Нікель метал або неметал. Сфери застосування нікелю. Роль нікелю в організмі людини

Властивості нікелю є важливими параметрами для пошуку, переробки та сфер застосування металу. Вони враховуються для формування складів коїться з іншими матеріалами.

Властивості нікелю визначають його використання у виробництві

Нікель - це метал із властивим йому сріблясто-білим кольором. При температурі 1453 °C перетворюється на рідкий стан, а кипить при 2732 °C. Нікель пластичний, легко піддається обробці під впливом тиску.

Хімічна властивість нікелю характеризується здатністю утворювати сполуки з різним ступенем окиснення. У природних умовах на поверхні металу виникає тонка плівка із оксиду.

Метал має високий показник стійкості до корозії. Нікель не реагує з низкою концентрованих кислот та лугів, але активно розчиняється у розведеній азотній кислоті.

Вступаючи в хімічні реакції, нікель утворює леткі метали та розчинні/нерозчинні солі

З нікелем не вступають у реакцію:

інертні гази;
літій;
калій;
натрій;
цезій;
рубідій;
стронцій;
барій;
іридій;
цезій.

З вуглецевим з'єднанням нікель утворює карбоніл - леткий перехідний метал, що використовується в процесі одержання матеріалів високого класу чистоти. Порошок нікелю здатний самозаймисти при зіткненні з повітрям з утворенням оксидів.

Нікель продукує ряд розчинних та нерозчинних солей. Наприклад, розчин сульфату металу надає рідини зеленого забарвлення. Нерозчинні солі мають насичений жовтий колір.

Форми знаходження металу

В природних умовах нікель зустрічається в поєднанні з рядом хімічних елементів, а формі самородків перебуває у залізних метеоритах.

У гідротермальних умовах нікель формує сполуки з миш'яком, кобальтом, сріблом. Підвищені концентрації металу пов'язані з мінеральними утвореннями-арсенідами та сульфідами.

У природі нікель зазвичай перебуває у сполуках коїться з іншими елементами

Сировиною для отримання цінного компонента є сульфідні, мідно-нікелеві руди з вмістом миш'яку:

нікелін - з'єднання з миш'яком;
хлоантит - білий колчедан, що містить кобальт та залізо;
гарнієрит - силікатна порода із вмістом магнію;
магнітний колчедан - з'єднання сірки із залізом та міддю;
герсдорфіт - миш'яково-нікелевий блиск;
пентландит - з'єднання сірки, заліза та нікелю.

Зміст металу в живих організмах залежить від умов і довкілля. Деякі представники флори та фауни здатні концентрувати метал.

Основні родовища руд перебувають у Канаді, Російської Федерації, Албанії, ПАР, Кубі, Греції.

Процес вилучення металу із руд передбачає застосування технологій залежно від типу сировини. Іноді нікель є другорядним матеріалом збагачення породи.

Тугоплавкі руди з вмістом магнію піддають електричному виплавленню. Латеритові руди, що містять залізо, переробляють гідрометалургійним методом з подальшою обробкою лужними розчинами.

Породу з меншим вмістом заліза плавлять, випалюють і електричної виплавці. Принагідно витягують металевий кобальт або його солі. Підвищений вміст металу спостерігається в золі кам'яного вугілля в Англії. Цей факт пов'язують із діяльністю мікроорганізмів, що концентрують нікель.

Пластичність та інші фізичні властивості нікелевих складів залежить від чистоти матеріалу. Незначна домішка сірки надає металу крихкості. Додавання до розплавленого матеріалу магнію очищає суміш від другорядних домішок з утворенням з'єднання з сіркою.

Галузі застосування нікелю

Фізико-хімічні властивості металу визначають його використання:

у виготовленні нержавіючої сталі;
для формування сплавів, які не містять залізо;
з метою нанесення захисних покриттів на вироби гальванічним способом;
для хімічних реактивів;
у порошковій металургії.

Метал застосовують під час виробництва акумуляторів, з його допомогою відбуваються каталітичні процеси хімічних реакцій у промисловому виробництві. Сплави з титаном є відмінним матеріалом виготовлення протезів і пристосувань для вирівнювання зубів.

Склад на основі хімічного елемента №28 є сировиною для карбування монет, виготовлення спіралей електронних сигарет. Його використовують для обмотки струн музичних інструментів.

При виготовленні сердечників для електромагнітів використовуються склади - пермаллої, що включають 20-60% заліза. Нікель використовується при виготовленні різних деталей та апаратури для хімічної галузі промисловості.

Оксиди металу застосовуються при виробництві скла, глазурі та керамічних виробів. Сучасне виробництво спеціалізується з виготовлення різноманітного прокату: дроту, стрічки, фольги, трубок.

Нікель має широку сферу застосування від покриттів до хімічних реактивів.

Стійкість до агресивного середовища дозволяє використовувати прокат із нікелю для транспортування лугів у хімічній галузі.

Інструменти зі сплаву на основі нікелю застосовуються в медицині та при проведенні наукових досліджень. Метал використовується при створенні точних приладів для дистанційного керування процесами в атомній енергетиці, установок радіолокації.

Характеристика нікелевих сплавів

У складах метал поєднується в основному із залізом та кобальтом. Його застосовують як лігатурний компонент для виробництва різних конструкційних видів сталі, магнітних і немагнітних сплавів.

Металеві сплави на основі хімічного елемента № 28 мають міцність, стійкість до температур, деформації, вплив зовнішнього середовища. Їхнє число сягає кількох тисяч. Найпоширенішими складами є поєднання із хромом, молібденом, алюмінієм, титаном, бериллієм.

Метал вважається лігатурним компонентом золота, що надає ювелірним виробам. білий колірта міцність. По відношенню до цього складу існують думки про алергічний вплив нікелю на шкіру.

У поєднанні з хромом утворюється з'єднання ніхром, що має стійкість до високої температури, мінімальний коефіцієнт електричного опору, пластичність.

Його застосовують для виготовлення нагрівальних приладів, деталей як покриття. Висока міцність з'єднання дозволяє піддавати його механічній обробці, точенню, зварюванню, штампуванню.

Нікелеві сплави мають високу міцність, що дозволяє широко використовувати їх у виробництві

Особливу групу утворюють метали, до складу яких включена мідь. Серед них найпопулярнішими є:

монель;
латунь;
бронза;
нейзильбер.

Більше століття тому було встановлено, що залізно-нікелевий склад, що містить 28% металу, що описується, втрачає свої властивості до намагнічування. Сплавам, що містять 36% нікелю, властивий незначний показник лінійного розширення, що дозволяє застосовувати його у виготовленні точних приладів та інструментів.

Цей склад, що позначається FeNi36, називається інваром, тобто "незмінним". Широке застосування у виробництві знайшов сплав підступ, що містить 29% нікелю, 17% кобальту та 54% заліза.

Він має високу адгезію до розплавленого скла, що дозволяє використовувати склад для виготовлення електричних висновків, що проходять цю речовину.

Деталі Категорія: Переглядів: 4652

НІКЕЛЬ, Ni, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, що належить до тріади т.з. металевих металів (Fe, Со, Ni). Атомна вага 58,69 (відомі 2 ізотопи з атомною вагою 58 і 60); порядковий номер 28; Нормальна валентність Ni дорівнює 2, рідше - 4, 6 і 8. У земній корі нікель більш поширений, ніж кобальт, становлячи близько 0,02% її за вагою. У вільному стані нікель зустрічається лише у метеорному залозі (іноді до 30%); у геологічних утвореннях він міститься виключно у вигляді сполук - кисневих, сірчистих, миш'яковистих, силікатів тощо (див. Нікелеві руди).

Властивості нікелю. Чистий нікель - сріблясто-білий метал із сильним блиском, що не тьмяніє на повітрі. Він твердий, тугоплавкий і легко полірується; за відсутності домішок, (особливо сірки) він дуже гнучкий, ковкий і тягуч, здатний розвальцьовуватися в дуже тонкі листи і витягуватися в дріт діаметром менше 0,5 мм. Кристалічна форма нікелю – куб. Питома вага 8,9; литі вироби мають питому вагу ~8,5; прокаткою він м. б. збільшено до 9,2. Твердість за Мосом ~5, по Брінеллю 70. Граничний опір на розрив 45-50 кг/мм 2 при подовженні 25-45%; модуль Юнга Е 20 = (2,0-2,2) х10 6 кг) см 2; модуль зсуву 0,78 10 6 кг/см 2 ; коефіцієнт Пуассона =0,3; стисливість 0,52 · 10 -6 см 2 / кг; температура плавлення нікелю за найпізнішими найточнішими визначеннями дорівнює 1455°С; температура кипіння - не більше 2900-3075°С.

Лінійний коефіцієнт термічного розширення 0,0000128 (20°С). Теплоємність: питома 0,106 cal/г, атомна 6,24 cal (при 18 ° С); теплота плавлення 58,1 cal/г; теплопровідність 0,14 cal см/см 2 сек. ° С (при 18 ° С). Швидкість звукопередачі 4973,4 м/с. Питомий електричний опір нікелю при 20°С дорівнює 6,9-10 -6 Ω-см із температурним коефіцієнтом (6,2-6,7)·10 -3 . Нікель належить до групи феромагнітних речовин, але магнітні властивості його поступаються таким заліза та кобальту; для нікелю при 18°С межа намагнічення J m = 479 (для заліза J m = 1706); точка Кюрі 357,6 ° С; магнітна проникність як самого нікелю, і його феросплавів значна (див. нижче). При звичайній температурі нікель цілком стійкий до атмосферних впливів; вода та луги, навіть при нагріванні, на нього не діють. Нікель легко розчиняється в розведеній азотній кислоті з виділенням водню і значно важче - у НСl, H 2 SO 4 та концентрована HNО 3 . Будучи розпечений на повітрі, нікель окислюється з поверхні, але лише на незначну глибину; у нагрітому стані він легко з'єднується з галоїдами, сіркою, фосфором та миш'яком. Ринковими сортами металевого нікелю є такі: а) звичайний металургійний нікель, отримуваний відновленням з його оксидів з допомогою вугілля, містить зазвичай від 1,0 до 1,5% домішок; б) ковкий нікель, який отримується з попереднього переплавленням з добавкою близько 0,5% магнію або марганцю, містить домішка Mg або Мn і майже не містить сірки; в) нікель, приготовлений за способом Монда (через нікелькарбоніл) – найбільш чистий продукт (99,8-99,9% Ni). Звичайними домішками в металургійному нікелі є: кобальт (до 0,5%), залізо, мідь, вуглець, кремній, оксиди нікелю, сірка та оклюдовані гази. Всі ці речовини, крім сірки, мало впливають на технічні характеристики нікелю, знижуючи лише його електропровідність і трохи підвищуючи жорсткість. Сірка (присутня у формі сульфіду нікелю) різко зменшує ковкість та механічну міцність нікелю, особливо при підвищеній температурі, що помічається навіть при вмісті<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.

Застосування нікелю. Основна маса металургійного нікелю йде на виготовлення феронікелю та нікелевої сталі. Великим споживачем нікелю є також виробництво різних спеціальних сплавів (див. нижче) для електропромисловості, машинобудування та хімічного апаратуробудування; ця сфера застосування нікелю за останні роки показує тенденцію до посиленого зростання. З ковкого нікелю готують лабораторні апарати та посуд (тиглі, чашки), кухонний та столовий посуд. Великі кількості нікелю витрачаються для нікелювання залізних, сталевих та мідних виробів та у виробництві електричних акумуляторів. З хімічно чистого нікелю виготовляють лампові електроди для радіотехнічної апаратури. Нарешті, відновлений чистий нікель у вигляді порошку є найбільш уживаним каталізатором при всіляких реакціях гідрування (і дегідрування), наприклад, при гідрогенізації жирів, ароматичних вуглеводнів, карбонільних сполук і т.д.

Нікелеві сплави . Якісний і кількісний склад нікелевих сплавів, що застосовуються, дуже різноманітний. Технічне значення мають сплави нікелю з міддю, залізом і хромом (саме останнім часом також з алюмінієм), - часто з добавкою третього металу (цинку, молібдену, вольфраму, марганцю та ін.) та з певним вмістом вуглецю або кремнію. Зміст нікелю у цих металах варіює від 1,5 до 85%.

Сплави Ni-Cuутворюють твердий розчин за будь-якого співвідношення компонентів. Вони стійкі по відношенню до лугів, розведеної H 2 SО 4 і нагрівання до 800°З; антикорозійні властивості їх зростають із збільшенням вмісту Ni. Зі сплаву 85% Cu+15% Ni виготовляються оболонки для куль, із сплаву 75% Сі + 25% Ni - дрібна розмінна монета. Сплави з 20-40% Ni служать виготовлення труб у конденсаційних установках; такі ж метали використовуються для облицювання столів у кухнях і буфетах і для виготовлення штампованих орнаментальних прикрас. Сплави з 30-45% Ni йдуть на виробництво реостатного дроту та стандартних електричних опорів; сюди відносяться, наприклад, нікелін і константан. Сплави Ni-Cu з високим вмістом Ni (до 70%) відрізняються великою хімічною стійкістю і широко застосовуються в апарато- та машинобудуванні. Найбільшого поширення користується монель-метал.

Сплави Ni-Cu-Znдосить стійкі до органічних кислот (оцтової, винної, молочної); при вмісті близько 50% міді вони поєднуються під загальною назвою нейзильбера. Багатший міддю апаратурний сплав комарок містить 20% Ni, 75% Сu і 5% Zn; за стійкістю він поступається монель-метал. Сплави типу бронзи або латуні, що містять у своєму складі нікель, іноді називають також нікелевою бронзою.

Сплави Ni-Cu-Mn, що містять 2-12% Ni, під назвою манганіну використовуються для електричних опорів; в електровимірювальних приладах застосовується сплав із 45-55% Ni, 15-40% Мn та 5-40% Сu.

Сплави Ni-Cu-Сгстійки по відношенню до лугів та кислот, за винятком НСl.

Сплави Ni-Cu-Wостаннім часом набули великого значення як цінні кислототривкі матеріали для хімічної апаратури; при вмісті 2-10% W і не понад 45% Суоні добре вальцуються і дуже стійкі до гарячої H 2 SO 4 . Найкращими властивостями має сплав складу: 52% Ni, 43% Сu, 5% W; допустима невелика домішка Fe.

Сплави Ni-Cr. Хром розчиняється у нікелі до 60%, нікель у хромі до 7%; у сплавах проміжного складу є кристалічні ґрати обох типів. Ці сплави стійкі по відношенню до вологого повітря, лугів, розведених кислот і H 2 SО 4 ; при вмісті 25% Сг і більше вони стійкі і проти HNO 3 ; добавка ~2% Ag робить їх легко вальцюючими. При 30% нікелю метал Ni-Cr цілком позбавлений магнітних властивостей. Сплав, що містить 80-85% Ni і 15-20% Сг, поряд з високим електричним опором стійкий до окислення при високих температурах (витримує нагрівання до 1200°С); він застосовується в електричних печах опору та господарських нагрівальних приладах (електричні праски, жаровні, плити). У США із Ni-Cr виготовляються литі труби для високих тисків, що застосовуються у заводській апаратурі.

Сплави Ni-Moмають високу кислототривкість (при >15% Мо), але не отримали поширення внаслідок їх дорожнечі.

Сплави Ni-Mn(з 1,5-5,0% Мn) стійки по відношенню до лугів і вологи; технічне застосування обмежено.

Сплави Ni-Feутворюють безперервний ряд жорстких розчинів; вони становлять велику та технічно важливу групу; Залежно від вмісту вуглецю вони мають характер або сталі, або чавуну. Звичайні сорти нікелевої сталі (перлітової структури) містять 1,5-8% Ni і 0,05-0,50% С. Присадка нікелю робить сталь дуже в'язкою і значно підвищує її межу пружності та ударний опір на вигин, не порушуючи ковкості та зварюваності. . З нікелевої сталі готують відповідальні деталі машин, наприклад передавальні вали, осі, шпинделі, цапфи, зубчасті зчеплення тощо, а також багато деталей артилерійських конструкцій; сталь з 4-8% Ni та<0,15% С хорошо поддается цементации. Введение никеля в чугуны(>1,7% С) сприяє виділенню вуглецю (графіту) та руйнуванню цементиту; нікель підвищує твердість чавуну, його опір на розтяг та вигин, сприяє рівномірному розподілу твердості у виливках, полегшує механічну обробку, надає дрібнозернистості та зменшує утворення порожнеч у лиття. Нікелістий чавунзастосовується як лужний матеріал для хімічної апаратури; найбільш придатні для цієї мети чавуни із вмістом 10-12% Ni та ~1% Si. Сталеподібні сплави з більш високим вмістом нікелю (25-46% Ni при 0,1-0,8%) мають аустенітову структуру; вони дуже стійкі до окислення, до дії гарячих газів, лугів і оцтової кислоти, мають високий електричний опір і дуже малий коефіцієнт розширення. Ці метали майже магнітні; при вмісті Ni не більше 25-30% вони цілком втрачають магнітні властивості; магнітна проникність їх (у полях низької напруженості) зростає зі збільшенням вмісту нікелю та м. б. ще підвищена спеціальною термічною обробкою. До сплавів цієї категорії відносяться: а) феронікель (25% Ni при 0,3-0,5% С), що йде на виготовлення клапанів моторів та інших машинних частин, що працюють за підвищеної температури, а також немагнітних частин електричних машин та реостатного дроту; б) інвар; в) платініт (46% Ni при 0,15% С) застосовується в електролампах замість платини для впаювання дротів у скло. Сплав пермалою (78% Ni при 0,04% З) має магнітну проникність μ = 90000 (у полі напруженістю 0,06 гауса); межа намагнічення I m = 710. Деякі сплави цього йдуть виготовлення підводних електричних кабелів.

Сплави Ni-Fe-Cr- також дуже важлива у технічному відношенні група. Хромонікелева сталь, що вживається в машино-і моторобудуванні, містить зазвичай 1,2-4,2% Ni, 0,3-2,0% Сг і 0,12-0,33% С. Крім високої в'язкості вона має і значну твердість і опірність зносу; тимчасовий опір на розрив, залежно від характеру термічної обробки, коливається між 50 та 200 кг/мм 2 ; йде на виготовлення колінчастих валів та інших деталей двигунів внутрішнього згоряння, частин верстатів та машин, а також артилерійської броні. У сталь для лопаток парових турбін з метою підвищення твердості вводиться велика кількість хрому (від 10 до 14%). Хромонікелеві сталі з вмістом >25% Ni добре протистоять дії гарячих газів і мають мінімальну плинність: вони можуть піддаватися значним зусиллям в умовах високої температури (300-400°С), не виявляючи залишкових деформацій; Використовуються виготовлення клапанів до моторів, елементів газових турбін і конвеєрів для високотемпературних установок (наприклад, печей для відпалу скла). Сплави Ni-Fe-Cr, що містять >60% Ni, служать виготовлення литих машинних деталей і низькотемпературних елементів електричних нагрівальних приладів. Як апаратурний матеріал, сплави Ni-Fe-Cr мають високі антикорозійні властивості і досить стійкі по відношенню до HNО 3 . У хімічному апаратобудуванні користуються хромонікелевою сталлю, що містить 2,5-9,5% Ni і 14-23% Сг при 0,1-0,4%; вона майже не магнітна, стійка до HNО 3 гарячого аміаку і до окислення при високих температурах; присадка Мо або Сu підвищує стійкість до гарячих кислотних газів (SO 2 НСl); підвищення вмісту Ni збільшує здатність сталі до механічної обробки та стійкості до H 2 SO 4 але зменшує стійкість до HNO 3 . Сюди відносяться круппівські нержавіючі сталі (V1M, V5M) та кислототривкі сталі(V2A, V2H та ін.); термічна обробка їх полягає в нагріванні до ~ 1170 ° С і загартуванні у воді. Як лужностійкий матеріал застосовують нікель-хромистий чавун(5-6% Ni та 5-6% Сг при вмісті >1,7% С). Сплав ніхром, що містить 54-80% Ni, 10-22% Сг і 5-27% Fe, іноді з добавкою Сu і Мn, стійкий до окислення в межах температур до 800°С і знаходить застосування в нагрівальних приладах (цієї ж назвою іноді позначають описані вище сплави Ni-Cr, які не містять Fe).

Сплави Ni-Fe-Moпропонувалися як апаратурний матеріал. Найвищою кислототривкістю та антикорозійними властивостями володіє сплав з 55-60% Ni, 20% Fe та 20% Мо, при вмісті< 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, добре вальцюється, кується, відливається та обробляється на верстатах.

Сплави Ni-Fe-Cuзастосовуються у хімічній апаратурі (сталь з 6-11% Ni та 16-20% Сu).

Сплави Ni-Fe-Si. Для будівництва кислототривкої апаратури застосовуються кремненікелеві сталі марки «дурімет» (Durimet), що містять 20-25% Ni (або Ni і Сг щодо 3:1) і ~ 5% Si, іноді з добавкою Сu. Вони стійкі до холодних і гарячих кислот (H 2 SО 4 , HNO 3 , СН 3 ·СООН) та соляних розчинів, менш стійкі до НСl; добре піддаються гарячій та холодній механічній обробці.

У сплавах Ni-AIмає місце утворення хімічної сполуки AINi, що розчиняється надлишку одного з компонентів сплаву.

Технічне значення починають набувати сплавів, основою яких є система Ni-AI-Si. Вони виявилися дуже стійкими по відношенню до HNО 3 і холодної і гарячої H 2 SО 4 , але механічної обробки майже не піддаються. Такий, наприклад, новий кислототривкий сплав для литих виробів, що містить близько 85% Ni, 10% Si і 5% Аl (або Аl + Сu); його твердість за Брінеллем близько 360 (відпалом при 1050 ° С знижується до 300).

Металургія нікелю . Головною сферою застосування нікелю є виробництво спеціальних сортів сталі. Під час війни 1914-18 рр. з цією метою витрачалося щонайменше 75% всього нікелю; в нормальних умовах ~65%. Нікель широко застосовується також у сплавах його з незалізними (кольоровими) металами, гол. обр. з міддю (~15%). Решта кількості нікелю йде: на виготовлення нікелевих анодів – 5%, ковкого нікелю – 5% та різних виробів – 10%.

Центри виробництва нікелю неодноразово переміщалися з одних місцевостей земної кулі до інших, що пояснювалося наявністю благонадійних рудних родовищ та загальної економічної кон'юнктурою. Промислове виплавлення нікелю з руд почалося в 1825-26 р. у Фалуні (Швеція), де було знайдено нікель, що містить сірчаний колчедан. У 90-х роках минулого століття шведські родовища виявилися практично вичерпаними. Лише під час війни 1914-18 рр., у зв'язку з підвищенням попиту на металевий нікель, Швеція давала кілька десятків тонн цього металу (максимум 49 т 1917 р.). У Норвегії виробництво почалося 1847-50 гг.

Головною рудою тут були пірротини із вмістом у середньому 0,9-1,5% Ni. Виробництво в Норвегії у невеликих розмірах (максимум - близько 700 т на рік під час війни 1914-18 рр.) Існує і до теперішнього часу. У середині минулого століття центр нікелевої промисловості зосередився у Німеччині та Австро-Угорщині. Спочатку вона базувалася тут виключно на миш'яковистих рудах Шварцвальда і Гладбаха, і з 1901 року, і особливо під час війни 1914-18 рр., на окислених рудах Сілезії (Франкенштейн). Розробка родовищ нікелевих руд у Новій Каледонії почалася в 1877 р. Завдяки використанню цих руд світове виробництво нікелю в 1882 р. досягло майже 1000 т. Добута тут руда перероблялася дома лише в обмежених кількостях, головна ж її маса вирушала до Європи. Лише останніми роками, внаслідок підвищених транспортних тарифів, до Європи імпортуються гол. обр. багаті штейни, що містять 75-78% Ni, у кількості нікелю близько 5000 т на рік. В даний час припущено отримувати металевий нікель у Новій Каледонії, для чого товариством «Нікель» споруджується рафінувальний завод, який користуватиметься електричною енергією гідростанції на річці Яте. Нікелева промисловість у Канаді (Північна Америка) виникла наприкінці 80-х років. минулого сторіччя. Досі тут існували дві фірми; одна англійська - Mond Nickel С. та інша американська - International Nickel Со. Наприкінці 1928 року обидві фірми об'єдналися у потужний світовий трест під назвою International Nickel Company of Canada, що постачає на ринок близько 90% світової продуктивності нікелю та експлуатує родовища, розташовані поблизу м. Седбюрі. Фірма Mond Nickel З. проплавляє свої руди на заводі в Коністоні на штейн, який для подальшої переробки вирушає до Англії на завод у Клейдаку. Фірма International Nickel С.А. виплавлений на заводі в Конперкліфі штейн відправляє для отримання металу на завод у Порт-Кольборн. Світове виробництво нікелю останніми роками сягає 40000 т.

Переробка нікелевих руд провадиться виключно сухим шляхом. Гідрометалургійні методи, що неодноразово рекомендувалися для переробки руд, не знайшли застосування в практиці. Ці способи нині іноді застосовуються лише до переробки проміжних продуктів (штейнів), одержуваних у результаті переробки руд сухим шляхом. Застосування сухого шляху до переробки нікелевих руд (як сірчистих, і окислених) характеризується здійсненням однієї й тієї самої принципу поступової концентрації цінних складових руди, як тих чи інших продуктів, які потім переробляються на метали, підлягають извлечению. Перша стадія такої концентрації пінних складових нікелевих руд здійснюється рудною плавкою на штейн. У разі сірчистих руд, останні плавляться у сирому чи попередньо обпаленому стані у шахтних чи полум'яних печах. Окислені руди плавляться і в шахтних печах з добавкою в їх шихту сірку містять матеріалів. Штейн рудної плавки, роштейн , виявляється не придатним його безпосередньої переробки на які у ньому цінні метали, завдяки їх порівняно незначної концентрації у цьому продукті. З огляду на це штейн рудної плавки піддається подальшої концентрації або шляхом випалу його з подальшим плавленням в шахтній печі, або шляхом окислювальної плавки на поду вогненної печі, або в конвертері. Ці скорочувальні, або концентраційні, штейнові плавки, вироблені практично одно- чи багаторазово, кінцевою метою мають отримання чистого найбільш концентрованого штейна (файнштейна ), що складається лише з сульфідів цінних металів з деякою кількістю останніх, що знаходяться у вільному стані. Файнштейни, одержувані практично, бувають двох пологів залежно від своїх складу. При переробці окислених новокаледонських руд, що не містять інших крім нікелю цінних металів, файнштейн представляє сплав сульфіду нікелю (Ni 3 S 2) з деякою кількістю металевого нікелю. В результаті переробки сірчистих канадських руд, що містять і нікель і мідь, одержуваний файнштейн представляє сплав сульфідів міді і нікелю з деякою кількістю цих металів у вільному стані. Залежно від складу файнштейна змінюється та його переробка на чисті метали. Найбільш простий є переробка файнштейна, що містить лише нікель; переробка мідно-нікелевого файнштейну складніша і м.б. здійснено різними шляхами. Переробка окислених руд на штейн із сірковмісними добавками (гіпсом) була запропонована Гарнієрі в 1874 році. Переробка цих руд у Франкенштейні (Німеччина) проводилася так. До рудної суміші, що містила 4,75% Ni, додалося 10% гіпсу або 7% ангідриту та 20% вапняку; сюди ж додавалася і кілька плавикового шпату. Вся ця суміш ретельно перемішувалась, змолювалася і потім пресувалася в цеглу, яка після висушування проплавлялася в шахтній печі витратою коксу в 28-30% від ваги руди. Добова продуктивність шахтної печі сягала 25т руди. Перетин печі на рівні фурм дорівнює 1,75 м2; висота її 5 м. Нижня частина шахти на висоту 2 м мала ватер-жакети. Шлаки дуже кислі; у них губилося 15% Ni. Склад роштейну: 30-31% Ni; 48-50% Fe і 14-15% S. Роштейн гранулювався, дробився, обпалювався і переплавлявся у вагранці в суміші з 20% кварцу та при витраті коксу в 12-14% від ваги обпаленого роштейну на концентрований штейн наступного середнього складу: 65 Ni, 15% Fe та 20% S. Останній конвертувався на файнштейн: 77,75% Ni, 21% S, 0,25-0,30% Fe та 0,15-0,20% Сu. Ретельно подрібнений файнштейн піддається випалюванню в полум'яних печах (з ручним перегрібанням або механічним) до повного видалення сірки. Наприкінці випалу до обпалюваної маси додають деяку кількість NaNО 3 і Na 2 CО 3 не тільки для того, щоб полегшити вигоряння сірки, але і для того, щоб присутні іноді в штейні As і Sb перевести в сурм'яно- і миш'яковокислі солі, які потім вилуговуються водою із обпаленого продукту. Отримана в результаті випалу NiO піддається відновленню, для чого закис нікелю змішується з борошном і водою і отриманого тесту формують кубики, які потім нагрівають в тиглях або ретортах. Під кінець відновлення температура піднімається до 1250°С, що сприяє зварюванню окремих відновлених частинок Ni суцільну масу.

Фірма International Nickel С.А. переробляє свої сірчисті руди слід. обр. Рудна плавка в залежності від їхньої крупності ведеться або в шахтних або в полум'яних печах. Шматкові руди піддаються попередньому випалюванню в купах; тривалість випалу від 8 до 10 місяців. Обпалена руда плавиться у суміші з деякою кількістю необпаленої руди у шахтних печах. Флюсів не додається, тому що руда самофлюсується. Витрата коксу 105% від ваги рудної суміші. За добу проплавляється в печі близько 500 т руди. Штейн рудної плавки зазнає конвертування на файнштейн. Конвертерний шлак частиною повертається до конвертера, частиною йде в шихту рудної плавки. Склад руд та продуктів наведено у табл.:

Дрібна руда піддається випалюванню у Веджа печах до вмісту сірки в 10-11% і потім плавці в полум'яній печі. Конвертерний шлак, що містить 79,5% (Сu + Ni), 20% S і 0,30% Fe, переробляється процесом Орфорда, що перебуває в переплавці файнштейна в присутності Na 2 S. Останній викликає розшаровування продуктів плавки на два шари: верхній, що представляє сплав Cu 2 S + Na 2 S і нижній, що містить майже чистий сульфід нікелю. Кожен із цих шарів переробляється на відповідний метал. Верхній, медьсодержащий, шар відділенні від нього Na 2 S піддається конвертуванню, а нижній, нікелевий, шар піддається хлоруючого випалу, вилуговування (причому він звільняється від деякого міститься в ньому кількості міді), і отримана т.ч. закис нікелю відновлюється. Деяка кількість мідно-нікелевого файнштейна піддається окислювальному випалюванню та подальшому відновлювальному плавленню на мідно-нікелевому сплаві, відомий під назвою Монель-метала.

Фірма Mond Nickel З. свої руди збагачує; отримані концентрати зазнають спекуючого випалу на машинах Dwight-Lloyd'a, агломерат з яких іде у шахтну піч. Штейн рудної плавки піддається конвертуванню, отриманий файнштейн переробляється способом Mond 'а, для чого файнштейн дробиться, обпалюється і вилуговується H 2 SО 4 видалення більшої частини міді у вигляді CuSО 4 . Залишок, що містить NiO з деякою кількістю міді, висушується і надходить в апарат, де він відновлюється при 300 ° С воднем (водяний газ). Відновлений, дрібно роздроблений нікель надходить у наступний апарат, де він приводиться в дотик із ЗІ; при цьому утворюється летючий карбонат нікелю - Ni(CO) 4 який переводиться в третій апарат, де підтримується температура 150°С. При цій температурі Ni(CO) 4 розкладається на металевий Ni та CO. Отриманий цим шляхом металевий нікель містить 99,80% Ni.

Крім зазначених двох способів отримання нікелю з мідно-нікелевого файнштейна існує ще спосіб Hybinette, що дає можливість отримувати електролітичним нікель шляхом. Електролітичний нікель містить: 98,25% Ni; 0,75%; 0,03% Сu; 0,50% Fe; 0,10% З та 0,20% Рb.

Питання виробництві нікелю у СРСР має столітню історію. Вже у 20-х роках минулого століття були відомі нікелеві руди на Уралі; У свій час уральські родовища нікелевих руд, що містять близько 2% Ni, розглядалися як одне з головних джерел сировини для світової нікелевої промисловості. Після відкриття нікелевих руд на Уралі М. Даниловим, П. А. Демидовим та Г. М. Пермікіним був проведений цілий ряд дослідів з їхньої переробки. У Ревдинську за 1873-77 рр. було одержано 57,3 т металевого нікелю. Але подальше вирішення поставленого завдання було припинено після відкриття найбагатших і найпотужніших родовищ нікелевих руд у Новій Каледонії. Питання вітчизняному нікелі знову поставлено дозвіл під впливом обставин, викликаних війною 1914-18 гг. Влітку 1915 року на Уфалейском заводі були зроблені П. М. Бутиріним та В. Є. Васильєвим досліди виплавки штейна в полум'яній печі. В цей же час велися досліди щодо вилучення нікелю з Уфалейських руд у петербурзькому політехнічному інституті Г. А. Кащенко під керівництвом проф. А. А. Байкова, а восени 1915 велися пробні плавки в полум'яній печі на заводі. Влітку 1916 р. на Ревдинському заводі були проведені досліди виплавки мідно-нікелевих штейнів із бідних нікелевих руд (0,86% Ni) та бідних міддю колчеданів (1,5% Сu). Плавка велася у шахтній печі. У цей час у доменної печі проплавлялися ревдинські нікельсодержащие бурі залізняки на нікелістий чавун (весь нікель руди у своїй концентрується в чавуні), поставлявшийся з договору з морським відомством з його ленінградські заводи. Всі перелічені дослідження внаслідок цілого ряду обставин не отримали тоді завершення у формі відповідних заводських процесів. В останні роки проблема отримання нікелю з уральських руд знову стала на дозвіл, і практичне здійснення її, згідно з вмістом нікелю в рудах, має відбуватися у двох напрямках. Зміст нікелю в уральських рудах - невисоке, і по ньому руди поділяються на два сорти: 1-й та 2-й. Руди 1-го сорту, придатні для пірометалургійної переробки, в середньому містять близько 3% Ni; руди 2-го ґатунку - близько 1,5% і нижче. Останні руди не м. б. піддані переробці плавкою без їх попереднього збагачення. Інша можливість переробки бідних нікелевих руд – шлях гідрометалургійний; він д. б. ще вивчений. В даний час для переробки руд 1-го ґатунку на Уралі будується завод.

Положення в періодичній системі:

Нікель – елемент десятої групи, четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д.І. Менделєєва з атомним номером 28. Позначається символом Ni (лат. Niccolum).

Будова атома:

Конфігурація зовнішніх електронних оболонок атома 3s23p63d84s2; енергії іонізації Ni0 3048-4.jpgNi+ 3048-5.jpgNi2+3048-6.jpgNi3+ 7,634, 18,153 і 35,17 еВ; електронегативність за Полінгом 1,80; атомний радіус 0,124нм, іонний радіус (у дужках вказані координації числа) Ni2+ 0,069 нм (4), 0,077 нм (5), 0,083 нм (6)

Ступені окислення: Утворює сполуки найчастіше у ступені окислення +2 (валентність II), рідше - у ступені окислення +3 (валентність III) і дуже рідко в ступенях окислення +1 та +4 (відповідно до валентності I та IV).

Нікель проста речовина

Поширення у природі:

Нікель досить поширений у природі - його утримання у земній корі становить бл. 0,01% (мас.). У земній корі зустрічається лише у зв'язаному вигляді, у залізних метеоритах міститься самородний нікель (до 8%). Зміст їх у ультраосновних породах приблизно 200 разів вище, ніж у кислих (1,2 кг/т і 8г/т). У ультраосновних породах переважна кількість нікелю пов'язані з оливинами, що містять 0,13 - 0,41% Ni. Він ізоморфно замінює залізо та магній. Невелика частина нікелю є у вигляді сульфідів. Нікель виявляє сидерофільні та халькофільні властивості. При підвищеному вмісті в магмі сірки виникають сульфіди нікелю разом із міддю, кобальтом, залізом та платиноїдами. У гідротермальному процесі разом із кобальтом, миш'яком і сірою і іноді з вісмутом, ураном і сріблом, нікель утворює підвищені концентрації як арсенідів і сульфідів нікелю. Нікель зазвичай міститься в сульфідних і миш'як-містять мідно-нікелевих рудах.

- нікелін (червоний нікелевий колчедан, купфернікель) NiAs,
- хлоантит (білий нікелевий колчедан) (Ni, Co, Fe) As2,
- гарнієрит (Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6*H2O та інші силікати,
- магнітний колчедан (Fe, Ni, Cu) S,
- миш'яково-нікелевий блиск (герсдорфіт) NiAsS,
- Пентландіт (Fe, Ni) 9S8.

Про нікель в організмі відомо вже чимало. Встановлено, наприклад, що вміст його в крові людини змінюється з віком, що у тварин кількість нікелю в організмі підвищена, нарешті, що існують деякі рослини та мікроорганізми - "концентратори" нікелю, що містять у тисячі і навіть у сотні тисяч разів більше нікелю, ніж довкілля.

Історія відкриття:

Нікель (англ., франц. і нім. Nickel) відкрито в 1751 р. Проте задовго до цього саксонські гірники добре знали руду, яка зовні була схожа на мідну і застосовувалася в скловаренні для фарбування стекол у зелений колір. Усі спроби отримати з цієї руди мідь виявилися невдалими, у зв'язку з чим наприкінці XVII ст. руда отримала назву купфернікель (Kupfernickel), що означає «Мідний диявол». Цю руду (червоний нікелевий колчедан NiAs) в 1751 досліджував шведський мінералог Кронштедт. Йому вдалося отримати зелений окис і шляхом відновлення останнього – новий метал, названий нікелем. Коли Бергман отримав метал у чистішому вигляді, він встановив, що за своїми властивостями метал схожий на залізо; Докладніше нікель вивчали багато хіміків, починаючи з Пруста. Ніккел - лайливе слово мовою гірників. Воно утворилося зі спотвореного Nicolaus - родового слова, що мало кілька значень. Але переважно слово Nicolaus служило для характеристики двуличних людей; крім того, воно позначало «пустотливий маленький дух», «оманливий ледар» і т.д. У російській літературі початку ХІХ ст. вживалися назви ніколан (Шерер, 1808), ніколан (Захаров, 1810), ніколь та нікель (Двігубський, 1824)

Фізичні властивості:

Нікель - ковкий та пластичний метал. Він має кубічні гранецентровані кристалічні грати (параметра = 0,35238 нм). Температура плавлення 1455 ° C, температура кипіння близько 2900 ° C, щільність 8,90 кг/дм3. Нікель - феромагнетик, точка Кюрі близько 358 ° C.

Питомий електричний опір 0,0684 мкОм.

Коефіцієнт лінійного теплового розширення б=13,5×10×6 K×1 при 0 °C.

Коефіцієнт об'ємного теплового розширення =38--39?10?6 K?1.

Модуль пружності 196-210 ДПа.

Хімічні властивості:

Атоми нікелю мають зовнішню конфігурацію електронної 3d84s2. Найбільш стійким для нікелю є стан окиснення Ni(II). Нікель утворює сполуки зі ступенем окиснення +1, +2, +3 та +4. При цьому сполуки нікелю зі ступенем окиснення +4 рідкісні та нестійкі. Оксид нікелю Ni2O3 є сильним окисником. Нікель характеризується високою корозійною стійкістю - стійкий на повітрі, у воді, у лугах, у ряді кислот. Хімічна стійкість обумовлена його схильністю до пасивування - утворення на його поверхні щільної оксидної плівки, що має захисну дію. Нікель активно розчиняється в розведеній азотній кислоті:(3 Ni + 8 HNO_3 (30%) 3 Ni(NO_3)_2 + 2 NO + 4 H_2O)і в гарячій концентрованій сірчаній:(Ni + 2 H_2SO_4 NiSO_4 + SO_2 + 2 H_2O)

З соляною та з розведеною сірчаною кислотами реакція протікає повільно. Концентрована азотна кислота пасивує нікель, проте при нагріванні реакція все ж таки протікає (основний продукт відновлення азоту - NO2). .Нікель горить лише у вигляді порошку. Утворює два оксиди NiO і Ni2O3 і відповідно два гідроксиди Ni(OH)2 та Ni(OH)3. Найважливіші розчинні солі нікелю - ацетат, хлорид, нітрат та сульфат. Водні розчини солей пофарбовані зазвичай у зелений колір, а безводні солі – жовті або коричнево-жовті. До нерозчинних солей відносяться оксалат і фосфат (зелені), три сульфіди: NiS (чорний), Ni3S2 (жовтувато-бронзовий) та Ni3S4 (сріблясто-білий). Нікель також утворює численні координаційні та комплексні сполуки. Наприклад, диметилгліоксимат нікелю Ni(C4H6N2O2)2, що дає чітке червоне забарвлення в кислому середовищі, широко використовується в якісному аналізівиявлення нікелю. Водний розчин нікелю сульфату має зелений колір. Водні розчини солей нікелю(II) містять іон гексааквінікелю(II) 2+.

Отримання:

Загальні запаси нікелю в рудах початку 1998 р. оцінюються у кількості 135 млн т., зокрема достовірні -- 49 млн.т. Основні руди нікелю - нікелін (купфернікель) NiAs, мілерит NiS, пентландит (FeNi) 9S8 - містять також миш'як, залізо та сірку; у магматичному пірротині також зустрічаються включення пентландіту. Інші руди, з яких теж видобувають Ni, містять домішки Co, Cu, Fe та Mg. Іноді нікель є основним продуктом процесу рафінування, але найчастіше його отримують як побічний продукт у технологіях інших металів. З достовірних запасів, за різними даними, від 40 до 66% нікелю знаходиться в «окислених нікелевих рудах» (ОНР), 33% - у сульфідних, 0,7% - в інших. Станом на 1997 р. частка нікелю, виробленого переробкою ЗНР, становила близько 40% загальносвітового обсягу виробництва. У промислових умовах ОНР ділять на два типи: магнезіальні та залізисті. Тугоплавкі магнезіальні руди, як правило, піддають електроплавці на феронікель (5--50 % Ni+Co, залежно від складу сировини і технологічних особливостей). . Залежно від складу сировини та застосовуваних технологічних схем кінцевими продуктами цих технологій є: закис нікелю (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфідні концентрати різного складу, а також металеві електролітний нікель, нікелеві порошки та кобальт. Менш залізисті - нонтронітові руди плавлять на штейн. На підприємствах, що працюють за повним циклом, подальша схема переробки включає конвертування, випалювання файнштейна, електроплавку закису нікелю з отриманням металевого нікелю. Попутно видобутий кобальт випускають у вигляді металу та/або солей. Ще одне джерело нікелю: у золі вугілля Південного Уельсу в Англії - до 78 кг нікелю на тонну. Підвищений вміст нікелю в деяких кам'яних вугіллі, пефтях, сланцях говорить про можливість концентрації нікелю викопною органічною речовиною. Причини цього явища поки що не з'ясовані.

Застосування:

Нікель є основою більшості суперсплавів - жароміцних матеріалів, що застосовуються в аерокосмічній промисловості для деталей силових установок. Монель-метал (65 - 67% Ni + 30 - 32% Cu + 1% Mn), жаростійкий до 500 ° C, дуже корозійно-стійкий; біле золото(наприклад, 585 проби містить 58,5 % золота та сплав (лігатуру) із срібла та нікелю (або паладію)); ніхром, сплав нікелю та хрому (60 % Ni + 40 % Cr); пермаллою (76 % Ni + 17 % Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), має високу магнітну сприйнятливість при дуже малих втратах на гістерезис; інвар (65% Fe + 35% Ni), що майже не подовжується при нагріванні; Крім того, до сплавів нікелю відносяться нікелеві та хромонікелеві сталі, нейзильбер та різні сплави опору типу константану, нікеліну та манганіну.Нікель присутній як компонент ряду нержавіючих сталей.

Хімічна технологія.

У багатьох хіміко-технологічних процесах як каталізатор використовується нікель Ренея.

Радіаційні технології.

Нуклід 63Ni, що випромінює частки, має період напіврозпаду 100,1 року і застосовується в крайтронах, а також детекторах електронного захоплення (ЕЗД) в газовій хроматографії.

Медицина.

Застосовується під час виготовлення брекет-систем (нікелід титану).

Протезування.

Монетна справа.

Нікель широко застосовується під час виробництва монет у багатьох країнах. У США монета номіналом 5 центів носить розмовну назву «нікель».

Метал у нечистому вигляді вперше отримав у 1751 році шведський хімік А. Кронстедт, який запропонував і назву елемента. Значно чистіший метал отримав у 1804 році німецький хімік І. Ріхтер. Назва "Нікель" походить від мінералу купфернікелю (NiAs), відомого вже в 17 столітті і часто вводив в оману гірників зовнішньою схожістю з мідними рудами (нім. Kupfer - мідь, Nickel - гірський дух, який нібито підсовував гірникам замість руди порожню породу). З середини 18 століття Нікель застосовувався лише як складова частина сплавів, на вигляд схожих на срібло. Широкий розвиток нікелевої промисловості наприкінці 19 століття пов'язане зі знаходженням великих родовищ нікелевих руд у Новій Каледонії та в Канаді та відкриттям "окраїного" його впливу на властивості сталей.

Поширення Нікеля у природі.Нікель – елемент земних глибин (в ультраосновних породах мантії його 0,2% за масою). Існує гіпотеза, що земне ядро складається із нікелістого заліза; відповідно до цього середній вміст Нікель у землі загалом за оцінкою близько 3%. У земній корі, де Нікеля 5,8 10 -3 %, він також тяжіє до глибшої, про базальтовой оболонці. Ni в земній корі - супутник Fe і Mg, що пояснюється схожістю їхньої валентності (II) та іонних радіусів; в мінерали двовалентних заліза та магнію Нікель входить у вигляді ізоморфної домішки. Власних мінералів Нікеля відомо 53; більшість їх утворилося при високих температурах і тисках, при застиганні магми або з гарячих водних розчинів. Родовища Нікеля пов'язані з процесами в магмі та корі вивітрювання. Промислові родовища Нікеля (сульфідні руди) зазвичай складені мінералами Нікелю та міді. На земній поверхні, у біосфері Нікель – порівняно слабкий мігрант. Його відносно мало у поверхневих водах, у живій речовині. У районах, де переважають ультраосновні породи, ґрунт та рослини збагачені нікелем.

Фізичні характеристики Нікеля.За звичайних умов Нікель існує у вигляді β-модифікації, що має гранецентровані кубічні ґрати (а = 3,5236Å). Але Нікель, підданий катодного розпилення в атмосфері H 2 , утворює α-модифікацію, що має гексагональну решітку щільної упаковки (а = 2,65 Å, с = 4,32 Å), яка при нагріванні вище 200 ° C переходить у кубічну. Компактний кубічний Нікель має щільність 8,9 г/см 3 (20 °C), атомний радіус 1,24 Å, іонні радіуси: Ni 2+ 0,79 Å, Ni 3+ 0,72 Å; t пл 1453 ° C; t кіп близько 3000 °C; питома теплоємність при 20°C 0,440 кдж/(кг·К); температурний коефіцієнт лінійного розширення 13,3 · 10 -6 (0-100 ° C); теплопровідність при 25°C 90,1 вт/(м·К); також при 500 °C 60,01 вт/(м·К) . Питома електроопір при 20°C 68,4 ном·м, тобто. 6,84 мком · см; температурний коефіцієнт електроопору 6,8·10 -3 (0-100 °C). Нікель - ковкий і тягучий метал, з нього можна виготовляти найтонші листи та трубки. Межа міцності при розтягуванні 400-500 Мн/м2 (тобто 40-50 кгс/мм2); межа пружності 80 Мн/м 2 межа плинності 120 Мн/м 2 ; відносне подовження 40%; модуль нормальної пружності 205 Гн/м2; твердість по Брінеллю 600-800 Мн/м2. У температурному інтервалі від 0 до 631 К (верхня межа відповідає точці Кюрі) Нікель феромагнітний. Феромагнетизм Нікеля обумовлений особливостями будови зовнішніх електронних оболонок (3d 8 4s 2) його атомів. Нікель разом з Fe (3d 6 4s 2) і З (3d 7 4s 2), також феромагнетиками, відноситься до елементів з недобудованою 3d-електронною оболонкою (до перехідних 3d-металів). Електрони недобудованої оболонки створюють некомпенсований спіновий магнітний момент, ефективне значення якого для атомів Нікелю становить 6 μ Б, де μ Б - магнетон Бора. Позитивне значення обмінної взаємодії у кристалах Нікеля призводить до паралельної орієнтації атомних магнітних моментів, тобто до феромагнетизму. З тієї ж причини сплави та ряд сполук Нікелю (оксиди, галогеніди та інших) магнітоупорядковані (володіють феро-, рідше феримагнітною структурою). Нікель входить до складу найважливіших магнітних матеріалів та сплавів з мінімальним значенням коефіцієнта теплового розширення (пермалою, монел-метал, інвар та інших).

Хімічні характеристики Нікеля.У хімічних відношеннях Ni схожий з Fe і Со, але також і з Cu і благородними металами. У сполуках виявляє змінну валентність (найчастіше 2-валентний). Нікель – метал середньої активності. Поглинає (особливо у дрібнороздробленому стані) великі кількості газів (H 2 , СО та інших); насичення Нікеля газами погіршує його механічні властивості. Взаємодія з киснем починається за 500 °C; у дрібнодисперсному стані Нікель пірофорен - на повітрі самозаймається. З оксидів найбільш важливий NiO - зелені кристали, майже нерозчинні у воді (мінерал бунзеніт). Гідрооксид випадає із розчинів нікелевих солей при додаванні лугів у вигляді об'ємистого осаду яблучно-зеленого кольору. При нагріванні Нікель з'єднується з галогенами утворюючи NiX 2 . Згоряючи в парах сірки, дає сульфід, близький до Ni 3 S 2 . Моносульфід NiS може бути отриманий нагріванням NiO із сіркою.

З азотом Нікель не реагує навіть за високих температур (до 1400 °C). Розчинність азоту у твердому Нікелі приблизно 0,07% за масою (при 445 °C). Нітрид Ni 3 N може бути отриманий пропусканням NH 3 над NiF 2 NiBr 2 або порошком металу при 445 °C. Під дією парів фосфору за високої температури утворюється фосфід Ni 3 P 2 у вигляді сірої маси. У системі Ni - As встановлено існування трьох арсенідів: Ni 5 As 2 , Ni 3 As (мінерал маухеріт) та NiAs. Структурою нікель-арсенідного типу (у якій атоми As утворюють щільну гексагональну упаковку, всі октаедричні порожнечі якої зайняті атомами Ni) мають багато металідів. Нестійкий карбід Ni 3 C може бути отриманий повільним (сотні годин) науглероживанием (цементацією) порошку Нікелю в атмосфері при 300 °C. У рідкому стані Нікель розчиняє помітну кількість, що випадає при охолодженні у вигляді графіту. При виділенні графіту Нікель втрачає ковкість та здатність оброблятися тиском.

У ряді напруг Ni стоїть правіше Fe (їх нормальні потенціали відповідно -0,44 і -0,24 в) і тому повільніше, ніж Fe, розчиняється в розведених кислотах. Стосовно води Нікель стійкий. Органічні кислоти діють на Нікель лише після тривалого зіткнення з ним. Сірчана та соляна кислоти повільно розчиняють Нікель; розведена азотна – дуже легко; концентрована HNO 3 пасивує Нікель, проте меншою мірою, ніж залізо.

При взаємодії із кислотами утворюються солі 2-валентного Ni. Майже всі солі Ni (II) і сильних кислот добре розчиняються у воді, розчини їх внаслідок гідролізу мають кислу реакцію. Важкорозчинні солі таких порівняно слабких кислот, як вугільна та фосфорна. Більшість солей Нікеля розкладається при прожарюванні (600-800 ° C). Одна з найбільш уживаних солей - сульфат NiSO 4 кристалізується з розчинів у вигляді смарагдово-зелених кристалів NiSO 4 ·7H 2 O - нікелевого купоросу. Сильні луги на Нікель не діють, але він розчиняється в аміачних розчинах у присутності (NH 4) 2 CO 3 з утворенням розчинних аміакатів, забарвлених інтенсивно-синій колір; більшість їх характерно наявність комплексів 2+ і . На виборчій освіті аміакатів ґрунтуються гідрометалургійні методи вилучення Нікеля із руд. NaOCl і NaOBr беруть в облогу розчинів солей Ni (II), гідрооксид Ni(OH) 3 чорного кольору. У комплексних сполуках Ni, на відміну від З, зазвичай 2-валентний. Комплексна сполука Ni з диметилгліоксимом (C 4 H 7 O 2 N) 2 Ni служить для аналітичного визначення Ni.

При підвищених температурах Нікель взаємодіє з оксидами азоту, SO2 та NH3. При дії СО на тонкоподрібнений порошок при нагріванні утворюється карбоніл Ni(CO) 4 . Термічною дисоціацією карбонілу отримують найбільш чистий Нікель.

Отримання Нікеля.Близько 80% Нікеля від загального його виробництва одержують із сульфідних мідно-нікелевих руд. Після селективного збагачення методом флотації із руди виділяють мідний, нікелевий та пірротиновий концентрати. Нікелевий рудний концентрат у суміші з флюсами плавлять в електричних шахтах або відбивних печах з метою відокремлення порожньої породи та вилучення Нікелю в сульфідний розплав (штейн), що містить 10-15% Ni. Зазвичай електроплавці передують частковий окисний випал та окускування концентрату. Поряд з Ni в штейн переходять частина Fe, Со і практично повністю Cu і благородні метали. Після відділення Fe окисленням (продуванням рідкого штейна в конвертерах) отримують сплав сульфідів Cu та Ni - файнштейн, який повільно охолоджують, тонко подрібнюють і спрямовують на флотацію для поділу Cu та Ni. Нікелевий концентрат випалюють у киплячому шарі до NiO. Метал отримують відновленням NiO електричних дугових печах. З чорнового Нікель відливають аноди та рафінують електролітично. Вміст домішок в електролітному Нікель (марка 110) 0,01%.

Для поділу Cu і Ni використовують також про карбонільний процес, заснований на оборотності реакції: Ni + 4CO = Ni(CO) 4 . Одержання карбонілу проводять при 100-200 атм і при 200-250 ° C, яке розкладання - без доступу повітря при атм. тиску та близько 200 °C. Розкладання Ni(CO) 4 використовують також для отримання нікелевих покриттів та виготовлення різних виробів (розкладання на нагрітій матриці).

У сучасних "автогенних" процесах плавка здійснюється за рахунок тепла, що виділяється при окисленні сульфідів повітрям, збагаченим киснем. Це дозволяє відмовитися від вуглецевого палива, отримати гази, багаті на SO 2 , придатні для виробництва сірчаної кислоти або елементарної сірки, а також різко підвищити економічність процесу. Найбільш досконалим і перспективним є окислення рідких сульфідів. Все більш поширюються процеси, засновані на обробці нікелевих концентратів розчинами кислот або аміаку в присутності кисню за підвищених температур і тиску (автоклавні процеси). Зазвичай Нікель переводять у розчин, з якого виділяють його у вигляді багатого сульфідного концентрату або металевого порошку (відновлення воднем під тиском).

З силікатних (окислених) руд Нікель також може бути сконцентрований у штейні при введенні в шихту плавки флюсів – гіпсу або піриту. Відновлювально-сульфідувальну плавку проводять зазвичай у шахтних печах; штейн, що утворюється, містить 16-20% Ni, 16-18% S, решта - Fe. Технологія вилучення Нікеля зі штейну аналогічна описаної вище, крім того, що операція відділення Cu часто випадає. При малому вмісті в окислених рудах їх доцільно піддавати відновлювальної плавці з отриманням феронікелю, що направляється на виробництво сталі. Для вилучення Нікелю з окислених руд застосовують також гідрометалургійні методи - аміачне вилуговування попередньо відновленої руди, сірчанокислотне автоклавне вилуговування та інших.

Застосування Нікеля.Переважна частина Ni використовується для отримання сплавів з іншими металами (Fe, Cr, Cu та іншими), що відрізняються високими механічними, антикорозійними, магнітними або електричними та термоелектричними властивостями. У зв'язку з розвитком реактивної техніки та створенням газотурбінних установок особливо важливі жароміцні та жаростійкі хромонікелеві сплави. Сплави Нікелю застосовують у конструкціях атомних реакторів.

Значить, кількість Нікеля витрачається для виробництва лужних акумуляторів та антикорозійних покриттів. Ковкий Нікель у чистому вигляді застосовують для виготовлення листів, труб і т. д. Він використовується також у хімічній промисловості для виготовлення спеціальної хімічної апаратури та як каталізатор багатьох хімічних процесів. Нікель- дуже дефіцитний метал і по можливості повинен замінюватися іншими, дешевшими і поширеними матеріалами.

Переробка руд Нікелю супроводжується виділенням отруйних газів, що містять SO 2 і нерідко As 2 O 3 . Дуже токсична СО, що застосовується при рафінуванні Нікелю карбонільним методом; дуже отруйний і легко летючий Ni(CO) 4 . Суміш з повітрям при 60 °C вибухає. Заходи боротьби: герметичність апаратури, посилена вентиляція.

Нікель у організмі є необхідним мікроелементом. Середній вміст його в рослинах 5,0 10 -5 % на сиру речовину, в організмі наземних тварин 1,0 10 -6 %, у морських - 1,6 10 -4 %. У тваринному організмі Нікель виявлений у печінці, шкірі та ендокринних залозах; накопичується в ороговілих тканинах (особливо в пір'ї). Встановлено, що Нікель активує фермент аргіназу, впливає на окисні процеси; у рослин бере участь у ряді ферментативних реакцій (карбоксилювання, гідроліз пептидних зв'язків та інших). На збагачених Нікелем ґрунтах вміст його в рослинах може підвищитися в 30 разів і більше, що призводить до ендемічних захворювань (у рослин – потворні форми, у тварин – захворювання очей, пов'язані з підвищеним накопиченням Нікелю в рогівці: кератити, кератокон'юнктивіти).

Нікель - елемент 10 групи таблиці Д.І. Менделєєва. Відомий порівняно недавно, який також нещодавно використовується в промисловості. Своє найменування нікель отримав від імені шкідливого гнома, який замість підкидав гірникам мінерал нікелін, що включає нікель та миш'як. Використовувати в ті давні часи нікель не вміли, тому метал-«обманку» стали називати «бешкетником» від німецького Nickel.

І сьогодні ми розглянемо фізико-хімічні властивості та застосування нікелю, дамо йому загальну характеристику, вивчимо нікелеві сплави та марки.

Це перехідний метал, тобто виявляє властивості і кислотні, і лужні. Має сріблясто-білий блиск, пластичний, ковкий, але твердий. Молекулярна маса невелика - 28, тому він відноситься до речовин легким.

Про особливості нікелю як металу розповість цей відеоролик:

Поняття та особливості

З погляду хімії нікель – метал дуже цікавий та незвичайний. З одного боку, він може вступати в реакцію і з кислотами, і з лугами, але з іншого, відрізняється хімічною інертністю і навіть з концентрованими лугами та кислотами відмовляється реагувати. Причому властивість це настільки яскраво виражене, що нікель застосовують при виготовленні різноманітної кислотостійкої апаратури та резервуарів для лугів.

Метал виплавляється, а потім використовується у вигляді прутків, листів тощо. І в такому стані виявляє звичайні металеві властивості малоактивної речовини. А ось перетворений на дуже тонкий порошок нікель стає пірофорним і здатний самозайматися на повітрі.

Секрет у тому, що звичайна речовина на повітрі, на зразок алюмінію, наприклад, покривається оксидною плівкою, і ця плівка виступає як міцний захисний шар.

Ця якість обумовлює одне з найстаріших застосувань металу – нікелювання, тобто нанесення на поверхню предметів найтоншого шару нікелю. Такий шар повністю захищає від корозії сталь, чавун, магній, алюміній тощо.

Вироби із чистого нікелю зустрічаються рідко і застосовуються лише на особливо відповідальних ділянках. Його використання в промисловості обумовлено іншою унікальною якістю: у сплаві нікель повідомляє матеріалу ту ж чудову стійкість до корозії, якою володіє сам. Більшість нержавіючих та конструкційних сталей включає нікель як легуючий компонент. Саме він і забезпечує стійкість сталі та її довговічність.

Сплави на основі нікелю дуже різноманітні та відрізняються чудовими властивостями: міцністю, жаростійкістю, здатністю витримувати високі силові навантаження за високої температури, зносостійкості, нечутливості до хімічно агресивних речовин тощо. З усього обсягу речовини, що видобувається, в чистому вигляді використовується близько 9%. Ще 7% витрачається на нікелювання, а решта обсягу витрачається отримання сплавів.

Нікель складає із залізом та кобальтом тріаду заліза. До складу групи входять і платинові – осмій, платина, родій. Однак, незважаючи на відносну близькість, властивості металів помітно відрізняються. За міцністю нікель мало поступається залізу, має навіть вищу щільність, але на відміну від останнього дуже стійкий до корозії, тоді як залізо на повітрі, а тим більше при контакті з водою швидко корродує.

Порівняно з платиновими металами нікель значно легший, значно дешевший і набагато активніший: платина, осмій та інші відносяться до благородних металів, які мають позитивний електродний потенціал і є вкрай інертними.

Плюси і мінуси

Майже всі властивості нікелю стосовно народного господарства є перевагами. До недоліків металу можна віднести лише його перебування у природі. Нікель вважається елементом поширеним, але зустрічається лише у зв'язаному вигляді. Самородний нікель потрапляє на землю лише у складі метеоритів. Відповідно, отримують метал за дорожчими технологіями.

Нікель має непогану міцність і твердість, при цьому зберігаючи здатність до кування і високу в'язкість: з нього можна отримувати найтонші листи і прутки.
Метал має чудову стійкість до корозії. Більше того, ця якість він передає сплавам, до складу яких входить у вигляді легуючого елемента.
Сплави на нікелевій основі дуже різноманітні та відрізняються винятковими якостями. Так, жароміцні залізо-нікелеві сплави застосовуються при виготовленні частин атомних реакторів та реактивних двигунів. На сьогодні описані та використовуються близько 3000 різних нікелевих сплавів.
Покриття з нікелю і зараз активно застосовується не тільки в приладі та верстатобудуванні, але і в побуті, в будівництві. Нікельований посуд, столові прилади, фурнітура та інше не тільки естетично привабливі, але й абсолютно гігієнічні, нешкідливі та вкрай довговічні. Інертність та гігієнічність металу зумовлює його використання у харчовій промисловості.
Нікель є феромагнетиком, тобто, речовиною схильною до мимовільного намагнічування. Ця властивість дозволяє використовувати метал для постійних магнітів.
Метал відносно дешевий в отриманні і має хороші характеристики електропровідності. Нікель замінює дороге срібло або у виробництві акумуляторів.

Структура та хімічний складнікелю розглянуті нижче.

Структура та склад

Нікель, як і інші чисті метали, має однорідну, добре впорядковану структуру, що й забезпечує цим речовинам здатність проводити струм. Однак фазовий склад матеріалу може бути різним, що впливає на його властивості.

За нормальних умов справу мають із β-модифікацією нікелю. Вона характеризується гранецентрованими кубічними ґратами і зумовлює звичні властивості металу – ковкість, пластичність, здатність до механічної обробки, феромагнетизм тощо.
Існує і матеріал іншого виду. Нікель, підданий катодного розпорошення в атмосфері водню, в реакцію не вступає, а й змінює структуру, переходячи в α-модифікацію. Остання має щільну гексагональну решітку. При нагріванні до 200°С α-фаза перетворюється на β-фазу. У промисловості мають справу з β-модифікацією нікелю.

Дане відео розповість про те, як самому переробити нікель-кадмієвий акумулятор на літій-іонний.

Властивості та характеристики

Характеристики β-фази, як основний, мають більший інтерес, оскільки саме існування α-фази обмежене. Властивості металу такі:

щільність за нормальної температури – 8,9 г/куб. см;
температура плавлення – 1453;
температура кипіння – 3000 З;
дуже низький коефіцієнт теплового розширення – 13,5∙10 −6 K −1
модуль пружності - 196-210 гПа;
межа пружності становить 80 Мн/кв. м;
межа плинності – 120 Мн/кв. м:
межа розтягування 40-50 кгс/кв. мм;
питома теплоємність речовини – 0,440 кДж/(кг·К);
теплопровідність – 90,1 вт/(м·К);
питомий електричний опір - 0,0684 мкОм?

Нікель є феромагнетиком, його точка Кюрі – 358°С.

Про виготовлення та виробника нікелевих сплавів поговоримо нижче.

Виробництво

Нікель вважається досить поширеним – 13 місце серед металів. Проте розподіл його дещо специфічний. Метал недаремно називають елементом земних глибин, оскільки в ультраосновних породах його у 200 разів більше, ніж у кислих. За однією з найпоширеніших теорій земне ядро складається з нікелістого заліза.

Самородний нікель Землі не зустрічається.У зв'язаному вигляді він є в мідно-нікелевих рудах - миш'як містять і сульфідних. Це нікелін – червоний нікелевий колчедан, той самий, який гірники приймали за хлоантит – білий нікелевий колчедан, гарнієрит, мідний колчедан тощо.

Вихідною сировиною найчастіше служить сульфідна руда, що включає і , і нікель, тому включені додаткові етапи по розділенню металів.

Сульфідні руди зазвичай містять багато вологи та глинистих речовин. Щоб позбавитися їх, руду подрібнюють, сушать і брикетують. При надто високому вмісті сірки у руді її обпалюють.
Плавка на штейн – здійснюються у шахтних чи відбивних печах. Отримують сплав сульфіду нікелю та заліза, включаючи невелику кількість міді.
Поділ нікелю та міді.
Випалювання нікелевого концентрату, відновлювальна плавка та рафінування електролізом.

Спосіб отримання нікелю з окисненої руди виглядає трохи інакше.

Руду піддають сульфидизирующей плавці з частковим відновленням.
Отримують файнштейн – розплавлений штейн продувають повітрям конверторах.
Файнштейн обпалюють та очищають від міді;
Потім відновлюють нікель або плавлять обпалену крицю на феронікель.

А скільки коштує 1 кг нікелю? Ціни на такий метал багато в чому визначаються успіхом експлуатації родовищ. Так, у 2013 році Китай збільшив виробництво чавуну, що нікель містить, що призвело до помітного падіння цін на метал. У 2016 році восени вартість тонни металу становила 10 045 $.

Галузь застосування

Нікель сам собою використовується досить рідко. Набагато ширша область.

У побуті найчастіше стикаються із нікельованими виробами – крани, змішувачі, меблева фурнітура. Металеві частини меблів досить часто покриті шаром сріблястого металу, що не тьмяніє. Те саме стосується столових приладів та посуду.
Ще один відомий спосіб використання – біле золото. До його складу входить золото певної проби та сплав нікелю.
У електротехніці широке поширення знайшли нікелеві катоди. Численні акумулятори – нікель-кадмієві. Нікель-, залізо-нікелеві тощо складають конкуренцію акумулятором і при цьому набагато безпечніше.

Однак основним споживачем нікелю є кольорова та чорна металургія: 67% всього видобутого металу використовують для отримання нержавіючих сталей. А 17% – на виготовлення інших не залізних сплавів.

Конструкційна та нержавіюча сталь застосовується буквально скрізь: будівництво та машинобудування, електротехніка та виготовлення трубопроводів, приладобудування та спорудження несучих каркасів. Саме нікель надає сталям їхньої стійкості до корозії.
Нікель-мідні сплави найчастіше застосовуються при виготовленні кислототривкої апаратури та різноманітних деталей, які повинні працювати в умовах агресивного хімічного середовища.
Сплави нікелю та хрому відомі своєю жароміцністю та стійкістю до лугів та кислот. Їх використовують у печах, атомних реакторах, двигунах тощо.
Сплави нікелю, хрому та заліза, крім того, зберігають стійкість до високого навантаження за дуже високих температур – до 900 С. Це незамінний матеріал для газових турбін.

Нікель - метал с. Міцний, ковкий, стійкий до кислот та лугів і здатний передати ці властивості практично будь-якому сплаву. Не дивно, що нікель так широко застосовується.

Простий та надійний спосіб відновлення нікель-кадмієвих акумуляторів розглянутий у відео нижче: