Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

Химический элемент никель представляет собой простое вещество, обладающее ковкостью, высокой твердостью и пластичностью.

Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

Относится он к группе тяжелых цветных металлов и чаще всего входит в состав разнообразных руд, в чистом виде встретить его практически невозможно.

В периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева элемент представлен под номером 28, для его обозначения используются две латинские буквы — Ni.

  • История открытия
  • Специфика структуры
  • Основные свойства
  • Физико-химические характеристики
  • Организация добычи
  • Классификация месторождений
  • Области применения

История открытия

Получение металла, который уже многие сотни лет с успехом используется человеком, не было связано с научными открытиями, впервые никель попал в руки людям случайно. После падения метеорита его куски были переплавлены на оружие и предметы культа, а использовавшие их воины и жрецы интуитивно поняли особые свойства металла, его удивительную прочность, сочетающуюся с ковкостью.

Интересно, что само название «никель» было презрительным наименованием, переводившимся как «ложная медь», однако постепенно характеристики элемента были по достоинству оценены.

Известно, что ученые древнего Китая еще в 235 году до н. э. писали об удивительном материале пафонге, который и представлял собой никелевый сплав с цинком и медью. Это позволяет сделать вывод о том, что металл начал использоваться человеком очень давно. Позднее сплав был завезен в Европу, где стал применяться для чеканки монет.

Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

Использование металла в промышленности началось во второй половине XVIII столетия, различные его сплавы стали активно использоваться в производстве шпор, оружия и даже в ювелирной отрасли.

Честь открытия никеля в сплаве принадлежит исследователю из Швеции Кронштеду, который установил, что никель — это новый и доселе неизвестный науке металл, а не сплав ранее известных элементов. После смерти шведа его выводы были подтверждены Т. Бергманом.

Выявить физико-химические специфики металла смог И. Рихтер. Он же и описал его пластичность и стойкость к коррозии за счет особой конфигурации.

Специфика структуры

Особенностью минерала является принадлежность его к переходным металлам. Отличается он также серебристо-белым оттенком и незначительной химической активностью.

Исследователям удалось выявить следующие особенности структуры никеля:

Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

  • Наличие гранецентрированной кубической решетки, период которой составляет 0,35238 нм.
  • Кристаллическая структура способна выдерживать на себе давление до 70 ГПа.
  • Чаще всего металл существует в виде b-модификации с кубической решеткой с периодом 3,5236, а при катодном распылении в атмосфере H2 приобретает вид a-модификации с гексагональной решеткой. Она способна преобразиться в кубическую при нагревании.
  • Радиус атома элемента — 1,24 а.
  • Плотность — 8,9 г/см3.
  • Электронная формула никеля выглядит следующим образом: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d8. Элемент имеет 28 электронов, на 1s, 2s, 3s, 4s-подуровнях размещены по 2 электрона, на 2p, 3p и 3d-подуровнях — по 6 электронов.

    Степень окисления атомов в соединениях — 6, 4, 3, 2, 1, 0, -1. Строение атома никеля представляет собой положительно заряженное ядро, внутри которого размещены 28 протонов и 31 нейтрон.

    Основные свойства

    Применение никеля человеком основывается на комплексе свойств этого химического элемента. Первым делом следует назвать ковкость, тягучесть, благодаря которым становится возможным изготовление из металла трубок и очень тонких листов. Кроме того, можно выделить следующие особенности:

    • твердость по Бринеллю рассчитана и составляет 600—800 Мн/м2 ;
    • предел прочности при растяжении варьируется в интервале 400—500 Мн/м2 ;
    • предел текучести составляет 120 Мн/м2 ;
    • предел упругости равен 80 Мн/м2 .

    Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

    Никель представляет собой металл желтовато- или бело-серебристого цвета. Свой оттенок он сохраняет при нахождении на открытом воздухе, не тускнеет даже при продолжительном взаимодействии с кислородом.

    Металл довольно тверд, однако обладает особым свойством — хорошо поддается обработке (полировке, ковке), что и дает возможность его активного использования человеком.

    Изделия получаются тонкими и деликатными, но при этом прочными и долговечными.

    Физико-химические характеристики

    Магнитные особенности элемента сохраняются при весьма низких температурах, достигающих -340 °C. Кроме того, спецификой его является отсутствие предрасположенности к коррозии.

    Можно выделить следующие физические характеристики металла:

    Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

    • атомный номер — 28;
    • молярная масса — 58,69 а. е. м.;
    • удельная теплоемкость — 0,443 Дж/(K· моль);
    • температура плавления — 1453 °C;
    • температура кипения — от 2730 до 2915 °C.

    Особенность никеля — отсутствие негативных реакций при воздействии воздуха или воды. Это обусловлено тем, что на поверхности образуется оксид никеля NiO — защитная пленка, защищающая металл от последующего окисления.

    При высоких температурах элемент способен реагировать с кислородом и всеми галогенами. Кроме того, реакция наблюдается при его взаимодействии с аммиаком и азотной кислотой.

    При этом в фосфорной кислоте элемент нерастворим.

    Организация добычи

    Никель относится к распространенным в земной коре металлам, хоть в чистом виде не представлен. Основным источником добычи считаются медно-никелевые руды, из которых удается добыть более 75% металла. Последовательность действий такова: сначала руда обогащается флотацией при помощи селективного метода, затем из нее выделяются концентраты, в том числе никелевый.

    Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

    Чтобы добиться получения металла в чистом виде, концентрат переплавляют, для чего необходимы отражающие печи или электрические шахты.

    Пустая порода при этом отделяется.

    Перед плавлением концентрат зачастую обжигают и окусковывают.

    Принято выделять три способа производства никеля:

  • Восстановительный. Получение минерала из силикатной руды при участии угольной пыли. В результате образуются окатыши из железа и никеля, содержание последнего в которых составляет 5—8%. Полученные окатыши очищают от серы, прокаливают и погружают в аммиачный раствор.
  • Карбонильный (метод Монда). Медно-никелевый штейн получают из сульфидной руды, после чего под воздействием высоких температур добывают чистый металл.
  • Алюминотермический. Восстановление элемента из оксидных руд.
  • Получить наиболее чистый никель позволяет второй способ.

    Классификация месторождений

    Добыча металла ведется в нескольких месторождениях, которые принято классифицировать на четыре группы. Первая — медно-никелевые сульфидные, они располагаются на территории Австралии, Канады, стран СНГ. Следующая — никелевые силикатные и кобальт-никелевые силикатные, ферроникелевые оксидно-силикатные. Они имеются в Австралии, Кубе, Индонезии, а также на юге Урала и в Побужье.

    Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

    Медно-колчеданные месторождения и жильные сульфидно-арсенидные бассейны не имеют столь широкого распространения и считаются второстепенными.

    На территории Российской Федерации добыча минерала проводится в следующих основных месторождениях: Октябрьское, Ждановское, Талнахское, Буруктальное. Расположены они на территориях Таймырского АО, Мурманской и Оренбургской областей. Запасы минерала считаются достаточными, в ближайшие столетия его нехватка не ожидается.

    Потенциальным источником добычи никелевых руд является океаническое дно, поскольку здесь очень много железомарганцевых руд.

    Области применения

    Благодаря выдающимся физико-химическим свойствам, в частности, устойчивости к коррозии, прочности в сочетании с пластичностью, никель стал широко применяться в различных сферах человеческой жизни. Изначально его использование было ограничено изготовлением ювелирных изделий и чеканкой монет, однако открытие чистого никеля с валентностью 2 существенно расширило область его применения.

    Основные области:

    Химический элемент никель (Ni) — строение, свойства и характеристика металла

  • Никелирование прочих металлов. Никель устойчив к коррозии, поэтому его нанесение на поверхность изделий помогает избавиться от риска появления ржавчины.
  • В сочетании с железом, кадмием, водородом или цинком используется для производства аккумуляторов.
  • Применяется в качестве катализатора при проведении химических реакций.
  • В медицине идет на изготовление брекетов и протезов.
  • В музыкальной индустрии применяется для обмотки струн музыкальных инструментов.
  • На основе никеля изготавливается большое количество жаропрочных суперсплавов, снарядов, экипировки, проволоки.
  • Никелевая сталь активно используется в машиностроении, поскольку помогает получить небольшие по весу, но очень прочные детали. Это его существенный плюс, отличие недорогого в добыче металла от более трудоемких «сородичей».
  • Кроме того, никель — это элемент, необходимый для нормального функционирования человеческого организма, он влияет на нормальный рост и полноценное развитие. Его недостаток негативно сказывается на работе почек и печени, однако чаще всего к врачам обращаются с диагнозом избыток никеля. Важно помнить, что суточная норма элемента — не более 30—60 мкг. Он содержится в сое, горохе, нуте, фасоли, говяжьей печени, различных видах риса, овсяной крупе.

    Хоть выглядит никель довольно скромно, напоминая блеклую копию серебра или стали, он очень полезен человечеству и используется в различных областях современной промышленности.

    Беликова Ирина

    Учитель физики, информатики и вычислительной техники. Победитель конкурса лучших учителей Российской Федерации в рамках Приоритетного Национального Проекта "Образование".

    Оцените автора
    Добавить комментарий

    Вставить формулу как
    Блок
    Строка
    Дополнительные настройки
    Цвет формулы
    Цвет текста
    #333333
    Используйте LaTeX для набора формулы
    Предпросмотр
    \({}\)
    Формула не набрана
    Вставить
    Adblock
    detector