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

Андрей Катанин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института физики металлов им. М. Н. Михеева УрО РАН, профессор РАН

«Коммерсантъ Наука» №6, сентябрь 2017

Магнетизм Земли определяется железом и никелем ее ядра. Но пока не до конца ясно, как именно. Фото: Science Photo Library / AFP

Люди знают о земном магнетизме уже несколько тысячелетий, но его причина пока так и не выяснена. Теоретические исследования уральских физиков могут ответить на этот вопрос.

Магнитные свойства железа были обнаружены за несколько тысячелетий до н. э. Так, в Китае кусочки магнитных материалов использовались для создания компаса. В 1269 году была написана «Книга о магните» Петра Перегрина, а в 1600 году Уильям Гильберт написал трактат «О магните», описывающий основные свойства магнитов и анализирующий магнетизм Земли. Сегодня железо, включая его магнитные свойства, находит множество самых разных технологических применений. Железо — не единственное магнитное вещество, можно отметить никель и кобальт, заинтересовавшие человечество много позже и также широко использующиеся в настоящее время.

Несмотря на столь долгий срок изучения магнетизма, это явление по-прежнему порождает новые вопросы. В быту мы ощущаем магнетизм как притяжение или отталкивание между телами. В физике же под магнетизмом понимается способность тела сохранять остаточную намагниченность (то есть свое собственное магнитное поле) в отсутствие магнитного поля внешнего. А уже это собственное поле может воздействовать на другие магнитные тела.

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.

Влияние никеля на здоровье

Содержание никеля в организме человека составляет около 10 мг. Поскольку никель необходим для некоторых организмов, это, возможно, применимо и к людям. Никель плохо всасывается в желудочно-кишечном тракте. В продуктах питания обычно мало никеля, за исключением шоколада и жиров. Употребление в пищу овощей, которые растут на загрязненной почве, также может быть опасным, поскольку никель легко накапливается в растениях. В небольших количествах никель не только безвреден, но и очень важен для организма. Однако, если концентрации становятся слишком высокими, могут возникнуть следующие симптомы:

• Повышенный риск развития рака легких, носа, гортани и простаты;
• Тошнота и головокружение;
• Тромбоэмболия легочной артерии;
• Заболевания дыхательных путей;
• Астма и хронический бронхит;
• Аллергические реакции, такие как кожная сыпь от ювелирных изделий, содержащих никель;
• Сердечная недостаточность.

Канцерогенные эффекты никеля могут быть связаны с тем, что он занимает место атомов цинка и магния в ДНК-полимеразе. Однако наблюдения в основном проводились за рабочими, занятыми в переработке никеля. Обычно люди сталкиваются с этой проблемой из-за курения. При проглатывании большого количества никеля организм обычно реагирует тошнотой, которая выводит вещество из организма.

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.

Сплавы из никеля и марки никелевых сталей

Марки сплавов, в состав которых входит Ni, поражают своим многообразием:

• катодные листы, пластины и полосы из никеля марок Н0 и Н1 – содержат смесь кобальта и никеля, производятся путем электролиза;
• полосы, катодные листы, гранулы, обрезы и прочая продукция из никеля марок Н2, Н3, Н4 – содержат смесь кобальта и никеля, производятся путем электролиза, прессования отходов, температурного рафинирования, а также путем переплавки.
• проволока, листы, прутки, ленты и полосы – полуфабрикаты марок НП1, НП2, НП3, НП4, которые содержат смесь кобальта и никеля;
• стержни и листы полуфабрикатного анодного никеля марок НПА1 и НПА2 – содержат смесь никеля с кобальтом;
• стержни и листы непассивирующегося анодного никеля марки НПАН – полуфабрикатный Ni, дополненный присадками на основе кобальта;
• кремнистый никель марки НКО,2 с присадками на основе кобальта – поступает на рынок в виде проволоки;
• марганцевый никель с присадками на основе кобальта (марки НМц1, НМц2, НМц2,5 и НМц5) – содержит смесь Ni и кобальта, поступает на рынок в виде проволоки.

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.

Теплопроводность металлов в зависимости от температуры

В таблице представлена теплопроводность металлов в зависимости от температуры при отрицательных и положительных температурах (в интервале от -200 до 2400°C).
Таблица теплопроводности металлов содержит значения теплопроводности следующих чистых металлов: алюминий Al, кадмий Cd, натрий Na, серебро Ag, калий K, никель Ni, свинец Pb, кобальт Co, бериллий Be, литий Li, сурьма Sb, висмут Bi, магний Mg, цинк Zn, вольфрам W, олово Sn, уран U, железо Fe, палладий Pd, цирконий Zr, марганец Mn, платина Pt, золото Au, медь Cu, родий Rh, таллий Tl, молибден Mo, тантал Ta, иридий Ir.

Следует отметить, что теплопроводность металлов изменяется в широких пределах и может отличаться в десятки раз в одних и тех же условиях. Например, из приведенных в таблице металлов, наибольшей теплопроводностью обладает такой металл, как серебро Ag — его коэффициент теплопроводности равен 392 Вт/(м·град) при 100°С и это самый теплопроводный металл. Наименьшее значение теплопроводности при этой же температуре соответствует металлу висмут Bi с теплопроводностью всего 7,7 Вт/(м·град).

Теплопроводность большинства металлов при нагревании снижается. Их максимальная теплопроводность достигается при низких отрицательных температурах. Например, при температуре минус 100°С серебро имеет теплопроводность 419,8, а висмут — 11,9 Вт/(м·град).

Примечание: В таблице также даны значения теплопроводности металлов сверх-высокой чистоты (до 99,999%). Значение коэффициента теплопроводности в таблице указано в размерности Вт/(м·град).

• Теплофизические свойства и температура замерзания водных растворов NaCl и CaCl2
• Теплофизические свойства, состав и теплопроводность алюминиевых сплавов

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.

Никелирование

Так называют нанесение покрытия на поверхность другого материала. Задача такого обеспечение защиты изделия от коррозии. Нанесение покрытия проводят в гальванической ванне. Для проведения качественной гальванической операции, применяют электролиты содержащие в своем составе соли натрия, бора, различные поверхностно – активные компоненты и глянцующие элементы. Толщина никелевого покрытия составляет до 36 мкм. Для повышения качества нанесенного покрытия допускается поверх никеля наносить слой хрома.

Существует способ нанесения никеля без применения электричества. То есть нанесение покрытия выполняют в смеси, включающей в себя соли никеля и натрия.

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.

Воздействие никеля на окружающую среду

Никель выбрасывается в атмосферу электростанциями и мусоросжигательными заводами, откуда он попадает в почву и воду в результате процессов осаждения. Сточные воды, сбрасываемые неочищенными в поверхностные воды, также являются источником никеля. Большинство частиц поглощаются отложениями и частицами почвы.

К сожалению, информации о влиянии никеля на флору и фауну мало. Известно, что высокие концентрации никеля на песчаных почвах повреждают растущие там растения и сводят к минимуму скорость роста водорослей в водоемах. То же самое может происходить с различными микроорганизмами, если они не развивают устойчивость к никелю.

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.

Какой метод измерения теплопроводности лучше всего подходит для вашего материала?

Существуют методы измерения тепловодности, такие как LFA, GHP, HFM и TCT. Они отличаются друг от друга размерами и геометрическими параметрами образцов, применяемых для проверки теплопроводности металлов.

Эти сокращения можно расшифровать как:

• GHP (метод горячей охранной зоны);
• HFM (метод теплового потока);
• TCT (метод горячей проволоки).

Вышеуказанные способы применяют для определения коэффициентов различных металлов и их сплавов. Вместе с тем с использованием этих методов, занимаются исследованием других материалов, например, минералокерамики или огнеупорных материалов.

Образцы металлов, на которых проводят исследования, имеют габаритные размеры 12,7×12,7×2.

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.