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 Никель (хим. элемент) 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 «Никель (хим. элемент)» происходит от минерала купферникеля (Ni As), 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. Никель (хим. элемент) 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. Никель (хим. элемент) — 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 Никель (хим. элемент) в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где Никель (хим. элемент) 5,8×10-3%, 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 Никель (хим. элемент) входит в виде изоморфной примеси. Собственных минералов Никель (хим. элемент) известно 53; большинство из них образовалось при высоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения Никель (хим. элемент) связаны с процессами в магме и коре выветривания. Промышленные месторождения Никель (хим. элемент) (сульфидные руды) обычно сложены минералами Никель (хим. элемент) и меди (см. Никелевые руды ). На земной поверхности, в биосфере Никель (хим. элемент) — 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 Никель (хим. элемент) существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решётку (a = 3,5236 ). Но Никель (хим. элемент), подвергнутый катодному распылению в атмосфере H 2, образует a-модификацию, имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки (а = 2,65 , с = 4,32 ), которая при нагревании выше 200 °С переходит в кубическую. Компактный кубический Никель (хим. элемент) имеет плотность 8,9 г/см3 (20 °С), атомный радиус 1,24 , ионные радиусы: Ni 2+ 0,79 , Ni 3+ 0,72 ; tпл 1453 °С; tkип около 3000 °С; удельная теплоёмкость при 20 °С 0,440 кдж/(кг·К) [0,105 кал/(г°С)]; температурный коэффициент линейного расширения 13,310-6 (0—100 °С); теплопроводность при 25 °С 90,1 вмl (м·K )[0,215 кал/(см·сек·оС)]; то же при 500 °С 60,01 вм/(м·К) [0,148 кал/см (сек·оС)]. Удельное электросопротивление при 20 °С 68,4 ном·м, т. е. 6,84 мком·см; температурный коэффициент электросопротивления 6,8×10-3 (0—100 °С).
Никель (хим. элемент) — 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 ) Никель (хим. элемент) ферромагнитен. Ферромагнетизм Никель (хим. элемент) обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d84s2) его атомов. Никель (хим. элемент) 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 Никель (хим. элемент) составляет 6 mБ, где mБ — Бора магнетон . Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах Никель (хим. элемент) приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений Никель (хим. элемент) (окислы, галогениды и др.) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой, см. Магнитная структура ). Никель (хим. элемент) 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). Никель (хим. элемент) — металл средней активности, Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H 2, C O и др.); насыщение Никель (хим. элемент) газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 °С; в мелкодисперсном состоянии Никель (хим. элемент) пирофорен — на воздухе самовоспламеняется. Из окислов наиболее важна закись Ni O — 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 Никель (хим. элемент) соединяется с галогенами, образуя NiX2. Сгорая в парах серы, даёт сульфид, близкий по составу к Ni 3S 2. Моносульфид Ni S может быть получен нагреванием Ni O с серой.
С азотом Никель (хим. элемент) не реагирует даже при высоких температурах (до 1400 °С). Растворимость азота в твёрдом Никель (хим. элемент) приблизительно 0,07% по массе (при 445 °С). Нитрид Ni 3N может быть получен пропусканием N H 3 над Ni F 2, Ni Br 2 или порошком металла при 445 °С. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni 3P 2 в виде серой массы. В системе Ni — As установлено существование трёх арсенидов: Ni 5As 2, Ni 3As (минерал маухерит) и Ni As. Структурой никель-арсенидного типа (в которой атомы As образуют плотнейшую гексагональную упаковку, все октаэдрические пустоты которой заняты атомами Ni) обладают многие металлиды . Неустойчивый карбид Ni 3C может быть получен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка Никель (хим. элемент) в атмосфере C O при 300 °С. В жидком состоянии Никель (хим. элемент) растворяет заметное количество С, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении графита Никель (хим. элемент) 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 Никель (хим. элемент) устойчив. Органические кислоты действуют на Никель (хим. элемент) лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют Никель (хим. элемент); разбавленная азотная — очень легко; концентрированная H N O 3пассивирует Никель (хим. элемент), 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 Никель (хим. элемент) разлагается при прокаливании (600—800 °С). Одна из наиболее употребительных солей — сульфат Ni S O 4 кристаллизуется из растворов в виде изумруднозелёных кристаллов Ni S O 4×7H 2O — никелевого купороса. Сильные щёлочи на Никель (хим. элемент) не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (N H 4)2C O 3 с образованием растворимых аммиакатов , окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства из них характерно наличие комплексов [Ni (N H 3)6]2+ и [Ni (O H)2(N H 3)4]. На избирательном образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения Никель (хим. элемент) из руд. Na O C I и Na O Br осаждают из растворов солей Ni (II), гидроокись Ni (O H)3 чёрного цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно 2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (C 4H 7O 2N)2Ni служит для аналитического определения Ni.
При повышенных температурах Никель (хим. элемент) взаимодействует с окислами азота, S O 2 и N H 3. При действии C O на его тонкоизмельчённый порошок при нагревании образуется карбонил Ni (C O)4 (см. Карбонилы металлов ). Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый Никель (хим. элемент)
Получение. Около 80% Никель (хим. элемент) 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 Никель (хим. элемент) 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 Ni O. Металл получают восстановлением Ni O в электрических дуговых печах. Из чернового Никель (хим. элемент) отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Никель (хим. элемент) (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 °С, а его разложение — без доступа воздуха при атмосферном давлении и около 200 °С. Разложение Ni (C O)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 S O 2, 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 Никель (хим. элемент) переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением).
Из силикатных (окисленных) руд Никель (хим. элемент) 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 Никель (хим. элемент) 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 Никель (хим. элемент) 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 Никель (хим. элемент) используются в конструкциях атомных реакторов.
Значительное количество Никель (хим. элемент) расходуется для производства щелочных аккумуляторов и антикоррозионных покрытий. Ковкий Никель (хим. элемент) 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. Никель (хим. элемент) — весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешёвыми и распространёнными материалами.
Переработка руд Никель (хим. элемент) сопровождается выделением ядовитых газов, содержащих S O 2 и нередко As 2O 3. Очень токсична C O, применяемая при рафинировании Никель (хим. элемент) карбонильным методом; весьма ядовит и легко летуч Ni (C O)4. Смесь его с воздухом при 60 °С 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 1,0×10-5%, в морских — 1,6×10-5%. В животном организме Никель (хим. элемент) обнаружен в печени, коже и эндокринных железах; накапливается в ороговевших тканях (особенно в перьях). Физиологическая роль Никель (хим. элемент) изучена недостаточно. Установлено, что Никель (хим. элемент) активирует фермент аргиназу, влияет на окислительные процессы; у растений принимает участие в ряде ферментативных реакций (карбоксилирование, гидролиз пептидных связей и др.). На обогащенных Никель (хим. элемент) 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 Никель (хим. элемент) 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.