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.

Никелирование металлов

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.

Применение никеля в производстве аккумуляторов

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.

Никель в радиационных технологиях

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.

Применение никеля в медицине

• 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.

Другие сферы применения никеля

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 – 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:

Данный металл серебристо-серого цвета относится к переходным - он обладает и щелочными, и кислотными свойствами. Основными достоинствами металла считаются ковкость, пластичность, а также высокие антикоррозийные показатели. Где и каким образом используется никель - читайте ниже.

Благодаря присутствию оксидной пленки на поверхности, металл наделен способностью отлично противостоять коррозии. К тому же покрытие из данного металла надежно защищает от окисления детали и предметы, изготовленные из других материалов. Именно поэтому никель широко используется в современной промышленности.

К тому же, элемент имеет не только антикоррозийные свойства. Он отлично противостоит воздействию различных щелочей. Благодаря этому, его применяют для защиты всевозможных алюминиевых, железных и чугунных деталей, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах. В том числе для изготовления самолетных лопастей, цистерн для перевозки опасных веществ и другого оборудования для химической промышленности.

Если говорить о других сферах нашей жизни, где использование никеля сегодня поставлено на широкую ногу, то стоит упомянуть производство:

• протезов и брекетов для нужд медицины;
• аккумуляторов;
• химических реактивов;
• "белого золота" в ювелирной промышленности;
• обмотки для струн музыкальных инструментов.

Сплавы

Благодаря антикоррозийным свойствам, элемент повсеместно применяется для производства различных сплавов из железа, меди, титана, олова, молибдена и т. д. На это расходуется свыше 80 процентов от общего объема добываемого во всем мире Ni, месторождения которого находятся на территории России (Урал, Мурманская и Воронежская области, Норильский район) ЮАР, Канады, Греции, Албании и других государств. Ni применяется для изготовления нержавеющей стали. Сплавы с железом используются практически во всех отраслях современной промышленности, а также при строительстве любых гражданских или промышленных объектов.

В результате различного процентного сочетания с медью получают сплавы монели, константин и другие. Они применяются для изготовления монет, резервуаров для хранения серной, хлорной или фосфорной кислоты, запасных частей и деталей машин (клапанов, теплообменников, втулок, пружин, лопастей крыльчаток), предназначенных для использования в режиме повышенных нагрузок.

Сплавы с добавлением хрома - нихромы - жаропрочны поэтому используются для изготовления конструктивных элементов газовых турбин, деталей реактивных двигателей, оборудования для ядерных реакторов.

В процессе добавления молибдена получают сплавы, стойкие к воздействию кислот и других агрессивных составов (сухому хлору).

Сплавы с участием алюминия, железа, меди и кобальта - алник и магнико - обладают свойствами постоянных магнитов и применяются при изготовлении различных радиоизмерительных приборов и электротехники.

Изделия из инвара - сплава с добавлением железа (Ni - 35 процентов, Fe - 65%) обладают свойством практически не растягиваться при нагревании.

Другие области применения

Одной из наиболее распространенных областей, где сегодня используется никель в промышленности, является никелирование, то есть нанесение тонкого слоя никеля (толщина варьируется от 12 до 36 микрометров) на поверхность других металлов при помощи гальванического метода. Таким способом проходит антикоррозийная обработка:

• металлических труб;
• посуды;
• столовых предметов;
• смесителей и кранов для кухни или ванной комнаты;
• мебельной фурнитуры и других декоративных изделий.

Обработанные таким образом предметы будут в течение продолжительного срока надежно защищены от воздействия влаги, а также, благодаря не тускнеющему со временем серебристому покрытию, сохранят презентабельный внешний вид.

История

Никель (англ., франц. и нем. 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 стёкол в зелёный 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 «Медный дьявол». Руду эту (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог Кронштедт. Ему удалось получить зелёный окисел и путём 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 искажённого 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).

Физические свойства

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень твёрд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом, проявляя магнитные свойства при температурах ниже 340 °C.

Химические свойства
Дихлорид никеля (NiCl2)

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).
Никель образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом никель со степенью окисления +3 только в виде комплексных солей. Для соединений никеля +2 известно большое количество обычных и комплексных соединений. Оксид никеля Ni2O3 является сильным окислителем.
Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью — устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию — образованию на его поверхности плотной оксидной плёнки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в азотной кислоте.
С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)4.
Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Никель горит только в виде порошка. Образует два оксида NiO и Ni2O3 и соответственно два гидроксида Ni(OH)2 и Ni(OH)3. Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Растворы окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида NiS (черный), Ni2S3 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (черный). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C4H6N2O2)2, дающий чёткую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля
Водный раствор сульфата никеля в банке имеет зелёный цвет.

Водные растворы солей никеля(II) содержат ион гексаакваникеля(II) 2+. При добавлении к раствору, содержащему эти ионы, аммиачного раствора происходит осаждение гидроксида никеля (II), зелёного желатинообразного вещества. Этот осадок растворяется при добавлении избыточного количества аммиака вследствие образования ионов гексамминникеля(II) 2+.
Никель образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат (II) 2− имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат(II) 2− имеет плоскую квадратную структуру.
В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля (II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названием диметилглиоксима. При его взаимодействии с ионами никеля (II) образуется красное координационное соединение бис(бутандиондиоксимато)никель(II). Это — хелатное соединение и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

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 %). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 200 раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13 — 0,41 % Ni. Он изоморфно замещает железо и магний. Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Никель проявляет сидерофильные и халькофильные свойства. При повышенном содержании в магме серы возникают сульфиды никеля вместе с медью, кобальтом, железом и платиноидами. В гидротермальном процессе совместно с кобальтом, мышьяком и серой и иногда с висмутом, ураном и серебром, никель образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

* никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) NiAs
* хлоантит (белый никелевый колчедан) (Ni, Co, Fe)As2
* гарниерит (Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6*H2O и другие силикаты
* магнитный колчедан (Fe, Ni, Cu)S
* мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) NiAsS,
* 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.
Месторождения никелевых руд

Основные месторождения никелевых руд находятся в Канаде, России, Новой Каледонии, Филиппинах, Индонезии, Китае, Финляндии, Австралии. Природные изотопы никеля.
Природный никель содержит 5 стабильных изотопов: 58Ni (68.27 %), 60Ni (26.10 %), 61Ni (1.13 %), 62Ni (3.59 %), 64Ni (0.91 %).

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. Ещё 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.

1. 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.
2. 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.
3. Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O3

Применение

Сплавы

Никель является основой большинства суперсплавов — 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;
* белое золото (например 585 пробы содержит 58,5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));
* 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.

Никелирование

Никелирование — создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. 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:

NiCl2 + NaH2PO2 + H2O = Ni + NaH2PO3 + 2HCl

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

Производство аккумуляторов

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

Радиационные технологии

Нуклид 63Ni, излучающий β+-частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах.

Медицина

* Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана).
* Протезирование

Монетное дело

Никель широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель».

Биологическая роль

Биологическая роль: никель относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших тканях, особенно в перьях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям — у растений появляются уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице. Токсическая доза (для крыс) — 50 мг. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил Ni(CO)4. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений).

Физиологическое действие

Никель — основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В Евросоюзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека.
Карбонил никеля — очень ядовит. Предельно допустимая концентрация его паров в воздухе производственных помещений 0.0005 мг/м³.
В XX веке было установлено, что поджелудочная железа очень богата никелем. При введении вслед за инсулином никеля продлевается действие инсулина и тем самым повышается гипогликемическая активность. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Никель может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давления. Избыточное поступление никеля в организм вызывает витилиго. Депонируется никель в поджелудочной и околощитовидной железах.

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

Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 å нм, пространственная группа Fm3m. Эта кристаллическая структура устойчива к давлению, по меньшей мере 70 ГПа. При обычных условиях никель существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решётку (a = 3,5236 å). Но никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере h 2 , образует a-модификацию, имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки (а = 2,65 å, с = 4,32 å), которая при нагревании выше 200 °С переходит в кубическую. Компактный кубический никель имеет плотность 8,9 г/см 3 (20 °С), атомный радиус 1,24 å

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

Strunz (8-ое издание)	1/A.08-10
Nickel-Strunz (10-ое издание)	1.AA.05
Dana (7-ое издание)	1.1.17.2
Dana (8-ое издание)	1.1.11.5
Hey’s CIM Ref	1.61