Свойства, характеристики и особенности состава никеля

Свойства, характеристики и особенности состава никеля

Никель характеризуется отличной коррозионной стойкостью, высокой прочностью, эстетической привлекательностью и способностью принимать любую заданную ему форму. Благодаря своим свойствам этот металл давно применяется в строительстве. Более 60% никеля идет на производство нержавеющей стали.

С участием никеля строят дома, выполняют интересный архитектурный дизайн, делают отделку стен и изготавливают водосточные трубы. Никель присутствует в нашей жизни повсеместно. Поэтому сегодня мы рассмотрим его состав, структуру и свойства никеля.

Известно, что в природе никель может находиться в виде пяти стабильных изотопов 58 Ni, 60 Ni, 61 Ni, 62 Niи 64 Ni. Их массовые числа равны 58, 60, 61, 62 и 64 соответственно. Ядро атома изотопа никеля 58 Ni содержит двадцать восемь протонов и тридцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы никеля с массовыми числами от 48-ми до 78-ми, а также восемь мета стабильных состояний, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 59 Ni с периодом полураспада равным 76 тысяч лет.

Биологическая роль

Никель — микроэлемент, который необходим всем живым организмам. Его среднее содержание в растениях — 0,00005 %, в наземных животных — 0,000001 %, в морских — 0,00016 % массы тела.

Роль никеля в организме изучена не до конца. Известно, что он участвует в ферментативных реакциях и влияет на окислительные процессы. Он содержится в легких, печени, мышцах, поджелудочной и щитовидной железах, некоторых отделах головного мозга. Микроэлемент также накапливается в ороговевших тканях человека, животных и птиц, в том числе в волосах и перьях.

Избыточное содержание никеля в растениях приводит к уродливым формам, в организме животных — к различным глазным заболеваниям (кератоконъюнктивитам, кератитам).

Пары и пыль никеля токсичны и могут вызывать поражения кожи, легких и носоглотки, а частое вдыхание паров металла опасно появлением злокачественных новообразований.

Получение никеля из руды

Технологические схемы переработки никелевых руд определяются их типом и особенностями химического состава.

Этапы производства никеля из сульфидных медно-никелевых руд:

  1. Подготовка руды.
  2. Плавка на штейн.
  3. Конвертирование штейна для получения медно-никелевого файнштейна.
  4. Разделение никеля и меди файнштейна.
  5. Обжиг чернового концентрата никеля для получения бинарного оксида никеля.
  6. Восстановительная плавка.

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).

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 [2] .

Карбонил никеля [Ni(CO)4] — 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.

Формы нахождения металла

В естественных условиях никель встречается в сочетании с рядом химических элементов, а в форме самородков находится в железных метеоритах.

Содержание металла в составе ультраосновных пород значительно выше, чем в кислых образованиях. В зависимости от условий формирования минералов происходит процесс замещения никелем других элементов (железа, магния).

В гидротермальных условиях никель формирует соединения с мышьяком, кобальтом, серебром. Повышенные концентрации металла связаны с минеральными образованиями-арсенидами и сульфидами.

Сырьем для извлечения ценного компонента являются сульфидные, медно-никелевые руды с содержанием мышьяка:

  • никелин — соединение с мышьяком;
  • хлоантит — белый колчедан, содержащий кобальт и железо;
  • гарниерит — силикатная порода с содержанием магния;
  • магнитный колчедан — соединение серы с железом и медью;
  • герсдорфит — мышьяково-никелевый блеск;
  • пентландит — соединение серы, железа и никеля.


Содержание металла в живых организмах зависит от условий и среды обитания. Некоторые представители флоры и фауны способны концентрировать металл.

Основные месторождения руд находятся в Канаде, Российской Федерации, Албании, ЮАР, на Кубе, в Греции.

Процесс извлечения металла из руд предусматривает применение технологий в зависимости от типа сырья. Иногда никель является второстепенным материалом обогащения породы.

Тугоплавкие руды с содержанием магния подвергают электрической выплавке. Содержащие железо латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическим методом с последующей обработкой щелочными растворами.

Породу с меньшим содержанием железа плавят, подвергают обжигу и электрической выплавке. Попутно извлекают металлический кобальт или его соли. Повышенное содержание металла наблюдается в золе каменных углей в Англии. Этот факт связывают с деятельностью микроорганизмов, концентрирующих никель.

Пластичность и другие физические свойства никелевых составов зависят от чистоты материала. Незначительная примесь серы придает металлу хрупкость. Добавление в расплавленный материал магния очищает смесь от второстепенных примесей с образованием соединения с серой.

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.

Читайте также  Клетка фарадея

Изотопы и модификации никеля:

Общие сведения
Название Никель/ Niccolum
Символ Ni
Номер в таблице 28
Тип Металл
Открыт Кронштедт, Швеция, 1751 г.
Внешний вид и пр. Серебристо-белый металл
Содержание в земной коре 0,0089 %
Содержание в океане 2,0×10 -7 %
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса) 58,6934(4) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2
Радиус атома 124 пм
Химические свойства
Степени окисления +3, +2, 0
Валентность (+1), +2, (+3), (+4)
Ковалентный радиус 115 пм
Радиус иона (+2e) 69 пм
Электроотрицательность 1,91 (шкала Полинга)
Энергия ионизации (первый электрон) 736,2 кДж/моль (7,63 эВ)
Электродный потенциал -0,25 В
Физические свойства
Плотность (при нормальных условиях) 8,902 г/см 3
Температура плавления 1455 °C (1728 K)
Температура кипения 2730 °C (3003 K)
Уд. теплота плавления 17,61 кДж/моль
Уд. теплота испарения 378,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 26,1 Дж/(K·моль)
Молярный объём 6,6 см³/моль
Теплопроводность (при 300 K) 90,9 Вт/(м·К)
Электропроводность в твердой фазе 14х10 6 См/м
Сверхпроводимость при температуре
Твёрдость 4 по шкале Мооса, 638 МПа по Виккерсу
Структура решётки кубическая гранецентрированная
Параметры решётки 3,524 Å
Температура Дебая 375 К

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.