Нікель (лат. Niccolum), Ni, хімічний елемент першої тріади VIII групи періодичної системи Менделєєва, атомний номер 28, атомна маса 58,70; сріблисто-білий метал, ковкий і пластичний. Природний Н. складається з суміші п'яти стабільних ізотопів: 58 Ni (67,76%), 60 Ni (26,16%), 61 Ni (1,25%), 63 Ni (3,66%), 64 Ni (1,16%).
Історична довідка. Метал в нечистому вигляді вперше отримав в 1751 шведський хімік А. Кронстедт, що запропонував і назва елементу. Значно чистіший метал отримав в 1804 німецький хімік І. Ріхтер. Назва «Н.» походить від мінералу купферникеля (Nias), відомого вже в 17 ст і що часто вводив в оману гірників зовнішньою схожістю з мідними рудами (йому. Kupfer — мідь, Nickel — гірський дух, нібито що підсовував гірникам замість руди порожню породу). З середини 18 ст Н. застосовувався лише як складова частина сплавів, по зовнішності схожих на срібло. Широкий розвиток нікелевої промисловості в кінці 19 ст пов'язаний із знаходженням крупних родовищ нікелевих руд в Новій Каледонії і в Канаді і відкриттям впливу, що «ушляхетнює» його, на властивості сталей.
Поширення в природі. Н. — елемент земних глибин (у ультраосновних породах мантії його 0,2% по масі). Існує гіпотеза, що земне ядро складається з никелістого заліза; відповідно до цього середній вміст Н. у землі в цілому за оцінкою близько 3%. У земній корі, де Н. 5,8×10 -3 %, він також тяжіє до глибшої, так званої базальтової оболонки. Ni в земній корі — супутник Fe і Mg, що пояснюється схожістю їх валентності (II) і іонних радіусів; у мінерали двовалентного заліза і магнію Н. входить у вигляді ізоморфної домішки. Власних мінералів Н. відомо 53; більшість з них утворилася при високих температурах і тиску, при застиганні магми або з гарячих водних розчинів. Родовища Н. пов'язані з процесами в магмі і корі вивітрювання. Промислові родовища Н. (сульфідні руди) зазвичай складені мінералами Н. і мідь (див. Нікелеві руди ) . На земній поверхні, в біосфері Н. — порівняно слабкий мігрант. Його відносно мало в поверхневих водах, в живій речовині. У районах, де переважають ультраосновниє породи, грунт і рослини збагачені нікелем.
Фізичні і хімічні властивості. За звичайних умов Н. існує у вигляді b-модіфікації, що має гранецентровані кубічні грати ( а = 3,5236 ). Але Н., підданий тому, що катодному розпиляло в атмосфері H 2 , утворює а-модифікацію, що має гексагональні грати щільної упаковки ( а = 2,65, з = 4,32 ), яка при нагріванні вище 200 °С переходить в кубічну. Компактний кубічний Н. має щільність 8,9 г/см 3 (20 °С), атомний радіус 1,24, іонні радіуси: Ni 2+ 0,79, Ni 3+ 0,72 ; t пл 1453 °С; t кіп близько 3000 °С; питома теплоємність при 20 °С 0,440 кдж/ ( кг·К ) [0,105 кал/ ( г °С)]; температурний коефіцієнт лінійного розширення 13,310 -6 (0—100 °С); теплопровідність при 25 °С 90,1 вмl ( м·k ) [0,215 кал/ ( см·сек· про З)]; то ж при 500 °С 60,01 вм/ ( м·К ) [0,148 кал/см ( сек· про З)] . Питомий електроопір при 20 °С 68,4 ном·м, тобто 6,84 мком·см; температурний коефіцієнт електроопоу 6,8×10 -3 (0—100 °С).
Н. — ковкий і тягучий метал, з нього можна виготовляти якнайтонші листи і трубки. Межа міцності при розтягуванні 400—500 Мн/м 2 (тобто 40—50 кгс/мм 2 ) , межа пружності 80 Мн/м 2 , межа текучості 120 Мн/м 2 ; відносне подовження 40%; модуль нормальної пружності 205 Гн/м 2 ; твердість по Брінеллю 600—800 Мн/м 2 . В температурному інтервалі від 0 до 631 До (верхній кордон відповідає Кюрі точці ) Н. ферромагнітен. Феромагнетизм Н. обумовлений особливостями будови зовнішніх електронних оболонок (3d 8 4s 2 ) його атомів. Н. разом з Fe (3d 6 4s 2 ) і З (3d 7 4s 2 ), також феромагнетиками, відноситься до елементів з недобудованою 3d-електронною оболонкою (до перехідних 3d-металів). Електрони недобудованої оболонки створюють магнітний момент спину, що не компенсується, ефективне значення якого для атомів Н. складає 6 m Би , де m Би — Бору магнетон . Позитивне значення обмінного взаємодії в кристалах Н. приводить до паралельної орієнтації атомних магнітних моментів, тобто до феромагнетизму. З тієї ж причини сплави і ряд з'єднань Н. (оксиди, галогеніди і ін.) магнітоупорядочени (володіють ферро-, рідше феррімагнітной структурою, див.(дивися) Магнітна структура ) . Н. входить до складу найважливіших магнітних матеріалів і сплавів з мінімальним значенням коефіцієнта теплового розширення (пермалой, монель-метал, інвар і ін.).
В хімічному відношенні Ni схожий з Fe і З, але також і з Cu і благородними металами. У з'єднаннях проявляє змінну валентність (частіше всього 2-валентний). Н. — метал середньої активності, Поглинає (особливо в мелкораздробленном стані) великі кількості газів (H 2 , CO і ін.); насичення Н. газами погіршує його механічні властивості. Взаємодія з киснем починається при 500 °С; у мелкодісперсном стані Н. пірофорен — на повітрі займається. З оксидів найбільш важливий закис NIO — зеленуваті кристали, практично нерозчинні у воді (мінерал бунзеніт). Гідроокис випадає з розчинів нікелевих солей при збільшенні лугів у вигляді об'ємистого осаду яблучно-зеленого кольору. При нагріванні Н. з'єднується з галогенами, утворюючи Nix 2 . Згораючи в парах сірки, дає сульфід, близький по складу до Ni 3 S 2 . Моносульфід NIS може бути отриманий нагріванням NIO з сіркою.
З азотом Н. не реагує навіть при високих температурах (до 1400 °С). Розчинність азоту в твердому Н. приблизно 0,07% по масі (при 445 °С). Нітрид Ni 3 N може бути отриманий пропусканням Nh 3 над Nif 2 , Nibr 2 або порошком металу при 445 °С. Під дією пари фосфору при високій температурі утворюється фосфід Ni 3 P 2 у вигляді сірої маси. У системі Ni — As встановлене існування три арсенідов: Ni 5 As 2 , Ni 3 As (мінерал маухерит) і Nias. Структурою никель-арсенідного типа (у якою атоми As утворюють щільну гексагональну упаковку, всі октаедричні порожнечі якої зайняті атомами Ni) володіє багато хто металліди . Нестійкий карбід Ni 3 C може бути отриманий повільним (сотні годинників) вуглецюванням (цементацією) порошку Н. у атмосфері CO при 300 °С. У рідкому стані Н. розчиняє помітну кількість З, випадного при охолоджуванні у вигляді графіту. При виділенні графіту Н. втрачає ковкість і здатність оброблятися тиском.
У ряді напруги Ni стоїть правіше Fe (їх нормальні потенціали відповідно —0,44 в і —0,24 в ) і тому повільніше, ніж Fe, розчиняється в розбавлених кислотах. По відношенню до води Н. стійкий. Органічні кислоти діють на Н. лише після тривалого зіткнення з ним. Сірчана і соляна кислоти повільно розчиняють Н.; розбавлена азотна — дуже легко; концентрована Hno 3 пасивує Н., проте у меншій мірі, чим залізо.
При взаємодії з кислотами утворюються солі 2-валентного Ni. Майже всі солі Ni (II) і сильних кислот добре растворіми у воді, розчини їх унаслідок гідролізу мають кислую реакцію. Труднорастворіми солі таких порівняно слабких кислот, як вугільна і фосфорна. Більшість солей Н. розкладається при прожаренні (600—800 °С). Одна з найбільш споживаних солей — сульфат Niso 4 кристалізується з розчинів у вигляді ізумруднозелених кристалів Niso 4 ×7H 2 O — нікелевого купоросу. Сильні луги на Н. не діють, але він розчиняється в аміачних розчинах у присутності (Nh 4 ) 2 Co 3 з освітою розчинних аміакатів, забарвлених в інтенсивно-синій колір; для більшості з них характерна наявність комплексів [Ni (Nh 3 ) 6 ] 2 + і [Ni (ВІН) 2 (Nh 3 ) 4 ]. На виборчому утворенні аміакатів грунтуються гідрометалургійні методи витягання Н. з руд. NAOCI і Naobr облягають з розчинів солей Ni (II), гідроокис Ni (ВІН) 3 чорного кольору. У комплексних з'єднаннях Ni, на відміну від З, зазвичай 2-валентний. Комплексне з'єднання Ni з диметилгліоксимом (C 4 H 7 O 2 N) 2 Ni служить для аналітичного визначення Ni.
При підвищених температурах Н. взаємодіє з оксидами азоту, So 2 і Nh 3 . При дії CO на його тонкоподрібнений порошок при нагріванні утворюється карбоніл Ni (CO) 4 (див. Карбоніли металів ) . Термічною дисоціацією карбоніла отримують найбільш чисті Н.
Здобуття. Близько 80% Н. від загального його виробництва (без СРСР) отримують з сульфідних мідно-нікелевих руд. Після селективного збагачення методом флотації з руди виділяють мідний, нікелевий і пірротіновий концентрати. Нікелевий рудний концентрат в суміші з флюсами плавлять в електричних шахтах або відбивних печах з метою відділення порожньої породи і витягання Н. у сульфідний розплав (штейн), що містить 10—15% Ni. Зазвичай електроплавленню (основний метод плавки в СРСР) передують часткове окислювальне випалення і кускування концентрату. Поряд з Ni в штейн переходять частину Fe, З і практично повністю Сu і благородні метали. Після відділення Fe окисленням (продуванням рідкого штейна в конвертерах) отримують сплав сульфідів Cu і Ni — файнштейн, який повільно охолоджують, тонко подрібнюють і направляють на флотацію для розділення Cu, і Ni. Нікелевий концентрат обпалюють в киплячому шарі до NIO. Метал отримують відновленням NIO в електричних дугових печах. З чорнового Н. відливають аноди і рафінують електролітично. Вміст домішок в електролітному Н. (марка 110) 0,01%.
Для розділення Cu і Ni використовують також т.з. карбонільний процес, заснований на оборотності реакції:
Здобуття карбоніла проводять при 100—200 атм і при 200—250 °С, а його розкладання — без доступу повітря при атмосферному тиску і близько 200 °С. Розкладання Ni (CO) 4 використовують також для здобуття нікелевих покриттів і виготовлення різних виробів (розкладання на нагрітій матриці).
В сучасних «автогенних» процесах плавка здійснюється за рахунок тепла, що виділяється при окисленні сульфідів повітрям, збагаченим киснем. Це дозволяє відмовитися від вуглецевого палива, отримати гази, багаті So 2 , придатні для виробництва сірчаної кислоти або елементарної сірки, а також різко підвищити економічність процесу. Найбільш абсолютно і перспективне окислення рідких сульфідів. Усе більш поширюються процеси, засновані на обробці нікелевих концентратів розчинами кислот або аміаку у присутності кисню при підвищених температурах і тиску (автоклавні процеси). Зазвичай Н. переводять в розчин, з якого виділяють його у вигляді багатого сульфідного концентрату або металевого порошку (відновленням воднем під тиском).
З силікатних (окислених) руд Н. також може бути сконцентрований в штейні при введенні в шихту плавки флюсів — гіпсу або піриту. Відновно-сульфідуючу плавку проводять зазвичай в шахтних печах; штейн, що утворюється, містить 16—20% Ni, 16—18% S, останнє — Fe. Технологія витягання Н. з штейна аналогічна описаною вище, за винятком того, що операція відділення Cu часто випадає. При малому вмісті в окислених рудах З їх доцільно піддавати відновній плавці із здобуттям феронікеля, що направляється на виробництво стали. Для витягання Н. з окислених руд застосовують також гідрометалургійні методи — аміачне вилуговування заздалегідь відновленої руди, сернокислотноє автоклавне вилуговування і ін.
Вживання. Переважна частина Ni використовується для здобуття сплавів з ін. металами (Fe, Сг, Cu і ін.), що відрізняються високими механічними, антикорозійними, магнітними або електричними і термоелектричними властивостями. У зв'язку з розвитком реактивної техніки і створенням газотурбінних установок особливо важливі жароміцні і жаростійкі хромонікелеві сплави (див. Нікелеві сплави ) . Сплави Н. використовуються в конструкціях атомних реакторів.
Значна кількість Н. витрачається для виробництва лужних акумуляторів і антикорозійних покриттів. Ковкий Н. у чистому вигляді застосовують для виготовлення листів, труб і т.д. Він використовується також в хімічній промисловості для виготовлення спеціальної хімічної апаратури і як каталізатор багатьох хімічних процесів. Н. — вельми дефіцитний метал і по можливості повинен замінюватися іншими, дешевшими і поширенішими матеріалами.
Переробка руд Н. супроводиться виділенням отруйних газів, So, що містять, 2 і незрідка As 2 O 3 . Дуже токсична CO, вживана при рафінуванні Н. карбонільним методом; вельми отруйний і легко летуч Ni (CO) 4 . Суміш його з повітрям при 60 °С вибухає. Заходи боротьби: герметичність апаратури, посилена вентиляція.
А. Ст Ванюков.
Нікель в організмі є необхідним мікроелементом . Середній вміст його в рослинах 5,0·10 -5 % на сиру речовину, в організмі наземних тварин 1,0×10 -5 %, у морських — 1,6×10 -5 %. У тваринному організмі Н. виявлений в печінці, шкірі і ендокринних залозах; накопичується в ороговілих тканинах (особливо в пір'ї). Фізіологічна роль Н. вивчена недостатньо. Встановлено, що Н. активує фермент аргіназу, впливає на окислювальні процеси; в рослин бере участь у ряді ферментативних реакцій (карбоксилювання, гідроліз пептидних зв'язків і ін.). На збагачених Н. грунтах вміст його в рослинах може підвищитися в 30 разів і більш, що приводить до ендемічним захворюванням (в рослин — потворні форми, у тварин — захворювання очей, пов'язані з підвищеним накопиченням Н. у рогівці: кератити, кератокон'юнктивіти).
І. Ф. Грібовськая.
Літ.: Ріпан Р., Четяну І., Неорганічна хімія, т. 2 — Метали, пер.(переведення) з рум.(румунський), М., 1972, с. 581—614; Довідник металурга по кольорових металах, т. 2 — Кольорові метали, М., 1947 (Металургія нікелю, с. 269—392); Войнар А. І., Біологічна роль мікроелементів в організмі тварин і людини, 2 видавництва, М., 1960; Біологічна роль мікроелементів і їх вживання в сільському господарстві і медицині, т. 1—2, Л., 1970.
