2.3.1. Никель

Никель – химический элемент первой триады VIII группы периодической системы Менделеева, атомный номер 28, атомная масса 58.70; серебристо-белый металл, ковкий и пластичный. Природный никель состоит из смеси пяти стабильных изотопов: ⁵⁸Ni (67.76 %), ⁶⁰Ni (26.16 %), ⁶¹Ni (1.25 %), ⁶³Ni (3.66 %), ⁶⁴Ni (1.16 %).

Т а б л и ц а 2.4

Свойства никеля и меди

Параметр	Ni (Nickel)	Cu (Copper)
Атомный номер	28	29
Атомная масса	58.693	63.546
Валентные электроны	3d84s2	3d104s1
Плотность, кг/м³	8900	8960
Температура плавления, °С	1455	1083
Температура кипения, °С	≈ 3000	2600
Скорость испарения, г/(см2·с)	1.2·10–7 (1157 °С) 1.1·10–5 (1371 °С)	1.3·10–7 (946 °С) 1.3·10–6 (1035 °С)
Теплопроводность, Вт/(м·К)	95 (20 °С)	390 (20 °С)
Удельная теплоемкость, Дж/(кг·К)	444 (20 °С)	385 (100 °С)
Электроотрицательность	1.8	1.9
Металлический радиус атома, Å	1.24	1.23
1-й ионизац. потенциал, эВ	7.64	7.73
Мощность излучаемой энергии, Вт/см2	1 (740 °С) 2 (900 °С)	0.11 (227 °С) 4.26 (1227 °С)
Работа выхода, эВ	4.84	4.46

Физические свойства. При обычных условиях никель существует в виде β- модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку (а = 3.5236Å). Никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере H₂, образует α- модификацию, имеющую гексагональную решетку плотнейшей упаковки (а = 2.65 Å, с = 4.32 Å), которая при нагревании выше 200 °C переходит в кубическую. Компактный кубический никель имеет плотность 8.9 г/см³ (20 °C), атомный радиус 1.24 Å, ионные радиусы: Ni²⁺ – 0.79 Å, Ni³⁺ – 0.72 Å; t_пл = 1453 °C; t_кип ≈ 3000 °C; удельная теплоемкость при 20°C 0.440 кДж/(кг·К) [0.105 кал/(г·°C)]; температурный коэффициент линейного расширения 13.3·10^–6 (0...100 °C); теплопроводность при 25 °C составляет 90.1 Вт/(м·К) [0.215 кал/(см·сек·°С)]; тоже при 500 °C – 60.01 Вт/(м·К) [0.148 кал/(см·сек·C°)]. Удельное электросопротивление при 20°C 6.84 мкОм·см; температурный коэффициент электросопротивления 6.8·10^–3 (0…100 °C). Никель – ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400…500 Мн / м²; предел упругости 80 Мн / м², предел текучести 120 Мн / м²; относительное удлинение 40 %; модуль нормальной упругости 205 Гн / м²; твердость по Бринеллю 600…800 Мн / м². В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует точке Кюри) никель ферромагнитен. Ферромагнетизм никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d⁸4s²) его атомов. Никель вместе с Fe (3d⁶4s²) и Со (3d⁷4s²), также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d-электронной оболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которого для атомов никеля составляет 6 μ_Б, где μ_Б – магнетон Бора. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах никеля приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, то есть к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений никеля (оксиды, галогениды и других) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой). Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монелъ-металл, инвар и других).

Химические свойства. В химические отношении Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами. В соединениях проявляет переменную валентность (чаще всего двухвалентен). Никель – металл средней активности. Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H₂, СО и других); насыщение никеля газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 °C; в мелкодисперсном состоянии никель пирофорен – на воздухе самовоспламеняется. Из оксидов наиболее важен NiO – зеленоватые кристаллы, практически нерастворимые в воде (минерал бунзенит). Гидрооксид выпадает из растворов никелевых солей при прибавлении щелочей в виде объемистого осадка яблочно-зеленого цвета. При нагревании никель соединяется с галогенами, образуя NiX₂. Сгорая в парах серы, дает сульфид, близкий по составу к Ni₃S₂. Моносульфид NiS может быть получен при нагреве NiO с серой.

С азотом никель не реагирует даже при высоких температурах (до 1400 °C). Растворимость азота в твердом никеле приблизительно 0.07 % по массе (при 445 °C). Нитрид Ni₃N может быть получен пропусканием NH₃ над NiF₂, NiBr₂ или порошком металла при 445 °C. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni₃P₂ в виде серой массы. В системе Ni - As установлено существование трех арсенидов: Ni₅As₂, Ni₃As (минерал маухерит) и NiAs. Структурой никель-арсенидного типа (в которой атомы As образуют плотнейшую гексагональную упаковку, все октаэдрические пустоты которой заняты атомами Ni) обладают многие металлиды. Неустойчивый карбид Ni₃C может быть получен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка никеля в атмосфере СО при 300 °C. В жидком состоянии никель растворяет заметное количество С, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении графита никель теряет ковкость и способность обрабатываться давлением.

В ряду напряжений Ni стоит правее Fe (их нормальные потенциалы соответственно – 0.44 В и – 0.24 В) и поэтому медленнее, чем Fe, растворяется в разбавленных кислотах. По отношению к воде никель устойчив. Органические кислоты действуют на никель лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют никель; разбавленная азотная – очень легко; концентрированная HNO₃ пассивирует никель, однако в меньшей степени, чем железо.

При взаимодействии с кислотами образуются соли двухвалентного никеля. Почти все соли Ni (II) и сильных кислот хорошо растворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют, кислую реакцию. Трудно растворимы соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная и фосфорная. Большинство солей никеля разлагается при прокаливании (600…800 °C). Одна из наиболее употребительных солей – сульфат NiSO₄ кристаллизуется из растворов в виде изумрудно-зеленых кристаллов NiSO₄·7H₂O – никелевого купороса. Сильные щелочи на никель не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (NH₄)₂CO₃ с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства из них характерно наличие комплексов [Ni(NH₄)₆]²⁺ и [Ni(OH)₂(NH₃)₄]. При повышенных температурах никель взаимодействует с оксидами азота, SO₂ и NH₃. При действии СО на его тонкоизмельченный порошок при нагревании образуется карбонил Ni(CO)⁴. Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый никель.

Применение. Подавляющая часть Ni используется для получения сплавов с другими металлами (Fe, Cr, Cu и другими), отличающихся высокими механическими, антикоррозионными, магнитными или электрическими и термоэлектрическими свойствами. В связи с развитием реактивной техники и созданием газотурбинных установок особенно важны жаропрочные и жаростойкие хромоникелевые сплавы. Сплавы никеля используются в конструкциях атомных реакторов.

Значит, количество никеля расходуется для производства щелочных аккумуляторов и антикоррозионных покрытий. Ковкий никель в чистом виде применяют для изготовления листов, труб и т. д. Он используется также в химические промышленности для изготовления специальной химической аппаратуры и как катализатор многих химических процессов.

Никель и сплавы на его основе широко применяют в электровакуумной технике в качестве материала для арматуры электронных ламп.

Сплавы на основе никеля: инвар Н-36 – сплав железа и примерно 36 % никеля, обладает очень маленьким температурным коэффициентом линейного расширения; платинит Н-47 – сплав железа и примерно 47 % никеля; ковар – сплав железа с 29 % никеля и 17 % кобальта, при очень маленьком температурном коэффициенте линейного расширения имеет удельное сопротивление, примерно в два раза меньшее, чем у инвара. Ковар и инвар применяют для вакуумноплотной герметизации радиоизделий путем сварки со стеклом.