Никель

Никель — это химический элемент с атомным номером 28, обозначаемый символом Ni. Относится к группе переходных металлов, является серебристо-белым, ковким и пластичным металлом. Никель обладает высокой коррозионной стойкостью, ферромагнитными свойствами и широко применяется в промышленности, особенно в металлургии для производства нержавеющих сталей и сплавов, а также в гальванотехнике и производстве аккумуляторов.

История

Открытие и происхождение названия

Никель был известен в виде соединений задолго до его выделения в чистом виде. В древности в медных рудах Саксонии (Германия) встречался минерал, похожий на медную руду, но не дававший при плавке меди. Горняки называли его «купферникель» (нем. Kupfernickel — «медный бес» или «дьявольская медь»), считая, что злые духи портят руду. В 1751 году шведский химик и минералог Аксель Фредрик Кронштедт выделил из этого минерала новый металл. Он предложил название «никель», сократив слово «купферникель». В 1804 году немецкий химик Иеремия Рихтер получил чистый никель и описал его основные свойства.

Развитие промышленного производства

Долгое время никель оставался лабораторной редкостью. Промышленное производство началось в XIX веке. В 1820-х годах в Швеции и Норвегии были разработаны первые технологии получения никеля из руд. Ключевым этапом стало открытие в 1880-х годах богатых месторождений сульфидных медно-никелевых руд в Канаде (район Садбери). Это привело к резкому росту добычи и снижению стоимости металла. В России промышленная добыча никеля началась в 1930-х годах с освоения Норильского месторождения. В 1935 году был пущен Норильский горно-металлургический комбинат (ныне — «Норильский никель»), который стал одним из крупнейших производителей никеля в мире.

Физические и химические свойства

Физические свойства

Никель — серебристо-белый металл с сильным блеском. Его плотность составляет 8,9 г/см³, температура плавления — 1455 °C, температура кипения — 2730 °C. Металл обладает высокой пластичностью и ковкостью, хорошо поддается механической обработке. Важным свойством является ферромагнетизм: никель притягивается к магниту, но его магнитные свойства проявляются слабее, чем у железа. Точка Кюри (температура, выше которой ферромагнетизм исчезает) для никеля составляет 358 °C.

Химические свойства

При комнатной температуре никель устойчив на воздухе, покрываясь тонкой оксидной пленкой, защищающей от дальнейшего окисления. При нагревании реагирует с кислородом, образуя оксид никеля (NiO). Никель не взаимодействует с водой и растворами щелочей. С разбавленными кислотами (соляной, серной) реагирует медленно, выделяя водород. Концентрированная азотная кислота пассивирует металл. Никель образует многочисленные комплексные соединения, в частности с аммиаком, цианидами и карбонилами. Карбонил никеля (Ni(CO)₄) — летучее и токсичное соединение, используемое в процессе Монда для получения чистого никеля.

Нахождение в природе и добыча

Распространённость

Никель — распространённый элемент, его содержание в земной коре составляет около 0,008% по массе. В ядре Земли его доля значительно выше. В природе встречается в основном в виде сульфидных и силикатных руд.

Основные минералы

Основные промышленные минералы никеля:

• Пентландит ((Fe,Ni)₉S₈) — сульфидный минерал, главный источник никеля в магматических месторождениях.
• Миллерит (NiS) — сульфид никеля.
• Гарниерит ((Ni,Mg)₆Si₄O₁₀(OH)₈) — силикатный минерал, характерный для кор выветривания.
• Никелин (NiAs) — арсенид никеля.

Месторождения и добыча

Крупнейшие запасы никеля сосредоточены в России (Норильский район, Кольский полуостров), Канаде (Садбери, Томпсон), Австралии, Индонезии, Новой Каледонии и на Кубе. Добыча ведётся открытым и подземным способами. В России основным производителем является компания «Норильский никель» (ПАО «ГМК «Норильский никель»), которая добывает руду в Норильском промышленном районе и на Кольском полуострове.

Технологии получения

Получение никеля включает несколько этапов:

1. Обогащение руды: флотация, магнитная сепарация.
2. Плавка на штейн: получение промежуточного продукта — файнштейна (сплав сульфидов никеля, меди, железа).
3. Конвертирование: удаление железа и части серы.
4. Разделение: отделение никеля от меди и других металлов (например, флотацией или экстракцией).
5. Рафинирование: получение чистого никеля. Основные методы:

• Электролиз: никель осаждается на катоде из раствора сульфата никеля.
• Карбонильный процесс (процесс Монда): никель реагирует с угарным газом, образуя летучий карбонил никеля, который затем разлагается при нагревании, выделяя чистый металл.

Применение

Металлургия

Основная область применения никеля (около 70% мирового потребления) — производство нержавеющих сталей. Добавление никеля повышает коррозионную стойкость, прочность и пластичность стали. Никель входит в состав жаропрочных и кислотостойких сплавов (например, нихром — сплав никеля и хрома для нагревательных элементов; инвар — сплав никеля и железа с низким коэффициентом теплового расширения; пермаллой — магнитно-мягкий сплав). Никель используется в производстве монет (например, в монетах США и России), а также в ювелирном деле (как компонент белого золота).

Химическая промышленность

Никель применяется в качестве катализатора во многих химических процессах, таких как гидрирование жиров, органический синтез (например, в реакции Сабатье) и риформинг нефти. Используется в виде мелкодисперсного порошка (никель Ренея) или нанесённого на носитель.

Гальванотехника

Никелирование — процесс нанесения тонкого слоя никеля на поверхность металлических изделий для защиты от коррозии и придания декоративного вида. Никелевые покрытия широко применяются в автомобилестроении, производстве бытовой техники, мебельной фурнитуры.

Производство аккумуляторов

Никель является ключевым компонентом многих типов аккумуляторов:

• Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы — используются в портативном электроинструменте.
• Никель-металлгидридные (NiMH) аккумуляторы — применяются в гибридных автомобилях и бытовой электронике.
• Литий-ионные аккумуляторы — катоды многих современных аккумуляторов содержат никель (например, NMC — никель-марганец-кобальт, NCA — никель-кобальт-алюминий).

Другие области

Никель используется в производстве постоянных магнитов (алнико, самарий-кобальт), в электронике (термопары, контакты), в аэрокосмической технике (жаропрочные сплавы для турбин), в медицине (стоматологические сплавы, хирургические инструменты).

Биологическая роль и токсичность

Биологическая роль

Никель является микроэлементом, необходимым для некоторых организмов. Для человека его роль изучена недостаточно. Предполагается, что никель участвует в регуляции активности некоторых ферментов, гормонов и обменных процессов. Суточная потребность человека в никеле оценивается в 0,1–0,3 мг. Основные источники поступления — продукты питания (шоколад, орехи, бобовые, цельнозерновые крупы).

Токсичность

Никель и его соединения могут быть токсичны при избыточном поступлении. Острые отравления редки. Хроническое воздействие может вызывать контактный дерматит (аллергическую реакцию на никельсодержащие украшения и монеты). Некоторые соединения никеля (например, карбонил никеля, сульфид никеля) классифицируются Международным агентством по изучению рака (МАИР) как канцерогенные для человека (группа 1). Профессиональные заболевания, связанные с вдыханием никелевой пыли, включают ринит, синусит, бронхит и рак лёгких. В связи с этим на производствах по добыче и переработке никеля действуют строгие санитарные нормы и требования по охране труда.

Экономика и рынок

Производство

Мировое производство никеля составляет около 2,5–3 миллионов тонн в год (по данным на 2020-е годы). Крупнейшие производители: Индонезия, Филиппины, Россия, Новая Каледония, Австралия, Канада. Россия занимает одно из ведущих мест в мире по добыче и экспорту никеля. Основной производитель — «Норильский никель», на долю которого приходится значительная часть мирового производства высокосортного никеля.

Ценообразование

Цена на никель определяется на Лондонской бирже металлов (LME) и зависит от баланса спроса и предложения, мировых экономических тенденций, политических факторов и объёмов складских запасов. Никель считается одним из наиболее волатильных цветных металлов. Резкие скачки цен могут происходить из-за изменения спроса со стороны производителей нержавеющей стали, а также в результате геополитических событий или сбоев в цепочках поставок.

Интересные факты

• Никель входит в состав ядра Земли, где его содержание может достигать 5–10% по массе (вместе с железом).
• В 1970-х годах в США были выпущены монеты из никеля, не содержащие никель (из-за его дороговизны), но их быстро изъяли из обращения.
• Никель является одним из немногих металлов, способных сохранять ферромагнетизм при комнатной температуре.
• Карбонил никеля — одно из самых токсичных неорганических соединений, используемых в промышленности.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. — М.: Советская энциклопедия, 1992. — Т. 3.
• Металлургия никеля / под ред. В. М. Парфенова. — М.: Металлургия, 1985.
• Greenwood, N. N., Earnshaw, A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.
• Данные Международной группы по изучению никеля (INSG).
• Материалы ПАО «ГМК «Норильский никель» (официальный сайт).