Никел

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
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

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]

Откриване[редактиране | редактиране на кода]

Никел се използвал още 3500 години пре.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 и получил зелен оксид, който после редуцирал до чист метал и отделил нов елемент, наречен от него никел[4] Рудата се оказала сплав на никела с отдавна известния арсен (NiAs). Приживе Кронщет не успял 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 убедили много от противниците, че никелът е нов елемент.[4] Понеже това все още не било достатъчно, в началото на 19 век френските химици Пруст и Ленар, както и немският химик Иеремиас Рихтер утвърдили никела като нов елемент и проучили свойствата на чистия метал.[4]

През 1881 година е изсечена първата монета от чист никел.

Дълго време не е било 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]

Разпространение[редактиране | редактиране на кода]

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]

Той е магнитен, и е придружен много често от кобалт, заедно могат да бъдат намерени в метеоритно желязо.

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] както и с арсен в минералите халонит[4] и никелин (NiAs); също гарниарит, ревдинскит, анабергит и други.[4]

Физични свойства[редактиране | редактиране на кода]

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]

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

Изотопи[редактиране | редактиране на кода]

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 свойства[редактиране | редактиране на кода]

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

Най-обичайната степен на окисление на никела са +2, о 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 дипресираният[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]

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

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]

Сплави[редактиране | редактиране на кода]

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 роля[редактиране | редактиране на кода]

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.

Токсичност[редактиране | редактиране на кода]

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).

Руди[редактиране | редактиране на кода]

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.

Добив[редактиране | редактиране на кода]

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.

Източници[редактиране | редактиране на кода]

  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.