Основы металлургии никеля. Никель (Ni): все о минерале и его роли в жизни человека Никелевый цвет

Никель – пластичный металл серебристо-белого цвета с характерным блеском. Относится к тяжелым цветным металлам. Никель ценная легирующая добавка. В природе в чистом виде никель не встречается, обычно входит в состав руд. Чистый никель (Nickel/Никель), Nickel 200 и Nickel 201 , добывают путем специальных технологий.

В соединении с другими металлами никель способен образовывать твердые и прочные никелевые сплавы:

никель-медный сплав (Monel/Монель) – сплав на медной основе с никелем в качестве легирующей добавки. В составе обычно до 67% никеля и до 38% меди. К этой группе сплавов относят: Monel 400 , Monel 401, Monel 404, Monel R-405 , Monel K-500 и др.
никель-хромовый сплав (Inconel/Инконель) – аустенитный жаропрочный сплав. К этой группе относят: Inconel 600 , Inconel 601 , Inconel 617 , Inconel 625 , Inconel 690 , Inconel 718 , Inconel 725 , Inconel X-750 и др.
никель-железо-хромовый сплав (Inconloy/Инколой) – возможно добавление в сплав молибдена, меди, титана. К этой группе относят: Incoloy 20, Incoloy 800 , Incoloy 800H , Incoloy 800HT , Incoloy 825 , Incoloy 925 и др.
никель-молибденовый сплав (Hastelloy/Хастеллой) – возможно присутствие в составе хрома, железа и углерода. К этой группе относят: Hastelloy C-4 , Hastelloy C-22 , Hastelloy C-276 , Hastelloy B-2 и др.

Свойства никеля

Никель – ферромагнетик, точка Кюри – 358°C, температура плавления – 1455°C, температура кипения – 2730-2915°C. Плотность – 8,9 г/см 3 , коэффициент теплового расширения -13,5∙10 −6 K −1. На воздухе компактный никель – стабилен, а высокодисперсный – пирофорен.

Никель обладает такими свойствами, как:

пластичность и ковкость;
прочность при высоких температурных режимах;
устойчивость к окислению в воде и на воздухе;
твердость и достаточная вязкость;
высокая коррозионная стойкость;
ферромагнетик;
хороший катализатор;
хорошо полируется.

Поверхность никеля покрыта тонким слоем оксида NiO, защищающим металл от окисления.

Преимущества и недостатки

Главные плюсы никеля и сплавов - жаропрочность, жаростойкость и повышенная механическая прочность (давление до 440 МПа). К достоинствам также можно отнести эксплуатацию в раскаленных концентрированных щелочных и кислотных растворах. Помимо этого никель способен сохранять магнитные свойства при пониженных температурах.

Главным недостатком никеля является значительное снижение показателей термоЭДС при быстром охлаждении после отжига (до 600°C). Также к минусам никеля можно отнести тот факт, что в природе чистый никель не встречается. Его получают путем дорогих технологий, что сказывается на его стоимости.

Область применения

Основная сфера применения никеля – металлургия. В ней он задействован в производстве высоколегированных нержавеющих сталей. Добавляя в расплав железа никель, металлурги получают прочные и пластичные сплавы, которые обладают повышенной коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким температурам. Стоит отметить, что никелевые сплавы сохраняют свои качества при многократном длительном нагревании.

Благодаря этим свойствам нержавеющая и термостойкая никелевая сталь применяется:

в пищевой и химической промышленности;
в нефтехимической промышленности и строительстве;
в медицине и фармацевтике;
в авиа- и машиностроении;
в изготовлении подводных кабелей;
в изготовлении нагревательных элементов промышленного оборудования;
в производстве постоянных магнитов;
в производстве станков и специального оборудования;
в изготовлении интерьерных элементов зданий;
в мебельной промышленности;
в изготовлении бытовых приборов и домашней утвари;

Благодаря своей пластичности и легкости в ковке из никеля получают очень тонкие изделия, например, полосы, ленты и листы из никеля. Также никель активно используют в производстве проволоки и прутков.

Свойства никеля являются важными параметрами для поиска, переработки и сфер применения металла. Они учитываются при формировании составов с другими материалами.

Свойства никеля определяют его использование в производстве

Никель — это металл со свойственным ему серебристо-белым цветом. При температуре 1453 °C переходит в жидкое состояние, а кипит при 2732 °C. Никель пластичен, легко поддается обработке под воздействием давления.

Химическое свойство никеля характеризуется способностью образовывать соединения с разной степенью окисления. В естественных условиях на поверхности металла возникает тонкая пленка из оксида.

Металл обладает высоким показателем устойчивости к коррозии. Никель не реагирует с рядом концентрированных кислот и щелочей, но активно растворяется в разбавленной азотной кислоте.

Вступая в химические реакции, никель образует летучие металлы и растворимые/нерастворимые соли

С никелем не вступают в реакцию:

инертные газы;
литий;
калий;
натрий;
цезий;
рубидий;
стронций;
барий;
иридий;
цезий.

С углеродным соединением никель образует карбонил - летучий переходный металл, используемый в процессе получения материалов высокого класса чистоты. Порошок никеля способен самовоспламеняться при соприкосновении с воздухом с образованием оксидов.

Никель продуцирует ряд растворимых и нерастворимых солей. Например, раствор сульфата металла придает жидкости зеленую окраску. Нерастворимые соли обычно имеют насыщенный желтый цвет.

Формы нахождения металла

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

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

В природе никель обычно находится в соединениях с другими элементами

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.

Отрасли применения никеля

Физико-химические свойства металла определяют его использование:

в изготовлении нержавеющей стали;
для формирования сплавов, не содержащих железо;
с целью нанесения защитных покрытий на изделия гальваническим способом;
для производства химических реактивов;
в порошковой металлургии.

Металл применяют при производстве аккумуляторов, с его помощью происходят каталитические процессы химических реакций в промышленном производстве. Сплавы с титаном являются отличным материалом для изготовления протезов и приспособлений для выравнивания зубов.

Состав на основе химического элемента № 28 является сырьем для чеканки монет, изготовления спиралей электронных сигарет. Его используют для обмотки струн музыкальных инструментов.

При изготовлении сердечников для электромагнитов используются составы - пермаллои, включающие 20–60% железа. Никель используется при изготовлении различных деталей и аппаратуры для химической отрасли промышленности.

Оксиды металла применяются при производстве стекла, глазури и керамических изделий. Современное производство специализируется на изготовлении разнообразного проката: проволоки, ленты, фольги, трубок.

Никель имеет широкую сферу применения от покрытий до химических реактивов

Устойчивость к агрессивной среде позволяют использовать прокат из никеля для транспортировки щелочей в химической отрасли.

Инструменты из сплава на основе никеля применяются в медицине и при проведении научных исследований. Металл используется при создании точных приборов для дистанционного управления процессами в атомной энергетике, радиолокационных установок.

Характеристика никелевых сплавов

В составах металл сочетается в основном с железом и кобальтом. Его применяют в качестве лигатурного компонента для производства различных конструкционных видов стали, магнитных и немагнитных сплавов.

Металлические сплавы на основе химического элемента № 28 обладают прочностью, устойчивостью к температурам, деформации, влиянию внешней среды. Их число достигает нескольких тысяч. Самыми распространенными составами являются сочетания с хромом, молибденом, алюминием, титаном, бериллием.

Металл считается лигатурным компонентом золота, придающим ювелирным изделиям характерный белый цвет и прочность. По отношению к этому составу существуют мнения об аллергическом влиянии никеля на кожу.

В сочетании с хромом образуется соединение нихром, обладающее устойчивостью к высокой температуре, минимальным коэффициентом электрического сопротивления, пластичностью.

Его применяют для изготовления нагревательных приборов, деталей, в качестве покрытия. Высокая прочность соединения позволяет подвергать его механической обработке, точению, сварке, штамповке.

Никелевые сплавы обладают высокой прочностью, что позволяет широко использовать их в производстве

Особую группу образуют сплавы, в состав которых включена медь. Среди них самыми популярными являются:

монель;
латунь;
бронза;
нейзильбер.

Более века назад было установлено, что железно-никелевый состав, содержащий 28% описываемого металла, теряет свои свойства к намагничиванию. Сплавам, содержащим 36% никеля, свойственен незначительный показатель линейного расширения, что позволяет его применять в изготовлении точных приборов и инструментов.

Этот состав, который обозначается FeNi36, называется инваром, то есть «неизменным». Широкое применение в производстве нашел сплав ковар, содержащий 29%никеля, 17% кобальта и 54% железа.

Он обладает высокой адгезией к расплавленному стеклу, что позволяет использовать состав для изготовления электрических выводов, проходящих через данное вещество.

Никель – это микроэлемент, участвующий в кроветворении (эритропоэзе) и окислительно–восстановительных процессах, обеспечивая клетки тканей кислородом.

Вещество открыто в 1751 году и занимает двадцать восьмое место в периодической системе Д.И. Менделеева под символом «Ni».

Соединение входит в состав эритроцитов, снижает эффекты адреналина, оказывает благотворное успокаивающее действие на нервную систему. При большой кровопотери, элемент применяют в виде инъекций для стимуляции кроветворения, синтеза красных кровяных телец. Интересно, что всасывание никеля в кровяном русле происходит под влиянием соляной кислоты, которая содержится в желудочном соке.

Минерал участвует в обмене , отвечает за сохранность структуры клеточной мембраны в нормальном состоянии.

В организме взрослого человека находится от 5 до 14 миллиграмм никеля. Содержание во внутренних органах зависит от возраста, пола, физиологического состояния здоровья, веса, условий окружающей среды. Установлено, что во время беременности, кормления грудью у женщин увеличивается абсорбция никеля. Помимо этого, с возрастом элемент накапливается в легких.

Суточная потребность организма в соединении – 100 – 300 микрограмм.

Общие сведения

Никель – пластичный и ковкий металл, серебристо-белого цвета. Химическая активность невысока: с кислотами реагирует медленно, с щелочами – не вступает в реакцию. На воздухе элемент покрывается оксидной пленкой.

Происхождение названия соединения связано со злым духом – гномом, который в немецкой мифологии, как бы подбрасывал саксонским горнякам, ищущим медь, похожий минерал – красный никелевый колчедан NiAs, так называемый мышьяково-никелевый блеск. В результате безуспешных попыток выплавить медь из данной руды, разъяренные рудокопы присвоили новому металлу названия «Kupfernickel» и «Nickel», что означало «Медный дьявол» и «Озорник» соответственно. Сегодня слово “Никкел”, на языке немецких горняков, до сих пор означает ругательство.

В органах человека данный микроэлемент в наибольшем количестве концентрируется в гипофизе (черном веществе среднего мозга), печени, поджелудочной железе, надпочечниках. Никель, поступивший с продуктами питания, усваивается в пищеварительном тракте человека на 1 – 10 %. При этом, молоко, кофе, чай, аскорбиновая кислота снижают его абсорбцию. Беременность, кормление грудью, дефицит железа, наоборот, увеличивают всасывание минерала.

Транспортируется никель непосредственно с альбумином сыворотки. Интересно, что в плазме крови элемент содержится преимущественно в связанном состоянии с белками альфа–1–гликопротеином и никелоплазмином (альфа–2–макроглобулином).

«Отработанное» соединение на 95 % выводится из организма человека с фекалиями, а оставшиеся 5 % – с желчью, потом, мочой.

Несмотря на положительные свойства микроэлемента, помните, никель – активный аллерген, который вызывает экзему, контактный дерматит у людей, чувствительных к данному металлу. Возможные причины развития побочных реакций – контакт бытовых предметов, заклепок на одежде, украшений, в составе которых присутствует элемент, с кожей.

Биологическая роль

Значение никеля для поддержания здоровья живых организмов находится на стадии изучения. Несмотря на то, что о биологической роли соединения представлено мало сведений, известно, что элемент участвует в структурной организации, функционировании ДНК, РНК, белка.

Полезные свойства никеля:

регулирует жировой, углеводный обмены;
активизирует действие инсулина, увеличивая гипогликемическую активность;
снижает артериальное давление;
стимулирует кроветворение, повышает уровень гемоглобина;
угнетает действие адреналина;
участвует в синтезе гормонов;
окисляет витамин С;
усиливает антидиуретическое влияние гипофиза;
активирует аргиназу;
оказывает успокаивающее действие;
выводит кортикостероиды с мочой;
влияет на ферментативные процессы, ускоряет трансформацию сульфгидрильных групп в дисульфидные;
сохраняет конформацию молекулы РНК.

При достаточном количестве цианокобаламина (витамина В12) в организме человека, никель стимулирует рост мышц, недостатке – вызывает обратный эффект.

Ещё с XIX столетия и до сих пор соли данного микроэлемента успешно применяются в комплексном лечении заболеваний кожных покров (псориаза, экзем, дерматитов). Также минерал показан при астенических состояниях, гипертонии, сахарном диабете.

Симптомы и последствия дефицита

Недостаточность никеля в организме наступает при употреблении 50 микрограмм и ниже соединения в день, что в 2 – 6 раз меньше суточной нормы.

Учитывая, что микроэлемент широко распространен в продуктах питания, дневной рацион среднестатистического человека, как правило, содержит двойную дневную дозу полезного вещества (500 – 600 микрограмм).

Признаки дефицита никеля в организме:

снижение уровня гемоглобина, и гематокрита;
вялость, слабость в мышцах;
увеличение уровня сахара в крови;
гипопигментация;
уменьшение двигательной активности;
патологические изменения в печени.

Антагонистами никеля выступают , витамин С, селен.

Длительный дефицит соединения способствует появлению дерматита, проблем с перикардом, укорочению задних конечностей, задержке физического развития, снижает сопротивляемость организма заболеваниям.

Симптомы и последствия излишка

Избыток никеля в организме человека встречается гораздо чаще, чем недостаток. Наибольшей токсичностью обладают сульфат, хлорид никеля из-за хорошего растворения в воде. Менее отравляюще на человеческий организм влияют нерастворимые соединения: оксалат, фосфат, силикат.

Избыток никеля в бытовых условиях можно получить в результате использования некачественной посуды, дешевых украшений и зубных протезов, в состав которых входит данный минерал. Помимо этого, микроэлемент присутствует в табаке, поэтому люди, имеющие вредную привычку, также находятся в зоне риска.

В производстве получить передозировку минералом гораздо легче, чем в бытовых условиях. Это связано с тем, что образуемые при переработке металлов карбонильный никель, никелевая пыль, имеют способность накапливаться в организме, что ведет к быстрому отравлению работника.

Дефицит кальция, магния, железа увеличивает абсорбцию металла.

При постоянном контакте человека с парами, пылью, соединениями никеля или в результате получения разовой сверх дозы элемента (50 миллиграмм) с продуктами, медицинскими препаратами, водопроводной водой наступает «передоз». В данном случае развивается острое воспаление кожи – контактный дерматит, кератит, витилиго, астма, артрит, ослабевает клеточный иммунитет, замедляется деятельность ферментов, гормонов.

В тяжелых случаях, работа с окислами или сульфидом элемента на протяжении 2 лет и более способна привести к появлению опухоли легких, носоглотки, болезней верхних дыхательных путей, нарушению координации движений (атаксии).

Признаки и последствия отравления организма:

тошнота, рвота, одышка;
проблемы с пищеварением;
дистрофия печени, почек;
головные боли;
сбои в работе нервной, сердечнососудистой систем;
нарушение обмена ;
ухудшение состава крови;
неврастения;
болезни щитовидной железы, репродуктивных органов;
изъязвление роговицы;
уробилин в моче;
носовые кровотечения, полнокровие;
анемия;
тахикардия;
отеки легких, головного мозга;
боли в подреберье справа;
ринит;
снижение реакции на внешние раздражители или чрезмерная возбудимость ЦНС.

Для восстановления здоровья и устранения симптомов, последствий излишка никеля в организме рекомендуется ограничить поступление минерала с пищей, соблюдать технику безопасности на производстве. А именно, одевать защитные маски, спецодежду.

Помните, карбонильные соединения никеля чрезвычайно опасны для здоровья человека, порой 2 – 3 часа беспрерывного вдыхания паров микроэлемента приводит к смертельному отравлению.

Пищевые источники

Ежедневно до четверти минерала от суточной нормы поступает с водопроводной жесткой водой, которая за ночь настаивается в трубах, обогащаясь соединением. Помимо этого, главными пищевыми источниками никеля выступают чистый какао-порошок – 980 микрограмм на 100 грамм продукта, горько-сладкий шоколад – 260 микрограмм (молочный – 120). Причины высокой концентрации элемента в данных изделиях – постоянный контакт сырья с машинами из нержавейки, мощный процесс переработки. Помимо этого, лидерами по содержанию соединения являются бобовые.

Таблица № 1 «Продукты, богатые на никель»

Наименование продукта	Содержание никеля в 100 граммах продукта, микрограмм
Какао-порошок	980
Кешью	510
Шпинат	390
Соя	304
Шоколад	120 – 250
Зеленый горошек	250
Фасоль	170
Чечевица	160
Кукуруза	80
Печень говяжья	63
Овсяные хлопья	50
Рис	50
Пшеница	40
Фисташки	40
Рожь	30
Абрикос	32
Ставрида холодного копчения	28
Ячневая крупа	23
Мука пшеничная	22
Крупа перловая	20
Черная смородина	18
Груша	18
Яблоко	18
Виноград	16
Капуста белокочанная	15
Свекла	14
Шпроты в масле	14
Помидоры	13
Свинина	12
Крупа гречневая	10
Треска, путассу	9
Говядина	8,6
Минтай, пикша, хек	7
Окунь, судак, скумбрия, щука, камбала	6
Картофель	5
Персик	4
Крупа рисовая	2,7

Во избежание перенасыщения рациона никелем и развития симптомов передозировки, рекомендуется исключить из меню продукты с высоким содержанием микроэлемента, заменяя их изделиями с низким % минерала в составе. К таким изделиям относят: лук, капусту, мясо птицы, тыкву, морковь, молоко, говядину, колбасы, капусту брокколи. Содержание никеля в данных продуктах не превышает 15 микрограмм на 100 грамм пищи.

Придерживаясь здоровой диеты, помните, источники с большим количеством холестерина, насыщенных нужно есть в умеренных количествах малыми порциями.

Вывод

Таким образом, табачный дым, консервы, бобовые и шоколадные изделия – факторы «нон-стоп», которые приводят к перенасыщению и отравлению организма микроэлементом. Для сохранения здоровья исключите их из ежедневного меню.

Аллергикам на никель рекомендуется избегать контакта с предметами, провоцирующими реакцию, исключить прием продуктов с умеренным и высоким содержанием соединения (свыше 40 микрограмм на 100 грамм изделия), отказаться от использования косметических средств, украшений, содержащий аллерген. Помимо этого, при работе с металлом использовать средства защиты кожных покров и дыхательных путей (например, латексные перчатки, маски).

Никель является 17-м химическим элементом периодической системы Менделеева с атомным номером 28. Вещество представляет собой переходный металл, отличающийся своею пластичностью и имеющий характерный серебристо-белый окрас. Не проявляет сильной химической активности. Само название вещества в переводе с немецкого означает «горный дух». С никелем люди были знакомы еще в 17-м столетии, однако он еще не был выделен в отдельное вещество. Его встречали в медных рудах во время добычи меди и называли лжемедь (купферникель) от духа гор. Выделение вещества как отдельного металла осуществил Аксель Кростедт в 1751 году и назвал его «никель».

В середине 18 века людям было известно 12 металлов, а также сера, фосфор, углерод и мышьяк. Тогда же к ним добавился и никель, которому был присвоен 17-ый номер.

Характеристика никеля

Новооткрытый элемент нашел свое применение не сразу. Только спустя два столетия люди стали активно использовать металл. Особенно популярным он стал в металлургии. Как выяснилось, никель является отличным легирующим элементом для стали и железа. Так, сплавы с никелем являются очень устойчивыми к различным химическим воздействиям, не поддаются коррозионному повреждению, а также могут выдерживать очень высокие температурные режимы. Например, сплав никеля и железа, который называется в металлургии инвар, не способен расширяться под воздействием высоких температур, это является одной из главных причин, по которой инвар используется для производства рельс для железных дорог и многих других элементов.

Физические свойства никеля

Никель является металлом с характерным желтовато-серебристым оттенком. На открытом воздухе сохраняет свой цвет и блеск, не тускнеет. Твердость металла по Бринеллю составляет 600-800 Мн/м 2 . Не смотря на достаточно высокую свою твердость, металл хорошо поддается различным физическим воздействиям и обработкам, в том числе ковке и полировке. Это позволяет использовать никель для производства очень тонких и деликатных изделий.

Металл имеет магнитные особенности даже в условиях достаточно низких температур (до -340 0 С). Не поддается коррозионному повреждению.

Физические свойства никеля

Атомный номер	28
Атомная масса, а.е.м	58,69
Атомный диаметр, пм	248
Плотность, г/см³	8,902
Удельная теплоемкость, Дж/(K·моль)	0,443
Теплопроводность, Вт/(м·K)	90,9
Температура плавления, °С	1453
Температура кипения, °С	2730-2915
Теплота плавления, кДж/моль	17,61
Теплота испарения, кДж/моль	378,6
Молярный объем, см³/моль	6,6
Группа металлов	Тяжелый металл

Химические свойства никеля

Никель имеет 28 атомный номер и обозначается в химической номенклатуре символом Ni. Имеет молярную массу 58,6934 г/моль. Атом никеля имеет радиус в 124 пм. Его электроотрицательность по шкале Полинга составляет 1,94, электронный потенциал равен 0,25 В.

Металл не подвергается негативному воздушному и водному воздействию. Это связано с образованием на его поверхности пленки в виде оксида никеля (NiO), которая предотвращает его дальнейшее окисление.

Реагирует с кислородом только при определенных условиях, в частности, при сильном нагревании. В условиях высоких температур способен также взаимодействовать абсолютно со всеми галогенами.

Проявляет бурную реакцию в азотной кислоте, а также в растворах с аммиаком. Однако, некоторые соли, например, соляная и серная, достаточно медленно растворяют металл. А вот в фосфорной кислоте он не растворяется вообще.

Получение никеля

Основным материалом для добычи никеля являются именно сульфидные медно-никелевые руды. Так, именно из таких руд получают порядка 80 % никеля от общего производства в мире, без учета России. Руды подвергаются селективному обогащению флотацией, после чего из руды выделяется медный, никелевый, а также пирротиновый концентраты.

Для получения чистого металла используется никелевый рудный концентрат, который наряду с флюсами подвергается плавлению в электрических шахтах или отражательных печах. В результате данного процесса отделяется пустая порода и извлекается никель в виде штейна, в составе которого находится до 15% никеля.

Иногда перед тем, как отправить на плавление концентрат, его подвергают обжигу и окускованию. В составе сульфидного расплава (штейна) после процесса плавки также обнаруживаются Fe, Со и практически полностью Сu, а также благородные металлы. Далее отделяется железо, после чего остается сплав, в составе которого присутствуют медь и никель. Сплав подвергается медленному охлаждению, после чего тонко измельчается и отправляется на дальнейшую флотацию с целью разделения этих двух элементов. Cu и Ni также можно разделить так называемым карбонильным процессом, в основе которого лежит обратимость реакции.

Наиболее распространенными считаются три способа получения никеля:

Восстановительный. За основу берется силикатная руда, из которой с участием угольной пыли образуются железно-никелевые окатыши, содержащие от 5% до 8% никеля. Для этого процесса используются вращающиеся трубчатые печи. После этого окатыши очищаются от серы, прокаливаются и обрабатываются раствором аммиака, из которого и получают после подкисления никель.
Карбонильный. Данный метод еще называют методом Монда. Основан на получении медно-никелевого штейна из сульфидной руды. Над штейном под высоким давлением пропускается СО, в результате чего образуется тетракарбонилникель, из которого под воздействием высоких температур происходит выделение особо чистого никеля.
Алюминотермический. Данный способ основан на восстановлении никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al 2 O 3

Соединения никеля

Никель образует множество различных соединений, как органических, так и неорганических, каждое из которых применяется в определенных областях человеческой деятельности.

Неорганические соединения никеля

Среди таковых стоит отметить оксиды. В частности его монооксид, образование которого происходит в результате реакции металла и кислорода при достаточно высокой температуре, превышающей 500 0 С, используется в качестве материала, из которого изготавливают краски и эмали в керамическом и стекольном производстве. А при производстве анодов, которые применяются в щелочных аккумуляторах, используется сесквиоксид никеля Ni 2 O 3 . Для его получения нитрат никеля или хлорат никеля подвергают очень медленному нагреванию.

Не последнее место отводится и гидроксидам никеля. Например, Ni(OH) 2 образуется в результате воздействия щелочей на водные растворы солей никеля. Для данного гидроксида характерен светло-зеленый цвет. Из гидроксида никеля под воздействием окислителя в щелочной среде образуется гидратированный оксид, на основе которого происходит работа щелочного аккумулятора Эдисона. Преимуществом данного аккумулятора является его способность на протяжении длительного времени находится незаряженным, в то время, как обычный свинцовый аккумулятор не может пребывать долго в незаряженном состоянии.

Соли никеля (ІІ), как правило, образуются в результате взаимодействия NiO или Ni(OH) 2 c разнообразными кислотами. Растворимые соли никеля, в большинстве случаев, образуют кристаллогидраты. Нерастворимыми солями являются фосфат Ni 3 (PO 4) 2 и силикат Ni 2 SiO 4 . Для кристаллогидратов и растворов характерен зеленоватый окрас, а безводные соли характеризуются желтым или коричнево-желтым цветом.

Также существуют комплексные соединения никеля (II). Для их образования растворяется оксид никеля в растворе аммиака. Диметилглиоксимат никля Ni(C 4 H 6 N 2 O 2) 2 применяется в качестве реакции на ионы никеля. Для него характерно окрашивание кислой среды в красный цвет.

Наименее характерными соединениями никеля выступают соединения никеля (III). Из таковых известно вещество черного цвета, которое получается в результате реакции окисления гидроксида никеля (II) в щелочной среде гипохлоритом или галогенами:

2Ni(OH) 2 + 2NaOH + Br 2 = Ni 2 O 3 *H 2 O + 2NaBr + H 2 O

Органические соединения никеля

Связь Ni-C осуществляется двумя способами:

По у-типу. Такие соединения называются у-комплексами. К ним относятся соединения, имеющие следующий вид: и , где R=Alk или Ar, L=PR3, где Х - ацидолиганд.
По р-типу. Именуются р-комплексами. К ним относятся алкеновые и полиеновые никельорганические соединения, в состав которых входит никель в нулевой степени окисления. Такие соединения характеризуются, как правило, тригональной или тетраэдрической структурой.

Открытие долго оспаривалось: современники полагали, что никель - это не самостоятельный металл, а сплав уже известных металлов с мышьяком и серой. Кронстедт настаивал на индивидуальности никеля, ссылаясь в качестве «вещественных доказательств», в частности, на зеленую окраску его соединений и легкость взаимодействия этого «полуметалла» с серой . Кронстедту приходилось бороться не только с физико-химическими, но и с астрологическими доводами своих оппонентов. «Число металлов превосходит уже число планет, в солнечном круге находящихся, - писал Кронстедт, - поэтому ныне размножения числа металлов опасаться не надлежит».

Но Кронстедт умер в 1765 г., так и не дождавшись признания своего открытия. И даже через 10 лет после его смерти во Французской энциклопедии, высшем своде знаний эпохи, было напечатано: «Кажется, что еще должны быть проведены дальнейшие опыты, чтобы убедить пас, есть ли этот королек «никеля», о котором говорит г. Кронстедт, особый полуметалл или его скорее следует считать соединением железа , мышьяка, висмута , кобальта и даже меди с серой».

В том же 1775 г. соотечественник Кронстедта химик и металлург Т. Бергман опубликовал свои исследования, которые убедили многих в том, что никель действительно новый металл. Но окончательно споры улеглись лишь в начале XIX в., когда нескольким крупным химикам впервые удалось выделить чистый никель. Среди них был Ж. Л. Пруст, автор закона постоянства состава химических соединений; интересно, что важным аргументом в пользу индивидуальности никеля Пруст считал своеобразный сладковатый вкус раствора никелевого купороса, резко отличный от неприятного вкуса медного купороса. Другой французский химик, Л. Ж. Тенар, окончательно выяснил магнитные свойства никеля (на их своеобразие указывал еще Бергман).

Полувековые усилия исследователей были подытожены Иеремией Рихтером, который более известен в истории химии как один из основоположников стехиометрии. Чтобы получить чистый никель, Рихтер после обжига купферникеля NiAs на воздухе (для удаления большей части мышьяка), восстановления углем и растворения королька в кислоте проделал 32 перекристаллизации никелевого купороса и затем из этих кристаллов восстановил чистый металл. Полученный этим «весьма многотрудным путем» никель был описан Рихтером в 1804 г. в статье «Об абсолютно чистом никеле, благородном металле, его получении и особых свойствах».

В историю элемента № 28 статья Рихтера вошла как пророческая: в ней были указаны почти все характерные особенности никеля, сделавшие его одним из главнейших металлов современной техники, - большая сопротивляемость коррозии, жаростойкость, высокая пластичность и ковкость, магнитные свойства. Эти особенности и определили пути, по которым никель был направлен человеком.

Металлический никель...

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 позопрошлого 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 декоративны 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°С объем электронной лампы насыщается ничтожным количеством никеля - порядка 10-12 г, которое не нарушает глубокого вакуума.

Магнитные свойства никеля

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 не 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».

Никель обнаружен в железных метеоритах. «Масса самородного железа в 71 венский фунт весом, которая выпала на воздуха на глазах у нескольких очевидцев в шесть часов пополудни 26 мая 1751 г. близ деревни Грашина в Хорватии и зарылась в землю на три сажени на незадолго до того вспаханном поле»

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.

Никель 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 - медноникелевые - 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 этих 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 пятицентовые монетки «nickel». Масштабы этого применения медноникелевых 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 нет цинка, но присутствует около 1% марганца) применяются не только и 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 их 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 медноникелевых руд, то ферроникель - естественный продукт плавки окисленных руд никеля. Отличие состоит в том, что» зависимости от условии 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.

Видманштеттова структура. В 1808 г. директор Промышленного музея в Вене Алоиз фон Вндманштеттен, получив от своего друга образцы железных метеоритов, отполировал их и протравил азотной кислотой. Возникли изящные линии травления, отражающие характерную структуру сплава

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 основе 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 (45% Ni, 55% Fe; легирующие добавки - Cr, Mo, W), 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 в 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 токов. Сердечники из пермаллоя есть в любом телефонном аппарате, а тонкие пермаллойные пленки - главный элемент запоминающих устройств вычислительных машин.

Двигатель американской ракеты «Атлас», работающий при 3200°C, выдерживает эту температуру благодари сотням маленьких никелевых трубок толщиной всего 0,3 мм, образующих стенки камеры сгорания. По этим трубкам проходит жидкое топливо, охлаждающее стенки и само при этом подогревающееся.