НИКЕЛЬ

НИКЕЛЬ (лат. Niccolum),
Ni, хим. элемент первой триады VIII группы перио-дич. системы Менделеева,
ат. н. 28, ат. м. 58,70; серебристо-белый металл, ковкий и пластичный.
Природный H. состоит из смеси пяти стабильных изотопов: ⁵⁸Ni
(67,76%), ⁶⁰Ni (26,16%), ⁶¹Ni (1,25%), ⁶³Ni
(3,66%), ⁶⁴Ni (1,16%). Историческая справка. Металл в нечистом
виде впервые получил в 1751 швед, химик А. Кронстедт, предложивший
и назв. элемента. Значительно более чистый металл получил в 1804
нем. химик И. Рихтер. Назв. "Н." происходит от минерала купферникеля (NiAs),
известного уже в 17 в. и часто вводившего в заблуждение горняков внеш.
сходством с медными рудами (нем. Kupfer - медь, Nickel - горный дух, якобы
подсовывавший горнякам вместо руды пустую породу). С сер. 18 в. H. применялся
лишь как составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое
развитие никелевой пром-сти в кон. 19 в. связано с нахождением крупных
месторождений никелевых руд в Новой Каледонии и в Канаде и открытием "облагораживающего"
его влияния на свойства сталей.

Распространение в природе.
H.- элемент земных глубин (в ультраосновных породах мантии его 0,2% по
массе). Существует гипотеза, что земное ядро состоит из никелистого железа;
в соответствии с этим среднее содержание H. в земле в целом по оценке ок.
3%. В земной коре, где H. 5,8·10^-3%, он также тяготеет к более
глубокой, т. н. базальтовой оболочке. Ni в земной коре - спутник Fe и Mg,
что объясняется сходством их валентности (II) и ионных радиусов; в минералы
двухвалентных железа и магния H. входит в виде изоморфной примеси. Собственных
минералов H. известно 53; большинство из них образовалось при высоких темп-pax
и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения
H. связаны с процессами в магме и коре выветривания. Пром. месторождения
H. (сульфидные руды) обычно сложены минералами H. и меди (см. Никелевые
руды). На земной поверхности, в биосфере H.- сравнительно слабый мигрант.
Его относительно мало в поверхностных водах, в живом веществе. В районах,
где преобладают ультраосновные породы, почва и растения обогащены никелем.

Физические и химические свойства.
При обычных условиях H. существует в виде-модификации,
имеющей гранецентрированную кубич. решётку (а = 3,5236 А). Но H.,
подвергнутый катодному распылению в атмосфере H-модификацию,
имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки (а =· 2,65 А,
с
= 4,32 А), к-рая при нагревании выше 200 ⁰C переходит в
кубическую. Компактный кубич. H. имеет плотность 8,9 г/см³(20
⁰C), атомный радиус 1,24 А, ионные радиусы: Ni²⁺
0,79 A, Ni³⁺ 0,72 A; t 1453 ⁰C;
t
ок. 3000 ⁰C; удельная теплоёмкость при 20 ⁰C 0,440
кджДкг-К) [0,105 кал/(г· ⁰C)]; температурный коэфф. линейного
расширения 13,3· Ю-⁶ (0-100 ⁰C); теплопроводность
при 25 ⁰C 90,1 вт/(м-К) [0,215 кал! (см-сек-°С)];
тоже при 500 ⁰C 60,01 вm/(л-К) [0,148 кал/ (см· сек·
C⁰)]. Удельное электросопротивление при 20 ⁰C
68,4 ном-м, т.е. 6,84 мком-см; температурный коэфф. электросопротивления
6,8-Ю-³ (0-100 ⁰C). H.- ковкий и тягучий металл,
из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при
растяжении 400-500 Мн/м² (T е. 40-50 кгс/мм²);
предел
упругости 80 Мн/м², предел текучести 120 Мн/м²;
относит, удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м²;
твёрдость
по Бринеллю 600- 800 Мн/м². В температурном интервале
от О до 631 К (верхняя граница соответствует Кюри точке) H. ферромагнитен.

Ферромагнетизм Н.
обусловлен особенностями строения внеш. электронных оболочек (3d⁸4
s²) его атомов. H. вместе с Fe (3 d°4s²) и Со (3d⁷4s²),
также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d-электронной
оболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки
создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение
к-рого для атомов H. составляет 6 ЦБ, где- Бора магнетон. Положит, значение обменного взаимодействия в
кристаллах H. приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов,
т. е. к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений H. (окислы,
галогениды и др.) магнито-упорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной
структурой, см. Магнитная структура). H. входит в состав важнейших
магнитных
материалов и сплавов с минимальным значением коэфф. теплового расширения
(пермаллой, монелъ-металл, инвар и др.).

В хим. отношении Ni сходен
с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами. В соединениях проявляет
переменную валентность (чаще всего 2-валентен). H.- металл средней активности.
Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества
газов (Hсвойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 ⁰C;
в мелкодисперсном состоянии H. пирофорен - на воздухе самовоспламеняется.
Из окислов наиболее важна закись NiO - зеленоватые кристаллы, практически
нерастворимые в воде (минерал бунзенит). Гидроокись выпадает из растворов
никелевых солей при прибавлении щелочей в виде объёмистого осадка яблочно-зелёного
цвета. При нагревании H. соединяется с галогенами, образуя NiXСгорая в парах серы, даёт сульфид, близкий по составу к NiМоносульфид NiS может быть получен нагреванием NiO с серой.

С азотом H. не реагирует
даже при высоких темп-pax (до 1400 ⁰C). Растворимость азота
в твёрдом H. приблизительно 0,07% по массе (при 445 ⁰C). Нитрид
NiNiBr0C. Под действием
паров фосфора при высокой темп-ре образуется фосфид Niв виде серой массы. В системе Ni - As установлено существование трёх арсенидов:
NiСтруктурой никель-арсенидного типа (в к-рой атомы As образуют плот-нейшую
гексагональную упаковку, все октаэдрич. пустоты к-рой заняты атомами Ni)
обладают многие металлиды. Неустойчивый карбид Niбыть получен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка
H. в атмосфере СО при 300 ⁰C. В жидком состоянии H. растворяет
заметное кол-во С, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении
графита H. теряет ковкость и способность обрабатываться давлением.

В ряду напряжений Ni стоит
правее Fe (их нормальные потенциалы соответственно - 0,44 в и -0,24
в)
и поэтому медленнее, чем Fe, растворяется в разбавленных кислотах.
По отношению к воде H. устойчив. Органич. кислоты действуют на H. лишь
после длит, соприкосновения с ним. Серная и соляная к-ты медленно растворяют
H.; разбавленная азотная - очень легко; концентрированная HNOпассивирует H., однако в меньшей степени, чем железо.

При взаимодействии с кислотами
образуются соли 2-валентного Ni. Почти все соли Ni (II) и сильных кислот
хорошо растворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую
реакцию. Труднорастворимы соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная
и фосфорная. Большинство солей H. разлагается при прокаливании (600- 800
⁰C).
Одна из наиболее употребительных солей - сульфат NiSOиз растворов в виде изумрудно-зелёных кристаллов NiSO- никелевого купороса. Сильные щёлочи на H. не действуют, но он растворяется
в аммиачных растворах в присутствии (NHOрастворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; для
большинства из них характерно наличие комплексов [Ni(NHa)2+
и [Ni(OH)аммиакатов основываются гидрометаллургич. методы извлечения H. из руд.
NaOCl и NaOBr осаждают из растворов солей Ni (II), гидроокись Ni(OH)чёрного цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно
2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (Cслужит для аналитич. определения Ni.

При повышенных темп-pax H.
взаимодействует с окислами азота, SOдействии СО на его тонкоизмельчённый порошок при нагревании образуется
карбонил Ni(CO)⁴ (CM. Карбонилы металлов). Термич. диссоциацией
карбонила получают наиболее чистый H.

Получение. Ок. 80% H. от
общего его произ-ва (без СССР) получают из сульфидных медно-никелевых руд.
После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный,
никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси
с флюсами плавят в электрич. шахтах или отражательных печах с целью отделения
пустой породы и извлечения H. в сульфидный расплав (штейн), содержащий
10-15% Ni. Обычно электроплавке (осн. метод плавки в СССР) предшествуют
частичный окислит, обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni
в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Cu и благородные
металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах)
получают сплав сульфидов Cu и Ni - файнштейн, к-рый медленно охлаждают,
тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu и Ni. Никелевый
концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением
NiO в электрич. дуговых печах. Из чернового H. отливают аноды и рафинируют
электролитически. Содержание примесей в электролитном H. (марка 110) 0,01%.

Для разделения Cu и Ni используют
также т. н. карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции: Ni
+ + 4CO <=> Ni(CO)атм
и при 200-250 ⁰C, а его разложение - без доступа воздуха
при атм. давлении и ок. 200 ⁰C. Разложение Ni(CO)используют также для получения никелевых покрытий и изготовления различных
изделий (разложение на нагретой матрице).

В совр. "автогенных" процессах
плавка осуществляется за счёт тепла, выделяющегося при окислении сульфидов
воздухом, обогащённым кислородом. Это позволяет отказаться от углеродистого
топлива, получить газы, богатые SOсерной к-ты или элементарной серы, а также резко повысить экономичность
процесса. Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов.
Всё более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых
концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислорода при
повышенных темп-pax и давлении (автоклавные процессы). Обычно H. переводят
в раствор, из к-рого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата
или металлич. порошка (восстановлением водородом под давлением).

Из силикатных (окисленных)
руд H. также может быть сконцентрирован в штейне при введении в шихту плавки
флюсов - гипса или пирита. Восстановительно-сульфидирующую плавку проводят
обычно в шахтных печах; образующийся штейн содержит 16-20% Ni, 16-18% S,
остальное - Fe. Технология извлечения H. из штейна аналогична описанной
выше, за исключением того, что операция отделения Cu часто выпадает. При
малом содержании в окисленных рудах Со их целесообразно подвергать восстановит,
плавке с получением ферроникеля, направляемого на произ-во стали. Для извлечения
H. из окисленных руд применяют также гидрометаллургич. методы - аммиачное
выщелачивание предварительно восстановленной руды, сернокислотное автоклавное
выщелачивание и др.

Применение. Подавляющая часть
Ni используется для получения сплавов с др. металлами (Fe, Cr, Cu и др.),
отличающихся высокими механич., антикоррозионными, магнитными или электрич.
и термоэлектрич. свойствами. В связи с развитием реактивной техники и созданием
газотурбинных установок особенно важны жаропрочные и жаростойкие хромоникелевые
сплавы (см. Никелевые сплавы). Сплавы H. используются в конструкциях
атомных реакторов.

Значит, количество H. расходуется
для произ-ва щелочных аккумуляторов и антикоррозионных покрытий. Ковкий
H. в чистом виде применяют для изготовления листов, труб и т. д. Он используется
также в хим. пром-сти для изготовления спец. хим. аппаратуры и как катализатор
многих хим. процессов. H.- весьма дефицитный металл и по возможности должен
заменяться другими, более дешёвыми и распространёнными материалами.

Переработка руд H. сопровождается
выделением ядовитых газов, содержащих SOОчень токсична СО, применяемая при рафинировании H. карбонильным методом;
весьма ядовит и легко летуч Ni(CO)60 ⁰C взрывается. Меры борьбы: герметичность аппаратуры, усиленная
вентиляция. А. В. Ванюков.

Никель в организме является
необходимым микроэлементом. Среднее содержание его в растениях 5,0х10^-5%
на сырое вещество, в организме наземных животных 1,0-10°%, в морских-1,6х10^-4%.
В животном организме H. обнаружен в печени, коже и эндокринных железах;
накапливается в ороговевших тканях (особенно в перьях). Физиология, роль
H. изучена недостаточно. Установлено, что H. активирует фермент аргиназу,
влияет на окислит, процессы; у растений принимает участие в ряде ферментативных
реакций (карбо-ксилирование, гидролиз пептидных связей и др.). На обогащённых
H. почвах содержание его в растениях может повыситься в 30 раз и более,
что приводит к эндемич. заболеваниям (у растений - уродливые формы, у животных
- заболевания глаз, связанные с повышенным накоплением H. в роговице: кератиты,
кератоконъюнктивиты). и. Ф. Грибовская. Лит.: РипанР., Четяну И.,
Неорганическая химия, т. 2 - Металлы, пер. с рум., M., 1972, с. 581-614;
Справочник металлурга по цветным металлам, т. 2 - Цветные металлы, M.,
1947 (Металлургия никеля, с. 269-392); В о и н а р А. И., Биологическая
роль микроэлементов в организме животных и человека, 2 изд., M., 1960;
Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве
и медицине, т. 1-2, Л., 1970.