Исчерпывающее руководство по никелю: Структура, получение и многое другое

Никель находит широкое применение в нашей повседневной жизни, например, при изготовлении монет и производстве сплавов. Сегодня давайте подробнее рассмотрим этот металл - никель.

Никель находится в VIII группе периодической таблицы, вместе с железом, кобальтом, рутением, родием, палладием, осмием, иридием и платиной образуя VIII группу. Среди них железо, кобальт и никель называют "элементами группы железа".

I. Открытие и название никеля

Человечество знает и использует никель уже очень давно. Впервые никель был использован в Китае еще в III веке до н. э., когда китайцы добавили никелевую руду в медь для получения сплава - белой меди, использовавшейся для отливки монет.

В конце XVII века немецкие шахтеры обнаружили красновато-коричневую руду, на поверхности которой часто появлялись зеленые пятна. При добавлении в сырье для изготовления стекла она могла окрашивать его в зеленый цвет. В то время этот минерал приняли за медную руду, и металлурги много раз пытались извлечь из него медь, но все попытки оказались неудачными.

Шахтеры называли его "Купферникель", где "Купфер" означает "медь", а "никель" - "обманщик", поэтому "Купферникель" можно перевести как "фальшивая медь".

Только в 1751 году шведский минералог и химик Кронстедт А. Ф. (1722-1765) изучил этот минерал. После многочисленных экспериментов он выделил из Купферникеля белый металл и назвал его никелем.

Отсюда же происходит латинское название никеля - Niccolum. Первый слог мы транслитерируем в "никель", а химический символ - Ni. Теперь мы знаем, что Купферникель - это арсенидная руда никеля, а зеленые пятна на его поверхности - карбонат никеля.

В апрельском номере американского "Журнала химического образования" за 1943 год была опубликована статья, взятая из "Международной никелевой компании", под названием "Таинственный Пактонг", в которой приводились следующие выдержки:

"Триста лет назад, в один прекрасный день, огромный торговый корабль, потрепанный штормами и медленно приближающийся к реке Темзе, направляясь к причалу, возвращался домой! Год назад он отплыл из Лондона в поисках Дальнего Востока. Теперь он вернулся, везя такие товары, как чай, шелк и специи.

Кроме того, появился новый предмет, сделанный из металла, который сиял мягким блеском чистого серебра, но это было точно не серебро, а твердый металл. Китайцы называли его пактонг и тщательно оберегали секрет его изготовления.

После распространения этого странного металла целые поколения европейских металлургов пытались имитировать белую медь, но так и не нашли причину каждой неудачи. Только в середине XVIII века шведский ученый определил новый металл, признанный другим ученым, как металл таинственного сплава для изготовления белой меди. Именно этот металл обнаружили шахтеры в Саксонии и прокляли его как фальшивую медь.

II. Распределение, наличие и содержание никеля

Никель не является дефицитным элементом земной коры, он более распространен, чем такие распространенные металлы, как свинец и олово, но значительно меньше, чем железо. Кобальт и никель часто сосуществуют в природе, а важными рудами кобальта и никеля являются кобальтит (CoAsS) и никелевый пирит (NiS-FeS).

В природе наиболее важными никелевыми рудами являются гарниерит (арсенид никеля) и арсенид никеля (сульфарсенид). Куба - самая известная страна в мире по месторождениям никелевых руд, большие объемы никелевой руды также обнаружены в Доминиканской Республике.

Содержание никеля в солнечных лучах составляет 80ppm, в морской воде - 0,0001ppm, а в земной коре - 80ppm. Никель также является одним из необходимых элементов для организмов, но его содержание в организмах очень мало, менее одной десятитысячной, что называется микроэлементом. К продуктам, богатым никелем, относятся: шоколад, орехи, сушеные бобы и зерновые.

III. Изотопы никеля

Существует множество изотопов никеля, обладающих различными свойствами. Вот их список:

IV. Строение и свойства элементов

1. Структура:

Ячейка представляет собой гранецентрированную кубическую ячейку, содержащую 4 атома металла на ячейку.

Параметры решетки:

• a=352.4pm
• b=352.4pm
• C=352.4pm
• α=90°
• β=90°
• Y=90°
• Твердость по Моосу: 4
• Внешняя электронная конфигурация: 3d⁸4s²
• Конфигурация электронов вне ядра: 2,8,16,2

2.Физические свойства:

(1) Примерно серебристо-белый металл;

• Плотность: 8,902 г/см³
• Температура плавления: 1453,0℃
• Температура кипения: 2732,0℃
• Атомный объем: 6,59 см³/моль
• Относительная атомная масса: 58.69

(2) Твердый и вязкий;

(3) Ферромагнетик:

(4) Высокая полируемость и коррозионная стойкость:

(5) Проводимость и теплопроводность.

3. Химические свойства

(1) При комнатной температуре во влажном воздухе никель образует на своей поверхности плотную оксидную пленку, которая не только препятствует дальнейшему окислению, но и противостоит коррозии под действием щелочей и солевых растворов;

(2) Сыпучий никель не горит, тонкая никелевая проволока может гореть, а специально изготовленные мелкопористые частицы никеля будут гореть белым пламенем в воздухе;

(3) При нагревании никель бурно реагирует с кислородом, серой, хлором и бромом;

(4) Мелкодисперсный порошок никеля может поглощать значительное количество водорода при нагревании;

(5) Никель медленно растворяется в разбавленной соляной кислоте, разбавленной серной кислоте и разбавленной азотной кислоте, но его поверхность пассивируется в дымящейся азотной кислоте. После растворения в азотной кислоте он становится зеленым.

V. Приготовление никеля

1. Метод электролиза.

Обогащенную сульфидную руду обжигают до оксидов, восстанавливают углеродом до сырого никеля и затем получают чистый металлический никель путем электролиза.

2. Метод карбонилирования.

В результате реакции сульфида никеля с монооксидом углерода образуется тетракарбонил никеля, который при нагревании разлагается с получением очень чистого металлического никеля.

3. Метод восстановления водорода.

Металлический никель можно получить путем восстановления оксида никеля водородом.

Десять ведущих стран-производителей никеля в мире (годовой объем производства: тыс. тонн)

VI. Применение никеля

1. Широко используется в производстве сплавов

Добавление никеля в сталь позволяет повысить ее механическую прочность. Например, при увеличении содержания никеля в стали с 2,94% до 7,04% предел прочности при растяжении увеличивается с 52,2 кг/мм ² до 72,8 кг/мм ³ . Никелевая сталь используется для изготовления деталей машин, которые выдерживают высокое давление, удары и возвратно-поступательные нагрузки, таких как лопатки турбин, коленчатые валы, шатуны и т.д.

Никелевая сталь, содержащая 36% никеля и 0,3-0,5% углерода, имеет очень малый коэффициент расширения, практически не подвержена тепловому расширению или сжатию и используется для производства различных точных механизмов, точных измерительных приборов и т.д. Высоконикелевая сталь, содержащая 46% никеля и 0,15% углерода, называется "инвар", поскольку ее коэффициент расширения аналогичен коэффициенту расширения платины и стекла. Этот тип высоконикелевой стали можно сваривать со стеклом.

Она очень важна для производства лампочек и может использоваться в качестве заменителя платиновой проволоки. Некоторые оправы для прецизионных линз также изготавливаются из этой инварной стали, что предотвращает выпадение линз из оправы из-за теплового расширения и сжатия. Сплав, состоящий из 67,5% никеля, 16% железа, 15% хрома и 1,5% марганца, обладает высоким электрическим сопротивлением и используется для производства различных резисторов и электронагревателей.

2. Никель-титановые сплавы обладают способностью к "памяти"

Никель-титановые сплавы обладают способностью к "памяти", причем очень сильной, точно возвращаясь к своей первоначальной форме после деформации миллионы раз в течение значительного времени. Эта способность "памяти" - запоминать свою первоначальную форму, поэтому его называют "сплавом с памятью формы".

Изначально этот сплав имеет характерную температуру превращения. Выше этой температуры превращения он имеет один тип кристаллической структуры, а ниже - другой. Различные структуры обусловливают различные свойства.

Например, никель-титановый сплав с памятью очень твердый и прочный при температуре превращения, но ниже этой температуры он становится очень мягким и легко поддается холодной обработке. Таким образом, когда нам нужно, чтобы он запомнил определенную форму, мы придаем ему соответствующую форму. Это и есть его "постоянная память". Ниже температуры превращения, поскольку он очень мягкий, мы можем деформировать его в значительной степени по своему желанию.

А когда нужно вернуть первоначальную форму, достаточно нагреть его выше температуры трансформации. Никель-титановые сплавы с памятью формы широко используются в медицине, например, в фильтрах для удаления тромбов, стержнях для коррекции позвоночника, ортодонтических дугах, клипсах для аневризмы головного мозга, костных пластинах, искусственных суставах, головках бедренных костей, искусственных сердечных мышцах и миниатюрных насосах для искусственных почек.

3. Производство электромагнитных кранов

Никель магнитен и может притягиваться магнитами. Сплавы из алюминия, кобальта и никеля обладают еще более сильным магнетизмом. Когда такой сплав притягивается электромагнитом, он не только притягивается, но и может удержать, не упав, что-то в шестьдесят раз большее своего веса. Таким образом, его можно использовать для изготовления электромагнитных кранов.

4. Используется при производстве нержавеющей стали

Больше всего никеля используется в нержавеющей стали, которая может противостоять коррозии от атмосферы, пара и воды, а также кислотной, щелочной и солевой коррозии. Поэтому нержавеющая сталь широко используется в химической, металлургической, строительной и различных гражданских отраслях, например, при производстве контейнеров, башен, резервуаров, трубопроводов и т.д., требующих сварки в таких отраслях, как нефтехимическая, текстильная, легкая промышленность, атомная энергетика; при производстве мочевины, синтетических башен, промывочных башен, конденсационных башен, башен для отгонки пара и другого коррозионностойкого оборудования высокого давления.

5. Используется для никелирования

Никель также используется для никелирования, покрывая сталь и другие металлические субстраты прочным, устойчивым к коррозии поверхностным слоем, который на 20% - 25% более устойчив к коррозии, чем оцинкованные слои.

6. Используется в качестве катализатора и в красителях.

VII. Важные соединения никеля

Основными состояниями окисления никеля являются +2, а также -1, 0, +1, +3, +4, +6 и т.д., что позволяет никелю образовывать разнообразные соединения. Здесь представлены оксид никеля, сульфат никеля, высокий гидроксид никеля и комплексы никеля.

1. Оксид никеля

• Внешний вид и свойства: зеленый порошок.
• Относительная плотность (вода=1): 6.6-6.8
• Растворимость: Нерастворим в воде, нерастворим в щелочи, растворим в кислотах и т.д. Растворим в кислоте и аммиачной воде, горячей перхлорной кислоте, горячей серной кислоте.
• Основные области применения: Используется в качестве пигмента в керамике и стекле. В эмальерной промышленности используется в качестве клея и красителя для фарфоровой глазури. В керамической промышленности используется как сырье для пигментов. В производстве магнитных материалов используется как сырье для никель-цинкового феррита. В стекольной промышленности используется в качестве красителя для стекла чайного цвета и стеклянных оболочек катодных трубок. Он также является сырьем для производства никелевых солей и никелевых катализаторов.

2. Сульфат никеля

• Внешний вид и свойства: Зеленые кристаллы, орторомбическая кристаллическая система.
• Температура кипения (C): 840 (безводный)
• Относительная плотность (вода=1): 2.07
• Растворимость: Растворим в воде, растворим в этаноле, слабо растворим в кислоте, аммиачной воде.
• Основные области применения: В основном используется в гальванической промышленности и для изготовления никель-кадмиевых аккумуляторов и других никелевых солей, также применяется в органическом синтезе и в производстве высыхающих масел в качестве катализатора для красок.

3. Гидроксид никеля

• Внешний вид и характеристики: черный порошок.
• Растворимость: нерастворим в воде и растворе щелочи. Растворим в кислоте и аммиачной воде.
• Применение: используется для изготовления щелочных батарей и т.д.
• Получение: получают путем окисления гидроксида никеля гипохлоритом.
• Прочее: разлагается при температуре плавления.

4. Комплексы никеля

Поскольку никель имеет d-орбитали, на которых могут размещаться электроны с одиночной парой, он может образовывать комплексы. Основные типы комплексов никеля следующие:

• Аммиачное координационное соединение: [Ni(NH ₃ ) ₆ ] ²⁺
• Координационное соединение цианида: [Ni(CN) ₄ ] ^2-
• Хелат: [Ni(en) ₃ ] ²⁺
• Карбонильные координационные соединения: (a) Ni(CO) ₄ (b) (C ₂ H ₅ ) ₂ Ni