Никель

Никель (niccolum) относится к 10-группе периодической таблицы Менделеева, компонент обозначается Ni. Его атомный номер (число) 28. В жизни человека Ni стал широко известен относительно недавно - в 1751 году получили первые данные. Используют Ni в металлургии, когда нужна работа с широкой разнообразностью высоких температур. В статье ниже разберем основные моменты, связанные с путем обработки, свойствами и применением никелевых сплавов, а также историю никелевого элемента.

Что такое Никель

Характерной особенностью элемента Ni является стойкость к возникновению коррозии в условиях агрессивной среды и стойкость к высокотемпературному режиму. Детали, которые изготавливаются из данного материала, отличаются устойчивостью к воздействию высокотемпературного режима, также используют вещество Ni как покрытие порошком. При этом конструкция не теряет первоначальной прочности. Возможно применение таких сплавов в агрессивных и химических средах, изделия выдерживают высокую температуру (зависит от того, из чего сплав состоит). 

Визуально элемент выглядит как металл с типичным серебристым блеском. Присутствует небольшой желтоватый оттенок. Обладает хорошей пластичностью и ковкостью. Это мощный природный ферромагнетик, который легко притягивается к металлу. 

В природе никель имеет обширное распространение. Доля в земной коре составляет 0,01%. Совместно с сульфидами и мышьяком, кремнием принимает участие в образовании некоторых солей.

В некоторых метеоритах его концентрация варьируется в диапазоне 5-25%. По последним данным у Никеля присутствует 5 изотопов естественного происхождения. Также представлен целый ряд искусственного синтезированных. 

Структура и состав никеля

Никель – это чистый металл, обладающий однородной упорядоченной структурой. Поэтому он имеет отличную способность проведения тока. Однако определяются способности материала фазовым составом. 

• β-модификация применяется при нормальных условиях. Отличительной особенностью является гранецентрированная кубическая решетка, которая наделяет металл привычными свойствами (пластичностью, стойкостью к механическим повреждениям, ковкостью и т.д.);
• α-модификацию. Появляется случае катодного распыления в водородной атмосфере. Модификация не начинает реагировать, но при этом изменяется структура. Отличается наличием гексоральной решетки с высокой плотностью. Перед в β-модификацию происходит только при нагревании в 200 градусов. 

Как правило, в промышленной сфере используется преимущественно β-модификация. 

История открытия никеля

С давних времен, рудокопы на юго-Востоке Германии, заметили, что в процессе работы встречаются странные камни горной руды, визуально похожие на медную руду. Однако ни одна попытка извлечения руды и других соединений не закончилась благополучно. Этот металл, как и руды, называли по-разному. В связи с этим, среди профессиональных шахтеров появилось название «бездельник», так как серебристо-белый материал не пригоден для использования, изготовления изделий.

По одной из легенд элемент получил свое название от имени коварного гнома. Nickel — бранное слово саксонских горняков в средние века, что значило тролль или гном. По верованиям, он подбрасывал горнякам минерал, в составе которого присутствует мышьяк и никель. 

Также некоторые статьи рассказывают о духе гор Nickel («озорник»). Данное название имеет и другое народное созвучие Nicolaus (что означает очень опасного дьявола). Но сама руда первоначально получила название «Купферникель». 

Преобладающая масса сульфидных медно-никелевых месторождений руды сформировалась на стадии активизации древних платформ в связи с трапповым магматизмом. Адсорбция меди, никеля и железа, а также элемента кобальт цеолитом из водных растворов в динамическом режиме дало хороший результат. 

Первые результаты дало исследование металла в 1751 году. Шведский химик Аксель Кронстедт занимался изучением свойств различных минералов. В результате лабораторных исследований, ученому удалось выделить странный оксид ярко-зеленного оттенка из купферникеля. За счет реакции восстановления, удалось получить неизвестный металл с белым, а не с желтым оттенком. Таких сталей было немного. 

Подтвердил теорию о том, что новое вещество включает целую смесь металлов, еще один химик из Швеции Т. Бергман. Выделить чистый никель без присадок получилось только через 50 лет немецкому ученому И. Рихтеру. Никелевый купорос использовался как основное сырье для проведения работы в лабораторных условиях.

В настоящее время специалисты, работающие в химической промышленности, с точностью могут объяснить, почему рудокопы не смогли изъять медь и железо из этой руды. Согласно современной номенклатуре, это Никелин (арсенид никеля). 

Свойства и характеристики

Физические свойства никеля

Никель является ферромагнетиком, поэтому при отсутствии внешнего магнитного поля обладает намагниченностью. Точки Кюри для никеля равна 358 градусов. Находясь на открытом воздухе металл сохраняет первоначальную яркость цвета. Также известно, что при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой.

С основными физическими свойствами на открытом воздухе и температурами можно ознакомиться в следующей таблице:

Характеристика	Показатель
Решетка	Кубическая гранецентрированная
Плотность, в г/см3	8,902
	1453
Удельная температура плавления, в кДж/моль	17,61
Коэффициент упругости поверхности	196−210 ГПа или 20000 кГ/мм2
Кипение, в градусах	3000
Удельная температура испарения, в кДж/моль	378,6
Молярная (атомная) теплоемкость, Дж/(K*моль)	26,1
Удельная теплоемкость, кдж/(кг*К)	0,440
Теплопроводность, Вт/(м*К)	90,9
Удельное электрическое сопротивление, мкОм*м	0,0684
ПДК соединений никеля в воздухе	0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений)

Химические свойства никеля

Никель относится к группе малоактивных химических веществ. На поверхности происходит образование оксидной пленки, за счет чего элемент проявляет стойкость в различных средах: щелочи, кислоте, воде. Не подвергается воздействию коррозии. 

С участием никеля образуется 3 вида соли, которые растворяются в воде (хлорид, сульфат, нитрат). Так как у них присутствует желтоватый цвет с коричневатым оттенком, раствор приобретает зеленоватый оттенок. К нерастворимым солям относят: фосфат, оксалат и сульфид. Окрашены в черный, зеленый и бронзовый оттенки.

Никель имеет способность к поглощению газов, что приводит к ухудшению первоначальных механических характеристик. Реакция с кислородом происходит при температуре в 500 градусов. Когда никель находится в мелкой дисперсии, то может самостоятельно воспламеняться на открытом воздухе. При нагревании никель способен объединяться с галогенами.

Когда происходит горение в сере, возникает сульфид, а при нагревании оксида никеля – моносульфид. Нитрат или оксид образуется в результате реакции с азотной кислотой. 

Никель имеет схожие химические свойства с кобальтом и железом. Меньше схожих характеристик присутствует с медью, железом или благородными металлами. Возгорание происходит только в порошкообразном состоянии. Имеет переменную валентность.

Химия никеля:

1. Молярный (атомный) объём: 6,6 см³/моль
2. Молярная масса: 58,6934 а. е. м.
3. Радиус атома: 124 пм
4. Ядро никеля содержит 58 нуклонов, из которых 28 протонов
5. Содержит смеси пяти стабильных изотопов: 58Ni (67,76%), 60Ni (26,16%), 61Ni (1,25%), 63Ni (3,66%), 64Ni (1,16%).

Оптические свойства никеля

Ознакомиться с оптическими свойствами можно из содержания следующей таблицы:

Параметр	Показатель
Тип	Изотроп
Отраженный свет	Белый с голубоватым оттенком
Плеохроизм	Нет
Люминесценция в ультрафиолете	нет

Кристаллографические свойства никеля

Параметр	Показатель
Точечная группа	Изометрический гексаоктаэдральный
Пространственная группа	Fm3m
Сингония	Кубическая
Значение ячейки	3,5238Å
Двойникование	Отсутствует

Магнитные свойства никеля

Никель обладает магнитными свойствами, которые получили описание Дж. П. Джоулем в 1842 году. В это время ученый наблюдал, как увеличивается длина стального прутка при намагничивании. Спустя 35 лет ученые решили подробно рассмотреть свойства кобальта, никеля. По результатам наблюдений был сделан вывод, что длина кобальтового прутка также увеличивается, а у никеля такой эффект не возникает в рамках магнитного поля. 

В 1882 году ученые сделали вывод, что металл не удлиняется, а напротив, укорачивается (магнитострикция). Принцип данного явления заключается в том, чтобы на внешнее магнитное поле накладывать домены (микромагниты металла), выстраивание которых происходит в одном направлении, что способствует деформации решетки.

Соответственно в ферромагнитных материалах происходит более быстрое затухание в сравнении с неферромагнитными: когда происходит изменение намагниченности, то энергия расходуется в несколько раз быстрее. Благодаря появлению термина «магнитомеханического затухания» появилась возможность создавать более прочные сплавы, которые используются при изготовлении турбин и других элементов, подвергающихся сильным вибрациям.

Никелевый стержень часто становится главным источником ультразвука. При раскачивании достигается максимальная амплитуда колебаний до 0,01%. За счет ультразвука возникает плотное, блестящее покрытие из металла. 

Не менее интересный факт, что при изучении состава метеорита, никель был обнаружен в метеорите, который упал в хорватской деревне Грашина. Вес объекта составил 71 венский фунт. 

Месторождения никеля

Месторождение металла имеет взаимосвязь лополитоподобными или плитообразными массивами габброидов. Характерной особенностью никелевых месторождений является наличие точного состава руды (пирротина, самородного золота, халькопирита, пентландита). Присутствуют и другие вещества в руде, например, минеральная группа платины, гарниерит. Приблизительный химический состав минерала гарниерита: окись никеля (NiO) 30 — 38%, кремнезем (SiO2) 44,1%, вода (Н2О) 12,9 — 17%. 

Экзогенные виды месторождений руды с Ni имеют прямую взаимосвязь с выветриванием серпентинитов. Из-за чего происходит разложение минералов в несколько стадий, как и перенос движущихся элементов за счет воды. Далее происходит выпад данных элементов в качестве вторичного осадка.

По последней информации, общий мировой запас никеля 75 млн. тонн. Большая концентрация металла находится в следующих государствах:

• Доминикана;
• ЮАР;
• США;
• Канада;
• Индонезия;
• Филиппины;
• Австралия;
• Новая Каледония.

На территории России находится обширный запах никелевой руды. Самые крупные месторождения находятся в Мурманской области (Мончегорское), Среднем Урале (Елизаветинское), Норильском районе (Талнахское).

Получение никеля

При наличии в магме серы никель наряду с медью и железом, обособляется в виде сульфидов. В процессе раскристаллизации сульфидного расплава возникают магматические месторождения сульфидных медно-никелевых руд. Добыча руды происходит двумя способами:

1. Открытым.
2. Шахтным.

Выбор метода зависит от того, на какой глубине находятся залежи никеля и какова мощность обнаруженного пласта. Разработка на большинстве карьеров была приостановлена в связи с тем, что запасы были истощены. Соответственно подземная добыча стала наиболее распространенным методом Ni.

Перед тем, как сделать окончательный выбор в пользу конкретного метода добычи, учитывается состав, который часто включает другие химические элементы. Чаще всего встречается фосфор, цинк, мышьяк, сера.

Промышленная переработка начинается с этапа обогащения, когда пустая порода отделяется и формируется концентрат. Его специально прокаливают при помощи углеродной пыли. Далее выщелачивание посредством аммиака, где затем раствор начинает осаждаться.

Когда очистка подходит к завершению, получается промежуточный продукт, в котором количество примесей в несколько раз меньше в сравнении с исходным материалом. Сюда относят штейны и файнштейны.

Алюминотермический способ предполагает обработку оксидную руду цветметаллов посредством порошкообразного (порошок) алюминия. 

На завершающем этапе на предприятиях используется электромеханический способ, либо газовый перенос. Не менее популярным является карбонильный способ (метод Монда), где в качестве промежуточного результата происходило образование тетракарбонила. Далее происходит реакция разложения до выделения чистого металла в специальном оборудовании с высоким давлением. 

Если кратко, то основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

• Силикатную руду восстанавливают угольным порошком во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей, которые, как известно, очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.
• Можно использовать и карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Затем термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.
• Получают также алюминотермическим методом восстановления никеля из оксидной руды. Это вариант используют реже.

Классификация никеля

В статье мы разобрали где и что содержит Ni, его цвет, тип поверхности и его содержание в сплавах. Теперь важно понять его классификацию. Никель можно поделить на два типа:

1. Кислотостойкие. Это тип сплава легированный другими металлами. Например, хромом, вольфрамом, которые придают стойкости в агрессивных окислительных средах. Или добавляют медь или молибден для агрессивных неокислительных средах. Высокую коррозионную стойкость обеспечивают кремний, алюминий.
2. Жаропрочные. Это соединения формата «никель + хром + другие легирующие элементы». Обычно в качестве легирующих используются алюминий, вольфрам, титан, молибден, стронций.

Современная классификация никеля включает следующие виды марок, согласно ГОСТ:

1. H0, H1. Это первичный металл, где содержание никеля составляет 99%. Для получения металла используется метод электролиза;
2. H2, H3, H4. Концентрация никеля и кобальта 99,8, 98,7 процентов. Для получения качественных сплавов, используется электролиз, огневое рафинирование;
3. полуфабрикатным считается НП1, НП2, НП3, НП4. Материал с вместимостью 99,9-99,3%. Производство осуществляется в виде листов, лент и проволоки;
4. анодные сплавы НПА1, НПА 2. Материал преимущественно выпускается в виде стержней и листов;
5. НПАН. Концентрация металла 99,4%. Непассивирующийся сплав;
6. НК0,2. Как правило, производится в форме проволоки. Кремниевый состав, который включает 99,4%;
7. НMц1, НMц2, HМц2,5, НMц5. Марганцевые сплавы, где уровень никеля не должен быть менее 89,5%.

В составе этих типов никеля содержится от 97,6 до 99,99 % в сумме с небольшим процентом кобальта (Co) — от 0,005 до 0,7 %. В остальную массу входит смесь этих элементов, в зависимости от степени очистки:

• Углерод (C) — есть во всех марках никеля.
• Магний (Mg).
• Алюминий (Al).
• Кремний (Si).
• Фосфор (P).
• Сера (S) — есть во всех марках.
• Марганец (Mn).
• Железо (Fe).
• Медь (Cu) — есть во всех марках.
• Цинк (Zn).
• Мышьяк (As)
• Кадмий Cd).
• Олово (Sn).
• Сурьма (Sb).
• Свинец (Pb).
• Висмут (Bi).

Применение никеля

В основном Ni и никелевые изделия применяют в металлургии. Чистый никель популярен как катализатор. Он представляет собой пластичный, ковкий, серебристо-белый металл, стабилен. Однако наиболее известно его применение для изготовления сплавов. Никельсодержащие сплавы имеют комплексные преимущества для работы в щелочных средах без страха окисления. Никелевые сплавы необходимы для создания аппаратуры, электронных приборов, а в некоторых странах его применяют для монет вместе с серебром. Сплавы, которые содержат достаточно никеля и выполнены по технологии необходимы почти во всех сферах жизни. Никелевые сплавы обладают коррозионной стойкостью, высокой прочностью и пластичностью, увеличенной прокаливаемостью, проходят при добавлении Ni через изменение коэффициента теплового расширения.

Есть и другая процедура - нанесение никеля, который превращают в порошок, и распыляют на поверхности твердых сплавов тонкой пленкой. Эта процедура называется “никелирование”, благодаря ей изделия получают устойчивость от термического воздействия, коррозии. Наиболее распространены электролитическое (гальваническое) и химическое никелирование.

До официального признания никеля и никелевых сплавов, которые он образует, его применяли совсем для других целей - в стекловарении для окраски стекол в зеленый цвет. 

Никелевые сплавы популярны в таких сферах:

• в бытовой сфере: многие покупатели предпочитают краны, фурнитуру для мебели, смесители. Многие металлические конструкции имеют слой серебристого металла. Также встречаются столовые приборы;
• производство белого золота. В составе присутствует никелевый сплав конкретной пробы;
• электротехника: в большом количестве изготавливаются никель-кадмиевые АКБ. Никель-цинковые АКБ составляют высокую конкуренцию свинцовым аккумуляторам. Но больше всего в никеле нуждается цветная и черная металлургия. Чтобы получить нержавейку, требуется 67% никеля. Для изготовления других сплавов 17%. 

• нержавеющая сталь используется практически повсеместно: в машиностроении, производстве трубопроводов, медицине. Никель обеспечивает высокую устойчивость к коррозии и негативным внешним факторам;
• никель-медные конструкции используются в производстве прочных конструкций, которые должны работать в химически-агрессивных условиях;
• не существует аналогов для изготовления газовых турбин.

Биологическая роль никеля 

Никель является жизненно важным микроэлементом. В растениях концентрация составляет 0,00005 %, у наземных животных — 0,000001 %, для морских животных – 0,00016%.

Что касается человеческого организма, то до сих пор данная тема остается не до конца изученной. Никель принимает участие в ферментативных реакциях. Небольшая концентрация содержится в головном мозге и многих внутренних органах: печени, поджелудочной, щитовидке. Но он необходим организму наряду с железом.

Преимущества и недостатки никеля

По отношению к сельскохозяйственной сфере, никель обладает только преимуществами. К основным достоинствам никеля можно отнести следующие аспекты:

• имеет высокий уровень прочности и твердости. Металл сохраняет высокую вязкость;
• металл проявляет стойкость к возникновению коррозии;
• используется при производстве прочных конструкций атомных реакторов;
• в сплавах никель используется в изготовлении и производстве станков, пищевом производстве и других сферах, где требуется применение огнеупорного металла;
• благодаря самопроизвольному намагничиванию, используется в производстве магнитов;
• является безопасным аналогом свинца.

Что касается недостатков, то можно отметить только способ извлечения из земли, о котором выше в статье. 

Цена

Согласно последней информации на Лондонской бирже металлов, стоимость никеля составляет 24 594 долларов США за тонну. Что довольно дорого для металлов.

Мы предлагаем качественную сталь и металлы по доступной стоимости с доставкой по всей России. На всю продукцию имеются сертификаты соответствия качеству. Поэтому каждый клиент может рассчитывать на лучшие условия сотрудничества. Для оформления заказа или уточнения цены - звоните, наши менеджеры быстро сориентируют по наличию и другим вопросам. Также можете оформить заказ через корзину сайта.