при продолжительном взаимодействии с кислородом.

Металл довольно тверд, однако обладает особым свойством — хорошо поддается обработке (полировке, ковке), что и дает возможность его активного использования человеком.

Изделия получаются тонкими и деликатными, но при этом прочными и долговечными.