Никель глазами химика

Тема: Никель глазами химика

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 История

2 Нахождение в природе

3 Получение

4 Физические свойства

5 Химические свойства

6 Применение

7 Биологическая роль

8 Физиологическое действие

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Никель, впервые попавший в руки человека, - небесного происхождения: содержащее этот элемент прочное и стойкое к ржавлению метеоритное железо шло не только на талисманы, но и на оружие. А имя к элементу №28 пришло скорее из преисподней, чем с неба.

Это было в середине XVII в., а может быть и раньше. Старый Ник, насмешливый и любопытный гном, тогда еще проживавший в горах Саксонии, любил поддразнить горняков и нередко подсовывал им вместо полноценной медной руды похожий на нее минерал, из которого, однако, не удавалось выплавить ги меди, ни металла вообще. По имени этого гнома и был назван элемент, открытый молодым шведским металлургом Акселем Фредериком Кронстедтом в 1751 г. «Купферникель - руда, которая содержит наибольшее количество... описанного полуметалла, - писал Крон-стедт, - поэтому я дал ему то же имя, или, для удобства, я назвал его никелем». (Напомним, что полуметаллами называли простые вещества, сходные и с металлами, и с неметаллами, например мышьяк).

Открытие долго оспаривалось: современники полагали, что никель - это не самостоятельный металл, а сплав уже известных металлов с мышьяком и серой. Кронстедт настаивал на индивидуальности никеля, ссылаясь в качестве «вещественных доказательств», в частности, на зеленую окраску его соединений и легкость взаимодействия этого «полуметалла» с серой. Кронстедту приходилось бороться не только с физико-химическими, но и с астрологическими доводами своих оппонентов. «Число металлов превосходит уже число планет, в солнечном круге находящихся, - писал Кронстедт, - поэтому ныне размножения числа металлов опасаться не надлежит».

Но Кронстедт умер в 1765 г., так и не дождавшись признания своего открытия. И даже через 10 лет поело его смерти во Французской энциклопедии, высшем своде знаний эпохи, было напечатано: «Кажется, что еще должны быть проведены дальнейшие опыты, чтобы убедить нас, есть ли этот королек «никеля», о котором говорит г. Кронстедт, особый полуметалл или его скорее следует считать соединением железа, мышьяка, висмута, кобальта и даже меди с серой».

В том же 1775 г. соотечественник Кронстедта химик и металлург Т. Бергман опубликовал свои исследования, которые убедили многих в том, что никель действительно новый металл. Но окончательно споры улеглись лишь в начале XIX в., когда нескольким крупным химикам впервые удалось выделить чистый никель. Среди них был Ж.Л. Пруст, автор закона постоянства состава химических соединений; интересно, что важным аргументом в пользу индивидуальности никеля Пруст считал своеобразный сладковатый вкус раствора никелевого купороса, резко отличный от неприятного вкуса медного купороса. Другой французский химик, Л.Ж. Тенар, окончательно выяснил магнитные свойства никеля (на их своеобразие указывал еще Бергман).

Полувековые усилия исследователей были подытожены Иеремией Рихтером, который более известен в истории химии как один из основоположников стехиометрии. Чтобы получить чистый никель, Рихтер после обжига купферникеля NiAs на воздухе (для удаления большей части мышьяка), восстановления углем и растворения королька в кислоте проделал 32 перекристаллизации никелевого купороса и затем из этих кристаллов восстановил чистый металл. Полученный этим «весьма многотрудным путем» никель был описан Рихтером в 1804 г. в статье «Об абсолютно чистом никеле, благородном металле, его получении и особых свойствах».

В историю элемента №28 статья Рихтера вошла как пророческая: в ней были указаны почти все характерные особенности никеля, сделавшие его одним из главнейших металлов современной техники, - большая сопротивляемость коррозии, жаростойкость, высокая пластичность и ковкость, магнитные свойства. Эти особенности и определили пути, по которым никель был направлен человеком.

1 ИСТОРИЯ

Никель (англ., франц. и нем. Nickel) открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную руду и применялась в стекловарении для окраски стекол в зеленый цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руда получила название купферникель (Kupfernickel), что приблизительно означает «дьявольская руда». Руду эту (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог Кронштедт. Ему удалось получить зеленый окисел и путем восстановления последнего - новый металл, названный никелем. Когда Бергман получил металл в более чистом виде, он установил, что по своим свойствам металл похож на железо; более подробно никель изучали многие химики, начиная с Пруста. Никкел - ругательное слово на языке горняков. Оно образовалось из искаженного Nicolaus - родового слова, имевшего несколько значений. Но главным образом слово Nicolaus служило для характеристики двуличных людей; кроме того, оно обозначало «озорной маленький дух», «обманчивый бездельник» и т. д. В русской литературе начала XIX в. употреблялись названия николан (Шерер, 1808), николан (Захаров, 1810), николь и никель (Двигубский, 1824).

2 НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ

Никель довольно распространён в природе - его содержание в земной коре составляет ок. 0,01 %(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (до 8 %). Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

Никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) NiAs

Хлоантит (белый никелевый колчедан) (Ni, Co, Fe)As2

Гарниерит (Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6*H2O и другие силикаты

Магнитный колчедан (Fe, Ni, Cu)S

Мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) NiAsS,

Пентландит (Fe,Ni)9S8

В растениях в среднем 5*10?5 весовых процентов никеля, в морских животных - 1,6*10?4, в наземных - 1*10?6, в человеческом организме - 1…2*10?6. О никеле в организмах известно уже немало. Установлено, например, что содержание его в крови человека меняется с возрастом, что у животных количество никеля в организме повышено, наконец, что существуют некоторые растения и микроорганизмы - «концентраторы» никеля, содержащие в тысячи и даже в сотни тысяч раз больше никеля, чем окружающая среда.

3 ПОЛУЧЕНИЕ

Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 г. оцениваются в количестве 135 млн т., в том числе достоверные - 49 млн.т. Основные руды никеля - никелин (купферникель) NiAs, миллерит NiS, пентландит (FeNi)9S8 - содержат также мышьяк, железо и серу; в магматическом пирротине также встречаются включения пентландита. Другие руды, из которых тоже добывают Ni, содержат примеси Co, Cu, Fe и Mg. Иногда никель является основным продуктом процесса рафинирования, но чаще его получают как побочный продукт в технологиях других металлов. Из достоверных запасов, по разным данным, от 40 до 66 % никеля находится в «окисленных никелевых рудах» (ОНР), 33 % - в сульфидных, 0,7 % - в прочих. По состоянию на 1997 г. доля никеля, произведённого переработкой ОНР, составила порядка 40 % от общемирового объёма производства. В промышленных условиях ОНР делят на два типа: магнезиальные и железистые. Тугоплавкие магнезиальные руды, как правило, подвергают электроплавке на ферроникель (5-50 % Ni+Co, в зависимости от состава сырья и технологических особенностей).

Наиболее железистые - латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с применением аммиачно-карбонатного выщелачивания или сернокислотного автоклавного выщелачивания. В зависимости от состава сырья и применяемых технологических схем конечными продуктами этих технологий являются: закись никеля (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические никель электролитный, никелевые порошки и кобальт.

Менее железистые - нонтронитовые руды плавят на штейн. На предприятиях, работающих по полному циклу, дальнейшая схема переработки включает конвертирование, обжиг файнштейна, электроплавку закиси никеля с получением металлического никеля. Попутно извлекаемый кобальт выпускают в виде металла и/или солей.[2] Еще один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии - до 78 кг никеля на тонну. Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, пефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

Осеновную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей (5-8 % Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.

Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель [Ni(CO)4], термическим разложением которого выделяют особо чистый металл. Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды:

3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O3

4 ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень тверд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом, проявляя магнитные свойства при температурах ниже 340 °C.

5 ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).

Никель образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом никель со степенью окисления +3 только в виде комплексных солей. Для соединений никеля +2 известно большое количество обычных и комплексных соединений. Оксид никеля Ni2O3 является сильным окислителем.

Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью - устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию - образованию на его поверхности плотной оксидной пленки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в азотной кислоте. С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)4.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе). Никель горит только в виде порошка. Образует два оксида NiO и Ni2O3 и соответственно два гидроксида Ni(OH)2 и Ni(OH)3. Важнейшие растворимые соли никеля - ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Растворы окрашены обычно в зеленый цвет, а безводные соли - желтые или коричнево-желтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зеленые), три сульфида NiS (черный), Ni2S3 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (черный). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(HC4H6N2O2)2, дающий четкую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля. Водные растворы солей никеля(II) содержат ион гексаакваникеля(II) [Ni(H2O)6]2+. При добавлении к раствору, содержащему эти ионы, аммиачного раствора происходит осаждение гидроксида никеля (II), зеленого желатинообразного вещества. Этот осадок растворяется при добавлении избыточного количества аммиака вследствие образования ионов гексамминникеля(II) [Ni(NH3)6]2+.

Никель образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат (II) [NiCl4]2- имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат(II) [Ni(CN)4]2- имеет плоскую квадратную структуру.

В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля (II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названием диметилглиоксима. При его взаимодействии с ионами никеля (II) образуется красное координационное соединение бис(бутандиондиоксимато)никель(II). Это - хелатное соединение и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

6 ПРИМЕНЕНИЕ

1 Сплавы. Никель является основой большинства суперсплавов - жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

Монель-металл (65 - 67 % Ni + 30 - 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив;

Нихром, сплав сопротивления (60 % Ni + 40 % Cr);

Пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;

Инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании.

Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина.[3]

2 Никелирование. Никелирование - создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 - 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).

Бестоковое никелирование проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) а гипофосфита натрия в присутствии цитрата натрия:

NiCl2 + NaH2PO2 + H2O = Ni + NaH2PO3 + 2HCl

Процесс проводят при рН 4 - 6 и 95 °C.[3]

3 Производство аккумуляторов. Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

4 Радиационные технологии. Изотоп 63Ni, излучающий в+-частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах.

5 Медицина. Применяется при изготовлении брекет-систем. Протезирование.

7 БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ

Биологическая роль: никель относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших тканях, особенно в перьях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям - у растений появляются уродливые формы, у животных - заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице. Токсическая доза (для крыс) - 50 мг. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил Ni(CO)4. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений).

8 ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

Никель - основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В Евросоюзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека [4].

Карбонил никеля [Ni(CO)4] - очень ядовит. Предельно допустимая концентрация его паров в воздухе производственных помещений 0.0005 мг/мі.

В XX веке было установлено, что поджелудочная железа очень богата никелем. При введении вслед за инсулином никеля продлевается действие инсулина и тем самым повышается гипогликемическая активность. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Никель может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давления. Избыточное поступление никеля в организм вызывает витилиго. Депонируется никель в поджелудочной и околощитовидной железах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. «Это металлическое вещество не нашло каких-либо применений, и главное внимание химиков, которые его исследовали, было направлено на получение его в чистом состоянии, что, однако, до сих пор не достигнуто».

2. «Если открыты будут богатые месторождения никеля, то этому металлу предстоит обширное практическое применение как в чистом состоянии, так и в форме сплавов».

3. «Среди главнейших в современной технике металлов никелю принадлежит одно из первых мест».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Редкол.:Кнунянц И.Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. - Москва: Большая Российская энциклопедия, 1992. - Т.3. - С.240. - 639 с. - 50000 экз. - ISBN 5-85270-039-8.

2. Никель: в 3-х томах. Т.2. Окисленные никелевые руды. Характеристика руд. Пирометаллургия и гидрометаллургия окисленных никелевых руд/ И.Д. Резник, Г.П. Ермаков, Я.М. Шнеерсон. - М.: ООО «Наука и технологии». 2004 - 468 с.- ISBN 5-93952-004-9.

3. Химия. Пер. с немецкого канд. хим. наук В.А. Молочко, С.В. Крынкиной. Изд. «Химия», М. 1989 (оригинал (на немецком языке: Chemie. Von W. Schroter, K.-H. Lautenschlдger, H. Bibrack und A. Schnabel. Veb Fachbuchverlag Leipzig).

4. The European Directive restricting the use of Nickel.