Андрей Смирнов
Время чтения: ~13 мин.
Просмотров: 0

Никель

Параметры никеля

Цвет материала серебристо-белый, температура плавления составляет 1453 градуса. Сплавы никеля отличаются пластичностью, хорошо обрабатываются под давлением. Материал испаряется при температуре 2732 градуса. Химические свойства позволяют формировать соединения с различным уровнем окисления. В нормальных условиях на материале появляется тонкий оксидный слой. Никель и изготовленные из него сплавы устойчивы к ржавчине, легко поддаются воздействию азотной кислоты, не взаимодействуют с другими концентрированными жидкостями.

Химическая реакция возможна с такими веществами:

  • Инертные газы.
  • Калий.
  • Цезий.
  • Стронций.
  • Иридий.

Углеродные добавки позволяют получить карбонил, из которого создают максимально чистые материалы. При взаимодействии с кислородом порошок никеля взрывается.

Получение

Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 года оцениваются в количестве 135 млн т., в том числе достоверные — 49 млн.т.
Основные руды никеля — никелин (купферникель) NiAs, миллерит NiS, пентландит (FeNi)9S8 — содержат также мышьяк, железо и серу; в магматическом пирротине также встречаются включения пентландита. Другие руды, из которых тоже добывают Ni, содержат примеси Co, Cu, Fe и Mg. Иногда никель является основным продуктом процесса рафинирования, но чаще его получают как побочный продукт в технологиях других металлов.
Из достоверных запасов, по разным данным, от 40 до 66 % никеля находится в «окисленных никелевых рудах» (ОНР), 33 % — в сульфидных, 0,7 % — в прочих. По состоянию на 1997 г. доля никеля, произведённого переработкой ОНР, составила порядка 40 % от общемирового объёма производства.
В промышленных условиях ОНР делят на два типа: магнезиальные и железистые.

Тугоплавкие магнезиальные руды, как правило, подвергают электроплавке на ферроникель (5—50 % Ni+Co, в зависимости от состава сырья и технологических особенностей).

Наиболее железистые — латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с применением аммиачно-карбонатного выщелачивания или сернокислотного автоклавного выщелачивания. В зависимости от состава сырья и применяемых технологических схем конечными продуктами этих технологий являются: закись никеля (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические никель электролитный, никелевые порошки и кобальт.

Менее железистые — нонтронитовые руды плавят на штейн. На предприятиях, работающих по полному циклу, дальнейшая схема переработки включает конвертирование, обжиг файнштейна, электроплавку закиси никеля с получением металлического никеля. Попутно извлекаемый кобальт выпускают в виде металла и/или солей.
Ещё один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии — до 78 кг никеля на тонну.
Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, нефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

«Никель долгое время не могли получить в пластичном виде вследствие того, что он всегда имеет небольшую примесь серы в форме сульфида никеля, расположенного тонкими, хрупкими прослойками на границах металла. Добавление к расплавленному никелю небольшого количества магния переводит серу в форму соединения с магнием, которое выделяется в виде зерен, не нарушая пластичности металла.»

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

  1. Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей (5—8 % Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.
  2. Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель , термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.
  3. Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al2O3

Никель и его применение

На протяжении многих лет развитие техники остается востребованной и постоянно развивающейся отраслью. Современные материалы, сплавы и металлы являются основой для ее совершенствования. В настоящий момент активно развиваются нефтяная и химическая сферы промышленности, производство автомобилей и общественного транспорта

Трудно поспорить, что в их основе всегда находилось активное использование высокопрочных качественных металлов, среди которых никель пользуется особым спросом и вниманием. Хотя среди металлов он занимает лишь 13 позицию, по своей значимости он не уступает таким важным материалам как: хрому, алюминию и даже железу

Характеристики и свойства никеля

Данный материал имеет серебристо-белый окрас. Характеризуется высокой пластичностью и ковкостью. По целому ряду свойств приближен к железу (плотность, проводимость тепла, температура плавления и т.д.). Отличается средней химической активностью. В помещении с комнатной температурой и сухим воздухом в реакцию с кислородом практически не вступает. Окисление происходит при нагревании никеля до 500 градусов. Не тускнеет на открытом воздухе. Никель может сочетаться с другими материалами, изменяя (дополняя) их свойства. Например, повышает пластичность и прочность стали, а в сочетании с хромом позволяет достигать отличной антикоррозийной устойчивости.

Сферы применения

Обладая целым набором качеств и характеристик, материал может использоваться в самых различных областях и сферах современных технологий.

  • Он приходится основой для многих особых сплавов (супер-сплавов), в том числе для теплоустойчивых материалов, широко использующиеся в аэрокосмической промышленности. Никель применяется для изготовления деталей современных силовых установок. Стоит отметить, что в промышленной сфере насчитывается около 3 тысяч сплавов и соединений металлов с никелем.
  • Материал входит в состав белого золота, антикоррозийного монель-металла, нихрома (сплав хрома и никеля), инвара, хромоникелевых различных сталей, нейзильбера и других. Он присутствует в качестве компонента в нержавеющих сталях.
  • Он используется в производстве различных аккумуляторов (никель-цинковых, никель-водородных, железо-никелевых).
  • Используется в медицине, особенно в стоматологии для производства ортодонтических брекетов и протезов.
  • Никель применяется в изготовлении монет во многих странах мира. Не многие знают, но пятицентовая американская монета носит даже название «никель».
  • Он так же используется при изготовлении музыкальных инструментов, а в частности для производства обмотки струн (гитары, скрипки и т.д.).
  • Находит применение в современных радиационных технологиях.
  • В своем неизменном виде материал находит применение в качестве защитного покрытия, защищающего от коррозии. Такие защитные покрытия на желе и других металлах можно получить с помощью двух способов: гальванопластикой или плакировкой.

Применение никеля и источники загрязнения окружающей среды

Простейшим примером является никелирование металлических деталей, сантехники. Этот металл входит во многие стали и сплавы, применяется в химической промышленности как катализатор, но одним из наиболее важных сфер применения металла является гальваническая техника и химическое машиностроение. На фото ниже – электролизный цех.

На заводе по производству никеля

В аэрокосмической промышленности широко применяются жаропрочные материалы на основе никеля, металлургия использует такие хромоникелевые стали и сплавы, как константан, нейзильбер, нихром, пермаллой, инвар и другие. Каждый из них обладает своими уникальными свойствами. Это вещество широко применяется в производстве самых разных источников постоянного тока: в аккумуляторной промышленности. Даже для производства струн щипковых инструментов, а точнее, для их обмотки требуются сталь с повышенным содержанием никеля.

Никелированная посуда

В быту нас окружает никелированная посуда (никелирование, которое проводится гальваническим методом и предохраняет материалы от коррозии), он применяется для покрытия ножей, ложек и вилок, используется в производстве зубных протезов и коронок.

Никель способен загрязнять воду, особенно в сточной зоне химических производств, заводов по производству каучука и горно-обогатительных комбинатов. Практически 97% выброса металла в атмосферу приходится на предприятия отечественного концерна «Норильский никель» в таких населенных пунктах, как Норильск, Мончегорск, Апатиты. Он попадает в воздух как отход при сжигании различных сортов каменного угля.

Канцерогенное действие никеля

Действие никеля становится наиболее опасным при длительном влиянии на организм. Избыток никеля влияет на нуклеиновые кислоты, и канцерогенное действие, чаще всего, проявляется раком легких и бронхов.

Также у работников, связанных на производстве с высокими концентрациями этого вещества, возникает повышенный риск рака носа, придаточных пазух черепа и других органов, непосредственно расположенных рядом с верхними и нижними дыхательными путями. Так, исторически, до введения защиты на производстве, у работающих с никелем частота возникновения злокачественных новообразований легких была в пять раз выше, а раком придаточных пазух черепа – более чем в 100 раз превышала среднюю частоту возникновения опухолей в популяции.

Известны случаи развития злокачественных новообразований уже через 5 лет после работы на никелировочном производстве, при условии постоянного вдыхания аэрозоля, содержащего соли никеля. Также значительно повышен риск возникновения рака желудка, особенно у рабочих на обжиге и восстановлении никелево-сульфидных руд.

Образование

До 1994 года в Никеле работали 11 детских садов — на 2.000 детей. В конце 90-х гг. наметилась тенденция сокращения дошкольных учреждений: были закрыты 8 детских садов. Причиной послужила малая рождаемость и отток населения города в другие регионы страны в начале 1990-х и, как следствие, небольшое количество малышей-дошколят. До начала 2012 года в Никеле было всего 3 детских сада.

Однако в последние годы в Никеле наблюдается увеличение рождаемости. Это привело к тому, что образовались очереди, которые составили более 200 детей. Администрацией было принято решение о восстановлении бывшего детского сада № 12 на 140 мест. В 2010 году был разработан проект капитального ремонта здания, в 2011 году детский сад был отремонтирован, введён в действие 17 января 2012 года. Деньги на реконструкцию — больше 30 миллионов рублей — это общий вклад бюджетов муниципалитета, области и градообразующего предприятия — «Кольской горно-металлургической компании». Ремонт сделали всего за год (чуть больше 10 месяцев). На скорость и качество работ повлияло и то, что огромную помощь муниципалитету в деле реконструкции садика оказало градообразующее предприятие — это «Кольская ГМК».

До июля 2011 в Никеле было 4 общеобразовательные школы- № 1, № 2, № 3 и № 20 (на 3700 мест). В 2011 году наметилась тенденция сокращения общеобразовательных учреждений: в июле 2011 года была закрыта школа № 2. Причиной послужила малая рождаемость и отток населения города в другие регионы страны в начале 1990-х и, как следствие, небольшое количество учеников. Ещё в конце 1980-х все школы Никеля работали в две смены, сейчас же школы работают в одну смену. Все 10-11 классы сейчас продолжают обучение на базе школы № 3 («Ресурсный центр»). Школы № 1 и № 20 продолжили работу в статусе основных общеобразовательных школ (неполных средних).

На начало 2012 учебного года в Никеле функционирует 7 образовательных учреждений, в том числе: 4 дошкольных учреждения и 3 общеобразовательных учреждений. Также в Никеле работают музыкальная школа, художественная школа, спортивная школа, межшкольный учебный комбинат, Дом детского творчества, Межшкольный учебно-производственный комбинат (бывш. УПК) и Печенгский политехнический техникум.

Сплавы с молибденом и другими металлами

Изделия из никелевых сплавов с добавлением молибдена в чистом виде практически не используются. В состав сплава обычно добавляют еще и хром. Чаще всего соотношения выглядит так: 77% никеля, 12% хрома, 3,5% молибдена, но максимальное его содержание может составлять около 9%. Такие сплавы очень прочные и жесткие на растяжение.

Благодаря своим свойствам они нашли применение в медицине, где из них производят мостовидные протезы. Работать с ними довольно сложно, так выполнить литье с применением таких сплавов практически невозможно. Но высокие эксплуатационные характеристики и относительно невысокая стоимость сделала эти сплавы незаменимыми.

Использование никеля в качестве легирующего компонента позволяет создать сплав, имеющих повышенную устойчивость к коррозии. Поэтому его используют для создания антикоррозийного покрытия. Причем полученное покрытие отличается привлекательным внешним видом. Добавление других металлов и материалов придает сплавам иные, особые свойства.

https://youtube.com/watch?v=K-lB_vaJK8k

В целом, на сегодняшний день никель широко используется в промышленности, редко в чистом виде, обычно в качестве компонента различных сплавов, что позволяет получать желаемые свойства материалов.

История открытия никеля

Это было в середине XVII в., а может быть и раньше. Старый Ник, насмешливый и любопытный гном, тогда еще проживавший в горах Саксонии, любил поддразнить горняков и нередко подсовывал им вместо полноценной медной руды похожий на нее минерал, из которого, однако, не удавалось выплавить ни меди, ни металла вообще. По имени этого гнома и был назван элемент, открытый молодым шведским металлургом Акселем Фредериком Кронстедтом в 1751 г. «Купферникель — руда, которая содержит наибольшее количество… описанного полуметалла, — писал Кронстедт, — поэтому я дал ему то же имя, или, для удобства, я назвал его никелем». (Напомним, что полуметаллами называли простые вещества, сходные и с металлами, и с неметаллами, например мышьяк).

Открытие долго оспаривалось: современники полагали, что никель — это не самостоятельный металл, а сплав уже известных металлов с мышьяком и серой. Кронстедт настаивал на индивидуальности никеля, ссылаясь в качестве «вещественных доказательств», в частности, на зеленую окраску его соединений и легкость взаимодействия этого «полуметалла» с серой. Кронстедту приходилось бороться не только с физико-химическими, но и с астрологическими доводами своих оппонентов. «Число металлов превосходит уже число планет, в солнечном круге находящихся, — писал Кронстедт, — поэтому ныне размножения числа металлов опасаться не надлежит».

Но Кронстедт умер в 1765 г., так и не дождавшись признания своего открытия. И даже через 10 лет после его смерти во Французской энциклопедии, высшем своде знаний эпохи, было напечатано: «Кажется, что еще должны быть проведены дальнейшие опыты, чтобы убедить пас, есть ли этот королек «никеля», о котором говорит г. Кронстедт, особый полуметалл или его скорее следует считать соединением железа, мышьяка, висмута, кобальта и даже меди с серой».

В том же 1775 г. соотечественник Кронстедта химик и металлург Т. Бергман опубликовал свои исследования, которые убедили многих в том, что никель действительно новый металл. Но окончательно споры улеглись лишь в начале XIX в., когда нескольким крупным химикам впервые удалось выделить чистый никель. Среди них был Ж. Л. Пруст, автор закона постоянства состава химических соединений; интересно, что важным аргументом в пользу индивидуальности никеля Пруст считал своеобразный сладковатый вкус раствора никелевого купороса, резко отличный от неприятного вкуса медного купороса. Другой французский химик, Л. Ж. Тенар, окончательно выяснил магнитные свойства никеля (на их своеобразие указывал еще Бергман).

Полувековые усилия исследователей были подытожены Иеремией Рихтером, который более известен в истории химии как один из основоположников стехиометрии. Чтобы получить чистый никель, Рихтер после обжига купферникеля NiAs на воздухе (для удаления большей части мышьяка), восстановления углем и растворения королька в кислоте проделал 32 перекристаллизации никелевого купороса и затем из этих кристаллов восстановил чистый металл. Полученный этим «весьма многотрудным путем» никель был описан Рихтером в 1804 г. в статье «Об абсолютно чистом никеле, благородном металле, его получении и особых свойствах».

В историю элемента № 28 статья Рихтера вошла как пророческая: в ней были указаны почти все характерные особенности никеля, сделавшие его одним из главнейших металлов современной техники, — большая сопротивляемость коррозии, жаростойкость, высокая пластичность и ковкость, магнитные свойства. Эти особенности и определили пути, по которым никель был направлен человеком.

Области применения никеля

Оксидная пленка защищает металл, придавая ему высокую коррозионную стойкость. Причем действие ее настолько сильно, что не только сам никель оказывается малоактивным, но и любые другие предметы, покрытые тончайшим слоем никеля. Именно это качество и обуславливает один из самых распространенных способов применения.

О применении никеля в быту поведает этот видеосюжет:

Никелирование

Никелирование – получение никелевого покрытия гальваническим методом на поверхности других металлов – железных сплавов, как правило, с целью защитить последние от коррозии. В 2015 году 7% добытого металла ушло на никелирование. С такой «обработкой» сталкиваются повсеместно: посуда, столовые приборы, металлические трубы, используемые при изготовлении мебели или в декоративных целях. Кроме того, что металл защищает основной сплав, он еще и придает красивый серебристый блеск, не тускнеющий со временем.

Никель используется для защиты чугуна, железа, магния и даже цинка и алюминия, которые сами по себе считаются достаточно стойкими к коррозии. Однако никель отличается еще одним особым свойством – исключительной стойкостью к щелочам. Никелирование изделий из металла активно применяют в химической промышленности – для производства резервуаров для хранения и перевозки химически агрессивных веществ, например, а также для производства деталей, предназначенных работать в самых опасных условиях: например, для защиты от коррозии дюралюминиевых самолетных лопастей.

Иные сферы

  • Металл используют при производстве аккумуляторов – никель-кадмиевых, железо-никелевых, никель-цинковых, никель-водородных. Никелевые электроды устойчивы в электролите, имеют долгий срок службы и доступны по стоимости. Так, цинково-серебряный аккумулятор демонстрирует более высокие характеристики, однако по стоимости намного дороже.
  • Металл применяется в химической промышленности для получения разнообразных реактивов.
  • В медицине никель используют при изготовлении протезов и брекет-систем, поскольку металл совершенно инертен и безопасен. То же свойство позволяет использовать вещество при изготовлении аппаратуры для пищевой промышленности.
  • Однако куда большая доля никеля расходуется на получение разнообразных сплавов. На железные сплавы приходится 67% добытого вещества, а на не железные – 17%.

Связано это с тем, что никель придает сплавам едва ли не такую же антикоррозийную стойкость, которой сам и обладает. В результате большая часть металла применяется для получения всего разнообразия нержавеющих сталей. Те же железные сплавы, которые не легировались никелем, для защиты подвергаются оцинковке или никелированию. Перечислить же сферы применения нержавеющих и конструкционных сталей попросту нереально: нет такой области народного хозяйства, где не использовалась бы эта продукция.

Не меньший интерес представляют собой другие составы-никелевые сплавы, например, сплав никеля с железом, медью, оловом, алюминием, титаном, хромом и иными металлами.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации