Химический элемент никель (Ni) - строение, свойства и характеристика металла

Относится он к группе тяжелых цветных металлов и чаще всего входит в состав разнообразных руд, в чистом виде встретить его практически невозможно.

В периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева элемент представлен под номером 28, для его обозначения используются две латинские буквы — Ni.

История открытия

Получение металла, который уже многие сотни лет с успехом используется человеком, не было связано с научными открытиями, впервые никель попал в руки людям случайно. После падения метеорита его куски были переплавлены на оружие и предметы культа, а использовавшие их воины и жрецы интуитивно поняли особые свойства металла, его удивительную прочность, сочетающуюся с ковкостью.

Интересно, что само название «никель» было презрительным наименованием, переводившимся как «ложная медь», однако постепенно характеристики элемента были по достоинству оценены.

Известно, что ученые древнего Китая еще в 235 году до н. э. писали об удивительном материале пафонге, который и представлял собой никелевый сплав с цинком и медью. Это позволяет сделать вывод о том, что металл начал использоваться человеком очень давно. Позднее сплав был завезен в Европу, где стал применяться для чеканки монет.

Использование металла в промышленности началось во второй половине XVIII столетия, различные его сплавы стали активно использоваться в производстве шпор, оружия и даже в ювелирной отрасли.

Честь открытия никеля в сплаве принадлежит исследователю из Швеции Кронштеду, который установил, что никель — это новый и доселе неизвестный науке металл, а не сплав ранее известных элементов. После смерти шведа его выводы были подтверждены Т. Бергманом.

Выявить физико-химические специфики металла смог И. Рихтер. Он же и описал его пластичность и стойкость к коррозии за счет особой конфигурации.

Специфика структуры

Особенностью минерала является принадлежность его к переходным металлам. Отличается он также серебристо-белым оттенком и незначительной химической активностью.

Исследователям удалось выявить следующие особенности структуры никеля:

1. Наличие гранецентрированной кубической решетки, период которой составляет 0,35238 нм.
2. Кристаллическая структура способна выдерживать на себе давление до 70 ГПа.
3. Чаще всего металл существует в виде b-модификации с кубической решеткой с периодом 3,5236, а при катодном распылении в атмосфере H2 приобретает вид a-модификации с гексагональной решеткой. Она способна преобразиться в кубическую при нагревании.
4. Радиус атома элемента — 1,24 а.
5. Плотность — 8,9 г/см³.

Электронная формула никеля выглядит следующим образом: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁸. Элемент имеет 28 электронов, на 1s, 2s, 3s, 4s-подуровнях размещены по 2 электрона, на 2p, 3p и 3d-подуровнях — по 6 электронов.

Степень окисления атомов в соединениях — 6, 4, 3, 2, 1, 0, -1. Строение атома никеля представляет собой положительно заряженное ядро, внутри которого размещены 28 протонов и 31 нейтрон.

Основные свойства

Применение никеля человеком основывается на комплексе свойств этого химического элемента. Первым делом следует назвать ковкость, тягучесть, благодаря которым становится возможным изготовление из металла трубок и очень тонких листов. Кроме того, можно выделить следующие особенности:

• твердость по Бринеллю рассчитана и составляет 600—800 Мн/м² ;
• предел прочности при растяжении варьируется в интервале 400—500 Мн/м² ;
• предел текучести составляет 120 Мн/м² ;
• предел упругости равен 80 Мн/м² .

Никель представляет собой металл желтовато- или бело-серебристого цвета. Свой оттенок он сохраняет при нахождении на открытом воздухе, не тускнеет даже при продолжительном взаимодействии с кислородом.

Металл довольно тверд, однако обладает особым свойством — хорошо поддается обработке (полировке, ковке), что и дает возможность его активного использования человеком.

Изделия получаются тонкими и деликатными, но при этом прочными и долговечными.

Физико-химические характеристики

Магнитные особенности элемента сохраняются при весьма низких температурах, достигающих -340 °C. Кроме того, спецификой его является отсутствие предрасположенности к коррозии.

Можно выделить следующие физические характеристики металла:

• атомный номер — 28;
• молярная масса — 58,69 а. е. м.;
• удельная теплоемкость — 0,443 Дж/(K· моль);
• температура плавления — 1453 °C;
• температура кипения — от 2730 до 2915 °C.

Особенность никеля — отсутствие негативных реакций при воздействии воздуха или воды. Это обусловлено тем, что на поверхности образуется оксид никеля NiO — защитная пленка, защищающая металл от последующего окисления.

При высоких температурах элемент способен реагировать с кислородом и всеми галогенами. Кроме того, реакция наблюдается при его взаимодействии с аммиаком и азотной кислотой.

При этом в фосфорной кислоте элемент нерастворим.

Организация добычи

Никель относится к распространенным в земной коре металлам, хоть в чистом виде не представлен. Основным источником добычи считаются медно-никелевые руды, из которых удается добыть более 75% металла. Последовательность действий такова: сначала руда обогащается флотацией при помощи селективного метода, затем из нее выделяются концентраты, в том числе никелевый.

Чтобы добиться получения металла в чистом виде, концентрат переплавляют, для чего необходимы отражающие печи или электрические шахты.

Пустая порода при этом отделяется.

Перед плавлением концентрат зачастую обжигают и окусковывают.

Принято выделять три способа производства никеля:

1. Восстановительный. Получение минерала из силикатной руды при участии угольной пыли. В результате образуются окатыши из железа и никеля, содержание последнего в которых составляет 5—8%. Полученные окатыши очищают от серы, прокаливают и погружают в аммиачный раствор.
2. Карбонильный (метод Монда). Медно-никелевый штейн получают из сульфидной руды, после чего под воздействием высоких температур добывают чистый металл.
3. Алюминотермический. Восстановление элемента из оксидных руд.

Получить наиболее чистый никель позволяет второй способ.

Классификация месторождений

Добыча металла ведется в нескольких месторождениях, которые принято классифицировать на четыре группы. Первая — медно-никелевые сульфидные, они располагаются на территории Австралии, Канады, стран СНГ. Следующая — никелевые силикатные и кобальт-никелевые силикатные, ферроникелевые оксидно-силикатные. Они имеются в Австралии, Кубе, Индонезии, а также на юге Урала и в Побужье.

Медно-колчеданные месторождения и жильные сульфидно-арсенидные бассейны не имеют столь широкого распространения и считаются второстепенными.

На территории Российской Федерации добыча минерала проводится в следующих основных месторождениях: Октябрьское, Ждановское, Талнахское, Буруктальное. Расположены они на территориях Таймырского АО, Мурманской и Оренбургской областей. Запасы минерала считаются достаточными, в ближайшие столетия его нехватка не ожидается.

Потенциальным источником добычи никелевых руд является океаническое дно, поскольку здесь очень много железомарганцевых руд.

Области применения

Благодаря выдающимся физико-химическим свойствам, в частности, устойчивости к коррозии, прочности в сочетании с пластичностью, никель стал широко применяться в различных сферах человеческой жизни. Изначально его использование было ограничено изготовлением ювелирных изделий и чеканкой монет, однако открытие чистого никеля с валентностью 2 существенно расширило область его применения.

Основные области:

1. Никелирование прочих металлов. Никель устойчив к коррозии, поэтому его нанесение на поверхность изделий помогает избавиться от риска появления ржавчины.
2. В сочетании с железом, кадмием, водородом или цинком используется для производства аккумуляторов.
3. Применяется в качестве катализатора при проведении химических реакций.
4. В медицине идет на изготовление брекетов и протезов.
5. В музыкальной индустрии применяется для обмотки струн музыкальных инструментов.
6. На основе никеля изготавливается большое количество жаропрочных суперсплавов, снарядов, экипировки, проволоки.
7. Никелевая сталь активно используется в машиностроении, поскольку помогает получить небольшие по весу, но очень прочные детали. Это его существенный плюс, отличие недорогого в добыче металла от более трудоемких «сородичей».

Кроме того, никель — это элемент, необходимый для нормального функционирования человеческого организма, он влияет на нормальный рост и полноценное развитие. Его недостаток негативно сказывается на работе почек и печени, однако чаще всего к врачам обращаются с диагнозом избыток никеля. Важно помнить, что суточная норма элемента — не более 30—60 мкг. Он содержится в сое, горохе, нуте, фасоли, говяжьей печени, различных видах риса, овсяной крупе.

Хоть выглядит никель довольно скромно, напоминая блеклую копию серебра или стали, он очень полезен человечеству и используется в различных областях современной промышленности.