Никель: свойства, история и применение¶

Никель — это химический элемент с атомным номером 28 и символом Ni (от лат. Niccolum), относящийся к группе переходных металлов. Простое вещество представляет собой серебристо-белый, ковкий и пластичный металл, обладающий высокой коррозионной стойкостью. Никель входит в число важнейших промышленных металлов, являясь основой для производства легированных сталей, жаропрочных сплавов и гальванических покрытий.

¶История открытия

История никеля начинается с древних сплавов. Ещё в древности в Китае и Персии выплавляли сплав, известный как «пакфонг» или «белая медь», который содержал до 40 % никеля, однако его природа была неизвестна. В Европе в XVII веке рудокопы Саксонии сталкивались с минералом, который внешне напоминал медную руду, но не позволял получить медь. Из-за этого его называли Kupfernickel — «медь гоблина» или «дьявольская медь», считая, что горный дух Никкель подшучивает над шахтёрами.

В 1751 году шведский минералог Аксель Фредрик Кронстедт, исследуя этот минерал (ныне известный как никелин), выделил из него новый металл, который назвал никелем. Первоначально полученный металл был загрязнён примесями, поэтому его свойства были оценены не сразу. В 1804 году немецкий химик Иеремия Рихтер получил чистый никель, что позволило точно определить его физические и химические характеристики. В 1889 году английский инженер Джеймс Райли представил на выставке в Париже образцы никелевой стали, что положило начало широкому промышленному использованию металла.

¶Физические и химические свойства

Никель — металл с плотностью около 8,9 г/см³ и температурой плавления 1455 °C. Он обладает ферромагнитными свойствами при комнатной температуре, однако точка Кюри, при которой металл теряет магнетизм, составляет около 358 °C. В периодической таблице никель расположен в 10-й группе, четвёртом периоде, и проявляет переменную валентность, наиболее характерны степени окисления +2 и +3.

Химически никель умеренно активен. На воздухе при обычной температуре он устойчив к окислению, покрываясь тонкой защитной плёнкой оксида. Металл не реагирует с водой и разбавленными кислотами (серной и соляной) в отсутствие окислителей, но растворяется в азотной кислоте и в серной кислоте при нагревании. Никель активно взаимодействует с галогенами, а при высоких температурах — с серой, фосфором и кремнием. Важным свойством является способность поглощать значительные объёмы водорода, что используется в каталитических процессах.

¶Месторождения и добыча

Никель занимает примерно 20-е место по распространённости в земной коре, его среднее содержание оценивается в 0,01 %. Промышленно значимые месторождения делятся на два основных типа: сульфидные медно-никелевые руды и силикатные (окисленные) никелевые руды.

Сульфидные месторождения, приуроченные к массивам основных и ультраосновных пород, дают около 60 % мировой добычи. Крупнейшие из них расположены в России (Норильский рудный район в Красноярском крае), Канаде (провинция Онтарио), Австралии и ЮАР. Силикатные руды, образующиеся в корах выветривания, разрабатываются преимущественно в тропических регионах — на Кубе, в Индонезии, Новой Каледонии, на Филиппинах и в Бразилии.

Технология переработки зависит от типа руды. Сульфидные руды обогащают флотацией с получением концентрата, который затем плавят на штейн. Штейн перерабатывают в файнштейн, после чего металл извлекают электролитическим рафинированием или карбонильным процессом (метод Монда). Окисленные руды перерабатывают гидрометаллургическими способами — аммиачным выщелачиванием или сернокислотным автоклавным выщелачиванием. Крупнейшими производителями первичного никеля являются Индонезия, Филиппины, Россия, Канада и Австралия.

¶Применение

Основная область потребления никеля — металлургия. Около 65–70 % производимого металла используется для легирования стали. Никелевые стали отличаются повышенной прочностью, вязкостью и коррозионной стойкостью. Добавка никеля в количестве 8–10 % позволяет получать аустенитные нержавеющие стали, которые не магнитятся и сохраняют пластичность при низких температурах. Жаропрочные никелевые сплавы, такие как инконель и хастеллой, применяются в авиационном двигателестроении, газотурбинных установках и атомной энергетике.

Значительная часть никеля расходуется на гальванические покрытия. Никелирование защищает стальные изделия от коррозии и придаёт им декоративный вид. Такие покрытия широко используются в автомобильной промышленности, производстве сантехники, посуды и ювелирных изделий.

Никель является ключевым компонентом химических источников тока. Никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторы долгое время были основными перезаряжаемыми батареями. В современных литий-ионных аккумуляторах никель входит в состав катодных материалов (никель-кобальт-марганцевые и никель-кобальт-алюминиевые оксиды), что особенно актуально для электромобилей.

В химической промышленности мелкодисперсный никель используется как катализатор реакций гидрирования, например, при отверждении растительных масел. Никелевые катализаторы применяются в процессах риформинга и метанирования. Также никель входит в состав некоторых пигментов (никелевая жёлтая) и используется в производстве керамики и стекла для окрашивания.

¶Биологическая роль и влияние на здоровье

Никель является микроэлементом, необходимым для жизнедеятельности некоторых организмов. Установлено его участие в ферментативных процессах у бактерий и растений. Для человека роль никеля окончательно не выяснена, однако предполагается его участие в метаболизме и гормональной регуляции. Суточная потребность взрослого человека оценивается в 0,1–0,3 мг, которая обычно удовлетворяется за счёт обычного рациона.

Соединения никеля, особенно летучие карбонил никеля, токсичны. Профессиональное вдыхание пыли и паров никеля на производствах может вызывать профессиональные заболевания — дерматиты, бронхиальную астму и поражения дыхательных путей. Некоторые соединения никеля классифицируются Международным агентством по изучению рака как канцерогены для человека. В связи с этим в промышленности действуют строгие нормативы предельно допустимых концентраций, а также требования к средствам индивидуальной защиты.

¶Интересные факты

Монеты многих стран, включая российские монеты номиналом 1 и 2 рубля, имеют никелевое покрытие или изготовлены из никелевых сплавов. Исторически никель использовался для чеканки монет США («никель» — разговорное название 5-центовой монеты). В 1970-х годах советские монеты номиналом 50 копеек также содержали значительное количество никеля. Никель составляет значительную часть состава метеоритов — железоникелевые метеориты содержат от 5 до 25 % никеля, что используется для их идентификации. Никелевый сплав с титаном, нитинол, обладает эффектом памяти формы: изделия из него способны восстанавливать исходную геометрию при нагревании, что применяется в медицине для создания самораскрывающихся стентов.