Свойства никеля и его применение

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ НИКЕЛЕ

Физические свойства. При обычных условиях Никель существует в виде β-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку (а = 3,5236Å). Но Никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере H₂, 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/см³ (20 °C), атомный радиус 1,24Å, ионные радиусы: Ni²⁺0,79Å, Ni³⁺ 0,72Å; t_пл 1453 °C; t_кип около 3000 °C; удельная теплоемкость при 20°C 0,440 кдж/(кг·К) [0,105 кал/(г·°C)]; температурный коэффициент линейного расширения 13,3·10^-6 (0-100 °C); теплопроводность при 25°C 90,1 вт/(м·К) [0,215 кал/(см·сек·°С)]; тоже при 500 °C 60,01 вт/(м·К) [0,148 кал/(см·сек·C°)]. 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/м² (т. е. 40-50 кгс/мм²); предел упругости 80 Мн/м², предел текучести 120 Мн/м²; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м²; твердость по Бринеллю 600- 800 Мн/м². В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует точке Кюри) Никель ферромагнитен. Ферромагнетизм Никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d⁸4s²) его атомов. Никель вместе с Fe (3d⁶4s²) и Со (3d⁷4s²), 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. 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 (H₂, 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 NiX₂. Сгорая в парах серы, дает сульфид, близкий по составу к Ni₃S₂. 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 Ni₃N может быть получен пропусканием NH₃ над NiF₂, NiBr₂ или порошком металла при 445 °C. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni₃P₂ в виде серой массы. В системе Ni - As установлено существование трех арсенидов: Ni₅As₂, Ni₃As (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 Ni₃C 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 HNO₃ 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 NiSO₄ кристаллизуется из растворов в виде изумрудно-зеленых кристаллов NiSO₄·7H₂O - никелевого купороса. Сильные щелочи на Никель не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (NH₄)₂CO₃ с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства из них характерно наличие комплексов [Ni(NH₄)₆]²⁺ и [Ni(OH)₂(NH₃)₄]. 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 (C₄H₇O₂N)₂Ni служит для аналитического определения Ni.

При повышенных температурах Никель взаимодействует с оксидами азота, SO₂ и NH₃. При действии СО на его тонкоизмельченный порошок при нагревании образуется карбонил Ni(CO)⁴. Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый Никель.

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.

Нахождение в природе

Нахождение в природе. В земной коре содержание никеля составляет около 8·10^–3 % по массе. Возможно, громадные количества никеля — около 17·10¹⁹ т — заключены в ядре Земли, которое, по одной из распространенных гипотез, состоит из железоникелевого сплава. Если это так, то Земля примерно на 3 % состоит из никеля, а среди составляющих планету элементов никель занимает пятое место — после железа, кислорода, кремния и магния. Никель содержится в некоторых метеоритах, которые по составу представляют собой сплав никеля и железа (так называемые железоникелевые метеориты).

Разумеется, как практический источник никеля такие метеориты значения не имеют. Важнейшие минералы никеля: никелин (современное название купферникеля) NiAs, пентландит [сульфид никеля и железа состава (Fe,Ni)₉S₈], миллерит NiS, гарниерит (Ni,Mg)₆Si₄O₁₀(OH)₂ и другие никельсодержащие силикаты. В морской воде содержание никеля составляет примерно1·10^–8–5·10^–8 %.