Никел

химичен елемент с атомен номер 28

Никелът е метален химичен елемент в от 10-а група периодичната система на елементите със символ Ni и атомен номер 28. Член е на преходните метали. На цвят е сребристобял, по-твърд от желязото, с кубична стереоцентрична решетка, високи плътност, температури на топене и кипене, феромагнитен. Чистият никел е пластичен, обработва се лесно в студено и горещо състояние, поддава се на прокат, изтегляне и коване.[4]

Никел
Никел – сребристо-бял, понякога със златист оттенък
Сребристо-бял, понякога със златист оттенък
Спектрални линии на никел
КобалтНикелМед


Ni

Pd
Периодична система
Общи данни
Име, символ, Z Никел, Ni, 28
Група, период, блок 104d
Химическа серия преходен метал
Електронна конфигурация [Ar] 3d8 4s2 или [Ar] 3d9 4s1[1]
e- на енергийно ниво 2, 8, 16, 2 или 2, 8, 17, 1[1]
CAS номер 7440-02-0
Свойства на атома
Атомна маса 58,6934 u
Атомен радиус (изч.) 135 (149) pm
Ковалентен радиус 124±4 pm
Радиус на ван дер Ваалс 163 pm
Степен на окисление 4,[2] 3, 2, 1,[3] −1, −2
Оксид NiO (основен)
Електроотрицателност
(Скала на Полинг)
1,91
Йонизационна енергия I: 737,1 kJ/mol
II: 1753 kJ/mol
III: 3395 kJ/mol
IV: 5300 kJ/mol
(още)
Физични свойства
Агрегатно състояние твърдо вещество
Кристална структура кубична стенноцентрирана
Плътност 8908 kg/m3
Температура на топене 1728 K (1455 °C)
Температура на кипене 3003 K (2730 °C)
Специф. топлина на топене 17,48 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение 379 kJ/mol
Налягане на парата
P (Pa) 1 10 102 103 104 105
T (K) 1783 1950 2154 2410 2741 3184
Скорост на звука 4900 m/s при 25 °C
Специф. електропроводимост 1,43×107 S/m при 20 °C
Специф. ел. съпротивление 0,0693 Ω.mm2/m при 20 °C
Топлопроводимост 90,9 W/(m·K)
Магнетизъм феромагнитен
Модул на еластичност 200 GPa
Модул на срязване 76 GPa
Модул на свиваемост 180 GPa
Коефициент на Поасон 0,31
Твърдост по Моос 4
Твърдост по Викерс 638 MPa
Твърдост по Бринел 667 – 1600 MPa
История
Откритие Аксел Кронстед (1751 г.)
Изолиране Аксел Кронщет (1751 г.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР
58Ni 68,077 % стабилен
59Ni радио 76000 г. ε 59Co
60Ni 26,223 % стабилен
61Ni 1,14 % стабилен
62Ni 3,635 % стабилен
63Ni синт. 100 г. β- 63Cu
64Ni 0,925 % стабилен

ОткриванеРедактиране

Никел е използван още 3500 години пр.н.е., но никеловата руда била често бъркана със сребърна и затова тя бива използвана като самостоятелен елемент в много по-късен момент от историята.

Минералите, съдържащи никел, били ценени, защото оцветявали стъклото в зелено.

През 1751 г. никелът е открит от шведския минералог и Химик Аскел Фредерик Кронщет.[4] Саксонските миньори[4] дълго време преди това знаели за съществуването на руда, която наподобявала медната, но от нея не могли да получат мед или друг метал. Смятали я за магьосничество, дело на злия дух „Стария Ник“.[4] Така тази руда е била наречена „копферникел“ (мед на Ник).[4] С изследването ѝ се заел Кронщет, получаващ зелен оксид, който после редуцирал до чист метал и отделил нов елемент, наречен от него никел[4] Рудата се оказва сплав на никела с отдавна известния арсен (NiAs). Приживе Кронщет не успява убедително да докаже съществуването на новия елемент и откритието му дълго време се оспорвало.[4] През 1775 г. неговият съотечественик, химикът и минералог Тоонберт Бергман публикувал своите изследвания, които убеждават много от противниците, че никелът е нов елемент.[4] Понеже това все още не е достатъчно, в началото на 19 век френските химици Пруст и Ленар, както и немският химик Иеремиас Рихтер, утвърждават никела като нов елемент и проучват свойствата на чистия метал.[4]

През 1881 година е изсечена първата монета от чист никел.

Дълго време не е било възможно получаването на чист никел с пластични свойства,[4] поради съдържанието на сяра, дори ако е 0,03%[4] във формата на никелов сулфид.[4] При добавяне на желязо към течен никелов сулфид, се отделя железен сулфид във формата на зърна, който може лесно да бъде отделен и не нарушава структурата на никела.[4]

РазпространениеРедактиране

Средното съдържание на никела в земната кора е около 8.10-3%[4] по маса и и е на 23-то[4] място по разпространение. Предполага се, че ядрото на земята съдържа главно желязо и никел.[4]

Никелът е значително по-слабо разпространен от желязото. Обикновено рудата му съпътства желязната и е придружен много често от кобалт. Заедно, те могат да бъдат намерени в метеоритно желязо. По-разпространени са сулфидните и арсенидните минерали.[5]

Известни са 181 никелови минерала, 171 от които са доказани от IMA. От по-важните минерали, със сяра образува милерит (NiS), пенталдит [(Fe,NI)9S8][4], придружен с Cu, Co и благородни метали;[5] както и с арсен в минералите халонит[4] и никелин (NiAs), херсдорфит NiAsS,[5] гарниарит, ревдинскит, анабергит и други.[4]

Физични свойстваРедактиране

Никелът е сребристобял пластичен метал, който издържа на полировка. Лесно се поддава на прокат, изтегляне и коване в горещо и студено състояние.[4] Има атомно тегло от 58,6934. Никелът е по-твърд от желязото метал[4] с висока плътност ̩– 8,912 g/sm3.[4] Топи се при 1455°C, а кипи при 2913 °C.[4] Никелът е един от петте феромагнитни елемента. Обикновено е феромагнитен до 340 °C, но не толкова силен, колкото желязото.[4] Притежава свойството „магнитострикция“[4] – размерите на парче никел се скъсяват в магнитно поле. Явлението се състои в това, че при прилагане на външно магнитно поле от безредно положение микромагнитите (домените) се строяват в едно направление, деформирайки кристалната решетка. Ефектът е обратим[4]

ИзотопиРедактиране

В природата никелът е смес от своите 5 стабилни изотопа, които са със следните съотношения на земята и процес на синтезиране в звездитеː 58Ni – 68,077%; 60Ni – 26,223%; 61Ni – 1,140%; 62Ni – 3,364% 64Ni – 0,926%, като всичките са резултат от термодинамично равновесие.[4]

Получени изследвани са 26 радиоактивни изотопа и 2 изомера на никела с A от 48 до 78,като най-дългоживущите от тях със съответните периоди на полуразпад и вид на разпада саː 59Ni – 7,6.104 години, електронен захват; 63Ni – 100,1 години, β--разпад; 56Ni – 6,075 дни, електронен ахват; 66Ni – 54,6 часа, β--разпад; 57Ni – 35,6 часа, електронно залавяне; 65Ni – 2,5172 часа,β--разпад.[4]Остаталите изотопи имат период на полуразпад от минути, секунди или части от секундата.[4]

Изотопите на никела са най-леките продукти от деленето на уран-235, плутоний-239 и уран-233.[4]

Никел-62 притежава най-стабилният нуклид, със енергия на връзка на нуклоните в ядрото 8794,60 keV/нуклон.[4] По-стабилен е дори от желязо-56. Намира се в областта на желязото (около атомно число А = 60).[4] Това е областта, до която синтезът на стабилните ядра се осъществяване на сливане на по-леки ядра, при което се отделя енергия.[4] След тази област сливане на ядра чрез отделяне на енергия е невъзможно, енергията на връзката между нуклоните намалява и започва бавният s процес, а след това и бързият r процес – залавяне на неутрони при синтезиране на по-тежки ядра в звездите.[4]

Химични свойстваРедактиране

Електронната структура на никела е 1s22s22p63s23p63d84s2, прибавя се електрон към 3d подслоя.

Принадлежи към групата на преходните метали, твърд, ковък и еластичен.

Най-обичайната степен на окисление на никела са +2, но се срещат и -1,[4] 0, +1, +3 и +4.

Никелът е слабо химически активен, неизменчив във въздуха и е инертен на окисляване. Във вид на прах, получен при редуцирането на никелови хидриди, се самозапалва на въздух.[4] При обикновени температури и въздушна среда, никелът се покрива с тънък защитен слой от никелов оксид, който лесно се редуцира до чист метал при термична рудукция с алуминий или въглеродː[4]

 

С водата или влагата от въздуха не взаимодейства.[4] Окислението на повърхността на никела при нагряване започва около 800°С.[4] Образуват се два оксида – NiO и Ni2O3, а също и съответните два хидроксида – Ni(OH)2 Ni(OH)3. Реагира бавно със солната, сярната, фосфорната и флуороводородната киселина.[4] Взаимодейства с разредена азотна киселина, а концентрираната го пасивира.[4]

С водорода, никелът образува твърди разтвори като хидридите NiH и NiH2, които са получени по косвен път.[4]

Азотът почти не реагира с никела до 1400°С,[4] а раздробеният [4] никел образува нитрида Ni3N при 300 – 450°С.[4]

Разтопеният никел реагира с въглерода, като образува карбида Ni3C, който при кристализация на стопилка се разлага с отделяне на графит.[4] Ni3C във вид на сиво-черен прах, разлагащ се при 450°С, се получава при овъгляване на никел в атмосфера на CO при 250 – 400°С.[4] Дипресният никел с CO образува летливия и силно отровен никелов тетракарбонил Ni(CO)4, имащ структура на правилен тетраедър, като никеловият атом е в центъра му.[4] Така никелът има нулева валентност. Молекулата на карбонила е химически наситена и не участва в съединителни реакции, но това не означава, че е химически валентна.[4] Карбонилните групи лесно се заместват с други молекули и радикали.[4] На това се основава каталитичното му действие.[4]

Никелът образува силициди, бориди, телуриди и арсениди.[4]

Никелът образува арсенат [Ni(AsO4)2•8H2O], силикат (Ni2SiO4) и още много други комплекси, а също и амини.[4]

ПриложениеРедактиране

Прът от никел, поставен в магнитно поле с определена честота, може да стане източник на ултразвук.[4] При определени дължина и резонансна честота се получават амплитудни колебания, достигащи до 0,01% от дължината на пръта.[4] Ултразвуковите колебания се използват широко в практиката, като едно от тяхе е никелиране на метали. Чрез ултразвук се получават плътни и блестящи покрития, като скоростта на нанасянето им се увеличава.[4]

Никелово-амонячните комлекси се използват при галванично никелиране на метали.[4]

Американската монета от 5 цента, наречена на жаргон „никел“ не е магнитна, защото е съставена главно от мед, но канадските „никели“ са били до 1958 г.

Никелът е строителен материал, използва се за химични апаратури, също в ядрените реактори, като електроди в железно-никеловите и кадмиево-никеловите акумулатори, както и за защитни покрития на други метали (никелиране).[4]

СплавиРедактиране

Никелът е особено ценен заради сплавите, които формира. Той е основен компонент в множество сплави и суперсплави, които са топлоустойчиви, свръхтвърди, магнитни, корозионно устойчиви и т.н.[4] Най-използваните от тях саː

  • монел - метал[4] (65 – 67% Ni + 30 – 32% Cu + 1% Mn). Има свойството на топлоустойчивост до 500°С. Лесно се получава от директна преработка на медно-никелова руда;[4]
  • бяло злато (58,5% Au, Ag и Ni)
  • нихром (60% Ni + 40% Cr). Това е съпротивителна сплав, която служи за нагреватели.[4]
  • пермалой[4] (76% Ni + 17% Fe + 5% Cu +2% Cr). Притежава магнитна възприемчивост при много малки магнитни загуби.[4]
  • инвар[4] (65% Fe + 35% Ni). Има минимален топлинен коефициент на разширение.[4]
  • ново сребро[4] (20% Cu, Ni и Zn), монетна сплав.[4]

Към хром-никеловите се отнасят също и алпакат, констатан, никелин и манганин.[4]

Никелът има интересна „избелваща“ способност – при 20% никел в медно-никелова сплав, изчезва черният цвят на медта.[4]

Биологична роляРедактиране

Въпреки че това не било прието схващане преди 1970-те години, никелът играе значителна роля в биологията.

Никелът е необходим микроелемент за млекопитаещите животни и растенията.[4] В организма на възрастния човек се съдържат 5 – 13,5 mg никел,[4] който участва в определени ензими. Някои никелови съединения са токсични, напримен никелов карбонил. Никелът може да предизвика алергия, отразяваща се въърху кожата или дихателтите пътища.[4]

Никел се съдържа в уреазата – ензим, който способства хидролизата на уреята.

ТоксичностРедактиране

Никелът постъпва в човешкия организъм през храната, водата, както и при допир с кожата. Никелът в малки количества не е опасен, той се извежда от организма чрез урината, и през стомашно чревният тракт. Но при по-големи количества или при хронично приемане може да причини отравяне, дори канцерогени.

Кожните алергии към никел са сравнително често срещани, като вероятна причина е широкото използване на никел в бижутерията (имитации на сребро), и в бита (българските монети съдържат никел, а също и еврото).

За да се избегне повишен прием на никел чрез водата и храната е препоръчително да не се използват никелирани съдове, както и сплави с високо съдържание на никел (като някои видове неръждаема стомана).

РудиРедактиране

Добивът на никел идва от два типа руди: от една страна, когато главните рудни добиви са от никелов минерален лимонит: [(Fe,Ni)O(OH)], а от друга – магнитни сулфидни наноси, в които основната руда е пенталдит,[4] [(Ni,Fe)9S8]. Основно се добива от сулфидни медно-цинкови руди.[4] При обработките рудите процесите довеждат до създаване на NiO, след което никелът се редуцира с въглерод или алуминий до чист метал.[4]

В експлоатационния си период мините в района на Събдъри, Онтарио, Канада добиват около 30% от световния запас на никел. За събдърийския залеж се смята, че се е появил при сблъсъка с голям метеорит още в ранните години от създаването на планетата ни. В Русия се намират около 40% от познатите световни залежи. Русия добива в мините в Норилск, Сибир, както за своите нужди, така и за износ. Големи находища са намерени също в Австралия, Куба и Индонезия.

Скорошни проучвания откриха залежи в източна Турция, изключително благоприятни за производителите в Европа. Основано на геофизични доказателства се смята, че повечето от никела на земята е концентриран в земното ядро.

ДобивРедактиране

Никелът може да бъде набавен чрез екстрактната металургия. За повечето от рудите на никела се използват традиционни методи на металургията за производство на метал чрез пречистване.

Никеловите сулфидни и арсенидни руди, обикновено съдържащи примеси, се пържат при определени условия до оксиди, сулфати и арсенати. Тази смес се разтваря в солна киселина и с H2S се утаяват Cu. Pb и Bi като сулфиди (NiS не се утаява в кисела среда).[5] Арсенът и желязото се утаяват като Ca3(AsO4)3 и Fe(OH)3 с вар. Остатъкът се превръща в оксид, който се редуцира с въглища в електрическа пещ до чист метал.

Друг възможен метод е получаване на концентрат от никеловите руди чрез флотация и магнитна сепарация.[5] Към него се прибавя SiO2 и се подлага на пържене и стапяне. При тези условия се получава железен силикат, отделящ се като шлака. Стопилката се остява на базно изтиване за един ден, при което се отделят ясно три фази – Ni3S2, Cu2S и Ni/Cu, които се разделят механично. Металната Ni/Cu фаза се преработва, за да се премахнат разтворените в нея благородни метали. Сулфидът се пържи до NiO.

ИзточнициРедактиране

  1. а б Scerri, Eric R.. The periodic table: its story and its significance. Oxford University Press, 2007. ISBN 0-19-530573-6. p. 239 – 240. (на английски)
  2. Carnes, Matthew et al. A Stable Tetraalkyl Complex of Nickel(IV). // Angewandte Chemie International Edition 48 (2). 2009. DOI:10.1002/anie.200804435. p. 3384. (на английски)}
  3. Pfirrmann, Stefan et al. A Dinuclear Nickel(I) Dinitrogen Complex and its Reduction in Single-Electron Steps. // Angewandte Chemie International Edition 48 (18). 2009. DOI:10.1002/anie.200805862. p. 3357. (на английски)
  4. а б в г д е ж з и к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ю я аа аб ав аг ад ае аж аз аи ак ал ам ан ао ап ар ас ат ау аф ах ац ач аш ащ аю ая ба бб бв бг бд бе бж бз би бк бл бм бн бо бп бр бс бт бу бф бх бц Лефтеров, Димитър. Химичните елементи и техните изотопи. Издателство на БАН „Проф. Марин Дринов“, 2015. ISBN 978-954-322-831-7. с. 143 – 146.
  5. а б в г д Киркова, Елена. Химия на елементите и техните съединения. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2013. ISBN 978-954-07-3504-7. с. 543-573.