Никел – Уикипедия

Никел
Сребристо-бял, понякога със златист оттенък
Спектрални линии
Кобалт ← Никел → Мед – ↑ Ni ↓ Pd H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og Периодична система
Общи данни
Име, символ, Z	Никел, Ni, 28
Група, период, блок	10, 4, d
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
Никел в Общомедия

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 валцуване, изтегляне и коване.^[4]

Никел е използван още 3500 години пр.н.е., но никеловата руда е често бъркана със сребърна и затова тя е 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 г. 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]

Средното съдържание на никела в земната кора е около 8.10^-3%^[4] по маса 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]

Никелът е сребристобял пластичен метал, който може да се полира. Лесно се поддава на валцуване, 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 микромагнитите (домените) от безредно положение се подреждат в едно направление, деформирайки кристалната решетка. Ефектът е обратим^[4]

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]

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]Останалите изотопи имат период на полуразпад 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-стабилния нуклид, с 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 осъществява от 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]

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 химично 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 редукция с алуминий или въглеродː^[4]

${\displaystyle {\ce {3NiO + 2Al ->[{t°}] 3Ni + Al2O3}}}$

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] Диспресният 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]

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 тях е никелиране на метали. Чрез ултразвук се получават плътни и блестящи покрития, като скоростта на нанасянето им се увеличава.^[4]

Никелово-амонячните комплекси 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 такива 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]

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]

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 възрастен човек се съдържат 5 – 13,5 mg никел,^[4] който участва в определени ензими. Някои никелови съединения са токсични, например никелов карбонил. Никелът може да предизвика алергия, отразяваща се върху кожата или дихателните пътища.^[4]

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

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 е канцерогенен.

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).

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 са открили 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.

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 оставя на бавно изстиване 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.