Никель

Никельсодержащие сплавы были известны в Китае более 2000 лет назад. Элемент открыт (выделен в форме простого вещества) в 1751 г. А. Кронстедтом. Название происходит от минерала купферникеля (NiAs, никелин), 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).

Содержание никеля в земной коре составляет 8·10^–3 % по массе. Известно свыше 50 минералов никеля, важнейшими из которых являются пентландит (Ni,Fe)₉ S₈ , миллерит NiS, гарниерит (Ni,Mg)₆ Si₄ O₁₀ (OH)₂ . Самородный никель (в виде сплава с железом) часто входит в состав железных и железокаменных метеоритов.

Конфигурация внешней электронной оболочки атома никеля 3d⁸ 4s² ; в соединениях обычно проявляет степени окисления +2, +4, реже +1, +3; энергии ионизации Ni⁰ →Ni⁺¹ →Ni⁺² →Ni⁺³ →Ni⁺⁴ соответственно равны 737,1; 1753,0; 3395; 5300 кДж/моль; электроотрицательность по Полингу 1,91; атомный радиус 124,6 пм.

Компактный никель – серебристо-белый металл с характерным блеском, очень ковкий и пластичный; кристаллическая решётка гранецентрированная кубическая; t_пл 1455 °C, t_кип 2900 °C, плотность 8908 кг/м³ (при 20 °C); ферромагнетик, точка Кюри 631 К; температурный коэффициент линейного расширения 13,5·10^–6 К^–1 . Модуль упругости 200 ГПа, твёрдость по Бринеллю 700 МПа.

Никель химически малоактивен. Компактный металл не окисляется на воздухе при комнатной температуре, при нагревании выше 800 °C окисляется с поверхности (тонкодисперсный никель пирофорен). Никель медленно взаимодействует с соляной, серной кислотами; быстро растворяется в разбавленной азотной кислоте с образованием раствора нитрата никеля(II); концентрированной азотной кислотой пассивируется. С растворами и расплавами щелочей и карбонатов щелочных металлов не взаимодействует. Поглощает H₂ и образует с ним твёрдые растворы; гидриды NiH и NiH₂ получают косвенными путями. Компактный Ni не реагирует с N₂ и NH₃ , мелкодисперсный – с NH₃ при 300–400 °C образует нитрид Ni₃ N. Расплавленный Ni растворяет углерод, образуя карбид Ni₃ C, который разлагается при кристаллизации расплава. Мелкодисперсный Ni взаимодействует с CO, образуя тетракарбонил никеля Ni(CO)₄ , который используют для получения никеля высокой чистоты. При сплавлении с кремнием образует силициды Ni₅ Si₂ , Ni₂ Si, NiSi, при сплавлении с бором – бориды Ni₃ B, Ni₂ B, Ni₃ B₂ , Ni₄ B₃ , NiB₁₂ , NiB. С кислородом при нагревании даёт оксид никеля(II) NiO, при электрохимическом окислении – гидратированный оксид никеля(III) NiO(OH) и оксид никеля(IV) NiO₂ . Никель реагирует при нагревании с парáми серы, давая сульфиды NiS, NiS₂ , Ni₃ S₂ , Ni₃ S₄ , Ni₆ S₅ и Ni₇ S₆ . С парáми фосфора образует фосфиды Ni₅ P₂ , Ni₂ P и Ni₃ P, с галогенами – безводные дигалогениды. Реакция с F₂ даёт дифторид в виде плёнки на поверхности компактного металла, поэтому аппаратура, изготовленная из Ni и его сплавов, может быть использована для работы с фтором, фтороводородом и плавиковой кислотой. Фторирование смеси KCl и NiCl₂ приводит к фторидному комплексу Ni(IV)K₂ [NiF₆ ], используемому в качестве фторирующего реагента. Для никеля характерно образование комплексных соединений, например парамагнитных октаэдрических комплексов [Ni(NH₃ )₆ ]²⁺ и [Ni(H₂ O)₆ ]²⁺ , диамагнитных квадратных комплексов [Ni(CN)₄ ]^2– . Образует разнообразные по структуре никельорганические соединения.

Никель в мелкодисперсном состоянии обладает высокой каталитической активностью в реакциях гидрирования, дегидрирования, окисления, изомеризации, конденсации. Как катализатор широко используется т. н. никель Ренея (мелкораздробленный порошок, насыщенный водородом), получаемый при сплавлении при 1200 °C Ni (20–50 % по массе) с алюминием с последующей обработкой сплава концентрированным раствором щёлочи (для растворения Al) и промыванием остатка водой в атмосфере водорода.

Никель относится к микроэлементам, необходим для жизнедеятельности млекопитающих и растений, входит в состав некоторых ферментов. В организме человека содержится около 1 мг Ni. Никель и ряд его соединений обладают токсичным действием, вызывают дерматиты, заболевания дыхательной системы, злокачественные новообразования и др.

Значительную часть металлического никеля производят из сульфидных руд. Первичные сульфидные руды никеля содержат в заметных количествах также Co, Cu, Ag, Au и платиновые металлы, поэтому их переработка проводится с извлечением всех необходимых компонентов. На первых стадиях переработки – окислительном обжиге концентрата – отделяется бо́льшая часть сульфида Fe (основной компонент первичных руд). Полученный оксидный концентрат переводят в раствор аммиака в присутствии кислорода и CO₂ . Раствор отделяют от CoO сульфидом аммония. Заключительной стадией очистки является электрохимическое рафинирование. Кроме Ni, Co и Cu, из анодных шламов можно выделить Ag, Au и платиновые металлы. Объём мирового производства никеля достигает 1 млн т/год (2013).

Бо́льшую часть производимого никеля используют как компонент легированных сталей и для получения сплавов, обладающих высокой механической прочностью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью, жаростойкостью, магнитными и другими особыми физическими свойствами. Металлический никель применяют для создания покрытий на поверхности других металлов, как конструкционный материал для химической аппаратуры и ядерных реакторов, для изготовления аккумуляторных электродов, как катализатор.