Никель – пластичный металл серебристо-белого цвета с характерным блеском. Относится к тяжелым цветным металлам. Никель ценная легирующая добавка. В природе в чистом виде никель не встречается, обычно входит в состав руд. Чистый никель (Nickel/Никель), Nickel 200 и Nickel 201 , добывают путем специальных технологий.
В соединении с другими металлами никель способен образовывать твердые и прочные никелевые сплавы:
Никель – ферромагнетик, точка Кюри – 358°C, температура плавления – 1455°C, температура кипения – 2730-2915°C. Плотность – 8,9 г/см 3 , коэффициент теплового расширения -13,5∙10 −6 K −1. На воздухе компактный никель – стабилен, а высокодисперсный – пирофорен.
Никель обладает такими свойствами, как:
Поверхность никеля покрыта тонким слоем оксида NiO, защищающим металл от окисления.
Главные плюсы никеля и сплавов - жаропрочность, жаростойкость и повышенная механическая прочность (давление до 440 МПа). К достоинствам также можно отнести эксплуатацию в раскаленных концентрированных щелочных и кислотных растворах. Помимо этого никель способен сохранять магнитные свойства при пониженных температурах.
Главным недостатком никеля является значительное снижение показателей термоЭДС при быстром охлаждении после отжига (до 600°C). Также к минусам никеля можно отнести тот факт, что в природе чистый никель не встречается. Его получают путем дорогих технологий, что сказывается на его стоимости.
Основная сфера применения никеля – металлургия. В ней он задействован в производстве высоколегированных нержавеющих сталей. Добавляя в расплав железа никель, металлурги получают прочные и пластичные сплавы, которые обладают повышенной коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким температурам. Стоит отметить, что никелевые сплавы сохраняют свои качества при многократном длительном нагревании.
Благодаря этим свойствам нержавеющая и термостойкая никелевая сталь применяется:
Благодаря своей пластичности и легкости в ковке из никеля получают очень тонкие изделия, например, полосы, ленты и листы из никеля. Также никель активно используют в производстве проволоки и прутков.
Взаимодействия никеля в организме
Главный источник поступления никеля в человеческий организм – это еда и вода. Из пищи усваивается до 10% никеля, из воды он всасывается быстрее и полнее - абсорбция вещества увеличивается до 25%. Соляная кислота уже в желудке начинает воздействовать на никель, способствуя его всасыванию в кровь, остатки вещества усваиваются в тонком кишечнике. Далее никель вступает в соединения с сывороточными белками плазмы крови (альфа1-гликопотеином, никелоплазмином и др.) и разносится кровью к органам. Практически весь остаточный никель выводится через кишечник с фекалиями, только 5% остатков никеля удаляются с мочой и с желчью.
Несмотря на малую химическую активность никеля, у него есть довольно активные реакции взаимодействия в организме, которые полезно учитывать для контроля усвоения этого вещества. В присутствии витамина В12 никель стимулирует сократимость и рост мышечных волокон (а если этого витамина в организме мало, никель, наоборот, снижает мышечный тонус. Наличие витамина С ухудшает усвоение никеля. За счет влияния на выведение избыточных стероидных гормонов никель предположительно предупреждает задержку натрия и воды, избавляя от отеков, а также сохраняет кальций в костной ткани, не позволяя развиться остеопорозу. Если организм испытывает дефицит железа, место этого элемента замещают молекулы никеля. Всасывание никеля усиливается во время беременности и грудного вскармливания, что объясняется необходимостью этого химического элемента для синтеза гормонов, отвечающих за вынашивание и лактацию.
Ухудшают усвоение никеля цинк , селен , сера в продуктах и биоактивных добавках. Вместе с медью и кобальтом никель принимает участие в синтезе эритроцитов и других элементов крови.
В человеческом организме никель концентрируется в основном в гипофизе, поджелудочной железе и надпочечниках – важнейших железах эндокринной системы, которые вырабатывают эндорфин, гормон роста, а также другие гормоны, выполняющие следующие функции:
Роль никеля в гормонообразующей деятельности эндокринной системы пока изучается, однако есть данные о том, что никель успокаивает нервную систему, снижая активность адреналина. Благодаря никелю усиливается выработка почками гормона эритропоэтина, отвечающего за выработку красных кровяных телец эритроцитов, за снабжение кислородом всех тканей. Подтверждена роль никеля в регулировании накопления и выведения мочи, выработанных надпочечниками избыточных стероидных гормонов. Благодаря этому снижается артериальное давление, регулируется уровень глюкозы в крови, ускоряется регенерация тканей в организме.
Еще один орган депонирования никеля – печень, и здесь элемент принимает участие в синтезе важнейших для организма аминокислот, которые входят в структуру клеточных ДНК и РНК, укрепляют иммунитет, улучшают работу сердца и сосудов, борются с воспалениями и ускоряют восстановление тканей после них, контролируют массу тела, предотвращают неконтролируемое деление клеток.
Никель участвует в реакциях окисления и восстановления разных органических соединений, важных для работы организма, необходим для выработки некоторых ферментов, без которых не усваиваются витамины, жиры и углеводы.
Польза никеля для организма плохо изучена, но поскольку он активно влияет на ряд важнейших процессов в органах и системах, можно указать на следующие его полезные свойства:
Препараты с содержанием никеля активно применяются в трихологии – этот элемент усиливает кровоток в области волосяных фолликулов и улучшает снабжение их кислородом, что помогает уменьшить выпадение волос.
Доказано влияние никеля на активацию инсулина. Если при сахарном диабете вводить это вещество сразу после инсулина, то значительно усиливается гипогликемическая активность препарата, и его можно принимать реже. У пожилых людей никель начинает накапливаться в легких, и, учитывая вероятную связь этого вещества с гормональной активностью организма, ученые предполагают влияние никеля на возрастную активность легочных гормонов, способных усилить проявления бронхиальной астмы.
Избыточное накопление никеля в организме провоцирует депигментацию кожи – витилиго. Влияние никеля на выработку гистамина в организме сделало этот металл одним из наиболее известных аллергенов: около 15% людей в мире страдают аллергией на никелевые соединения, из которых делают украшения, часы, застежки и заклепки для одежды – это проявляется раздражением и зудящей сыпью на коже.
Четвертая часть никеля, попадающего в наш организм ежедневно, приходится на водопроводную воду. Особенно много этого химического элемента содержит вода по утрам, когда она долго простояла в трубопроводе. Чемпионами по содержанию никеля считается порошок какао (980 мкг/100 г веса продукта), горький шоколад (260 мкг) и молочный шоколад (120 мкг). Причинами такого высокого содержания никеля в этих продуктах считают использование аппаратуры и емкостей с никелевым покрытием для хранения и переработки шоколадного сырья.
Никель в некоторых продуктах (мкг на 100 г)
| Крупы | Бобовые, орехи | Мясо, рыба | Овощи, фрукты | ||||
| Кукурузная крупа | 80 | Кешью | 510 | Говяжья печень | 63 | Шпинат | 390 |
| Овсяные хлопья | 50 | Соя | 304 | Ставрида копченая | 28 | Абрикосы | 32 |
| Рис | 50 | Зеленый горошек | 250 | Шпроты в масле | 14 | Груша | 18 |
| Пшеница | 40 | Фасоль | 170 | Свинина | 12 | Виноград | 16 |
| Рожь | 30 | Чечевица | 160 | Треска | 9 | Капуста белокочанная | 15 |
| Перловка | 20 | Фисташки | 40 | Говядина | 8 | Помидоры | 13 |
Совет врача. Тем, кто придерживается диеты на растительных белках, нужно рационально распределять в своем меню богатые белком бобовые и крупяные продукты, чтобы не получить передозировку никеля
Страдающим аллергией на никель нужно постараться иметь в рационе как можно меньше продуктов с высоким содержанием никеля.
Продукты с высоким содержанием никеля (крупы, бобовые) не следует хранить в открытом виде под прямыми солнечными лучами, потому что металл может сформировать различные оксиды, способные накапливаться в организме. С другой стороны, нельзя хранить продукты в посуде с никелированным покрытием больше двух дней – возрастает риск перехода никеля в еду и избыточного накопления минерала в органах и тканях.
Аллергикам надо помнить и о том, что в напитках с кофеином и в пиве содержится никель, который плохо усваивается и может спровоцировать обострение кожных раздражений.
Всасывание никеля значительно ухудшается, если вместе с содержащими его продуктами пить чай, кофе, молоко, апельсиновый сок, дополнять еду фруктово-ягодными десертами из цитрусовых, киви, черной смородины и других продуктов, в которых много аскорбиновой кислоты.
Никель легко вступает в связь с белками и органическими кислотами (лимонной, яблочной, уксусной и др.), помогая их усвоению. Важно сочетание никеля с продуктами, которые богаты жирами и углеводами. Без никеля не происходит расщепление поступивших с питательными веществами жиров на удобные для всасывания жирные кислоты и глицерин, не высвобождается нужная организму энергия из углеводов.
Биологическая роль никеля в организме человека пока не определена точно, поэтому нет научно обоснованных норм потребления этого металла, а потребности в нем обосновываются большей частью на основании наблюдений. Суточная норма никеля для человека определена в диапазоне от 100 до 300 мкг. С продуктами и водой мы получаем каждый день около 600 мкг никеля, но усваиваем не более четверти из поступившего количества, поэтому при сбалансированном рационе недостаток или избыток этого вещества – редкое явление.
Если организм получает в день менее 50 мкг никеля, может развиться дефицитное состояние. Причиной недостатка никеля, помимо неполноценного питания (например, диеты на основе только фруктов или соков, гречки или кофе) могут стать некоторые заболевания желудка и кишечника, нарушающие всасывание никеля, сильная анемия, сердечные болезни.
Совет врача. При синдроме хронической усталости, при физических и умственных перенапряжениях, после перенесенных инфекционных болезней организм нуждается в повышенном поступлении никеля с продуктами питания
Дополнить рацион никелем нужно, посоветовавшись с врачом, при артериальной гипертензии, сахарном диабете, некоторых дерматологических заболеваниях. Особенно осмотрительно следует относиться к никелю беременным и кормящим женщинам. С одной стороны – никель способствует вынашиванию малыша и влияет на лактацию, с другой – это токсичный элемент, поэтому любые биодобавки, витаминные комплексы и даже изменения меню в пользу продуктов, богатых никелем, должны обязательно обсуждаться с врачом.
Признаками недостатка никеля становится мышечная слабость и общая вялость, отсутствие желания двигаться. Снижается сопротивляемость организма вирусам и бактериям, инфекционные заболевания развиваются часто, протекают долго и тяжело. Если долго не принимать меры, сильно снизится уровень гемоглобина, повысится сахар в крови, нарушится сердечная деятельность, разовьются патологии печени, проявятся дерматозы.
Избыточное накопление никеля в организме случается гораздо чаще дефицитных состояний, причем происходит из-за воздействия совокупности причин:
Передозировку никеля можно получить, вдыхая пары или пыль с соединениями этого элемента в условиях промышленного производства, при работе с медицинскими препаратами, поскольку никель способен накапливаться в организме. Наиболее опасны сульфат и хлорид никеля – эти соединения растворяются в воде и быстро всасываются.
Оксалаты, силикаты и фосфаты никеля в воде не растворимы и потому менее токсичны.
Острое отравление из-за избытка никеля можно получить при попадании в организм разовой дозы вещества более 50 мг. В этом случае появляются боли в правом подреберье, одышка, тошнота и головные боли.
Важно! Высокий уровень никеля в крови при лабораторном анализе может быть первым признаком развивающегося инфаркта миокарда
Хроническая интоксикация никелем проявляется:
В запущенных формах избыток никеля грозит отеками мозга и легких, жировой дистрофией печени, почечной недостаточностью, развитием рака легких, желудка.
Первой помощью при остром отравлении никелем может стать введение унитиола (дитиолпропансульфоната натрия), который прочно связывает и выводит никель. По показаниям применяют симптоматическую терапию и исключают из рациона продукты с никелем.
При невозможности восполнить недостаток никеля из рациона врач может порекомендовать биодобавки или витаминные комплексы с содержанием никеля (например, Витальгин, Витрум). Обычно таблетки или капсулы препарата принимают раз в день во время еды, но продолжительность приема и дозировка обязательно выбираются врачом, поскольку никель – токсичный металл с неприятными побочными эффектами.
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.
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.
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.
| 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 |
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.
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.
Никель образует множество различных соединений, как органических, так и неорганических, каждое из которых применяется в определенных областях человеческой деятельности.
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
Связь Ni-C осуществляется двумя способами:
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.
Никель относится к переходным металлам первого длинного периода и в периодической системе Д.И. Менделеева располагается в VIIIA подгруппе вместе с железом и кобальтом.
Никель кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке с периодом при комнатной температуре, равным 0,352387 нм. Атомный диаметр никеля – 0,248 нм. Плотность никеля (8,897 г/см 3) почти такая же, как у меди, и в два раза превышает плотность титана, так что никель относят к числу тяжелых цветных металлов.
Физические свойства никеля приведены в табл. 7. Скрытая теплота плавления никеля примерно такая же, как у магния, и несколько больше, чем у алюминия. Его удельная теплоемкость сравнительно невелика и лишь немного превышает теплоемкость меди. Удельная электро- и теплопроводность никеля меньше, чем у меди и алюминия, но значительно превышает электро- и теплопроводность титана и многих других переходных металлов. Модули упругости у никеля примерно такие же, как у железа.
Никель – ферромагнитный металл, но его ферромагнетизм выражен значительно меньше, чем у железа и кобальта. Точка Кюри для никеля составляет 358 ˚С, выше этой температуры никель переходит в парамагнитное состояние.
Чистый никель – металл серебристого цвета. При высокотемпературном окислении никеля образуются два оксидных слоя: внутренний – светло-зеленый и внешний – темно-зеленый. Два этих слоя состоят из оксида, но отличаются количеством кислорода.
Никель характеризуется более высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях по сравнению с другими техническими металлами, что обусловлено образованием на его поверхности тонкой и прочной защитной пленки. Никель обладает достаточной устойчивостью не только в пресной, но и в морской воде. Минеральные кислоты, особенно азотная, сильно действуют на никель. Щелочные и нейтральные растворы солей на никель влияют незначительно даже при нагревании, в кислых растворах солей он корродирует довольно сильно. В концентрированных растворах щелочей никель устойчив даже при высоких температурах.
Никель при комнатной температуре не взаимодействует с сухими газами, но присутствие влаги заметно повышает скорость его коррозии в этих средах. Никель, загрязненный кислородом, склонен к водородной болезни.
В настоящее время никелевые заводы перерабатывают в основном два типа руд, резко различающихся по химическому составу и свойствам: окисленные никелевые и сульфидные медно-никелевые. Значение этих руд для отечественной никелевой промышленности и за рубежом различно. В России из года в год возрастает доля никеля, получаемого из сульфидных руд, а в зарубежных странах, наоборот, все большее значение приобретают окисленные руды.
Окисленные никелевые руды представляют собой горные породы вторичного происхождения, состоящие в основном из гидратированных магнезиальных силикатов, алюмосиликатов и оксида железа. Никелевые минералы в них составляют незначительную часть рудной массы. Наиболее часто никель находится в виде бунзеита (NiO), гарниерита [(Ni, Mg)O · SiO 3 · nH 2 O] или ревденскита . Кроме никеля полезным компонентом этих руд является кобальт, содержание которого обычно в 15…25 раз меньше содержания никеля. Иногда в окисленных рудах присутствует в небольших количествах медь (0,01…0,02 %).
Пустая порода, составляющая основную массу руды, представлена глиной Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O, тальком 3MgO · 4SiO 2 · 2H 2 O, другими силикатами, бурым железняком Fe 2 O 3 · nH 2 O, кварцем и известняком.
Окисленные никелевые руды отличаются исключительным непостоянством состава по содержанию как ценных компонентов, так и пустой породы. Эти колебания состава наблюдаются даже в массиве одного месторождения. Возможные пределы концентраций компонентов руды характеризуются следующими цифрами, %: Ni – 0,7…4; Co – 0,04…0,16; SiO 2 – 15…75; Fe 2 O 3 – 5…65; Al 2 O 3 – 2…25; Cr 2 O 3 – 1…4; MgO – 2…25; CaO – 0,5…2; конституционная влага – до 10…15.
По внешнему виду окисленные никелевые руды похожи на глину. Для них характерны пористое, рыхлое строение, малая прочность кусков, высокая гигроскопичность. Рациональных методов обогащения таких руд до сих пор не найдено, и они после соответствующей подготовки непосредственно поступают в металлургическую переработку.
В сульфидных рудах никель присутствует главным образом в виде пентландида, представляющего изоморфную смесь сульфидов никеля и железа переменного соотношения, и частично в форме твердого раствора в пирротине.
Основным спутником никеля в сульфидных рудах является медь, содержащаяся главным образом в халькопирите. Из-за высокого содержания меди эти руды называют медно-никелевыми. Кроме никеля и меди в них обязательно присутствуют кобальт, металлы платиновой группы, золото, серебро, селен и теллур, а также сера и железо. Таким образом, сульфидные медно-никелевые руды являются полиметаллическим сырьем очень сложного химического состава. При их металлургической переработке в настоящее время извлекают 14 ценных компонентов.
Химический состав сульфидных медно-никелевых руд следующий, %: Ni – 0,3…5,5; Cu – 0,2…1,9; Co – 0,02…0,2; Fe – 30…40; S – 17…28; SiO 2 – 10…30; MgO – 1…10; Al 2 O 3 – 5…8. По структуре медно-никелевые руды могут быть сплошными, жильными и вкрапленными. Чаще встречаются два последних типа руд. В зависимости от глубины залегания руду добывают как открытым, так и подземным способом.
В отличие от окисленных никелевых руд медно-никелевые руды характеризуются высокой механической прочностью, негигроскопичны и могут подвергаться обогащению.
Основным способом обогащения сульфидных медно-никелевых руд является флотация. Иногда флотационному обогащению предшествует магнитная сепарация, направленная на выделение пирротина в самостоятельный концентрат. Возможность проведения магнитной сепарации обусловлена относительно высокой магнитной восприимчивостью пирротина.
Выделение пирротинового концентрата при обогащении руды улучшает качество первичного никелевого концентрата вследствие вывода из него значительной части железа и серы и упрощает его последующую металлургическую переработку. Однако при получении пирротинового концентрата возникает необходимость в обязательной его переработке с целью извлечения никеля, серы и платиноидов.
Флотационное обогащение медно-никелевых руд может быть коллективным или селективным. При коллективной флотации за счет отделения пустой породы получают медно-никелевый концентрат. Однако и селективная флотация не обеспечивает полного разделения меди и никеля. Продуктами селекции в этом случае будут медный концентрат с относительно небольшим содержанием никеля и никелево-медный концентрат, отличающийся от руды более высоким отношением Ni: Cu.
Таким образом, в зависимости от принятой схемы обогащения сульфидных медно-никелевых руд можно получать коллективные медно-никелевые, медные, никелевые и пирротиновые концентраты, состав которых приведен в табл. 8.
Сульфидные руды и окисленные руды перерабатывают различными способами – пиро- и гидрометаллургическими.
Руды с суммарным содержанием больше 2–5 % меди и никеля считают богатыми, их плавят без предварительного обогащения.
Руды и концентраты содержат одни и те же минералы, поэтому к ним могут быть применены после необходимой подготовки одни и те же способы переработки.
При нагревании руды до 400–600 ˚С еще до начала плавления халькопирит и никельсодержащие сульфиды разлагаются:
6(NiS, FeS) → 2Ni 3 S 2 + 6FeS + S 2 ,
4CuFeS 2 → 2Cu 2 S + 4FeS + S 2 ,
2Fe 7 S 8 → 14FeS + S 2 .
В результате этих реакций сложная совокупность минералов превращается в смесь простых сульфидов: Ni 3 S 2 , FeS и Cu 2 S.
При температурах, необходимых для плавления шлака, состоящего из окислов пустой породы и флюсов, сульфиды меди, никеля и железа неограниченно растворимы друг в друге; они образуют медно-никелевый штейн, отделяемый от шлака в виде более тяжелого жидкого слоя.
Если часть серы при плавке окислена или удалена предварительным обжигом, распределение меди, никеля и железа между штейном и шлаком будет зависеть от сродства этих металлов к кислороду и сере. В условиях плавки сродство к сере, определяющее возможность перехода металла в штейн, у меди больше, чем у никеля, а у никеля больше, чем у железа. Сродство тех же металлов к кислороду убывает в обратной последовательности. При недостатке серы для сульфидирования всех металлов сначала будет переходить в штейн медь, затем никель и, наконец, часть железа. Чем больше железа перейдет в штейн, тем больше полнота сульфидирования меди и никеля, но штейн, разбавленный сернистым железом, будет бедным. Для полного перевода никеля в штейн при плавке руды или концентрата не стремятся к полному шлакованию железа, оставляя часть его в штейне.
Кобальт по сродству к сере и кислороду занимает промежуточное положение между железом и никелем.
Расплавленный штейн продувают в конвертере, добавляя кварц; железо, окисляясь, шлакуется кремнеземом.
Основной продукт конвертерного передела – медно-никелевый файнштейн – представляет собой сплав сульфидов меди и никеля, содержащий 1–3 % железа.
Кобальт при продувке частично шлакуется вместе с железом.
Конвертерный шлак иногда направляют в отдельный передел для извлечения кобальта. Благородные металлы концентрируются почти полностью в файнштейне.
Охлажденный файнштейн дробят, измельчают и подвергают флотации. При этом получают два концентрата: никелевый, состоящий почти из чистого Ni 3 S 2 , и медный, содержащий Cu 2 S; последний перерабатывают на медь обычным медным концентратом плавкой на штейн и продувкой в конвертере.
Никелевый концентрат обжигают, окисляя его по реакции
Полученный таким образом серый порошок закиси никеля, содержащий окислы кобальта и платиновые металлы, восстанавливают углем в электропечах до металла, который разливают в аноды.
Никелевые аноды подвергают электролитическому рафинированию, попутно извлекая из электролита кобальт и остаток меди, а из шлама – платиноиды.
Богатые крупнокусковые медно-никелевые руды плавят на штейн в шахтных печах, если пустая порода этих руд не слишком тугоплавка. В ряде случаев для руд, содержащих много окиси магния или другие тугоплавкие составляющие, приходится прибегать к электроплавке.
Флотационные концентраты и мелкие фракции богатых руд плавят в отражательных или электрических печах; при высоком содержании серы в этих материалах применяют предварительный обжиг.
Выбор способа плавки во многом зависит от состава сырья и местных экономических условий, в частности от наличия того или иного топлива и цены на электроэнергию.
По этому способу измельченную руду или концентрат обрабатывают раствором аммиака и (NH 4) 2 SO 4 в автоклавах под избыточным давлением воздуха около 506,7 кн/м 2 (7ат). Медь, никель и кобальт переходят в раствор в виде комплексных аммиачных солей, например по реакции
NiS + 2O 2 + 6NH 3 = Ni(NH 3) 6 SO 4 .
Энергичное окисление сульфидов сопровождается выделением тепла, избыток которого отводят холодильниками, поддерживая в автоклаве температуру 70–80 ºС, сера, входящая в состав концентрата, при этом окисляется до S 2 O3 2− , S 3 O 6 2− и SO 4 2− , а железо выпадает в осадок в виде гидроокиси и основных сульфатов.
Отфильтрованный раствор кипятят для осаждения меди по реакции
Cu 2+ + 2S 2 O 3 2− = CuS + SO 4 2− + S + SO 2 .
После этого частично оставшуюся в растворе медь осаждают сероводородом, а очищенный от нее раствор, содержащий никель и кобальт, обрабатывают в автоклаве водородом при давлении около 2,5 Мн/м 2 (25 ат) и температуре около 200 ºС.
Сначала осаждается основная масса никеля
Ni(NH3) 6 2+ + H 2 = Ni + 2NH 4 + + 4NH 3
в виде частиц крупностью от 2 до 80 мкм. Отфильтровав осадок, остаток никеля и кобальт выделяют из раствора сероводородом.
При дальнейшей обработке осадка сульфидов кислородом и аммиаком в автоклаве растворяется кобальт. Нерастворимый осадок, содержащий преимущественно сульфид никеля, возвращают на основное выщелачивание, а из раствора действием водорода под давлением выделяют кобальт.
Схема сложна и требует дорогой аппаратуры; однако она позволяет извлекать из комплексных концентратов до 95 % Ni, около 90 % Сu и 50–75 % Со.
Наиболее распространенный в настоящее время способ переработки окисленных никелевых руд плавкой на штейн основан на различии сродства железа и никеля к кислороду и сере.
Никель путем сульфидирования переводится в штейн – сплав Ni 3 S 2 и FeS; основная масса железа удаляется со шлаком:
6FeS + 6NiO = 6FeO + 2Ni 3 S 2 + S 2 ,
2FeO + SiO 2 = FeSiO 4 .
Окисленные руды не содержат серы, поэтому ее приходится вводить, добавляя при плавке пирит или гипс. Гипс, восстанавливаясь до сернистого кальция, сульфидирует железо и никель. Действие гипса при плавке более сложно, чем действие пирита, однако во многих случаях все же пользуются гипсом, а не пиритом, так как гипс дешевле пирита и не дает
железистых шлаков.
Наиболее выгодно при переработке окисленных никелевых руд применять местный кобальтсодержащий пирит, в котором очень мало меди и нет благородных металлов.
Никелевый штейн, полученный в результате плавки руды с пиритом или гипсом, содержит до 60 % Fe, которое далее отделяют от никеля продувкой жидкого штейна в конвертере. При конвертировании происходит избирательное окисление железа и шлакование его добавляемым в конвертер кварцем – получается практически чистый от железа никелевый файнштейн. Конвертерный шлак богат никелем, поэтому он является оборотным продуктом – его возвращают в рудную плавку либо направляют на отдельную переработку для извлечения кобальта.
Файнштейн разливают в изложницы, затем измельчают и обжигают намертво:
2Ni 3 S 2 + 7O 2 = 6NiO + 4SO 2 .
Закись никеля смешивают с малосернистым восстановителем, например с нефтяным коксом, и плавят в электрической печи при 1500 ºС, получая жидкий никель.
Никель отливают в аноды для электролитического рафинирования либо гранулируют, сливая его тонкой струей в воду.
Богатые окисленные руды иногда плавят в электрических печах с углем, восстанавливая из них все железо, никель и кобальт в природнолегированный чугун.
Подобную плавку сравнительно бедных руд проводят и в доменных печах, однако она имеет ограниченное применение.
Несмотря на преимущественное использование никеля в специальных сталях, выплавка его в виде сплава с железом не всегда приемлема: в сплав переходят кобальт, марганец, хром и другие примеси, случайные сочетания которых не всегда позволяют использовать ценные свойства этих металлов.
По этому способу руду, смешанную с углем, нагревают в трубчатых вращающихся печах при температуре около 1050 ºС, позволяющей восстановить вместе с никелем и кобальтом только часть железа. Восстановленные металлы получаются в виде зерен, смешанных с полурасплавленным шлаком. Охлажденный шлак дробят и извлекают из него кричный сплав электромагнитом. Способ не получил широкого распространения по тем же причинам, что и предыдущий, – из-за невозможности отдельного использования кобальта.
По одному из этих способов, известному в литературе под названием кубинского, измельченную руду подвергают восстановительному обжигу в механических многоподовых печах в среде генераторного газа. При 600–700 ºС никель и кобальт восстанавливаются до металлов, а железо – только до закиси. Далее руду выщелачивают раствором аммиака в присутствии углекислоты и кислорода воздуха. Никель образует растворимые в воде аммиакаты по реакции
2Ni + 12NH 3 + 2CO 2 + O 2 = 2Ni(NH 3) 6 CO 3 .
После отделения пустой породы сгущением и промывкой раствор обрабатывают острым паром. В результате удаления избытка аммиака протекает гидролиз с выделением в осадок основных карбонатов никеля:
2Ni(NH 3) 6 CO 3 + H 2 O = NiCO 3 Ni(OH) 2 + CO 2 + 12NH 3 .
Аммиак из газов поглощают водой и вновь направляют на выщелачивание. Закись никеля спекают на агломерационных машинах и в виде спека поставляют на сталеплавильные заводы.
