НИКЕЛЬ: ИСТОРИЯ, СВОЙСТВА, СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ, РИСКИ - ХИМИЯ - 2026

Никеля представляет собой переходный металл белого химический символ Ni. Его твердость выше, чем у железа, помимо того, что он хорошо проводит тепло и электричество, и в целом он считается металлом, который не очень реактивен и обладает высокой устойчивостью к коррозии. В чистом виде это серебро с золотистыми оттенками.

В 1751 году шведский химик Аксель Фредрик Кронстед сумел выделить его из минерала, известного как Купферникель (дьявольская медь), добытого в кобальтовой шахте в шведской деревне. Сначала Кронстед подумал, что минерал - это медь, но изолированный элемент оказался белого цвета, отличного от меди.

Никелевые шарики, сквозь которые просвечивают его золотые тона. Источник: Рене Рауш

Кронстед назвал элемент никель, и позже было установлено, что минерал, названный купферникелем, был николитом (арсенидом никеля).

Никель добывается в основном из двух месторождений: магматических пород и других обломков земной магмы. Минералы имеют сернистую природу, например пентладит. Второй источник никеля - латериты с богатыми никелем минералами, такими как гарниерит.

Основное применение никеля - образование сплавов со многими металлами; например, она занимается производством нержавеющей стали - промышленной деятельностью, на которую приходится около 70% мирового производства никеля.

Кроме того, никель используется в сплавах, таких как альнико, сплав магнитной природы, предназначенный для производства электродвигателей, динамиков и микрофонов.

Никель начали использовать для изготовления монет в середине 19 века. Однако теперь его заменяют менее дорогие металлы; хотя он продолжает использоваться в некоторых странах.

Никель является важным элементом для растений, поскольку он активирует фермент уреазу, который участвует в разложении мочевины до аммиака, используемого растениями в качестве источника азота. Кроме того, мочевина - токсичное соединение, наносящее серьезный вред растениям.

Никель является очень токсичным для человека элементом, который, как известно, является канцерогенным агентом. Кроме того, никель вызывает контактный дерматит и развитие аллергии.

История

древность

Человек с древних времен знал о существовании никеля. Например, 2% никеля было обнаружено в бронзовых предметах (3500 г. до н.э.), присутствующих на землях, в настоящее время принадлежащих Сирии.

Точно так же китайские рукописи предполагают, что «белая медь», известная как байтонг, использовалась между 1700 и 1400 гг. До н.э. Минерал был экспортирован в Великобританию в 17 веке; но содержание никеля в этом сплаве (Cu-Ni) не было обнаружено до 1822 года.

В средневековой Германии был найден красноватый минерал, похожий на медь, с зелеными пятнами. Шахтеры пытались отделить медь от руды, но безуспешно. Кроме того, контакт с минералом вызывает проблемы со здоровьем.

По этим причинам горняки приписали минерал злокачественному заболеванию и дали ему разные названия, иллюстрирующие это состояние; как «Старый Ник», также купферникель (медь дьявола). Теперь известно, что речь идет о николите: арсениде никеля, NiAs.

Открытие и производство

В 1751 году Аксель Фредрик Кронстед попытался выделить медь из купферникеля, добытого из кобальтового рудника недалеко от шведской деревни Лос-Халсингланд. Но ему удалось получить только белый металл, который до сих пор был неизвестен и назвал его никелем.

Начиная с 1824 года, никель был получен как побочный продукт производства кобальтового синего. В 1848 году в Норвегии был открыт плавильный завод по переработке никеля, присутствующего в минерале пирротин.

В 1889 году никель был внедрен в производство стали, и месторождения, открытые в Новой Каледонии, предоставили никель для мирового потребления.

свойства

Внешность

Серебристо-белый, блестящий, с легким золотистым оттенком.

Атомный вес

58.9344 ед.

Атомный номер (Z)

28

Температура плавления

1,455 ºC

Точка кипения

2,730 ºC

плотность

-При комнатной температуре: 8,908 г / мл

-Температура плавления (жидкость): 7,81 г / мл

Теплота плавления

17,48 кДж / моль

Теплота испарения

379 кДж / моль

Молярная калорийность

26,07 Дж / моль

Электроотрицательность

1,91 по шкале Полинга

Энергия ионизации

Первый уровень ионизации: 737,1 кДж / моль

Второй уровень ионизации: 1,753 кДж / моль

Третий уровень ионизации: 3395 кДж / моль

Атомное радио

Эмпирический 124 вечера

Ковалентный радиус

124,4 ± 4 вечера

Теплопроводность

90,9 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

69,3 нОм м при 20 ºC

твердость

4.0 по шкале Мооса.

характеристики

Никель является пластичным, ковким металлом и имеет большую твердость, чем железо, и является хорошим проводником электричества и тепла. Это ферромагнитный металл при нормальных температурах, его температура Кюри составляет 358ºC. При более высоких температурах никель перестает быть ферромагнитным.

Никель - один из четырех ферромагнитных элементов, три других - железо, кобальт и гадолиний.

Изотопы

Есть 31 изотоп никеля, ограниченный ⁴⁸ Ni и ⁷⁸ Ni.

Существует пять природных изотопов: ⁵⁸ Ni с содержанием 68,27%; ⁶⁰ Ni с содержанием 26,10%; ⁶¹ Ni с содержанием 1,13%; ⁶² Ni с содержанием 3,59%; и ⁶⁴ Ni с содержанием 0,9%.

Атомный вес никеля около 59 единиц показывает, что нет заметного преобладания какого-либо из изотопов (хотя ⁵⁸ Ni является наиболее распространенным).

Структура и электронная конфигурация

Металлический никель кристаллизуется в гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру. Эта ГЦК-фаза чрезвычайно стабильна и остается неизменной до давлений, близких к 70 ГПа; Библиографической информации о фазах или полиморфных модификациях никеля под высоким давлением мало.

Морфология кристаллов никеля различна, поскольку они могут быть расположены таким образом, что образуют нанотрубку. В случае наночастицы или макроскопического твердого тела металлическая связь остается той же (теоретически); то есть те же валентные электроны, которые удерживают атомы Ni вместе.

Согласно двум возможным электронным конфигурациям никеля:

3д ⁸ 4с ²

3д ⁹ 4с ¹

В металлической связи участвуют десять электронов; либо восемь, либо девять на 3-й орбите, а также два или один на орбитали 4s. Обратите внимание, что валентная зона практически заполнена, что близко к переносу ее электронов в зону проводимости; факт, который объясняет его относительно высокую электропроводность.

ГЦК-структура никеля настолько устойчива, что при добавлении к ней даже становится пригодной для стали. Таким образом, нержавеющее железо с высоким содержанием никеля также является ГЦК.

Числа окисления

Никель, хотя это может показаться не таким, также имеет большое количество чисел или степеней окисления. Отрицательные стороны очевидны, зная, что ему просто не хватает двух электронов, чтобы завершить десять его трехмерной орбитали; таким образом, он может получить один или два электрона со степенью окисления -1 (Ni ^- ) или -2 (Ni ^2- ) соответственно.

Наиболее стабильная степень окисления никеля +2, если предположить существование катиона Ni ²⁺ , который потерял электроны на 4s-орбитали и имеет восемь электронов на 3d-орбитали (3d ⁸ ).

Кроме того, есть два других положительных числа окисления: +3 (Ni ³⁺ ) и +4 (Ni ⁴⁺ ). В школе или старшей школе никель учат существовать только как Ni (II) или Ni (III), потому что они являются наиболее распространенными числами окисления, обнаруженными в очень стабильных соединениях.

А когда металлический никель является частью соединения, то есть с его нейтральным атомом Ni, то говорят, что он участвует или связывается со степенью окисления 0 (Ni ⁰ ).

Где находится никель?

Минералы и море

Никель составляет 0,007% земной коры, поэтому его содержание невелико. Но это все еще второй по распространенности металл после железа в расплавленном ядре Земли, известном как Нифа. Средняя концентрация никеля в морской воде составляет 5,6 · 10 ^-4 мг / л.

Обычно он содержится в магматических породах, пентландите, минерале, образованном из железа и сульфида никеля, который является одним из основных источников никеля:

Порода состоит из минералов пентландита и пирротина. Источник: Джон Соболевски (JSS)

Минерал пентландит присутствует в Садбери, Онтарио, Канада; одно из главных месторождений этого металла в мире.

Пентландит имеет концентрацию никеля от 3 до 5%, он связан с пирротином, сульфидом железа, богатым никелем. Эти минералы находятся в породах, продуктах сегрегации земной магмы.

Латериты

Другой важный источник никеля - латериты, состоящие из засушливых почв в жарких регионах. Они бедны кремнеземом и содержат несколько минералов, в том числе: гарниерит, силикат никеля магния; и лимонит, железная руда

Он используется в сплаве с железом в основном для производства нержавеющей стали, так как для этой цели используется 68% никеля.

Он также образует сплав с медью, устойчивый к коррозии. Этот сплав состоит из 60% никеля, 30% меди и небольшого количества других металлов, особенно железа.

Никель используется в резистивных сплавах, магнитных и других целях, таких как нейзильбер; и сплав, состоящий из никеля и меди, но не содержащий серебра. Трубы Ni-Cu используются в опреснительных установках, экранирования и изготовления монет.

Никель придает сплавам ударную вязкость и прочность на разрыв, повышая устойчивость к коррозии. Помимо сплавов с медью, железом и хромом, он используется в сплавах с бронзой, алюминием, свинцом, кобальтом, серебром и золотом.

Сплав Монель состоит из 17% никеля, 30% меди и со следами железа, марганца и кремния. Он устойчив к морской воде, что делает его идеальным для использования на гребных винтах судов.

Защитное действие

Никель, вступая в реакцию с фтором, образует защитный слой для элемента фтора, позволяя использовать металлический никель или сплав монель в линиях газового фтора.

Никель устойчив к действию щелочей. По этой причине он используется в контейнерах, содержащих концентрированный гидроксид натрия. Он также используется в гальванике для создания защитной поверхности для других металлов.

Другое использование

Никель используется в качестве восстановителя для шести металлов платиновой группы минералов, в которые он входит; в основном платина и палладий. Никелевая пена или сетка используются при изготовлении электродов для щелочных топливных батарей.

Никель используется в качестве катализатора гидрирования ненасыщенных жирных кислот растительного происхождения, который используется в процессе производства маргарина. Медь и сплав Cu-Ni обладают антибактериальным действием на кишечную палочку.

Наночастицы

Наночастицы никеля (НЧ-Ni) находят широкое применение благодаря большей площади поверхности по сравнению с макроскопическим образцом. Когда эти NPs-Ni синтезируются из растительных экстрактов, они проявляют антимикробную и антибактериальную активность.

Причина вышеупомянутого заключается в его большей склонности к окислению при контакте с водой с образованием катионов Ni ²⁺ и высокореактивных форм кислорода, которые денатурируют микробные клетки.

С другой стороны, НЧ-Ni используются в качестве электродного материала в твердотельных топливных элементах, волокнах, магнитах, магнитных жидкостях, электронных деталях, датчиках газа и т. Д. Точно так же они являются каталитическими носителями, адсорбентами, отбеливателями и очистителями сточных вод.

-Композиты

Хлорид, нитрат и сульфат никеля используются в никелевых ваннах при гальванике. Кроме того, его сульфатная соль используется при приготовлении катализаторов и протравы для окрашивания текстильных изделий.

Перекись никеля используется в аккумуляторных батареях. Никелевые ферриты используются в качестве магнитопроводов в антеннах различного электрического оборудования.

Третракарбонил никеля обеспечивает монооксид углерода для синтеза акрилатов из ацетилена и спиртов. Комбинированный оксид бария и никеля (BaNiO ₃ ) служит сырьем для изготовления катодов многих аккумуляторных батарей, таких как Ni-Cd, Ni-Fe и Ni-H.

Биологическая роль

Для роста растениям необходимо присутствие никеля. Известно, что он используется в качестве кофактора различными растительными ферментами, включая уреазу; фермент, который превращает мочевину в аммиак, способный использовать это соединение для функционирования растений.

Кроме того, накопление мочевины вызывает изменения в листьях растений. Никель действует как катализатор, способствующий фиксации азота бобовыми.

Наиболее чувствительны к дефициту никеля бобовые (фасоль и люцерна), ячмень, пшеница, сливы и персики. Его недостаток проявляется у растений в виде хлороза, опадания листьев и нарушений роста.

У некоторых бактерий фермент уреаза зависит от никеля, но считается, что они могут оказывать вирулентное действие на организмы, в которых они обитают.

Другие бактериальные ферменты, такие как супероксиддисмутаза, а также гликсидаза, присутствующая в бактериях и некоторых паразитах, например в трипаносомах, зависят от никеля. Однако те же ферменты у высших видов зависят не от никеля, а от цинка.

риски

Проглатывание большого количества никеля связано с возникновением и развитием рака легких, носа, гортани и простаты. Кроме того, он вызывает проблемы с дыханием, дыхательную недостаточность, астму и бронхит. Пары никеля могут вызвать раздражение легких.

Попадание никеля на кожу может вызвать сенсибилизацию, которая впоследствии приводит к аллергии, проявляющейся в виде кожной сыпи.

Воздействие никеля на кожу может вызвать дерматит, известный как «никелевый зуд», у ранее сенсибилизированных людей. При сенсибилизации к никелю она сохраняется бесконечно.

Международное агентство по изучению рака (IARC) отнесло соединения никеля к Группе 1 (имеется достаточно доказательств канцерогенности для человека). Однако OSHA не регулирует никель как канцероген.

Рекомендуется, чтобы воздействие металлического никеля и его соединений не превышало 1 мг / м ^{3 в} течение восьми часов работы в течение сорока часов рабочей недели. Карбонил никеля и сульфид никеля являются высокотоксичными или канцерогенными соединениями.

Ссылки

1. Мухаммад Имран Дин и Анила Рани. (2016). Последние достижения в синтезе и стабилизации наночастиц никеля и оксида никеля: зеленая компетентность. Международный журнал аналитической химии, вып. 2016 г., идентификатор статьи 3512145, 14 страниц, 2016 г. doi.org/10.1155/2016/3512145.
2. Равиндранат К., Рамамурти М. (2017). Наночастицы на основе никеля как адсорбенты в методах очистки воды - обзор. Orient J Chem 2017-33 (4).
3. Wikipedia. (2019). Никель. Получено с: en.wikipedia.org
4. Институт никеля. (2018). Нержавеющая сталь: роль никеля. Получено с: nickelinstitute.org
5. Редакторы энциклопедии Британника. (20 марта 2019 г.). Никель. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
6. Трой Бюшель. (05 октября 2018 г.). Роль никеля в растениеводстве. Промикс. Получено с: pthorticulture.com
7. Lenntech. (2019). Таблица Менделеева: Никель. Получено с: lenntech.com
8. Белл Теренс. (28 июля 2019 г.). Металлический никелевый профиль. Получено с: thebalance.com
9. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (22 июня 2018 г.). 10 фактов об элементе никеля. Получено с: thinkco.com
10. Динни Нурхаяни и Ахмад А. Корда. (2015). Влияние добавления никеля на антимикробные, физические и механические свойства медно-никелевого сплава в отношении взвесей Escherichia coli. Материалы конференции AIP 1677, 070023. doi.org/10.1063/1.4930727