Подробности Категория: Просмотров: 5017

НИКЕЛЬ , Ni, химический элемент VIII группы периодической системы, принадлежащий к триаде т. н. железных металлов (Fe, Со, Ni). Атомный вес 58,69 (известны 2 изотопа с атомным весом 58 и 60); порядковый номер 28; обычная валентность Ni равна 2, реже - 4, 6 и 8. В земной коре никель более распространен, чем кобальт, составляя около 0,02% ее по весу. В свободном состоянии никель встречается только в метеорном железе (иногда до 30%); в геологических образованиях он содержится исключительно в виде соединений - кислородных, сернистых, мышьяковистых, силикатов и т. п. (см. Никелевые руды).

Свойства никеля . Чистый никель - серебристо-белый металл с сильным блеском, не тускнеющим на воздухе. Он тверд, тугоплавок и легко полируется; при отсутствии примесей, (особенно серы) он весьма гибок, ковок и тягуч, способен развальцовываться в очень тонкие листы и вытягиваться в проволоку диаметром менее 0,5 мм. Кристаллическая форма никеля - куб. Удельный вес 8,9; литые изделия имеют удельный вес ~8,5; прокаткой он м. б. увеличен до 9,2. Твердость по Мосу ~5, по Бринеллю 70. Предельное сопротивление на разрыв 45-50 кг/мм 2 , при удлинении 25-45%; модуль Юнга Е 20 = (2,0-2,2)х10 6 кг)см 2 ; модуль сдвига 0,78·10 6 кг/см 2 ; коэффициент Пуассона μ =0,3; сжимаемость 0,52·10 -6 см 2 /кг; температура плавления никеля по позднейшим наиболее точным определениям равна 1455°С; температура кипения - в пределах 2900-3075°С.

Линейный коэффициент термического расширения 0,0000128 (при 20°С). Теплоемкость: удельная 0,106 cal/г, атомная 6,24 cal (при 18°С); теплота плавления 58,1 cal/г; теплопроводность 0,14 cal см/см 2 сек. °С (при 18°С). Скорость звукопередачи 4973,4 м/сек. Удельное электрическое сопротивление никеля при 20°С равно 6,9-10 -6 Ω-см с температурным коэффициентом (6,2-6,7)·10 -3 . Никель принадлежит к группе ферромагнитных веществ, но магнитные свойства его уступают таковым железа и кобальта; для никеля при 18°С предел намагничения J m = 479 (для железа J m = 1706); точка Кюри 357,6°С; магнитная проницаемость как самого никеля, так и его ферросплавов значительна (см. ниже). При обыкновенной температуре никель вполне устойчив по отношению к атмосферным влияниям; вода и щелочи, даже при нагревании, на него не действуют. Никель легко растворяется в разбавленной азотной кислоте с выделением водорода и значительно труднее - в НСl, H 2 SO 4 и концентрированная HNО 3 . Будучи накален на воздухе, никель окисляется с поверхности, но лишь на незначительную глубину; в нагретом состоянии он легко соединяется с галоидами, серой, фосфором и мышьяком. Рыночными сортами металлического никеля являются следующие: а) обыкновенный металлургический никель, получаемый восстановлением из его окислов при помощи угля, содержит обычно от 1,0 до 1,5% примесей; б) ковкий никель, получаемый из предыдущего переплавлением с добавкой около 0,5% магния или марганца, содержит примесь Mg или Мn и почти не содержит серы; в) никель, приготовленный по способу Монда (через никелькарбонил) - наиболее чистый продукт (99,8-99,9% Ni). Обычными примесями в металлургическом никеле являются: кобальт (до 0,5%), железо, медь, углерод, кремний, окислы никеля, сера и окклюдированные газы. Все эти вещества, за исключением серы, мало влияют на технические свойства никеля, понижая лишь его электропроводность и несколько повышая твердость. Сера (присутствующая в форме сульфида никеля) резко уменьшает ковкость и механическую прочность никеля, особенно при повышенной температуре, что замечается даже при содержании <0,005% S. Вредное влияние серы объясняется тем, что сульфид никеля, растворяясь в металле, дает хрупкий и низкоплавкий (температура плавления около 640°С) твердый раствор, образующий прослойки между кристаллитами чистого никеля.

Применение никеля . Основная масса металлургического никеля идет на изготовление ферроникеля и никелевой стали. Крупным потребителем никеля является также производство различных специальных сплавов (см. ниже) для электропромышленности, машиностроения и химического аппаратуростроения; эта область применения никеля за последние годы показывает тенденцию к усиленному росту. Из ковкого никеля готовят лабораторные аппараты и посуду (тигли, чашки), кухонную и столовую посуду. Большие количества никеля расходуются для никелирования железных, стальных и медных изделий и в производстве электрических аккумуляторов. Из химически чистого никеля изготовляются ламповые электроды для радиотехнической аппаратуры. Наконец восстановленный чистый никель в виде порошка является наиболее употребительным катализатором при всевозможных реакциях гидрирования (и дегидрирования), например, при гидрогенизации жиров, ароматических углеводородов, карбонильных соединений и т. д.

Никелевые сплавы . Качественный и количественный состав применяемых никелевых сплавов весьма разнообразен. Техническое значение имеют сплавы никеля с медью, железом и хромом (в самое последнее время также с алюминием), - часто с добавкой третьего металла (цинка, молибдена, вольфрама, марганца и др.) и с определенным содержанием углерода или кремния. Содержание никеля в этих сплавах варьирует от 1,5 до 85%.

Сплавы Ni-Cu образуют твердый раствор при любом соотношении компонентов. Они стойки по отношению к щелочам, разбавленной H 2 SО 4 и нагреву до 800°С; антикоррозионные свойства их растут с увеличением содержания Ni. Из сплава 85% Cu+15% Ni изготовляются оболочки для пуль, из сплава 75% Си + 25% Ni - мелкая разменная монета. Сплавы с 20-40% Ni служат для изготовления труб в конденсационных установках; такие же сплавы употребляются для облицовки столов в кухнях и буфетах и для изготовления штампованных орнаментальных украшений. Сплавы с 30-45% Ni идут на производство реостатной проволоки и стандартных электрических сопротивлений; сюда относятся например, никелин и константан. Сплавы Ni-Cu с высоким содержанием Ni (до 70%) отличаются большой химической устойчивостью и широко применяются в аппарато- и машиностроении. Наибольшим распространением пользуется монель-металл.

Сплавы Ni-Cu-Zn достаточно стойки по отношению к органическим кислотам (уксусной, винной, молочной); при содержании около 50% меди они объединяются под общим названием нейзильбера . Более богатый медью аппаратурный сплав амбарак содержит 20% Ni, 75% Сu и 5% Zn; по устойчивости он уступает монель-металлу. Сплавы типа бронзы или латуни, содержащие в своем составе никель, называют иногда также никелевой бронзой.

Сплавы Ni-Cu-Mn , содержащие 2-12% Ni, под названием манганина употребляются для электрических сопротивлений; в электроизмерительных приборах применяется сплав из 45-55% Ni, 15-40% Мn и 5-40% Сu.

Сплавы Ni-Cu-Сг стойки по отношению к щелочам и кислотам, за исключением НСl.

Сплавы Ni-Cu-W за последнее время получили большое значение как ценные кислотоупорные материалы для химической аппаратуры; при содержании 2-10% W и не свыше 45% Сuони хорошо вальцуются и весьма устойчивы к горячей H 2 SO 4 . Наилучшими качествами обладает сплав состава: 52% Ni, 43% Сu, 5% W; допустима небольшая примесь Fe.

Сплавы Ni-Cr . Хром растворяется в никеле до 60%, никель в хроме до 7%; в сплавах промежуточного состава имеются кристаллические решетки обоих типов. Эти сплавы стойки по отношению к влажному воздуху, щелочам, разбавленным кислотам и к H 2 SО 4 ; при содержании 25% Сг и более, они устойчивы и против HNO 3 ; добавка ~2% Ag делает их легко вальцующимися. При 30% никеля сплав Ni-Cr вполне лишен магнитных свойств. Сплав, содержащий 80-85% Ni и 15-20% Сг, наряду с высоким электрическим сопротивлением весьма устойчив к окислению при высоких температурах (выдерживает нагревание до 1200°С); он применяется в электрических печах сопротивления и хозяйственных нагревательных приборах (электрические утюги, жаровни, плиты). В США из Ni-Cr изготовляются литые трубы для высоких давлений, применяемые в заводской аппаратуре.

Сплавы Ni-Mo обладают высокой кислотоупорностью (при >15% Мо), но не получили распространения вследствие их дороговизны.

Сплавы Ni-Mn (с 1,5-5,0% Мn) стойки по отношению к щелочам и влаге; техническое применение их ограничено.

Сплавы Ni-Fe образуют непрерывный ряд твердых растворов; они составляют обширную и технически важную группу; в зависимости от содержания углерода они носят характер либо стали, либо чугуна. Обычные сорта никелевой стали (перлитовой структуры) содержат 1,5-8% Ni и 0,05- 0,50% С. Присадка никеля делает сталь очень вязкой и значительно повышает ее предел упругости и ударное сопротивление на изгиб, не нарушая ковкости и свариваемости. Из никелевой стали готовят ответственные детали машин, например передаточные валы, оси, шпиндели, цапфы, зубчатые сцепления и т. п., а также многие детали артиллерийских конструкций; сталь с 4-8% Ni и <0,15% С хорошо поддается цементации. Введение никеля в чугуны(>1,7% С) способствует выделению углерода (графита) и разрушению цементита; никель повышает твердость чугуна, его сопротивление на растяжение и изгиб, способствует равномерному распределению твердости в отливках, облегчает механическую обработку, придает мелкозернистость и уменьшает образование пустот в литье. Никелистый чугун применяется как щелочеупорный материал для химической аппаратуры; наиболее пригодны для этой цели чугуны с содержанием 10-12% Ni и ~1 % Si. Сталеподобные сплавы с более высоким содержанием никеля (25-46% Ni при 0,1-0,8% С) имеют аустенитовую структуру; они очень стойки к окислению, к действию горячих газов, щелочей и уксусной кислоты, обладают высоким электрическим сопротивлением и весьма малым коэффициентом расширения. Эти сплавы почти не магнитны; при содержании Ni в пределах 25-30% они вполне утрачивают магнитные свойства; магнитная проницаемость их (в полях низкой напряженности) растет с увеличением содержания никеля и м. б. еще повышена специальной термической обработкой. К сплавам этой категории относятся: а) ферроникель (25% Ni при 0,3-0,5% С), идущий на изготовление клапанов моторов и других машинных частей, работающих при повышенной температуре, а также немагнитных частей электрических машин и реостатной проволоки; б) инвар ; в) платинит (46% Ni при 0,15% С) применяется в электролампах вместо платины для впаивания проводов в стекло. Сплав пермаллой (78% Ni при 0,04% С) имеет магнитную проницаемость μ = 90000 (в поле напряженностью 0,06 гаусса); предел намагничения I m = 710. Некоторые сплавы этого типа идут на изготовление подводных электрических кабелей.

Сплавы Ni-Fe-Cr - также очень важная в техническом отношении группа. Хромоникелевая сталь , употребляемая в машино- и моторостроении, содержит обычно 1,2-4,2% Ni, 0,3-2,0% Сг и 0,12-0,33% С. Кроме высокой вязкости она обладает и значительной твердостью и сопротивляемостью износу; временное сопротивление на разрыв, в зависимости от характера термической обработки, колеблется между 50 и 200 кг/мм 2 ; идет на изготовление коленчатых валов и других деталей двигателей внутреннего сгорания, частей станков и машин, а также артиллерийской брони. В сталь для лопаток паровых турбин, с целью повышения твердости, вводится большое количество хрома (от 10 до 14%). Хромоникелевые стали с содержанием >25% Ni хорошо противостоят действию горячих газов и обладают минимальной текучестью: они могут подвергаться значительным усилиям в условиях высокой температуры (300-400°С), не обнаруживая остаточных деформаций; употребляются для изготовления клапанов к моторам, частей газовых турбин и конвейеров для высокотемпературных установок (например, печей для отжига стекла). Сплавы Ni-Fe-Cr, содержащие >60% Ni, служат для изготовления литых машинных деталей и низкотемпературных частей электрических нагревательных приборов. Как аппаратурный материал, сплавы Ni-Fe-Cr обладают высокими антикоррозионными свойствами и довольно устойчивы по отношению к HNО 3 . В химическом аппаратостроении пользуются хромоникелевой сталью, содержащей 2,5-9,5% Ni и 14-23% Сг при 0,1-0,4% С; она почти не магнитна, устойчива к HNО 3 , горячему аммиаку и к окислению при высоких температурах; присадка Мо или Сu повышает стойкость к горячим кислотным газам (SО 2 , НСl); повышение содержания Ni увеличивает способность стали к механической обработке и стойкости к H 2 SO 4 , но уменьшает стойкость к HNO 3 . Сюда относятся крупповские нержавеющие стали (V1M,V5M) и кислотоупорные стали (V2A, V2H и др.); термическая обработка их заключается в нагреве до ~ 1170°С и закалке в воде. В качестве щелочеупорного материала применяют никель-хромистый чугун (5-6% Ni и 5-6% Сг при содержании >1,7% С). Сплав нихром, содержащий 54-80% Ni, 10-22% Сг и 5-27% Fe, иногда с добавкой Сu и Мn, устойчив к окислению в пределах температур до 800°С и находит применение в нагревательных приборах (этим же названием иногда обозначают описанные выше сплавы Ni-Cr, не содержащие Fe).

Сплавы Ni-Fe-Mo предлагались как аппаратурный материал. Наивысшей кислотоупорностью и антикоррозионными свойствами обладает сплав из 55-60% Ni, 20% Fe и 20% Мо, при содержании < 0,2% С; присадка небольшого количества V еще более повышает кислотоупорность; Мn м. б. вводим в количестве до 3%. Сплав вполне устойчив по отношению к холодным кислотам (НСl, H 2 SO 4), за исключением HNO 3 , и к щелочам, но разрушается хлором и окислителями в присутствии кислот; он имеет твердость по Бринеллю >200, хорошо вальцуется, куется, отливается и обрабатывается на станках.

Сплавы Ni-Fe-Cu применяются в химической аппаратуре (сталь с 6-11% Ni и 16-20% Сu).

Сплавы Ni-Fe-Si . Для постройки кислотоупорной аппаратуры применяются кремненикелевые стали марки «дуримет» (Durimet), содержащие 20-25% Ni (или Ni и Сг в отношении 3:1) и ~ 5% Si, иногда с добавкой Сu. Они устойчивы к холодным и горячим кислотам (H 2 SО 4 , HNO 3 , СН 3 ·СООН) и соляным растворам, менее устойчивы к НСl; хорошо поддаются горячей и холодной механической обработке.

В сплавах Ni-AI имеет место образование химического соединения AINi, растворяющегося в избытке одного из компонентов сплава.

Техническое значение начинают приобретать сплавы, основой которых является система Ni-AI-Si . Они оказались весьма стойкими по отношению к HNО 3 и к холодной и горячей H 2 SО 4 , но механической обработке почти не поддаются. Таков, например, новый кислотоупорный сплав для литых изделий, содержащий около 85% Ni, 10% Si и 5% Аl (или Аl + Сu); его твердость по Бринеллю около 360 (отжигом при 1050°С снижается до 300).

Металлургия никеля . Главной областью применения никеля является производство специальных сортов стали. Во время войны 1914-18 гг. для этой цели расходовалось не менее 75% всего никеля; в нормальных же условиях ~65%. Никель широко применяется также в сплавах его с нежелезными (цветными) металлами, гл. обр. с медью (~ 15%). Остальное количество никеля идет: на изготовление никелевых анодов - 5%, ковкого никеля - 5% и разных изделий - 10%.

Центры производства никеля неоднократно перемещались из одних местностей земного шара в другие, что объяснялось наличием благонадежных рудных месторождений и общей экономической конъюнктурой. Промышленная выплавка никеля из руд началась в 1825-26 г. в Фалуне (Швеция), где был найден никель, содержащий серный колчедан. В 90-х годах прошлого века шведские месторождения оказались по-видимому практически исчерпанными. Лишь во время войны 1914-18 гг., в связи с повышением спроса на металлический никель, Швеция давала несколько десятков тонн этого металла (максимум 49 т в 1917 г.). В Норвегии производство началось в 1847-50 гг.

Главной рудой здесь являлись пирротины с содержанием в среднем 0,9-1,5% Ni. Производство в Норвегии в небольших размерах (максимум - около 700 т в год во время войны 1914-18 гг.) существует и по настоящее время. В середине прошлого века центр никелевой промышленности сосредоточился в Германии и Австро-Венгрии. Сначала она базировалась здесь исключительно на мышьяковистых рудах Шварцвальда и Гладбаха, а с 1901 года, и в особенности во время войны 1914-18 гг., на окисленных рудах Силезии (Франкенштейн). Разработка месторождений никелевых руд в Новой Каледонии началась в 1877 г. Благодаря использованию этих руд мировое производство никеля в 1882 г. достигло почти 1000 т. Добытая здесь руда перерабатывалась на месте лишь в ограниченных количествах, главная же ее масса отправлялась в Европу. Лишь в последние годы, вследствие повышенных транспортных тарифов, в Европу импортируются гл. обр. богатые штейны, содержащие 75-78% Ni, в количестве никеля около 5000 т в год. В настоящее время предположено получать металлический никель в Новой Каледонии, для чего обществом «Никель» сооружается рафинировочный завод, который будет пользоваться электрической энергией гидростанции на реке Ятэ. Никелевая промышленность в Канаде (Северная Америка) возникла в конце 80-х гг. прошлого столетия. До последнего времени здесь существовали две фирмы; одна английская - Mond Nickel Со. и другая американская - International Nickel Со. В конце 1928 года обе фирмы объединились в мощный мировой трест под названием International Nickel Company of Canada, поставляющий на рынок около 90% мировой производительности никеля и эксплуатирующий месторождения, расположенные вблизи г. Седбюри. Фирма Mond Nickel Со. проплавляет свои руды на заводе в Конистоне на штейн, который для дальнейшей переработки отправляется в Англию на завод в Клейдаке. Фирма International Nickel Со. выплавленный на заводе в Конперклифе штейн отправляет для получения металла на завод в Порт- Кольборн. Мировое производство никеля в последние годы достигает 40000 т.

Переработка никелевых руд производится исключительно сухим путем. Гидрометаллургические способы, неоднократно рекомендовавшиеся для переработки руд, не нашли пока применения в практике. Эти способы в настоящее время иногда применяются лишь к переработке промежуточных продуктов (штейнов), получаемых в результате переработки руд сухим путем. Применение сухого пути к переработке никелевых руд (как сернистых, так и окисленных) характеризуется осуществлением одного и того же принципа постепенной концентрации ценных составляющих руды, в виде тех или иных продуктов, которые уже затем перерабатываются на металлы, подлежащие извлечению. Первая стадия такой концентрации пенных составляющих никелевый руд осуществляется рудной плавкой на штейн. В случае сернистых руд, последние плавятся в сыром или в предварительно обожженном состоянии в шахтных или пламенных печах. Окисленные руды плавятся и шахтных печах с добавкой в их шихту серу содержащих материалов. Штейн рудной плавки, роштейн , оказывается не пригодным для его непосредственной переработки на содержащиеся в нем ценные металлы, благодаря их сравнительно незначительной концентрации в этом продукте. В виду этого штейн рудной плавки подвергается дальнейшей концентрации или путем обжига его с последующей плавкой в шахтной печи, или путем окислительной плавки на поду пламенной печи, или в конвертере. Эти сократительные, или концентрационные, штейновые плавки, производимые на практике одно- или многократно, конечной своей целью имеют получение чистого наиболее концентрированного штейна (файнштейна ), состоящего лишь из сульфидов ценных металлов с некоторым количеством последних, находящихся в свободном состоянии. Файнштейны, получаемые на практике, бывают двух родов в зависимости от их состава. При переработке окисленных новокаледонских руд, не содержащих в себе других кроме никеля ценных металлов, файнштейн представляет сплав сульфида никеля (Ni 3 S 2) с некоторым количеством металлического никеля. В результате же переработки сернистых канадских руд, содержащих и никель и медь, получаемый файнштейн представляет сплав сульфидов меди и никеля с некоторым количеством этих металлов в свободном состоянии. В зависимости от состава файнштейна меняется и их переработка на чистые металлы. Наиболее простой является переработка файнштейна, содержащего один только никель; переработка медно-никелевого файнштейна сложнее и м.б. осуществлена различными путями. Переработка окисленных руд на штейн с серосодержащими добавками (гипсом) была предложена Гарниери в 1874 г. Переработка этих руд во Франкенштейне (Германия) производилась следующим образом. К рудной смеси, содержавшей 4,75 % Ni, прибавлялось 10% гипса или 7% ангидрита и 20% известняка; сюда же прибавлялось и некоторое количество плавикового шпата. Вся эта смесь тщательно перемешивалась, измалывалась и затем прессовалась в кирпичи, которые после высушивания проплавлялись в шахтной печи расходом кокса в 28-30% от веса руды. Суточная производительность шахтной печи доходила до25т руды. Сечение печи на уровне фурм равно 1,75 м 2 ; высота ее 5 м. Нижняя часть шахты на высоту 2 м имела ватер-жакеты. Шлаки сильно кислые; в них терялось 15% Ni. Состав роштейна: 30-31% Ni; 48-50% Fe и 14-15% S. Роштейн гранулировался, дробился, обжигался и переплавлялся в вагранке в смеси с 20% кварца и при расходе кокса в 12-14% от веса обожженного роштейна на концентрированный штейн следующего среднего состава: 65% Ni, 15% Fe и 20% S. Последний конвертировался на файнштейн: 77,75% Ni, 21% S, 0,25-0,30% Fe и 0,15-0,20% Сu. Тщательно измельченный файнштейн подвергается обжигу в пламенных печах (с ручным перегребанием или механическим) до полного удаления серы. В конце обжига к обжигаемой массе прибавляют некоторое количество NaNО 3 и Na 2 CО 3 не только для того, чтобы облегчить выгорание серы, но и для того, чтобы присутствующие иногда в штейне As и Sb перевести в сурьмяно- и мышьяковокислые соли, которые затем выщелачиваются водою из обожженного продукта. Полученная в результате обжига NiO подвергается восстановлению, для чего закись никеля смешивается с мукой и водой и из полученного теста формуют кубики, которые затем нагревают в тиглях или ретортах. Под конец восстановления температура поднимается до 1250°С, что способствует свариванию отдельных восстановленных частиц Ni в сплошную массу.

Фирма International Nickel Со. перерабатывает свои сернистые руды след. обр. Рудная плавка в зависимости от их крупности ведется либо в шахтных либо в пламенных печах. Кусковые руды подвергаются предварительному обжигу в кучах; продолжительность обжига от 8 до 10 месяцев. Обожженная руда плавится в смеси с некоторым количеством необожженной руды в шахтных печах. Флюсов не добавляется, т. к. руда самофлюсующаяся. Расход кокса 10,5% от веса рудной смеси. В сутки проплавляется в печи около 500 т руды. Штейн рудной плавки подвергается конвертированию на файнштейн. Конвертерный шлак частью возвращается в конвертер, частью идет в шихту рудной плавки. Состав руд и продуктов приведен в табл.:

Мелкая руда подвергается обжигу в Веджа печах до содержания серы в 10-11% и затем плавке в пламенной печи. Конвертерный шлак, содержащий 79,5% (Сu + Ni), 20% S и 0,30% Fe, перерабатывается процессом Орфорда, состоящим в переплавке файнштейна в присутствии Na 2 S. Последний вызывает расслаивание продуктов плавки на два слоя: верхний, представляющий сплав Cu 2 S + Na 2 S, и нижний, содержащий почти чистый сульфид никеля. Каждый из этих слоев перерабатывается на соответствующий металл. Верхний, медьсодержащий, слой по отделении от него Na 2 S подвергается конвертированию, а нижний, никелевый, слой подвергается хлорирующему обжигу, выщелачиванию (причем он освобождается от некоторого содержащегося в нем количества меди), и полученная т. о. закись никеля восстанавливается. Некоторое количество медно-никелевого файнштейна подвергается окислительному обжигу и последующей восстановительной плавке на медно-никелевый сплав, известный под названием Монель-металла.

Фирма Mond Nickel Со. свои руды обогащает; полученные концентраты подвергаются спекающему обжигу на машинах Dwight- Lloyd’a, агломерат с которых идет в шахтную печь. Штейн рудной плавки подвергается конвертированию, полученный файнштейн перерабатывается способом Mond ’а, для чего файнштейн дробится, обжигается и выщелачивается H 2 SО 4 для удаления большей части меди в виде CuSО 4 . Остаток, содержащий NiO с некоторым количеством меди, высушивается и поступает в аппарат, где он восстанавливается при 300°С водородом (водяной газ). Восстановленный, мелко раздробленный никель поступает в следующий аппарат, где он приводится в соприкосновение с СО; при этом образуется летучий карбонат никеля - Ni(CO) 4 , который переводится в третий аппарат, где поддерживается температура 150°С. При этой температуре Ni(CO) 4 разлагается на металлический Ni и СО. Получающийся этим путем металлический никель содержит 99,80% Ni.

Помимо указанных двух способов получения никеля из медно-никелевого файнштейна существует еще способ Hybinette, дающий возможность получать никель электролитическим путем. Электролитический никель содержит: 98,25% Ni; 0,75% Со; 0,03% Сu; 0,50% Fe; 0,10% С и 0,20% Рb.

Вопрос о производстве никеля в СССР имеет столетнюю историю. Уже в 20-х годах прошлого века были известны никелевые руды на Урале; одно время уральские месторождения никелевых руд, содержащие около 2% Ni, рассматривались как один из главных источников сырья для мировой никелевой промышленности. После открытия никелевых руд на Урале М. Даниловым, П. А. Демидовым и Г. М. Пермикиным был произведен целый ряд опытов по их переработке. В Ревдинске за 1873-77 гг. было получено 57,3 т металлического никеля. Но дальнейшее разрешение поставленной задачи было прекращено после открытия более богатых и мощных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии. Вопрос об отечественном никеле был снова поставлен на разрешение под влиянием обстоятельств, вызванных войной 1914-18 гг. Летом 1915 года на Уфалейском заводе были произведены П. М. Бутыриным и В. Е. Васильевым опыты выплавки штейна в пламенной печи. В это же время велись опыты по извлечению никеля из Уфалейских руд в петербургском Политехническом институте Г. А. Кащенко под руководством проф. А. А. Байкова, а осенью 1915 г. велись пробные плавки в пламенной печи на заводе. Летом 1916 г. на Ревдинском заводе были произведены опыты выплавки медно-никелевых штейнов из бедных никелевых руд (0,86% Ni) и бедных медью колчеданов (1,5% Сu). Плавка велась в шахтной печи. В это же время в доменной печи проплавлялись ревдинские никельсодержащие бурые железняки на никелистый чугун (весь никель руды при этом концентрируется в чугуне), поставлявшийся по контракту с морским ведомством на его ленинградские заводы. Все перечисленные исследования вследствие целого ряда обстоятельств не получили в то время завершения в форме соответствующих заводских процессов. В последние годы проблема получения никеля из уральских руд снова встала на разрешение, и практическое осуществление ее, сообразно содержанию никеля в рудах, должно происходить в двух направлениях. Содержание никеля в уральских рудах - невысокое, и по нему руды делятся на два сорта: 1-й и 2-й. Руды 1-го сорта, пригодные для пирометаллургической переработки, в среднем содержат около 3% Ni; руды 2-го сорта - около 1,5% и ниже. Последние руды не м. б. подвергнуты переработке плавкой без предварительного их обогащения. Другая возможность переработки бедных никелевых руд - путь гидрометаллургический; он д. б. еще изучен. В настоящее время для переработки руд 1-го сорта на Урале строится завод.

Раздел 1. Характеристики.

Раздел 2. Нахождение в природе.

Раздел 3. Получение.

Раздел 4. Применение.

- Подраздел 1. Сплавы.

- Подраздел 2. Никелирование.

Раздел 5. Монетное дело.

Ni — это элемент побочной подгруппы восьмой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28.

Характеристики никеля

Ni - это серебристо белый , не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 НМ, пространственная группа Fm3m. В чистом виде поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 C.

Удельное электрическое сопротивление 0,0684 мк Ом∙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.

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления никель(II).

Ni образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом Ni 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.

Ni 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. Ni активно растворяется в азотной кислоте.

С оксидом углерода CO Ni легко образует летучий и весьма ядовитый карбонит никель (CO)4.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Ni горит только в виде порошка. Образует два оксида никельO и Ni2O3 и соответственно два гидроксида никель(OH)2 и никель(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:

никельS (черный)

Ni3S2 (желтовато-бронзовый)

Ni3S4 (серебристо-белый).

Ni также образует многочисленные координационные и комплексные соединения.

Водные растворы солей никеля(II) содержат ион гексаакваникеля (II) никель(H2O)62+. 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) никель(NH3)62+.

Ni образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат (II) NiCl42− имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат (II) никель(CN)42− 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) Ni (II). Это хелатное соединение и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

Природный Ni состоит из 5 стабильных изотопов,58никель,60никель,61никель,62никель является наиболее распространенным (68,077% природного изобилия).

Нахождение в природе

Ni 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 Ni (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 % никель. Он изоморфно замещает и магний.

Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Ni 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, Ni образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Ni обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

Никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) никель As.

Хлоантит (белый никелевый колчедан) (никель, Co, Fe)As2

Гарниерит (Mg, никель)6(Si4O11)(OH)6 c H2O и другие силикаты.

Магнитный колчедан (Fe, никель, Cu)S

Мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) никель As S,

Пентландит (Fe, никель)9S8

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.

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) никель As, миллерит никель S, пентландит (Fe никель)9S8 — содержат также мышьяк, железо и серу ; в магматическом пирротине также встречаются включения пентландита. Другие руды, из которых тоже добывают никель, содержат примеси Co, Cu , Fe и Mg. Иногда Ni является основным товаром процесса рафинирования, но чаще его получают как побочный товар в технологиях других металлов. Из достоверных запасов, по разным данным, от 40 до 66 % никеля находится в окисленных никелевых рудах (ОНР),

33 % в сульфидных. 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 % никель+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 % никель), синтер (89 % никель), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические Ni 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 Британии — 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.

«Ni 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.

Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железоникелевых окатышей (5—8 % никель), 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 кобальт под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель никель(CO)4, термическим разложением выделяют особо чистый металл.

Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O.

Применение

Сплавы

Ni является основой большинства супер сплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

монель-металл (65 — 67 % никель + 30 — 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500°C, очень коррозионно-устойчив;

белое (585 содержит 58,5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));

Нихром, сплав сопротивления (60 % никель + 40 % Cr);

Пермаллой (76 % никель + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;

Инвар (65 % Fe + 35 % никель), 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.

Никелевые трубы применяют для изготовления конденсаторов в производстве водорода, для перекачки щелочей в химическом производстве. Никелевые химически стойкие инструменты широко используют в медицине и научно-исследовательской работе. Ni применяется для приборов радиолокации, телевидения, дистанционного управления процессами в атомной технике.

Из чистого никеля изготовляют химическую посуду, различные аппараты, приборы, котлы с высокой коррозионной стойкостью и постоянством физических свойств, а из никелевых материалов — резервуары и цистерны для хранения в них пищевых продуктов, химических реагентов, эфирных масел, для транспортирования щелочей, для плавления едких щелочей.

На основе порошков чистого никеля изготовляют пористые фильтры для фильтрования газов, топлива и других продуктов в химической промышленности . Порошкообразный Ni потребляют также в производстве никелевых сплавов и в качестве связки при изготовлении твёрдых и сверхтвёрдых материалов.

Биологическая роль никеля относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что Ni 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 никель(CO)4. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений).

Ni основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки).

В Евро союзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека.

Карбонит никеля никель(CO) — очень ядовит. Предельно допустимая концентрация его паров в воздухе производственных помещений 0,0005 мг/мі.

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. Ni оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Ni может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давление. Избыточное поступление никеля в организм вызывает витилиго. Депонируется Ni в поджелудочной и околощитовидной железах.

Никелирование

Никелирование — это 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).

Никелирование без тока проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) и гипофосфитной смесью натрия в присутствии цитрата натрия:

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

процесс проводят при рН 4 — 6 и 95°C

Наиболее распространено электролитическое и химическое никелирование. Чаще никелирование (так называемое матовое) производится электролитическим способом. Наиболее изучены и устойчивы в работе сернокислые электролиты. При добавлении в электролит блеск образователей осуществляется так называемое блестящее никелирование. Электролитические покрытия обладают некоторой пористостью, которая зависит от тщательности подготовки поверхности основы и от толщины покрытия. Для защиты от коррозии необходимо полное отсутствие пор, поэтому наносят многослойное покрытие, которое при равной толщине надёжнее однослойного (например, стальные предмета торговли часто покрывают по схеме Cu — никель — Cr).

Недостатки электролитического никелирования — неравномерность осаждения никеля на рельефной поверхности и невозможность покрытия узких и глубоких отверстий, полостей и т.п. Химическое никелирование несколько дороже электролитического, но обеспечивает возможность нанесения равномерного по толщине и качеству покрытия на любых участках рельефной поверхности при условии доступа к ним раствора. В основе процесса лежит реакция восстановления ионов никеля из его солей с помощью гипофосфитной смеси натрия (или др. восстановителей) в водных растворах.

Никелирование используется, например, для покрытия деталей химической аппаратуры, автомобилей, велосипедов, медицинского инструмента, приборов.

Также Ni используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.

Монетное дело

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

Ni был компонентом монет, начиная с середины 19 века. В Соединенных Штатах, термин "Ni" или "ник" первоначально был применен в медно-никелевых монетах (летающий орел), который пришел на смену купрума с 12% никеля 1857-58.

Еще позже в 1865 году, срок назначенного на три процента никеля увеличился на 25%. В 1866 году пять процентов никеля (25% никеля, 75% купрума). Наряду со сплавом пропорции, этот термин был использован в настоящее время в Соединенных Штатах. Монеты из почти чистого никеля впервые были использованы в 1881 году в Швейцарии, и в частности более 99,9% Ni из пяти центовых монет были отчеканены в Канаде (крупнейший производитель никеля в мире в то время).

пенни, сделанные из никеля" height="431" src="/pictures/investments/img778307_14_Britanskie_monetyi_v_5_i_10_penni_sdelannyie_iz_nikelya.jpg" title="14. Британские монеты в 5 и 10 пенни, сделанные из никеля" width="682" />

Италия 1909 год" height="336" src="/pictures/investments/img778308_15_Monetyi_iz_nikelya_Italiya_1909_god.jpg" title="15. Монеты из никеля, Италия 1909 год" width="674" />

Источники

Википедия - Свободная энциклопедия, WikiPedia

hyperon-perm.ru - Производство Гиперон

cniga.com.ua - Книжный портал

chem100.ru - Справочник Химика

bse.sci-lib.com - Значение слов в Большой Советской Энциклопедии

chemistry.narod.ru - Мир Химии

dic.academic.ru - Словари и энциклопедии

Энциклопедия инвестора . 2013 .

Синонимы :

• Никарагуа

Смотреть что такое "Никель" в других словарях:

НИКЕЛЬ - (симв. Ni), металл с атомным весом 58,69, порядковый номер 28, принадлежит вместе с кобальтом и железом к VIII группе и 4 му ряду периодической системы Менделеева. Уд. в. 8,8, t° плавления 1 452°. В своих обычных соединениях Н.… … Большая медицинская энциклопедия

НИКЕЛЬ - (символ Ni), серебристо белый металл, ПЕРЕХОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, открытый в 1751 г. Его основные руды: сульфидные никеле железные руды (пентландит) и ар сенид никеля (никелин). У никеля сложный процесс очищения, включающий дифференцированное разложение… … Научно-технический энциклопедический словарь

НИКЕЛЬ - (нем. Nickel). Металл серебристо белого цвета, в чистом виде не встречается. В последнее время употребляется на выделку столовой и кухонной посуды. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. НИКЕЛЬ нем. Nickel … Словарь иностранных слов русского языка

Никель - представляет собой относительно твердый серовато белый металл с температурой плавления 1453 град. С. Он является ферромагнетиком, отличается ковкостью, пластичностью, прочностью, а также стойкостью к коррозии и окислению. Никель в основном… … Официальная терминология

никель - я,м. nickel m. < , нем. Nickel. 1. Серебристо белый тугоплавкий металл. БАС 1. Никель вредный спутник серебряных руд получил свое название от имени злого гнома, якобы жившего в саксонских рудниках. Ферсман Заним. геохимия. 2. Верхний слой из… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

НИКЕЛЬ - (лат. Niccolum) Ni, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 28, атомная масса 58,69. Название от немецкого Nickel имя злого духа, якобы мешавшего горнякам. Серебристо белый металл; плотность 8,90 г/см³, tпл 1455… … Большой Энциклопедический словарь

НИКЕЛЬ - НИКЕЛЬ, никеля, муж. (нем. Nickel). Серебристо белый тугоплавкий металл, употр. для изготовления инструментов, посуды и т.п. (По имени горного божества в скандинавской мифологии.) Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

Характеризуется отличной коррозионной стойкостью, высокой прочностью, эстетической привлекательностью и способностью принимать любую заданную ему форму. Благодаря своим свойствам этот . 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.

Никель имеет белый цвет с серебристым оттенком. Этот металл часто сочетается с другими материалами. В результате образуются сплавы.

• Никель содержится в пище, земной коре, воде и даже в воздухе.
• Никель имеет гранецентрированную кубическую решетку (а = 3,5236А). В обычном состоянии он представлен в форме β-модификации. При катодном распылении переходит в α-модификацию с гексагональной решеткой. Если далее нагреть никель до 200°C, то его решетка станет кубической.
• У никеля недостроенная 3d-электронной оболочка, поэтому его относят к переходным металлам.
• Элемент никель входит в состав самых важных магнитных сплавов и материалов, у которых коэффициент теплового расширения минимален.

Никель, не переработанный и добытый в природе, состоит из 5 стабильных изотопов. В периодической системе Менделеева за никелем числится номер 28. Этот элемент имеет атомную массу равную 58,70.

Свойства никеля

Плотность и масса

Никель относится к ряду тяжелых металлов. Его плотность в два раза больше, чем у металла титан, но равна по числовому значению плотности .

Численное значение удельной плотности никеля составляет 8902 кг/м3. Атомная масса никеля: 58,6934 а. е. м. (г/моль).

Механические характеристики

Никель обладает хорошей ковкостью и тягучестью. Благодаря этим характеристикам он легко подвергается прокату. Из него довольно просто получить тонкие листы и небольшие трубы.

При температуре от 0 до 631 К никель становится ферромагнитным. Происходит этот процесс благодаря особенному строению внешних оболочек атома никеля.

Известны следующие механические характеристики никеля:

• Повышенная прочность.
• Предел прочности равный 450 МПа.
• Высокопластичность материала.
• Коррозионная стойкость.
• Высокая температура плавления.
• Высокая каталитическая способность.

Механические характеристики описываемого металла зависят от наличия примесей. Самыми опасными и вредными считается сера, висмут, и сурьма. Если никель насытить газами, то его механические свойства станут хуже.

Тепло- и электропроводность

• Металл никель имеет следующую теплопроводность: 90,1 Вт/(м·К) (при температуре 25°C).
• Электропроводность никеля равна 11 500 000 Сим/м.

Коррозионная стойкость

Под коррозионной стойкостью понимается способность металла при воздействии на него агрессивной среды противостоять разрушению. Никель относиться к материалам с высокой стойкостью к коррозии.

Никель не покрывается ржавчиной в нижеперечисленных средах:

• Окружающая атмосфера. Никель обладает хорошей устойчивостью к высоким температурам. Если никель находится в условиях промышленной атмосферы, то он всегда покрывается тонкой пленкой, которая приводит к потускнению никеля.
• Щелочи в горячем и холодном виде, а так же их расплавленные состояния.
• Органические кислоты.
• Неорганические кислоты.

Кроме этого, ржавчиной никель не покрывается в горячих спиртах и жирных кислотах. Благодаря этому этот металл широко используют в пищевой промышленности.

Химическая промышленность то же широко использует никель. Это происходит благодаря коррозионной стойкости никеля к воздействию высокой температуры и большой концентрации растворов.

Никель подвержен коррозии при следующих окружающих его условиях:

• Морская вода.
• Щелочные растворы гипохлоритов.
• Сера или любая среда, содержащая серу.
• Растворы окислительных солей.
• Гидрат аммиака и аммиачная вода.

Токсичность никеля рассмотрена ниже.

Температуры

Известны следующие термодинамические свойства никеля:

• Температура плавления никеля: 1726 K или 2647 °F или 1453 °C.
• Температура кипения никеля: 3005 K или 4949 °F или 2732 °C.
• Температура литья: 1500-1575 °C.
• Температура отжига: 750 — 900 °C.

Токсичность и экологичность

В больших количествах никель оказывает токсичное действие на организм. Если речь идет о приеме его с пищей, то повышенное содержание этого элемента обязательно вызовет угрозу для здоровья.

Часто встречающие негативное последствие от переизбытка никеля – это аллергия. Так же при воздействии этого металла (в больших количествах) на организм возникают расстройства желудка и кишечника, обязательно повышается содержание эритроцитов. Никель может вызвать хронический бронхит, почечный стресс и нарушение работы легких. Переизбыток никеля провоцирует рак легкого.

Если вода для питья содержит 250 частиц никеля на миллион частиц воды, то такое содержание может вызвать болезнь крови и проблемы с почками. Однако это довольно редко явление.

Никель содержится в табачном дыме. Вдыхание этого дыма или пыли с содержанием никеля приводит к бронхиту и нарушению функционирования легких. Получить это вещество возможно в условиях или в неблагоприятных экологически районах.

Токсичность никеля представляет собой опасность только в случае попадания в организм человека в больших количествах. Если никель используется в промышленности и в строительных делах, то он не опасен.

Другие характеристики

Еще никель имеет следующие характеристики:

• Удельное электрическое сопротивление никеля равное 68,8 ном·м.
• В химическом плане никель схож с железом, кобальтом, купрумом и некоторыми благородными металлами.
• Никель взаимодействует с кислородом при температуре в 500 С.
• Если никель переходит в мелкодисперсное состояние, то он может самовоспламениться.
• Никель не реагирует с азотом даже при условии очень высокой температуры.
• Никель медленнее чем железо растворяется в кислотах.

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.

– серебристо-серый, пластичный, ковкий металл. Относится к переходным металлам, то есть, может проявлять и кислотные, и щелочные свойства. В нормальных условиях никель покрывается оксидной пленкой, а потому и малоактивен. Отличие от других схожих элементов состоит в том, что его оксидная пленка не уменьшает блеск. И сегодня мы расскажем вам об использовании никеля в промышленности, применении его сплавов в строительстве и иных сферах жизни.

Оксидная пленка защищает металл, придавая ему высокую коррозионную стойкость. Причем действие ее настолько сильно, что не только сам никель оказывается малоактивным, но и любые другие предметы, покрытые тончайшим слоем никеля. Именно это качество и обуславливает один из самых распространенных способов применения.

О применении никеля в быту поведает этот видеосюжет:

Никелирование

Никелирование – получение никелевого покрытия гальваническим методом на поверхности других металлов – железных сплавов, как правило, с целью защитить последние от коррозии. В 2015 году 7% добытого металла ушло на никелирование. С такой «обработкой» сталкиваются повсеместно: посуда, столовые приборы, металлические трубы, используемые при изготовлении мебели или в декоративных целях. Кроме того, что металл защищает основной сплав, он еще и придает красивый серебристый блеск, не тускнеющий со временем.

Никель используется для защиты чугуна, железа, магния и даже и алюминия, которые сами по себе считаются достаточно стойкими к коррозии. Однако никель отличается еще одним особым свойством – исключительной стойкостью к щелочам. Никелирование изделий из металла активно применяют в химической промышленности – для производства резервуаров для хранения и перевозки химически агрессивных веществ, например, а также для производства деталей, предназначенных работать в самых опасных условиях: например, для защиты от коррозии дюралюминиевых самолетных лопастей.

Иные сферы

• Металл используют при производстве аккумуляторов – никель-кадмиевых, железо-никелевых, никель-цинковых, никель-водородных. Никелевые электроды устойчивы в электролите, имеют долгий срок службы и доступны по стоимости. Так, цинково-серебряный аккумулятор демонстрирует более высокие характеристики, однако по стоимости намного дороже.
• Металл применяется в химической промышленности для получения разнообразных реактивов.
• В медицине никель используют при изготовлении протезов и брекет-систем, поскольку металл совершенно инертен и безопасен. То же свойство позволяет использовать вещество при изготовлении аппаратуры для пищевой промышленности.
• Однако куда большая доля никеля расходуется на получение разнообразных сплавов. На железные сплавы приходится 67% добытого вещества, а на не железные – 17%.

Связано это с тем, что никель придает сплавам едва ли не такую же антикоррозийную стойкость, которой сам и обладает. В результате большая часть металла применяется для получения всего разнообразия нержавеющих сталей. Те же железные сплавы, которые не легировались никелем, для защиты подвергаются или никелированию. Перечислить же сферы применения нержавеющих и конструкционных сталей попросту нереально: нет такой области народного хозяйства, где не использовалась бы эта продукция.

Не меньший интерес представляют собой другие составы-никелевые сплавы, например, сплав никеля с железом, медью, оловом, алюминием, титаном, хромом и иными металлами.

Сплавы на его основе

Сплавы никеля исключительно разнообразны, а свойства их для различных отраслей народного хозяйства настолько важны, что едва ли не все составы образуют собой отдельные группы.

С медью

Никель-медные сплавы – редкой особенностью, присущей такому твердому раствору является взаимная полная растворимость металлов друг в друге. При сплавлении в любой пропорции получают однофазный однородный сплав, изменяющий свои свойства закономерно и предсказуемо. Коррозионные качества таких сплавов определяются только пропорциями веществ: при доле более 50% свойства ближе к качествам самой меди, при доле никеля более 50%, сплав проявляется качества присущие никелю.

Никель-медные сплавы устойчивы к действию и кислот, и щелочей. Их применяют при производстве деталей и резервуаров для аппаратуры, работающей в среде фосфорной, серной, хлорной кислот, а также деталей машин, испытывающих высокие несущие нагрузки.

• К наиболее известным составам такого рода относят монели: 70% никеля, и 1,5–2% железа.

Монели отличаются превосходной механической прочностью и твердостью, долговечностью, стойкостью к износу и нечувствительностью к кислотам и щелочам. Из них получают клапаны, насосы, оси крыльчатки, пружины, втулки, теплообменники и прочее.

• Из медно-никелевых сплавов изготавливаются монеты.
• Константан – сплав из 40% никеля и 59% меди, применяется в изготовлении высокоточной аппаратуры, так как отличается износостойкостью и переносит высокие нагрузки.

Применение никеля в современной технике представлено в этом видеосюжете:

С хромом

• Сплавы никеля и хромы – нихромы, известны своей жаропрочностью, но при этом отличаются и высокой коррозионной стойкостью в том числе и к кислотам. Такой набор качеств обуславливает и применение: при изготовлении муфельных печей, для производства теплообменников и трубопроводов, в качестве деталей газовых турбин. Сплавы с содержание никеля до 80% применяют для изготовления деталей камер сгорания в реактивных двигателях и атомных реакторах. Наиболее известные из них – нимоник, инколой разных марок, инконель. Сплавы используются для изготовления деталей, где требуется высокая прочность при высокой температуре – кожухи нагревательных элементов, трубы дробилок и так далее.
• Упрочненные сплавы никель-хром-железо , справедливо называются сверхпрочными сплавами. Они сочетают чрезвычайную прочность со стойкостью к коррозии при высокой температуре и сопротивление к ползучести. Из них изготавливают части газовых турбин, лопатки и детали двигателей, части печей, материал для поковки и так далее. Сплавы рассчитаны на «работу» при температурах до 600–850 С. Наиболее известные – нимоник, а также инконель и удимет.

С молибденом и другими металлами

Состав никель-молибден – например, хастеллой, отличается стойкостью к серной, фосфорной, соляной и так далее кислотам, причем при высокой температуре вплоть до кипения. Из сплава изготавливают части кислотоупорной аппаратуры. При этом он отличается высокой прочностью, так что служит полноценным конструкционным материалом в химической промышленности.

Никель-хромомолибденовые сплавы устойчивы в еще большем диапазоне кислот и других агрессивных средах – сухом хлоре, например.

• Свое место занимает металл и в ювелирном деле. Сплав «белое золото» содержит 58% золота и лигатуру из никеля и серебра.
• Сам никель является ферромагнетиком. Его сплавы – алнико и магнико, является постоянными магнитами.

Про сплав железа с никелем и его пользу поговорим ниже.

С железом

Имеются в виду твердые растворы, в которых никель выступает не легирующей добавкой, как в нержавеющих сталях, а более «весомым» компонентом – до 65%. Различают 4 вида таких сплавов.

• Жаропрочные – особенностью их является не просто стойкость к температурам, а способность выдерживать высокие нагрузки при высоких температурах. Доля никеля здесь обычно 44–46%, может включать также хром, алюминий, титан, молибден и так далее. Механическая прочность сплавов при нормальных условиях составляет 600–850 МПа, а при температурах в 800–900 С – от 45 до 177 МПа.

Жаростойкость без нагрузки достигает 1000–1350 С, при этом эксплуатация при высокой температуре не сказывается на физических свойствах изделий. Применяется сплав для изготовления деталей атомных реакторов, реактивных двигателей, газовых турбин и так далее.

• Магнитные сплавы – пермаллои, проявляются высокую магнитную проницаемость в слабом поле. Применяются в электротехнике для получения деталей с высокой намагниченностью.
• Сплавы, сохраняющие упругость и габаритные размеры – элинвар, например, включающий 36% никеля. Он сохраняет повышенную упругость при высокой температуре, поскольку это качество сплава обусловлено магнитными свойствами. Применяют для изготовления термопар в печах.
• Антикоррозийные сплавы – как правило, кроме никеля содержат также молибден или хром. Активно применяются при производстве химического оборудования.

Использование материала в строительстве

Мировая в 1887 году составляла всего 600 т. Металл применялся для изготовления монет. Но уже с 80-ых годов никелевая промышленность стала активно развиваться. Толчком послужила высокая коррозионная стойкость металла, а, главное, его сплавов.

• Никелирование в качестве способа «облагородить» изделие также стало применяться с конца 19 века и только в 30-х годах 20 века было вытеснено хромированием. В строительстве же и сейчас используют никелированные детали при сооружении самых разных декоративных конструкций.
• По тем же причинам никелированные детали используются в производстве мебели. Слой металла не только придает изделию блеск и красивый цвет, но и защищает каркас от любых внешних воздействий.
• Декоративные качества обуславливают еще одну сферу применения – фурнитура для мебели, окон, дверей, бытовой техники и так далее. Ручки, петли, накладные элементы из металла прекрасно смотрятся и служат очень долго.
• Никелированные краны, смесители, душевые лейки и другие ванные аксессуары никогда не выходят из моды, так как никелевый слой обеспечивает изделиям превосходный внешний вид и исключительную стойкость к коррозии любого вида. Конечно, по декоративности этот вариант уступает , ведь основой здесь служит сталь, а она не отличается ковкостью. Но серебристый цвет и нетускнеющий блеск тоже привлекательны.
• Гораздо шире применяются сплавы с никелем, в особенности различные нержавеющие и конструкционные стали. Представить себе современное строительство без участия металлопроката нереально.

Никель – металл, отличающийся высокой коррозионной стойкостью и способный сообщать это . Это качество чаще всего служит причиной использования металла.

О химическом никелировании расскажет данное видео: