Элемент получил своё название от имени духа гор (ср. нем.Nickel — озорник) немецкой мифологии, который «подбрасывал» искателям меди минерал красного цвета, похожий на медную руду (ныне известный как никелин)
История
Никель открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную и применялась в стекловарении для окраски стёкол в зелёный цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руда получила название купферникель (Kupfernickel), что переводится как «Медный упрямец» или «Медный озорник»[3][4][5][6]. Сейчас известно, что купферникель представляет собой минерал никелин — арсенид никеля NiAs. Эту руду в 1751 г. исследовал шведский минералогА. Кронстедт. Ему удалось получить из руды зелёный оксид и путём его восстановления — новый белый металл, который он назвал в честь духа по названию минерала — никель[7]. В современном немецком языке «купферникелем» называют сплав мельхиор[8].
Никкел — ругательное слово на языке горняков. Оно образовалось из искажённого 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 и Захаров, 1810), «николь» и «никель» (Двигубский, 1824).
Никель — серебристо-белый металл, не тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм, пространственная группа Fm3m. В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением. Является ферромагнетиком с точкой Кюри 358 °C.
Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).
Никель образует соединения со степенью окисления +1, +2, +3 и +4. При этом соединения никеля со степенью окисления +4 редкие и неустойчивые[10].
Оксид никеля Ni2O3 является сильным окислителем.
Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью — устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот[11]. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию — образованию на его поверхности плотной оксидной плёнки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в разбавленной азотной кислоте:
и в горячей концентрированной серной:
С соляной и с разбавленной серной кислотами реакция протекает медленно. Концентрированная азотная кислота пассивирует никель, однако при нагревании реакция всё же протекает[12] (основной продукт восстановления азота — NO2).
С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и очень ядовитый карбонилNi(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. Водные растворы солей окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида: NiS (черный), Ni3S2 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (серебристо-белый). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C4H6N2O2)2, дающий чёткую 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), зелёного желатинообразного вещества. Этот осадок растворяется при добавлении избыточного количества аммиака вследствие образования ионов гексааминникеля(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 названиями диметилглиоксим и реактив Чугаева. То, что это вещество является реактивом на никель, установил в 1905 годуЛ. А. Чугаев[13][14]. При его взаимодействии с ионами никеля(II) образуется красное координационное соединение бис(бутандиондиоксимато)никель(II). Это — хелатное соединение, и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.
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 (от 5 до 25 %). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 150 раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8 г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13—0,41 % Ni. Он изоморфно замещает железо и магний. Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Никель проявляет сидерофильные и халькофильные свойства. При повышенном содержании в магме серы возникают сульфиды никеля вместе с медью, кобальтом, железом и платиноидами. В гидротермальном процессе совместно с кобальтом, мышьяком и серой и иногда с висмутом, ураном и серебром, никель образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.
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.
Природный никель содержит 5 стабильных изотопов: 58Ni (68,27 %), 60Ni (26,10 %), 61Ni (1,13 %), 62Ni (3,59 %), 64Ni (0,91 %). Существуют также искусственно созданные изотопы никеля, самые стабильные из которых — 59Ni (период полураспада 100 тысяч лет), 63Ni (100 лет) и 56Ni (6 суток).
Добыча и получение
Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 года оцениваются в количестве 135 млн т., в том числе достоверные — 49 млн т. Основные руды никеля — никелин (купферникель) NiAs, миллерит NiS, пентландит (Fe,Ni)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[18]. Ещё один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии — до 78 кг никеля на тонну. Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, нефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.
«Никель долгое время не могли получить в пластичном виде вследствие того, что он всегда имеет небольшую примесь серы в форме сульфида никеля, расположенного тонкими, хрупкими прослойками на границах металла. Добавление к расплавленному никелю небольшого количества магния переводит серу в форму соединения с магнием, которое выделяется в виде зерен, не нарушая пластичности металла»[19].
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
Цены на никель
В течение 2012 года цены на никель колебались в пределах от 15,5 до 17,6 тыс. долл. за тонну.
В октябре 2021 г. цены в Шанхае достигли $24 067,64 за тонну, в Лондоне — $20 705 за тонну[20].
В начале 2024 г. мировые цены на никель упали до минимума с ноября 2020 г., опустившись ниже $16 000/т; никель дешевеет с начала января 2023 года, когда котировки достигали $31 200/т[21].
Прогнозы потребления и производства
По последним оценкам компании «Норникель», объем первичного потребления никеля в мире в 2023 году составит 3,22 млн тонн (рост на 7 % по отношению к прошлому году). Объем профицита рынка прогнозируется на уровне свыше 200 тыс. тонн. В 2024 году аналитики компании ожидают профицит на уровне 180 тыс. тонн.
В то же время «Норникель» прогнозирует объем производства никеля в 2023 году в размере 3,45 млн тонн (рост на 10 % год к году)[22].
Применение
В 2015 году 67 % потребления никеля пришлось на производство нержавеющей стали, 17 % на сплавы без железа, 7 % на никелирование и 9 % на прочие применения, такие как аккумуляторы, порошковая металлургия и химические реактивы[23].
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;
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).
Нуклид63Ni, излучающий β--частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах, а также детекторах электронного захвата (ЭЗД) в газовой хроматографии.
Медицина
Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана).
Протезирование.
Монетное дело
Никель широко применяется при производстве монет во многих странах[25].
В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель»[26].
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.
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 — основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В 2008 году Американским обществом контактного дерматита никель был признан «Аллергеном года»[31]. В Европейском союзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека[32]. В России запрета на использование никеля в ювелирных украшениях и медицинской технике нет[33].
Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям — у растений появляются уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице[источник не указан 1394 дня]. Токсическая доза (для крыс) — 50 мг[источник не указан 1394 дня]. 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).
↑Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 240. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
↑Chambers Twentieth Century Dictionary, p888, W&R Chambers Ltd., 1977.
↑Weeks, Mary Elvira (1932). "The discovery of the elements: III. Some eighteenth-century metals". Journal of Chemical Education. 9 (1): 22. Bibcode:1932JChEd...9...22W. doi:10.1021/ed009p22.
↑Hammond, C.R. The elements // CRC Handbook of Chemistry and Physics / Hammond, C.R., Lide, C. R.. — 99th. — Boca Raton, FL : CRC Press, 2018. — P. 4.22. — ISBN 9781138561632.
↑Под ред. Дрица М. Е. Свойства элементов. — Металлургия, 1985. — С. 484—489. — 672 с.
↑Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — 871 с.
↑Третьяков Ю. Д. (ред.) «Неорганическая химия» в 3 т. — том 3, книга 2, стр. 40 — М.:"Академия", 2007
↑Третьяков Ю. Д. (ред.) «Неорганическая химия» в 2 т. — т. 1, стр. 391 — М.: «Химия», 2001
↑Соловьев Ю. И.Исследования Л. А. Чугаева по химии комплексных соединений // История химии в России: Научные центры и основные направления исследований. — М.: Наука, 1985. — С. 275—279.
↑Mine production (неопр.). Геологическая съёмка Соединённых Штатов Америки. Дата обращения: 21 апреля 2019. Архивировано 21 апреля 2019 года.
↑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.: 000 «Наука и технологии». 2004—468 с.— ISBN 5-93952-004-9
↑С. С. Штейнберг. Металловедение / Под ред. И. Н. Богачева и В. Д. Садовского. — Свердловск: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961. — С. 580. — 14 350 экз.
↑ 12Химия. 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. Lautenschläger, H. Bibrack und A. Schnabel. Veb Fachbuchverlag Leipzig)
↑Regulation (EC) No 1272/2008 of the European Parliament and of the Council of 16 December 2008 on Classification, Labelling and Packaging of Substances and Mixtures, Amending and Repealing Directives 67/548/EEC and 1999/45/EC and amending Regulation (EC) No 1907/2006 [OJ L 353, 31.12.2008, p. 1]. Annex VIАрхивировано 14 марта 2019 года.. Accessed July 13, 2017.
↑National Toxicology Program. (2016). «Report on Carcinogens»Архивировано 20 сентября 2017 года., 14th ed. Research Triangle Park, NC: U.S. Department of Health and Human Services, Public Health Service.
