Происхождение никеля. Избыток никеля и последствия отравления ним

Применение никеля в сплавах

Никель является основой большинства жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

• монель-металл (65 - 67 % Ni + 30 - 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив;
• нихром, сплав сопротивления (60 % Ni + 40 % Cr);
• пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;
• инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании.
• Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина.

се нержавеющие стали обязательно содержат никель, т.к. никель повышает химическую стойкость сплава. Также сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и и используются при изготовлении прочной брони. При изготовлении важнейших деталей различных приборов использется сплав никеля с железом (36-38% никеля), обладающий низким коэффициентом термического расширения.

При изготовлении сердечникиов электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои. Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80% никеля. Из никелевых сплавов чеканяться монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.

Никель в чистом виде находит основное применение в качестве защитных покрытий от коррозии в различных химических средах. Защитные покрытия на железе и других металлах получаются двумя известными способами: плакировкой и гальванопластикой. Первым методом плакированный слой создается путем совместной прокатки в горячем состоянии тонкой никелевой пластинки с толстым железным листом. Соотношение толщин никеля и покрываемого металла при этом равно примерно 1:10. В процессе совместной прокатки, за счет взаимной диффузии, эти листы свариваются, и получается монолитный двухслойный или даже трехслойный металл, никелевая поверхность которого предохраняет этот материал от коррозии.

Такого рода горячий метод создания защитных никелевых покрытий широко применяется для предохранения железа и нелегированных сталей от коррозии. Это значительно удешевляет стоимость многих изделий и аппаратов, изготовленных не из чистого никеля, а из сравнительно дешевого железа или стали, но покрытых тонким защитным слоем из никеля. Из никелированных листов железа изготовляются большие резервуары для транспортировки и хранения, например, едких щелочей, применяемые также в различных производствах химической промышленности.

Гальванический способ создания защитных покрытий никелем является одним из самых старых методов электрохимических процессов. Эта операция, широко известная в технике под названием никелирование, в принципе представляет сравнительно простой технологический процесс. Он включает в себя некоторую подготовительную работу по весьма тщательной очистке поверхности покрываемого металла и подготовке электролитической ванны, состоящей из подкисленного раствора никелевой соли, обычно сульфата никеля. При электролитическом покрытии катодом служит покрываемый материал, а анодом - никелевая пластинка. В гальванической цепи никель осаждается на катоде с эквивалентным переходом его из анода в раствор. Метод никелирования имеет широкое применение в технике, и для этой цели потребляется большое количество никеля.

За последнее время метод электролитического покрытия никелем применяется для создания защитных покрытий на алюминии, магнии, цинке и чугунах. В работе описывается применение метода никелирования алюминиевых и магниевых сплавов, в частности для защиты дюралюминиевых лопастей винтовых самолетов. В другой работе описано применение никелированных чугунных барабанов для сушки в бумажном производстве; установлено значительное повышение коррозионной стойкости барабанов и повышение качества бумаги на никелированных барабанах по сравнению с обычными чугунными без никелировки.

Никелирование проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 - 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).

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

NiCl 2 + NaH 2 PO 2 + H 2 O = Ni + NaH 2 PO 3 + 2HCl

Процесс проводят при рН 4 - 6 и 95 °C.

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

Самые распространенные «минусы» в химических источниках тока – это цинк, кадмий, железо, а самые распространенные «плюсы» – окислы серебра, свинца, марганца, никеля. Соединения никеля используются в производстве щелочных аккумуляторов. Кстати, железоникелевый аккумулятор изобретен в 1900 г. Томасом Алвой Эдисоном.

Положительные электроды на основе окислов никеля имеют достаточно большой положительный заряд, они стойки в электролите, хорошо обрабатываются, сравнительно недороги, служат долго и не требуют особого ухода. Этот комплекс свойств и сделал никелевые электроды самыми распространенными. У некоторых батарей, в частности цинково-серебряных, удельные характеристики лучше, чем у железоникелевых или кадмийникелевых. Но никель намного дешевле серебра, к тому же дорогие батареи служат намного меньше.

Окисноникелевые электроды для щелочных аккумуляторов делают из пасты, в состав которой входят гидрат окиси никеля и графитовый порошок. Иногда функции токопроводящей добавки вместо графита выполняют тонкие никелевые лепестки, равномерно распределенные в гидроокиси никеля. Эту активную массу набивают в различные по конструкции токопроводящие пластины.

В последние годы получил распространение другой способ производства никелевых электродов. Пластины прессуют из очень тонкого порошка окислов никеля с необходимыми добавками. Вторая стадия производства – спекание массы в атмосфере водорода. Этим способом получают пористые электроды с очень развитой поверхностью, а чем больше поверхность, тем больше ток. Аккумуляторы с электродами, изготовленными этим методом, мощнее, надежнее, легче, но и дороже. Поэтому их применяют в наиболее ответственных объектах – радиоэлектронных схемах, источниках тока в космических аппаратах и т.д.

Никелевые электроды, изготовленные из тончайших порошков, используются и в топливных элементах. Здесь особое значение приобретают каталитические свойства никеля и его соединений. Никель – прекрасный катализатор сложных процессов, протекающих в этих источниках тока. Кстати, в топливных элементах никель и его соединения могут пойти на изготовление и «плюс» и «минуса». Разница лишь в добавках.

Нуклид 63 Ni, излучающий β + -частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах. Никелевые пластинки в последнее время применяют взамен кадмиевых в механических прерывателях нейтронного пучка с целью получения нейтронных импульсов с большим значением энергии.

• Применяется при изготовлении брекет-систем.
• Протезирование

Образование алого осадка при добавлении диметилглиоксима к аммиачному раствору анализируемой смеси – лучшая реакция для качественного и количественного определения никеля. Но диметилгли-оксимат никеля нужен не только аналитикам. Красивая глубокая окраска этого комплексного соединения привлекла внимание парфюмеров: диметилглиоксимат никеля вводят в состав губной помады. Некоторые из подобных диметилглиоксимату никеля соединений – основа очень светостойких красок.

Имеются интересные указания о применении никелевых пластинок в ультразвуковых установках, как электрических, так и механических, а также в современных конструкциях телефонных аппаратов.

Есть некоторые области техники, где чистый никель применяется или непосредственно в порошкообразном виде или в виде различных изделий, получаемых из порошков чистого никеля.

Одной из областей применения порошкообразного никеля являются каталитические процессы в реакциях гидрогенизации непредельных углеводородов, циклических альдегидов, спиртов, ароматических углеводородов.

Каталитические свойства никеля аналогичны тем же свойствам платины и палладия. Таким образом, химическая аналогия элементов одной и той же группы периодической системы находит отражение и здесь. Никель, как металл более дешевый, чем палладий и платина, широко применяется в качестве катализатора при гидрогенизационных процессах.

Для этих целей целесообразно применять никель в виде тончайшего порошка. Он получается специальным режимом восстановления водородом закиси никеля в интервале температур 300-350°.

Никель - простое вещество, пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен. Относится к тяжелым цветным металлам, в чистом виде на земле не встречается — обычно входит в состав различных руд, высокой твердостью, хорошо полируется, является ферромагнетиком — притягивается магнитом, в периодической системе Менделеева обозначается символом Ni и имеет 28 порядковый номер.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

СВОЙСТВА

Никель - ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400-500 Мн/м 2 , предел упругости 80 Мн/м 2 , предел текучести 120 Мн/м 2 ; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м 2 ; твёрдость по Бринеллю 600-800 Мн/м 2 . В температурном интервале от 0 до 631К (верхняя граница соответствует Кюри точке). Ферромагнетизм никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек его атомов. Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монель-металл, инвар и др.).

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Никель довольно распространён в природе - его содержание в земной коре составляет около 0,01%(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (до 8%). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 200 раз выше, чем в кислых (1,2кг/т и 8г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13 - 0,41% Ni.
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 .

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 +Al 2 O 3

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Месторождения сульфидных медно-никелевых руд связаны с лополитоподобными или плитообразными массивами расслоенных габброидов, приуроченных к зонам глубинных разломов на древних щитах и платформах. Характерной особенностью медно-никелевых месторождений всего мира является выдержанный минеральный состав руд: пирротин, пентландит, халькопирит, магнетит; кроме них в рудах встречаются пирит, кубанит, полидимит, никелин, миллерит, виоларит, минералы группы платины, изредка хромит, арсениды никеля и кобальта, галенит, сфалерит, борнит, макинавит, валлерит, графит, самородное золото.

Экзогенные месторождения силикатных никелевых руд повсеместно связаны с тем или иным типом коры выветривания серпентенитов. при выветривании происходит стадийное разложение минералов, а также перенос подвижных элементов, с помощью воды из верхних частей коры в нижние. Там эти элементы выпадают в осадок в виде вторичных минералов.
В месторождениях этого типа заключены запасы никеля в 3 раза превышающие его запасы в сульфидных рудах, а запасы некоторых месторождений достигают 1 млн т. и более никеля. Крупные запасы силикатных руд сосредоточены на Новой Каледонии, Филиппинах, Индонезии, Австралии и др. странах. Среднее содержание в них никеля равно 1.1-2%. Кроме того в рудах часто содержится кобальт.

ПРИМЕНЕНИЕ

Подавляющая часть никеля используется для получения сплавов с другими металлами (fe, cr, cu и др.), 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.

Значительное 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 химической промышленности для изготовления специальной химической аппаратуры и как катализатор многих химических процессов. Никель - весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешёвыми и распространёнными материалами.

Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана), протезирования. Широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель». Также никель используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.

Никель (англ. Nickel) — Ni

КЛАССИФИКАЦИЯ

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 – элемент 10 группы таблицы Д.И. Менделеева. Известный сравнительно недавно, также недавно используемый в промышленности. Свое наименование никель получил от имени зловредного гнома, который вместо подбрасывал горнякам минерал никелин, включающий никель и мышьяк. Использовать в те давние времена никель не умели, так что металл-«обманку» стали называть «озорником» от немецкого Nickel.

И сегодня мы рассмотрим физико-химические свойства и применение никеля, дадим ему общую характеристику, изучим никелевые сплавы и марки.

Это переходный металл, то есть, проявляющий свойства и кислотные, и щелочные. Имеет серебристо-белый блеск, пластичный, ковкий, но твердый. Молекулярная масса невелика – 28, так что он относится к веществам легким.

Об особенностях никеля как металла расскажет этот видеоролик:

Понятие и особенности

С точки зрения химии никель – металл очень интересный и необычный. С одной стороны, он в состоянии вступать в реакцию и с кислотами, и с щелочами, но с другой, отличается химической инертностью и даже с концентрированными щелочами и кислотами отказывается реагировать. Причем свойство это настолько ярко выражено, что никель применяют при изготовлении разнообразной кислотоупорной аппаратуры и резервуаров для щелочей.

Металл выплавляется, а затем используется в виде прутков, листов и так далее. И в таком состоянии проявляет обычные металлические свойства малоактивного вещества. А вот превращенный в очень тонкий порошок никель становится пирофорным и способен самовоспламеняться на воздухе.

Секрет в том, что обычное вещество на воздухе, наподобие алюминия, например, покрывается оксидной пленкой, и эта пленка выступает в качестве прочнейшего защитного слоя.

Это качество обуславливает одно из самых старых применений металла – никелирование, то есть, нанесение на поверхность предметов тончайшего слоя никеля. Такой слой полностью защищает от коррозии сталь, чугун, магний, алюминий и так далее.

Изделия из чистого никеля встречаются редко и применяются только на особо ответственных участках. Его использование в промышленности обусловлено другим уникальным качеством: в сплаве никель сообщает материалу ту же превосходную стойкость к коррозии, которой обладает сам. Большинство нержавеющих и конструкционных сталей включает никель в качестве легирующего компонента. Именно он и обеспечивает стойкость стали и ее долговечность.

Сплавы на основе никеля очень разнообразны и отличаются замечательными свойствами: прочностью, жаростойкостью, способностью выдерживать высокие силовые нагрузки при высокой температуре, износостойкостью, нечувствительностью к химически агрессивным веществам и так далее. Из всего объема добываемого вещества в чистом виде используется около 9%. Еще 7% тратится на никелирование, а весь остальной объем расходуется на получение сплавов.

Никель составляет с железом и кобальтом триаду железа. В состав группы также входят и платиновые – осмий, платина, родий. Однако, несмотря на относительную близость, свойства металлов заметно отличаются. По прочности никель мало уступает железу, обладает даже более высокой плотностью, но в отличие от последнего очень стоек к коррозии, в то время как железо на воздухе, а тем более при контакте с водой быстро корродирует.

По сравнению с платиновыми металлами никель куда легче, значительно дешевле и гораздо активнее: платина, осмий и другие относятся к благородным металлам, которые имеют положительный электродный потенциал и являются крайне инертными.

Плюсы и минусы

Практически все свойства никеля по отношению к народному хозяйству являются преимуществами. К недостаткам металла можно отнести лишь его нахождение в природе. Никель считается элементом распространенным, но встречается только в связанном виде. Самородный никель попадает на землю только в составе метеоритов. Соответственно, получают металл по более дорогим технологиям.

• Никель обладает неплохой прочностью и твердостью, при этом сохраняя способность к ковке и высокую вязкость: из него можно получать тончайшие листы и прутки.
• Металл обладает замечательной стойкостью к коррозии. Более того, это качество он передает сплавам, в состав которых входит в виде легирующего элемента.
• Сплавы на никелевой основе очень разнообразны и отличаются исключительными качествами. Так, жаропрочные железо-никелевые сплавы применяются при изготовлении частей атомных реакторов и реактивных двигателей. На сегодня описаны и используются около 3000 различных никелевых сплавов.
• Покрытие из никеля и сейчас активно применяется не только в приборо- и станкостроении, но и в быту, в строительстве. Никелированная посуда, столовые приборы, фурнитура и прочее не только эстетически привлекательны, но и абсолютно гигиеничны, безвредны и крайне долговечны. Инертность и гигиеничность металла обуславливает его использование в пищевой промышленности.
• Никель является ферромагнетиком, то есть, веществом склонным к самопроизвольному намагничиванию. Это свойство позволяет использовать металл для производства постоянных магнитов.
• Металл относительно дешев в получении и обладает хорошими характеристиками по электропроводности. Никель заменяет дорогое серебро или в производстве аккумуляторов.

Структура и химический состав никеля рассмотрены ниже.

Структура и состав

Никель, как и другие чистые металлы, обладает однородной, хорошо упорядоченной структурой, что и обеспечивает этим веществам способность проводить ток. Однако фазовый состав материала может быть разным, что влияет на его свойства.

• При нормальных условиях дело имеют с β-модификацией никеля. Она характеризуется гранецентрированной кубической решеткой и обуславливает привычные свойства металла – ковкость, пластичность, способность к механической обработке, ферромагнетизм и так далее.
• Существует и материал другого вида. Никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере водорода, в реакцию не вступает, но и меняет структуру, переходя в α-модификацию. Последняя имеет плотнейшую гексагональную решетку. При нагревании до 200 С α-фаза переходит в β-фазу. В промышленности имеют дело с β-модификацией никеля.

Данное видео расскажет о том, как самому переделать никель-кадмиевый аккумулятор на литий-ионный:

Свойства и характеристики

Характеристики β-фазы, как основной, представляют больший интерес, поскольку само существование α-фазы ограничено. Свойства металла таковы:

• плотность при нормальной температуре – 8,9 г/куб. см;
• температура плавления – 1453 С;
• температура кипения – 3000 С;
• очень низкий коэффициент теплового расширения – 13,5∙10 −6 K −1
• модуль упругости – 196–210 ГПа;
• предел упругости составляет 80 Мн/кв. м;
• предел текучести – 120 Мн/кв. м:
• предел растяжения 40–50 кгс/ кв. мм;
• удельная теплоемкость вещества – 0,440 кдж/(кг·К);
• теплопроводность – 90,1 вт/(м·К);
• удельное электрическое сопротивление – 0,0684 мкОм∙м.

Никель является ферромагнетиком, его точка Кюри – 358 С.

Об изготовлении и производителя никелевых сплавов поговорим ниже.

Производство

Никель считается довольно распространенным – 13 место среди металлов. Однако распределение его несколько специфично. Металл не зря называют элементом земных глубин, поскольку в ультраосновных породах его в 200 раз больше, чем в кислых. По одной из распространенных теорий земное ядро состоит из никелистого железа.

Самородный никель на Земле не встречается. В связанном виде он наличествует в медно-никелевых рудах – мышьяксодержащих и сульфидных. Это никелин – красный никелевый колчедан, тот самый, который горняки принимали за , хлоантит – белый никелевый колчедан, гарниерит, медный колчедан и так далее.

Исходным сырьем чаще всего служит сульфидная руда, включающая и , и никель, поэтому в включены дополнительные этапы по разделению металлов.

• Сульфидные руды обычно содержат много влаги и глинистых веществ. Чтобы избавиться от них, руду измельчают, сушат и брикетируют. При слишком высоком содержании серы в руде ее обжигают.
• Плавка на штейн – осуществляются в шахтных или отражательных печах. Получают сплав сульфида никеля и железа, включая небольшое количество меди.
• Разделение никеля и меди.
• Обжиг никелевого концентрата, восстановительная плавка и рафинирование электролизом.

Способ получения никеля из окисленной руды выглядит несколько иначе.

• Руду подвергают сульфидизирующей плавке с частичным восстановлением.
• Получают файнштейн – расплавленный штейн продувают воздухом в конверторах.
• Файнштейн обжигают и очищают от меди;
• Затем восстанавливают никель либо плавят обожженную крицу на ферроникель.

А сколько стоит 1 кг никеля? Цены на такой металл во многом определяются успехом эксплуатации месторождений. Так, в 2013 году Китай увеличил производство никельсодержащего чугуна, что привело к заметному падению цен на металл. В 2016 году осенью стоимость тонны металла составляла 10045$.

Область применения

Никель сам по себе используется достаточно редко. Гораздо шире область .

• В быту чаще всего сталкиваются с никелированными изделиями – краны, смесители, мебельная фурнитура. Металлические части мебели довольно часто покрыты слоем серебристого не тускнеющего металла. То же самое касается столовых приборов и посуды.
• Еще один известный способ использования – белое золото. В его состав входит золото определенной пробы и сплав никеля.
• В электротехнике широчайшее распространение нашли никелевые катоды. Многочисленные аккумуляторы – никель-кадмиевые. Никель- , железо-никелевые и так далее составляют конкуренцию аккумулятором и при этом намного безопаснее.

Однако основным потребителем никеля является цветная и черная металлургия: 67% всего добытого металла используется для получения нержавеющих сталей. А 17% – на изготовление других, не железных сплавов.

• Конструкционная и нержавеющая сталь применяется буквально везде: строительство и машиностроение, электротехника и изготовление трубопроводов, приборостроение и сооружение несущих каркасов. Именно никель придает сталям их стойкость к коррозии.
• Никель-медные сплавы чаще всего применяются при изготовлении кислотоупорной аппаратуры и разнообразных деталей, которые должны работать в условиях агрессивной химической среды.
• Сплавы никеля и хрома знамениты своей жаропрочностью и стойкость к щелочам и кислотам. Их используют в печах, атомных реакторах, двигателях и так далее.
• Сплавы никеля, хрома и железа, кроме того, сохраняют стойкость к высокой нагрузке при очень высоких температурах – до 900 С. Это незаменимый материал для газовых турбин.

Никель – металл с . Прочный, ковкий, стойкий к кислотам и щелочам и способный передать эти свойства практически любому сплаву. Неудивительно, что никель так широко применяется.

Простой и надежный способ восстановления никель-кадмиевых аккумуляторов рассмотрен в видео ниже:

Первые применения никелю придумали ювелиры. Спокойный светлый блеск никеля (вспомним Маяковского: «Облил булыжники лунный никель») не меркнет на воздухе. К тому же никель сравнительно легко обрабатывается. Поэтому его стали применять для изготовления украшений, предметов утвари и звонкой монеты.

Но и это весьма незначительное поле деятельности элемент №28 получил не сразу, потому что никель, который выплавляли металлурги, был совсем не похож на благородный металл, описанный Рихтером. Он был хрупок и практически непригоден для обработки.

Позже выяснилось, что ничтожной (по нормам столетней давности) примеси серы - лишь 0,03% - достаточно, чтобы вконец испортить механические свойства никеля; происходит это из-за того, что тончайшая пленка хрупкого сернистого никеля разъединяет зерна металла, нарушает его структуру. Примерно так же действует на свойства этого металла и кислород.

Проблему получения ковкого никеля решило одно открытие. Присадка магния в расплавленный металл перед разливкой освобождает никель от примесей: магний активно связывает, «принимает на себя» серу и кислород. Это открытие было сделано еще в 70-х годах прошлого века, и с тех пор спрос на никель стал расти.

Вскоре выяснилось, что элемент №28 - не только декоративный металл (хотя никелированием как средством защиты других металлов от коррозии и для декоративных целей пользуются уже около ста лет). Никель оказался и одним из самых перспективных материалов для изготовления химической аппаратуры, которая должна выдерживать разъедающее действие концентрированных рассолов, горячих щелочей, расплавленных солей, фтора, хлора, брома и других агрессивных сред. Химическую пассивность этот металл сохраняет и при нагреве; жаростойкость проложила никелю дорогу в реактивную технику.

Уникальную совокупность свойств увидели в никеле конструкторы электровакуумных приборов. Не случайно больше трех четвертей всего металла, расходуемого электровакуумной техникой, приходится на чистый никель; из него изготовляют проволочные держатели, вводы, сетки, аноды, экраны, керны для оксидных катодов и ряд других деталей.

Здесь наряду с коррозионной и тепловой стойкостью никеля, его пластичностью и прочностью очень ценится низкая упругость пара: при рабочей температуре около 750°C объем электронной лампы насыщается ничтожным количеством никеля - порядка 10 -12 г, которое не нарушает глубокого вакуума.

Во многих отношениях замечательны магнитные свойства никеля.

В 1842 г. Дж.П. Джоуль описал увеличение длины стальных прутков при намагничивании. Через 35 лет физики добрались и до химических собратьев железа - кобальта и никеля. И тут оказалось, что кобальтовые прутки тоже удлиняются в магнитном поле, а у никеля этот замечательный эффект не обнаруживается. Еще через несколько лет (в 1882 г.) выяснилось, что никель, но только не удлиняется, а, наоборот, даже укорачивается в магнитном поле. Явление было названо магнитострикцией. Сущность его состоит в том, что при наложении внешнего магнитного поля беспорядочно расположенные микромагнитики металла (домены) выстраиваются в одном направлении, деформируя этим кристаллическую решетку. Эффект обратим: приложение механического напряжения к металлу меняет его магнитные характеристики.

Поэтому механические колебания в ферромагнитных материалах затухают гораздо быстрее, чем в неферромагнитных: энергия колебаний расходуется на изменение состояния намагниченности. Понимание природы этого «магнитомеханического затухания» позволило создать не боящиеся усталости сплавы для лопаток турбин и многих других деталей, подвергающихся вибрации.

Но, пожалуй, еще важнее другая область применения магнитомеханических явлений: стерженек из никеля в переменном магнитном поле достаточной частоты становится источником ультразвука.

Раскачивая такой стерженек в резонансе (для этого подбирают соответствующую длину), достигают колоссальной для ультразвуковой техники амплитуды колебаний - 0,01% от длины стержня.

Никелевые магнитострикторы были применены, между прочим, при никелировании в ультразвуковом поле: благодаря ультразвуку получаются чрезвычайно плотные и блестящие покрытия, причем скорость их нанесения может быть гораздо выше, чем без озвучивания. Так «никель сам себе помогает».

Ультразвук имеет и множество других применений. Однако никто, по-видимому, не исследовал воздействия быстропеременного магнитного поля на реакции с участием металлического никеля: вызванная магнитострикцией пульсация поверхности должна была бы существенно повлиять на химическое взаимодействие, так что изучение реакции «звучащего» металла может выявить новые неожиданные эффекты.

...и его сплавы

Обратимся теперь к сплавам никеля. Но лучше сказать вернемся: ведь история применения никеля началась со сплавов: одни - железоникелевые - человек получил в готовом виде, другие - медно-никелевые - он научился выплавлять из природных руд, еще не зная, какие металлы в них входят.

А сейчас промышленность использует несколько тысяч сплавов, в которые входит никель, хотя и в наше время сочетания железо - никель и медь - никель, предоставленные нам самой природой, остаются основой подавляющего большинства никельсодержащих сплавов. Но, наверное, самое важное - это не количество и разнообразие этпх сплавов, а то, что в них человек сумел усилить и развить нужные нам свойства никеля.

Известно, например, что твердые растворы отличаются большей прочностью и твердостью, чем их компоненты, но сохраняют их пластичность. Поэтому металлические материалы, подлежащие обработке посредством ковки, прокатки, протяжки, штамповки и т.п., создают на основе систем, компоненты которых образуют между собой твердые растворы. Именно таковы сплавы никеля с медью: оба металла полностью смешиваются в любых пропорциях как в жидком состоянии, так и при затвердевании расплава. Отсюда - прекрасные механические свойства медно-никелевых сплавов, известные еще древним металлургам.

Праотец многочисленного рода этих сплавов - «пакт-хонг» (или «пекфонг»), который выплавляли в Китае, возможно до нашей эры, дожил до наших дней. Он состоит из меди, никеля (20%) и цинка, причем цинк играет здесь в основном ту же роль, что и магний при приготовлении ковкого никеля. Этот сплав в небольших количествах начали получать в Европе еще в первой половине XIX в. под названиями аргентан, немецкое серебро, нейзильбер (новое серебро) и массой других, причем почти все эти названия подчеркивали красивый - серебряный - внешний вид сплава. Никель обладает интересной «отбеливающей способностью»: уже 20% его полностью гасят красный цвет меди.

«Новое серебро» успешно конкурировало со старым, завоевав популярность у ювелиров. Применили его и для чеканки монет. В 1850 г. Швейцария выпустила первые монеты из нейзильбера, и вскоре ее примеру последовали почти все страны. Американцы даже называют свои пяти-центовые монетки «nickel». Масштабы этого применения медно-ппкелевых сплавов огромны: столбик из «никелевых» монет, которые изготовлены в мире за 100 с небольшим лет, достиг бы Луны!

Ныне нейзильбер и родственный ему мельхиор (в мельхиоре пет цинка, но присутствует около 1% марганца) применяются не только it не столько для замены столового серебра, сколько в инженерных целях: мельхиор наиболее стоек (из всех известных сплавов!) против ударной, или струевой, коррозии. Это отличный материал для кранов, клапанов и особенно конденсаторных трубок.

А вот более молодой сплав меди и никеля - дитя случая и находчивости. В начале XX в. возникли осложнения при переработке богатых канадских руд, содержавших вдвое больше никеля, чем меди; разделение этих двух металлов было твердым орешком для металлургов. Полковник Амброз Монель, тогдашний президент Международной никелевой компании, подал смелую мысль - не разделять медь и никель, а выплавлять пх совместно в «натуральный сплав». Инженеры осуществили эту идею - и получился знаменитый монель-металл - один из главнейших сплавов химического машиностроения. Сейчас создано много марок монель-металла, различающихся природой и количеством легирующих добавок, но основа во всех случаях прежняя - 60…70% никеля и 28…30% меди. Высокая химическая стойкость, блестящие механические свойства и сравнительная дешевизна (его и сейчас выплавляют без предварительного разделения меди и никеля) создали монель-металлу славу среди химиков, судостроителей, текстильщиков, нефтяников и даже парфюмеров.

Если монель-металл - «натуральный сплав» из сульфидных медно-цикелевых руд, то ферроникель - естественный продукт плавки окисленных руд никеля. Отличие состоит в том, что в зависимости от условий плавки в этом продукте можно широко менять соотношение никеля и железа (большую часть железа переводят в шлак). Ферроникель различного состава используют затем в качестве полупродукта для получения многих марок стали и других железоникелевых сплавов.

Таких сплавов великое множество. Всем хорошо известны конструкционные никелевые и нержавеющие хромоникелевые стали. На них уходит почти половина всего никеля, добываемого человеком. Инконель - «аристократический родственник» нержавеющих сталей, в котором железа почти не осталось, это сплав (точнее, группа сплавов) на осаове никеля и хрома с добавками титана и других элементов. Инконель стал одним из главных материалов ракетной техники. Нихром (20% Cr, 80% Ni) - важнейший из сплавов сопротивления, основа большинства электронагревательных приборов, от домашних электроплиток до мощных промышленных печей. Менее известны элинвар (35% Ni, 8% Cr), сохраняющий постоянную упругость при различных температурах, и платинит (49% Ni, 51% Fe). Последний не содержит платины, но во многих случаях заменяет ее. Как и платину, его можно впаять и стекло, и спай не треснет, поскольку коэффициенты теплового расширения стекла и платинита совпадают. У инвара (36% Ni, 64% Fe) коэффициент теплового расширения близок к нулю.

Особый класс составляют магнитные сплавы. Пожалуй, наибольшие заслуги здесь принадлежат пермаллою FeNi 3 - сплаву с феноменальной магнитной проницаемостью, Перевернувшему технику слабых током. Сердечники из пермаллоя есть в любом телефонном аппарате, а тонкие пермаллойные пленки - главный элемент запоминающих устройств вычислительных машин.

Главная » Артикли » Происхождение никеля. Избыток никеля и последствия отравления ним