Никель

См. также: NI (значения)

Ни́кель (химический символ — Ni, от лат. Niccolum) — химический элемент 10-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28.

Никель
← Кобальт | Медь →
28 Ni ↓ Pd Периодическая система элементов 28Ni
Внешний вид простого вещества
Образец никеля
Свойства атома
Название, символ, номер	Ни́кель / Niccolum (Ni), 28
Группа, период, блок	10 (устар. 8), 4, d-элемент
Атомная масса (молярная масса)	58,6934(4) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d84s2 1s22s22p63s23p63d84s2
Радиус атома	124 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	115 пм
Радиус иона	(+2e) 69 пм
Электроотрицательность	1,91 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	-0,25 В
Степени окисления	0, +2, +3
Энергия ионизации (первый электрон)	736,2 (7,63) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	8,902 г/см³
Температура плавления	1726 K (1453 °C, 2647 °F)
Температура кипения	3005 K (2732 °C, 4949 °F)
Мол. теплота плавления	17,61 кДж/моль
Мол. теплота испарения	378,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,1 Дж/(K·моль)
Молярный объём	6,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	Кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	3,524 Å
Температура Дебая	375 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 90,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-02-0
Наиболее долгоживущие изотопы
Основная статья: Изотопы никеля Изотоп Распростра- нённость Период полураспада Канал распада Продукт распада 58Ni 68,077% стабилен - - 59Ni следовые количества 7,6⋅104 лет ЭЗ 59Co 60Ni 26,223% стабилен - - 61Ni 1,140% стабилен - - 62Ni 3,635% стабилен - - 63Ni синт. 100 лет β− 63Cu 64Ni 0,926% стабилен - -

28	Никель
Ni 58,6934
3d84s2

Простое вещество никель — это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета. При обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен.

Происхождение названия

Элемент получил своё название от имени духа гор (ср. нем. Nickel — озорник) немецкой мифологии, который «подбрасывал» искателям меди минерал красного цвета, похожий на медную руду (ныне известный как никелин)

История

Никель открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную 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 переводится как «Медный упрямец» или «Медный озорник». Сейчас известно, что купферникель представляет собой минерал никелин — арсенид никеля NiAs. Эту руду в 1751 г. исследовал шведский минералог А. Кронстедт. Ему удалось получить из руды зелёный оксид и путём его восстановления — новый белый металл, который он назвал в честь духа по названию минерала — никель. В современном немецком языке «купферникелем» называют сплав мельхиор.

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 и Захаров, 1810), «николь» и «никель» (Двигубский, 1824).

Физические свойства

Никель — серебристо-белый металл, не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм, пространственная группа Fm3m. В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C.

• Удельное электрическое сопротивление 0,0684 мкОм∙м.
• Коэффициент линейного теплового расширения α=13,5∙10⁻⁶ K⁻¹ при 0 °C
• Коэффициент объёмного теплового расширения β=38—39∙10⁻⁶ K⁻¹
• Модуль упругости 196—210 ГПа.
• Температура плавления = 1453 градуса Цельсия

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 +1, +2, +3 и +4. При этом соединения никеля со степенью окисления +4 редкие и неустойчивые. 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 разбавленной азотной кислоте:

${\mathsf {3Ni+8HNO_{3}(30\%)\rightarrow 3Ni(NO_{3})_{2}+2NO+4H_{2}O}}$

и в горячей концентрированной серной:

${\mathsf {Ni+2H_{2}SO_{4}\rightarrow NiSO_{4}+SO_{2}+2H_{2}O}}$

С соляной и с разбавленной серной кислотами реакция протекает медленно. Концентрированная азотная кислота пассивирует никель, однако при нагревании реакция всё же протекает (основной продукт восстановления азота — NO₂).

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и очень 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. Водные растворы солей окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида: NiS (черный), Ni₃S₂ (желтовато-бронзовый) и Ni₃S₄ (серебристо-белый). 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 имеет зелёный цвет.

Водные растворы солей никеля(II) содержат ион гексаакваникеля(II) [Ni(H₂O)₆]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 гексааминникеля(II) [Ni(NH₃)₆]²⁺.

Никель образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат(II) [NiCl₄]²⁻ имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат(II) [Ni(CN)₄]²⁻ имеет плоскую квадратную структуру.

В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля(II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названиями диметилглиоксим и реактив Чугаева. То, что это вещество является реактивом на никель, установил в 1905 году Л. А. Чугаев. 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 (от 5 до 25 %). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 150 раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8 г/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
• герсдорфит (мышьяково-никелевый блеск) 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

Основная статья: Никелевые руды

Основные месторождения никелевых руд находятся в Канаде, России (Мурманская область, Норильский промышленный район, Урал, Воронежская область), ЮАР, Албании, Греции, Новой Каледонии, Украине и Кубе.

Наибольшими запасами никеля в мире обладает Индонезия (21 млн тонн). Там добывается больше всего никеля в год (более 340 тыс. тонн).

Природные изотопы никеля

Основная статья: Изотопы никеля

Природный никель содержит 5 стабильных изотопов: ⁵⁸Ni (68,27 %), ⁶⁰Ni (26,10 %), ⁶¹Ni (1,13 %), ⁶²Ni (3,59 %), ⁶⁴Ni (0,91 %). Существуют также искусственно созданные изотопы никеля, самые стабильные из которых — ⁵⁹Ni (период полураспада 100 тысяч лет), ⁶³Ni (100 лет) и ⁵⁶Ni (6 суток).

Добыча и получение

Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 года оцениваются в количестве 135 млн т., в том числе достоверные — 49 млн т. Основные руды никеля — никелин (купферникель) NiAs, миллерит NiS, пентландит (Fe,Ni)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, нефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

«Никель долгое время не могли получить в пластичном виде вследствие того, что он всегда имеет небольшую примесь серы в форме сульфида никеля, расположенного тонкими, хрупкими прослойками на границах металла. Добавление к расплавленному никелю небольшого количества магния переводит серу в форму соединения с магнием, которое выделяется в виде зерен, не нарушая пластичности металла».

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 [Ni(CO)4], термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.
3. Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al₂O₃

Цены на никель

В течение 2012 года цены на никель колебались в пределах от 15,5 до 17,6 тыс. долл. за тонну.

В октябре 2021 г. цены в Шанхае достигли $24 067,64 за тонну, в Лондоне — $20 705 за тонну.

В начале 2024 г. мировые цены на никель упали до минимума с ноября 2020 г., опустившись ниже $16 000/т; никель дешевеет с начала января 2023 года, когда котировки достигали $31 200/т.

Прогнозы потребления и производства

По последним оценкам компании «Норникель», объем первичного потребления никеля в мире в 2023 году составит 3,22 млн тонн (рост на 7 % по отношению к прошлому году). Объем профицита рынка прогнозируется на уровне свыше 200 тыс. тонн. В 2024 году аналитики компании ожидают профицит на уровне 180 тыс. тонн.

В то же время «Норникель» прогнозирует объем производства никеля в 2023 году в размере 3,45 млн тонн (рост на 10 % год к году).

Применение

В 2015 году 67 % потребления никеля пришлось на производство нержавеющей стали, 17 % на сплавы без железа, 7 % на никелирование и 9 % на прочие применения, такие как аккумуляторы, порошковая металлургия и химические реактивы.

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;
• мельхиор;
• белое золото (например, 585 пробы содержит 58,5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));
• нихром, сплав никеля и хрома (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.

Никель присутствует в качестве компонента ряда нержавеющих сталей.

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:

${\mathsf {NiCl_{2}+NaH_{2}PO_{2}+H_{2}O\rightarrow Ni+NaH_{2}PO_{3}+2HCl}}$

Процесс проводят при рН 4—6 и 95 °C.

Прочее

Производство аккумуляторов

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

Химическая технология

Во многих химико-технологических процессах в качестве катализатора используется никель Ренея.

Радиационные технологии

Нуклид ⁶³Ni, излучающий β^--частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах, а также детекторах электронного захвата (ЭЗД) в газовой хроматографии.

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».

Музыкальная промышленность

Также никель используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.

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.

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.

Физиологическое действие

Никель и его соединения токсичны и канцерогенны.

Никель — основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В 2008 году Американским обществом контактного дерматита никель был признан «Аллергеном года». В Европейском союзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека. В России запрета на использование никеля в ювелирных украшениях и медицинской технике нет.

Никель может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление. Избыточное поступление никеля в организм вызывает витилиго. Депонируется никель в поджелудочной и околощитовидной железах.

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).

Ссылки

• И. Д. Резник, Г. П. Ермаков, Я. М. Шнеерсон. Все о металлургии никеля.
• Никель на Webelements
• Никель в Популярной библиотеке химических элементов
• Никель в месторождениях
• Сведения об элементе никеле