Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт
(Технический Университет)
(СПБГТИ(ТУ))
Кафедра неорганической химии
Курсовя работа
на тему: «Химия Никеля»
выполнил студент
1 факульткта 113 гр.
Лебедв В.В.
Санкт-Петербург 2012 г.
Общие сведения о Никеле...................................................3
Нахождение Никеля в природе...........................................4
Получение Никеля................................................................4
Взаимодействие с веществами............................................6
Список литературы...............................................................8
Ни́кель - элемент побочной подгруппы восьмой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (Niccolum). Простое вещество никель - это пластичный ковкий переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой защитной пленкой оксида. Химически малоактивен.
Конфигурация внеш. электронных оболочек атома 3s23p63d84s2; степени окисления + 2, редко + 1, +3 и +4;
Никель (Nickel) открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную руду и применялась в стекловарении для окраски стекол в зеленый цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руда получила название купферникель (Kupfernickel), что приблизительно означает «дьявольская руда». Руду эту (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог Кронштедт. Ему удалось получить зеленый окисел и путем восстановления последнего - новый металл, названный никелем. Когда Бергман получил металл в более чистом виде, он установил, что по своим свойствам металл похож на железо; более подробно никель изучали многие химики, начиная с Пруста. Никкел - ругательное слово на языке горняков. Оно образовалось из искаженного 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), николан (Захаров, 1810), николь и никель (Двигубский, 1824).
Нахождение в природе
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 (до 8 %). Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.
1 никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) NiAs
2 хлоантит (белый никелевый колчедан) (Ni, Co, Fe)As2
3 гарниерит (Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6*H2O и другие силикаты
4 магнитный колчедан (Fe, Ni, Cu)S
5 мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) NiAsS,
6 пентландит (Fe,Ni)9S8
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.
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) NiAs, миллерит NiS, пентландит (FeNi)9S8 - 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. Еще один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии - 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.
Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.
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.
Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель , термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.
Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O3
Взаимодействие с веществами
На воздухе компактный никель стабилен, а высокодисперсный никель пирофорен. 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(NO3)2 и выделяется соответствующий оксид азота, например:
3Ni + 8HNO3 = 3Ni(NO3)2 + 2NO + 4H2O
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 NiO1,33-2,0.
При нагревании никель реагирует со всеми галогенами с образованием дигалогенидов NiHal2.
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 Ni3C, c фосфором - фосфиды составов Ni5P2, Ni2P, Ni3P.
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 NiSO4, нитрат Ni(NO3)2 и многие другие.
Большинство этих солей при кристаллизации из водных растворов образует кристаллогидраты, например, NiSO4·7Н2О, Ni(NO3)2·6Н2О. К числу нерастворимых соединений никеля относятся фосфат Ni3(PO4)2 и силикат Ni2SiO4.
При добавлении щелочи к раствору соли никеля(II) выпадает зеленый осадок гидроксида никеля:
Ni(NO3)2 + 2NaOH = Ni(OH)2 + 2NaNO3
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 + Br2 = 2Ni(OH)3 + 2NaBr
Для никеля характерно образование комплексов. Так, катион Ni2+ с аммиаком образует гексаамминовый комплекс 2+ и диакватетраамминовый комплекс 2+. Эти комплексы с анионами образуют синие или фиолетовые соединения.
При действии фтора F2 на смесь NiCl2 и КСl возникают комплексные соединения, содержащие никель в высоких степенях окисления: +3 - (K3) и +4 - (K2).
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 Ni2+ 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.
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:
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.
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:
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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Никель - двадцать восьмой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ni от латинского «niccolum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 28.
Подобно кобальту, никель встречается в природе преимущественно в виде соединений с мышьяком или серой; таковы, например, минералы купферникель NiAs, мышьяковоникелевый блеск NiAsS и др. Никель более распространен, чем кобальт [около 0,01% (масс.) земной коры].
Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком (рис. 1), очень тверд, хорошо полируется, притягивается магнитом. Он характеризуется высокой коррозионной стойкостью - устойчив в атмосфере, в воде, в щелочах и ряде кислот. Активно растворяется в азотной кислоте. Химическая стойкость никеля обусловлена его склонностью к пассивированию - к образованию на поверхности оксидных пленок, обладающих сильным защитным действием.
Рис. 1. Никель. Внешний вид.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии никель существует в виде одноатомных молекул Ni, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 58,6934.
Известно, что в природе никель может находиться в виде пяти стабильных изотопов 58 Ni, 60 Ni, 61 Ni, 62 Niи 64 Ni. Их массовые числа равны 58, 60, 61, 62 и 64 соответственно. Ядро атома изотопа никеля 58 Ni содержит двадцать восемь протонов и тридцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные нестабильные изотопы никеля с массовыми числами от 48-ми до 78-ми, а также восемь мета стабильных состояний, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 59 Ni с периодом полураспада равным 76 тысяч лет.
Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов никеля выглядит следующим образом:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 .
В результате химического взаимодействия никель отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Ni 0 -2e → Ni 2+ ;
Ni 0 -3e → Ni 3+ .
В свободном состоянии никель существует в виде одноатомных молекул Ni. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу никеля:
Главная масса никеля идет на производство различных сплавов с железом, медью, цинком и др. Металлами. Присадка никеля к стали повышает её вязкость и стойкость против коррозии.
Сплавы на основе никеля можно разделить на жаропрочные (нимоник, инконель, хастелла [свыше 60% никеля, 15-20% хрома и др. металлы]), магнитные (пермаллой ) и сплавы с особыми свойствами (монель-металл, никелин, константан, инвар, платинит).
ПРИМЕР 1
| Задание | Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
NiCl 2 → Ni → NiSO 4 → Ni(NO 3) 2 → Ni(OH) 2 → NiCl 2 . Уравнения реакций, протекающих в растворах, изобразите в ионной и сокращенной ионной формах. |
| Ответ | Поместив в раствор хлорида никеля (II) более активный, чем никель металл, можно получить никель в свободном виде (реакция замещения):
NiCl 2 + Zn → Ni + ZnCl 2 ; Ni 2+ + Zn 0 → Ni 0 + Zn 2+ . Никель растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием сульфата никеля (II): Ni + H 2 SO 4 (dilute) → NiSO 4 + H 2 ; Ni 0 + 2H + → Ni 2+ + H 2 . Нитрат никеля (II) можно получить по реакции обмена: NiSO 4 + Ba(NO 3) 2 → Ni(NO 3) 2 + BaSO 4 ↓; SO 4 2- + Ba 2+ → BaSO 4 ↓. Подействовав на нитрат никеля (II) щелочью можно получить гидроксид никеля (II): Ni(NO 3) 2 + 2NaOH → Ni(OH) 2 ↓+ 2NaNO 3 ; Ni 2+ + 2OH — = Ni(OH) 2 ↓. Хлорид никеля (II) из гидроксида никеля (II) можно получить по реакции нейтрализации с соляной кислотой: Ni(OH) 2 + 2HCl → NiCl 2 + 2H 2 O; OH — + H + = H 2 O. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Какую массу хлорида никеля (II) можно получить при нагревании 17,7 г никеля и 12 л хлора (н.у.)? Какой объем 0,06М раствора можно приготовить из этой массы соли? |
| Решение | Запишем уравнение реакции:
Ni + Cl 2 = NiCl 2 . Найдем количество моль никеля (молярная масса - 59 г/моль) и хлора, вступивших в реакцию используя данные указанные в условии задачи: n (Ni) = m (Ni) / M (Ni); n (Ni) = 17,7 / 59 = 0,3 моль. n (Cl 2) = V (Cl 2) / V m ; n (Cl 2) = 12 / 22,4 = 0,54 моль. Согласно уравнению задачи n (Ni): n (Cl 2) = 1:1. Это означает, что хлор находится в избытке и все дальнейшие расчеты следует вести по никелю. Найдем количество вещества и массу образовавшегося хлорида никеля (II) (молярная масса 130 г/моль): n (Ni): n (NiCl 2) = 1:1; n (Ni) = n (NiCl 2) = 0,3 моль. m (NiCl 2)= n (NiCl 2)×M (NiCl 2); m (NiCl 2)= 0,3 × 130 = 39 г. Рассчитаем объем 0,06М раствора, который можно получить из 39 г хлорида никеля (II): V(NiCl 2) = n (NiCl 2)/ c (NiCl 2); V (NiCl 2)= 0,3 / 0,06 = 0,5 л. |
| Ответ | Масса хлорида никеля (II) равна 39 г, объем 0,06М раствора - 0,5 л (500 мл). |
Металл в нечистом виде впервые получил в 1751 году шведский химик А. Кронстедт, предложивший и название элемента. Значительно более чистый металл получил в 1804 году немецкий химик И. Рихтер. Название "Никель" происходит от минерала купферникеля (NiAs), известного уже в 17 веке и часто вводившего в заблуждение горняков внешним сходством с медными рудами (нем. Kupfer - медь, Nickel - горный дух, якобы подсовывавший горнякам вместо руды пустую породу). С середины 18 века Никель применялся лишь как составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое развитие никелевой промышленности в конце 19 века связано с нахождением крупных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии и в Канаде и открытием "облагораживающего" его влияния на свойства сталей.
Распространение Никеля в природе. Никель - элемент земных глубин (в ультраосновных породах мантии его 0,2% по массе). Существует гипотеза, что земное ядро состоит из никелистого железа; в соответствии с этим среднее содержание Никель в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где Никеля 5,8·10 -3 %, он также тяготеет к более глубокой, так называемых базальтовой оболочке. Ni в земной коре - спутник Fe и Mg, что объясняется сходством их валентности (II) и ионных радиусов; в минералы двухвалентных железа и магния Никель входит в виде изоморфной примеси. Собственных минералов Никеля известно 53; большинство из них образовалось при высоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения Никеля связаны с процессами в магме и коре выветривания. Промышленные месторождения Никеля (сульфидные руды) обычно сложены минералами Никеля и меди. На земной поверхности, в биосфере Никель - сравнительно слабый мигрант. Его относительно мало в поверхностных водах, в живом веществе. В районах, где преобладают ультраосновные породы, почва и растения обогащены никелем.
Физические свойства Никеля. При обычных условиях Никель существует в виде β-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку (а = 3,5236Å). Но Никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере H 2 , образует α-модификацию, имеющую гексагональную решетку плотнейшей упаковки (а = 2,65Å, с = 4,32Å), которая при нагревании выше 200 °C переходит в кубическую. Компактный кубический Никель имеет плотность 8,9 г/см 3 (20 °C), атомный радиус 1,24Å, ионные радиусы: Ni 2+ 0,79Å, Ni 3+ 0,72Å; t пл 1453 °C; t кип около 3000 °C; удельная теплоемкость при 20°C 0,440 кдж/(кг·К) ; температурный коэффициент линейного расширения 13,3·10 -6 (0-100 °C); теплопроводность при 25°C 90,1 вт/(м·К) ; тоже при 500 °C 60,01 вт/(м·К) . Удельное электросопротивление при 20°C 68,4 ном·м, т.е. 6,84 мком·см; температурный коэффициент электросопротивления 6,8·10 -3 (0-100 °C). Никель - ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400-500 Мн/м 2 (т. е. 40-50 кгс/мм 2); предел упругости 80 Мн/м 2 , предел текучести 120 Мн/м 2 ; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м 2 ; твердость по Бринеллю 600- 800 Мн/м 2 . В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует точке Кюри) Никель ферромагнитен. Ферромагнетизм Никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d 8 4s 2) его атомов. Никель вместе с Fe (3d 6 4s 2) и Со (3d 7 4s 2), также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d-электронной оболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которого для атомов Никеля составляет 6 μ Б, где μ Б - магнетон Бора. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах Никеля приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, то есть к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений Никеля (оксиды, галогениды и других) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой). Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монелъ-металл, инвар и других).
Химические свойства Никеля. В химические отношении Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами. В соединениях проявляет переменную валентность (чаще всего 2-валентен). Никель - металл средней активности. Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H 2 , СО и других); насыщение Никеля газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 °C; в мелкодисперсном состоянии Никель пирофорен - на воздухе самовоспламеняется. Из оксидов наиболее важен NiO - зеленоватые кристаллы, практически нерастворимые в воде (минерал бунзенит). Гидрооксид выпадает из растворов никелевых солей при прибавлении щелочей в виде объемистого осадка яблочно-зеленого цвета. При нагревании Никель соединяется с галогенами, образуя NiX 2 . Сгорая в парах серы, дает сульфид, близкий по составу к Ni 3 S 2 . Моносульфид NiS может быть получен нагреванием NiO с серой.
С азотом Никель не реагирует даже при высоких температурах (до 1400 °C). Растворимость азота в твердом Никеле приблизительно 0,07% по массе (при 445 °C). Нитрид Ni 3 N может быть получен пропусканием NH 3 над NiF 2 , NiBr 2 или порошком металла при 445 °C. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni 3 P 2 в виде серой массы. В системе Ni - As установлено существование трех арсенидов: Ni 5 As 2 , Ni 3 As (минерал маухерит) и NiAs. Структурой никель-арсенидного типа (в которой атомы As образуют плотнейшую гексагональную упаковку, все октаэдрические пустоты которой заняты атомами Ni) обладают многие металлиды. Неустойчивый карбид Ni 3 C может быть получен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка Никеля в атмосфере СО при 300 °C. В жидком состоянии Никель растворяет заметное количество С, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении графита Никель теряет ковкость и способность обрабатываться давлением.
В ряду напряжений Ni стоит правее Fe (их нормальные потенциалы соответственно -0,44 в и -0,24 в) и поэтому медленнее, чем Fe, растворяется в разбавленных кислотах. По отношению к воде Никель устойчив. Органические кислоты действуют на Никель лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют Никель; разбавленная азотная - очень легко; концентрированная HNO 3 пассивирует Никель, однако в меньшей степени, чем железо.
При взаимодействии с кислотами образуются соли 2-валентного Ni. Почти все соли Ni (II) и сильных кислот хорошо растворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Труднорастворимы соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная и фосфорная. Большинство солей Никеля разлагается при прокаливании (600- 800 °C). Одна из наиболее употребительных солей - сульфат NiSO 4 кристаллизуется из растворов в виде изумрудно-зеленых кристаллов NiSO 4 ·7H 2 O - никелевого купороса. Сильные щелочи на Никель не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (NH 4) 2 CO 3 с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства из них характерно наличие комплексов 2+ и . На избирательном образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения Никеля из руд. NaOCl и NaOBr осаждают из растворов солей Ni (II), гидрооксид Ni(OH) 3 черного цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно 2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (C 4 H 7 O 2 N) 2 Ni служит для аналитического определения Ni.
При повышенных температурах Никель взаимодействует с оксидами азота, SO 2 и NH 3 . При действии СО на его тонкоизмельченный порошок при нагревании образуется карбонил Ni(CO) 4 . Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый Никель.
Получение Никеля. Около 80% Никеля от общего его производства получают из сульфидных медно-никелевых руд. После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавят в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения Никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10-15% Ni. Обычно электроплавке предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Cu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni - файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового Никель отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Никель (марка 110) 0,01%.
Для разделения Cu и Ni используют также так называемых карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции: Ni + 4CO = Ni(CO) 4 . Получение карбонила проводят при 100-200 атм и при 200-250 °C, а его разложение - без доступа воздуха при атм. давлении и около 200 °C. Разложение Ni(CO) 4 используют также для получения никелевых покрытий и изготовления различных изделий (разложение на нагретой матрице).
В современное "автогенных" процессах плавка осуществляется за счет тепла, выделяющегося при окислении сульфидов воздухом, обогащенным кислородом. Это позволяет отказаться от углеродистого топлива, получить газы, богатые SO 2 , пригодные для производства серной кислоты или элементарной серы, а также резко повысить экономичность процесса. Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов. Все более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислорода при повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно Никель переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением).
Из силикатных (окисленных) руд Никель также может быть сконцентрирован в штейне при введении в шихту плавки флюсов - гипса или пирита. Восстановительно-сульфидирующую плавку проводят обычно в шахтных печах; образующийся штейн содержит 16-20% Ni, 16-18% S, остальное - Fe. Технология извлечения Никеля из штейна аналогична описанной выше, за исключением того, что операция отделения Cu часто выпадает. При малом содержании в окисленных рудах Со их целесообразно подвергать восстановительной плавке с получением ферроникеля, направляемого на производство стали. Для извлечения Никеля из окисленных руд применяют также гидрометаллургические методы - аммиачное выщелачивание предварительно восстановленной руды, сернокислотное автоклавное выщелачивание и других.
Применение Никеля. Подавляющая часть Ni используется для получения сплавов с другими металлами (Fe, Cr, Cu и другими), отличающихся высокими механическими, антикоррозионными, магнитными или электрическими и термоэлектрическими свойствами. В связи с развитием реактивной техники и созданием газотурбинных установок особенно важны жаропрочные и жаростойкие хромоникелевые сплавы. Сплавы Никеля используются в конструкциях атомных реакторов.
Значит, количество Никеля расходуется для производства щелочных аккумуляторов и антикоррозионных покрытий. Ковкий Никель в чистом виде применяют для изготовления листов, труб и т. д. Он используется также в химические промышленности для изготовления специальной химической аппаратуры и как катализатор многих химических процессов. Никель- весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешевыми и распространенными материалами.
Переработка руд Никеля сопровождается выделением ядовитых газов, содержащих SO 2 и нередко As 2 O 3 . Очень токсична СО, применяемая при рафинировании Никеля карбонильным методом; весьма ядовит и легко летуч Ni(CO) 4 . Смесь его с воздухом при 60 °C взрывается. Меры борьбы: герметичность аппаратуры, усиленная вентиляция.
Никель в организме является необходимым микроэлементом. Среднее содержание его в растениях 5,0·10 -5 % на сырое вещество, в организме наземных животных 1,0·10 -6 %, в морских - 1,6·10 -4 %. В животном организме Никель обнаружен в печени, коже и эндокринных железах; накапливается в ороговевших тканях (особенно в перьях). Установлено, что Никель активирует фермент аргиназу, влияет на окислительные процессы; у растений принимает участие в ряде ферментативных реакций (карбоксилирование, гидролиз пептидных связей и других). На обогащенных Никелем почвах содержание его в растениях может повыситься в 30 раз и более, что приводит к эндемическим заболеваниям (у растений - уродливые формы, у животных - заболевания глаз, связанные с повышенным накоплением Никеля в роговице: кератиты, кератоконъюнктивиты).
Никель – пластичный металл серебристо-белого цвета, обладающий сильным блеском. Легко поддается физическому воздействию и полировке, но проявляет малую химическую активность и лишь при воздействии температуры подвергается окислению.
Вещество можно назвать «космическим», т.к. первые образцы попали человечеству буквально с неба. В старину люди переплавляли этот метеоритный металл на оружие и талисманы.
Происхождение названия носит на себе печать магии, якобы на рудниках Саксонии орудовал зловредный гном «Старый Ник», который превращая медную руду в негодную. Слово «Nickel» выражало презрительное отношение к минералу купферникель или «ложная медь». Впоследствии оказалось, что горняки находили залежи никеля, который еще древние китайцы использовали для изготовления предметов роскоши.
В Старом и Новом Свете его применяли для чеканки денег, украшений и отделочных работ.
В чистом виде элемент был открыт в 1751 году, чему не очень обрадовались, т.к. на то время еще было устойчиво мнение, что число металлов должно соответствовать числу планет солнечной системы.
Металл активно используют в военной промышленности, машиностроении, из него даже делают проволоку для подводных кабелей. Сложно будет даже перечислить все сферы промышленности, науки и техники, где актуально его применение. Его добавляют даже в состав косметики и бытовой химии, а медицина использует его сплавы для производствая имплантов.
Ученые полагают, никеля на нашей планете очень много, и приблизительное его содержание около 3% всей земной коры.
Действие макроэлемента на организм человека не донца изучено, но те функции, в которых он принимает участие, важны уже сами по себе:
Все эти процессы могут происходить благодаря тому, что элемент накапливается в основных органах тела человека: головном мозге, почках, печени, легких, мышцах, коже, в поджелудочной и щитовидной железах. Самое большое его количество находится в гипофизе и железах, тех, что отвечают за обменные процессы в организме. Именно здесь происходит синтез основных витаминов, гормонов и прочих полезных веществ.
Интересно, что с возрастом может происходить увеличение концентрации элемента в легких.
Из организма элемент выводится в основном с калом и значительно меньше при потоотделении и с желчью.
Суточная норма макроэлемента по разным данным составляет от 60 до 300 мкг. Основную массу наш организм способен усвоить из пищи, поэтому нехватка вещества – достаточно редкое явление. К тому же потребность сильно зависит от количества поступления железа – она возрастает прямо пропорционально, и наоборот. Особенно это актуально для женщин во время беременности.
Недостаток макроэлемента может оказывать негативное воздействие при длительном поступлении в организм менее 50 мкг в день, что может вызвать негативные последствия в виде дерматита. Согласно клиническим экспериментам возможны также такие процессы, как:
Усвояемость значительно снижается при употреблении в пищу продуктов с содержанием аскорбиновой кислоты, а также при употреблении кофе, чая и молока. Не стоит самостоятельно применять медикаменты для повышения никеля в организме, т.к. результаты могут быть плачевными. Элемент в пище абсолютно нетоксичен, чего нельзя сказать о нем в препаратах. Не стоит рисковать во избежание возможных мутационных процессов в клетках и во избежание формирования новообразований.
Переизбыток макроэлемента гораздо чаще встречается, чем нехватка. Причинами служат бытовые и производственные факторы, где используются водорастворимые хлорид и сульфат никеля.
Также возможно накопление в организме никелевой пыли, что характерно для промышленной переработки металлов. В быту же избыток элемента можно получить при использовании некачественных украшений, зубных протезов и посуды. Правда, в этом случае избыток все-таки незначительный.
Токсической дозой считается употребление в день более 40 мг. Продукты питания не способны вызывать такого накопления, к тому же кишечник не способен усваивать весь потребленный элемент. А вот люди могут сами усугублять ситуацию интенсивным курением, ношением некачественных изделий и протезов.
Интересно, что качественная никелированная посуда абсолютно безопасна и является довольно распространенной, а еще 100 лет назад только очень богатые люди могли нею воспользоваться, потому что даже особы королевского рода считали ее роскошной и экзотичной.
Отравления никелем вызывают негативные последствия:
Отравления могут быть довольно серьезными и даже вызывать летальные исходы всего лишь за полтора часа. Например, карбонильные соединения никеля относят к первому классу опасности, что говорит об их чрезвычайном вреде для человеческого организма.
Однако существуют и другие, довольно опасные заболевания, которые могут возникать в результате токсического воздействия соединений никеля – анемия, отек легких и мозга, тахикардия, аллергия. Возможно даже развитие новообразований кожи, почек и легких. На этом фоне общее перевозбуждение нервной системы выглядит маленькой неприятностью. Но ничего хорошего не добавит. Женщинам во время беременности просто опасно работать на профильных производствах, т.к. плод получает запас никеля по полной программе из-за полной проницаемости плаценты, а это в свою очередь может привести к самопроизвольным абортам и порокам развития.
Самое распространенное негативное воздействие никеля на организм – это аллергия, особенно ему подвержен прекрасный пол, благодаря ношению аксессуаров и бижутерии, часто сомнительного качества и производства. Она выражается в виде контактного дерматита – сыпи, покраснений, зуда.
Продукты питания, содержащие никель очень разнообразны и полностью доступны. Наконец, хоть один элемент сжалился и соизволил в большом количестве накопиться в шоколаде! Также богаты ним какао-зерна, орехи, чай, бобовые, зерновые, злаки, гречка, лук, петрушка, морковь, грибы, абрикосы, черная смородина. Обращайте внимание на происхождение этих продуктов, потому что растения, выращенные на землях «загрязненных» никелем, могут быть перенасыщены элементом.
Элемент также может поступать с питьевой водой, особенно много его в утреннее время, из-за того, что за ночь вода застаивается в водопроводе и концентрация может нарастать.
Продукты животного происхождения хоть и не могут посоперничать за лидерство в богатстве никелем – морская рыба и прочие морепродукты, мясо, печень, яйца, молочные продукты все-таки тоже могут обогатить наш рацион.
Учитывайте при составлении меню тот факт, что витамин С, чай, молоко и кофе уменьшают способность организма усваивать элемент. А вот отсутствие кальция и магния оказывают обратное действие.
Показания к назначению макроэлемента находятся в основном в сфере лечения кожных заболеваний еще с 19 века. Сегодня никельсодержащие препараты успешно борются с псориазом. Также никель используется в качестве вспомогательного компонента при больших кровопотерях для стимуляции синтеза эритроцитов в виде подкожных инъекций.
