Никель

Никель (лат. Niccolum), Ni, химический элемент первой триады VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 28, атомная масса 58,70; серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. Природный Н. 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 шведский химик А. Кронстедт, предложивший и название элемента. Значительно более чистый металл получил в 1804 немецкий химик И. Рихтер. Название "Н." происходит от минерала купферникеля (NiAs), известного уже в 17 в. и часто вводившего в заблуждение горняков внешним сходством с медными рудами (нем. Kupfer - медь, Nickel - горный дух, якобы подсовывавший горнякам вместо руды пустую породу). С середины 18 в. Н. применялся лишь как составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое развитие никелевой промышленности в конце 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. Н. - 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 Н. в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где Н. 5,8x10^-3%, он также тяготеет к более глубокой, так называемой 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 Н. входит в виде изоморфной примеси. Собственных минералов Н. известно 53; большинство из них образовалось при высоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения Н. связаны с процессами в магме и коре выветривания. Промышленные месторождения Н. (сульфидные руды) обычно сложены минералами Н. и меди (см. Никелевые руды). На земной поверхности, в биосфере Н. - 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 Н. существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решётку (a = 3,5236 ). Но Н., подвергнутый катодному распылению в атмосфере H₂, образует a-модификацию, имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки (а = 2,65 , с = 4,32 ), которая при нагревании выше 200 °C переходит в кубическую. Компактный кубический Н. имеет плотность 8,9 г/см³ (20 °C), атомный радиус 1,24 , ионные радиусы: Ni²⁺ 0,79 , Ni³⁺ 0,72 ; t_пл 1453 °C; t_kип около 3000 °C; удельная теплоёмкость при 20 °C 0,440 кдж/(кг·К) [0,105 кал/(г°C)]; температурный коэффициент линейного расширения 13,310^-6 (0-100 °C); теплопроводность при 25 °C 90,1 вмl (м·K)[0,215 кал/(см·сек·^оС)]; то же при 500 °C 60,01 вм/(м·К) [0,148 кал/см (сек·^оС)]. Удельное электросопротивление при 20 °C 68,4 ном·м, т. е. 6,84 мком·см; температурный коэффициент электросопротивления 6,8x10^-3 (0-100 °C).

Н. - ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400-500 Мн/м² (т. е. 40-50 кгс/мм²), предел упругости 80 Мн/м², предел текучести 120 Мн/м²; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м²; твёрдость по Бринеллю 600-800 Мн/м². В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует Кюри точке) Н. ферромагнитен. Ферромагнетизм Н. обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d⁸4s²) его атомов. Н. вместе с Fe (3d⁶4s²) 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 которого для атомов Н. составляет 6 m_Б, где m_Б - Бора магнетон. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах Н. приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений Н. (окислы, галогениды и др.) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой, см. Магнитная структура). Н. входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монель-металл, инвар и др.).

В химическом отношении Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами. В соединениях проявляет переменную валентность (чаще всего 2-валентен). Н. - металл средней активности, Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H₂, CO и др.); насыщение Н. газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 °C; в мелкодисперсном состоянии Н. 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 Н. соединяется с галогенами, образуя NiX₂. Сгорая в парах серы, даёт сульфид, близкий по составу к Ni₃S₂. Моносульфид NiS может быть получен нагреванием NiO с серой.

С азотом Н. не реагирует даже при высоких температурах (до 1400 °C). Растворимость азота в твёрдом Н. приблизительно 0,07% по массе (при 445 °C). Нитрид Ni₃N может быть получен пропусканием NH₃ над NiF₂, NiBr₂ или порошком металла при 445 °C. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni₃P₂ в виде серой массы. В системе Ni - As установлено существование трёх арсенидов: Ni₅As₂, Ni₃As (минерал маухерит) и NiAs. Структурой никель-арсенидного типа (в которой атомы As образуют плотнейшую гексагональную упаковку, все октаэдрические пустоты которой заняты атомами Ni) обладают многие металлиды. Неустойчивый карбид Ni₃C может быть получен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка Н. в атмосфере CO при 300 °C. В жидком состоянии Н. растворяет заметное количество С, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении графита Н. 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 Н. устойчив. Органические кислоты действуют на Н. лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют Н.; разбавленная азотная - очень легко; концентрированная HNO₃ пассивирует Н., 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 Н. разлагается при прокаливании (600-800 °C). Одна из наиболее употребительных солей - сульфат NiSO₄ кристаллизуется из растворов в виде изумруднозелёных кристаллов NiSO₄x7H₂O - никелевого купороса. Сильные щёлочи на Н. не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (NH₄)₂CO₃ с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства из них характерно наличие комплексов [Ni (NH₃)₆]²⁺ и [Ni (OH)₂(NH₃)₄]. На избирательном образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения Н. из руд. NaOCI и NaOBr осаждают из растворов солей Ni (II), гидроокись Ni (OH)₃ чёрного цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно 2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (C₄H₇O₂N)₂Ni служит для аналитического определения Ni.

При повышенных температурах Н. взаимодействует с окислами азота, SO₂ и NH₃. При действии CO на его тонкоизмельчённый порошок при нагревании образуется карбонил Ni (CO)₄ (см. Карбонилы металлов). Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый Н.

Получение. Около 80% Н. от общего его производства (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 электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения Н. в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10-15% Ni. Обычно электроплавке (основной метод плавки в СССР) предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Сu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni - файнштейн, который 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 электрических дуговых печах. Из чернового Н. отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Н. (марка 110) 0,01%.

Для разделения Cu и Ni используют также т. н. карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции:

Получение карбонила проводят при 100-200 атм и при 200-250 °C, а его разложение - без доступа воздуха при атмосферном давлении и около 200 °C. Разложение Ni (CO)₄ используют также для получения никелевых покрытий и изготовления различных изделий (разложение на нагретой матрице).

В современных "автогенных" процессах плавка осуществляется за счёт тепла, выделяющегося при окислении сульфидов воздухом, обогащенным кислородом. Это позволяет отказаться от углеродистого топлива, получить газы, богатые SO₂, пригодные для производства серной кислоты 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 температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно Н. переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением).

Из силикатных (окисленных) руд Н. 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 Н. из штейна аналогична описанной выше, за исключением того, что операция отделения Cu часто выпадает. При малом содержании в окисленных рудах Со их целесообразно подвергать восстановительной плавке с получением ферроникеля, направляемого на производство стали. Для извлечения Н. из окисленных руд применяют также гидрометаллургические методы - аммиачное выщелачивание предварительно восстановленной руды, сернокислотное автоклавное выщелачивание и др.

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

Значительное количество Н. расходуется для производства щелочных аккумуляторов и антикоррозионных покрытий. Ковкий Н. в чистом виде применяют для изготовления листов, труб и т.д. Он используется также в химической промышленности для изготовления специальной химической аппаратуры и как катализатор многих химических процессов. Н. - весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешёвыми и распространёнными материалами.

Переработка руд Н. сопровождается выделением ядовитых газов, содержащих SO₂ и нередко As₂O₃. Очень токсична CO, применяемая при рафинировании Н. карбонильным методом; весьма ядовит и легко летуч Ni (CO)₄. Смесь его с воздухом при 60 °C взрывается. Меры борьбы: герметичность аппаратуры, усиленная вентиляция.

? А. В. Ванюков.

Никель в организме является необходимым микроэлементом. Среднее содержание его в растениях 5,0·10^-5% на сырое вещество, в организме наземных животных 1,0x10^-5%, в морских - 1,6x10^-5%. В животном организме Н. обнаружен в печени, коже и эндокринных железах; накапливается в ороговевших тканях (особенно в перьях). Физиологическая роль Н. изучена недостаточно. Установлено, что Н. активирует фермент аргиназу, влияет на окислительные процессы; у растений принимает участие в ряде ферментативных реакций (карбоксилирование, гидролиз пептидных связей и др.). На обогащенных Н. почвах содержание его в растениях может повыситься в 30 раз и более, что приводит к эндемическим заболеваниям (у растений - уродливые формы, у животных - заболевания глаз, связанные с повышенным накоплением Н. в роговице: кератиты, кератоконъюнктивиты).

? И. Ф. Грибовская.

? Лит.: Рипан Р., Четяну И., Неорганическая химия, т. 2 - Металлы, пер. с рум., М., 1972, с. 581-614; Справочник металлурга по цветным металлам, т. 2 - Цветные металлы, М., 1947 (Металлургия никеля, с. 269-392); Войнар А. И., Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека, 2 изд., М., 1960; Биологическая роль микроэлементов и их применение в сельском хозяйстве и медицине, т. 1-2, Л., 1970.