Где в промышленности используется никель. Что такое никель и для чего он нужен

Никель - простое вещество, пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен. Относится к тяжелым цветным металлам, в чистом виде на земле не встречается — обычно входит в состав различных руд, высокой твердостью, хорошо полируется, является ферромагнетиком — притягивается магнитом, в периодической системе Менделеева обозначается символом Ni и имеет 28 порядковый номер.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

СВОЙСТВА

Никель - ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400-500 Мн/м 2 , предел упругости 80 Мн/м 2 , предел текучести 120 Мн/м 2 ; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м 2 ; твёрдость по Бринеллю 600-800 Мн/м 2 . В температурном интервале от 0 до 631К (верхняя граница соответствует Кюри точке). Ферромагнетизм никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек его атомов. Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монель-металл, инвар и др.).

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Никель довольно распространён в природе - его содержание в земной коре составляет около 0,01%(масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (до 8%). Содержание его в ультраосновных породах примерно в 200 раз выше, чем в кислых (1,2кг/т и 8г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13 - 0,41% Ni.
В растениях в среднем 5·10 −5 весовых процентов никеля, в морских животных - 1,6·10 −4 , в наземных - 1·10 −6 , в человеческом организме - 1…2·10 −6 .

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.
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.
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.
Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al 2 O 3

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Месторождения сульфидных медно-никелевых руд связаны с лополитоподобными или плитообразными массивами расслоенных габброидов, приуроченных к зонам глубинных разломов на древних щитах и платформах. Характерной особенностью медно-никелевых месторождений всего мира является выдержанный минеральный состав руд: пирротин, пентландит, халькопирит, магнетит; кроме них в рудах встречаются пирит, кубанит, полидимит, никелин, миллерит, виоларит, минералы группы платины, изредка хромит, арсениды никеля и кобальта, галенит, сфалерит, борнит, макинавит, валлерит, графит, самородное золото.

Экзогенные месторождения силикатных никелевых руд повсеместно связаны с тем или иным типом коры выветривания серпентенитов. при выветривании происходит стадийное разложение минералов, а также перенос подвижных элементов, с помощью воды из верхних частей коры в нижние. Там эти элементы выпадают в осадок в виде вторичных минералов.
В месторождениях этого типа заключены запасы никеля в 3 раза превышающие его запасы в сульфидных рудах, а запасы некоторых месторождений достигают 1 млн т. и более никеля. Крупные запасы силикатных руд сосредоточены на Новой Каледонии, Филиппинах, Индонезии, Австралии и др. странах. Среднее содержание в них никеля равно 1.1-2%. Кроме того в рудах часто содержится кобальт.

ПРИМЕНЕНИЕ

Подавляющая часть никеля используется для получения сплавов с другими металлами (fe, cr, cu и др.), 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.

Значительное 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 химической промышленности для изготовления специальной химической аппаратуры и как катализатор многих химических процессов. Никель - весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешёвыми и распространёнными материалами.

Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана), протезирования. Широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель». Также никель используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.

Никель (англ. Nickel) — Ni

КЛАССИФИКАЦИЯ

Никель – это химически малоактивный металл серебристо-белого цвета. Обозначается этот элемент символом Ni и находится в десятой группе четвертого периода периодической системы.

С происхождением названия этого элемента связана очень интересная история. Дело в том, что именем Nico­laus в немецкой мифологии называли озорника, злого духа, двуличного человека. Объясняется это тем, что руда, из которой получают никель, внешне очень похожа на , но по химическому составу является арсенидом никеля (красный никелевый колчедан), при выплавлении которого выделяются ядовитые мышьяковые газы. Попытки выделить медь не увенчались успехом, однако в 1751 году шведский минералог Кронштедт выделил зеленый оксид. Восстановив его, исследователь получил металл, который в дальнейшем получил название никель .

Нахождение никеля в природе

Основные руды никеля:

• никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) NiAs;
• миллерит (желтый никелевый колчедан) NiS;
• пентландит (Fe,Ni)₉S₈;
• магнитный колчедан (Fe, Ni, Cu)S;
• мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) Ni­AsS.

Применение никеля

И хотя этот элемент химически малоактивен, он нашел свое широкое применение в промышленности. Например, никелем покрывают другие металлы, чтобы защитить их от . Также из Ni можно изготовить очень тонкие металлические пластины, которые используются в электронике, в частности, в аккумуляторах.

Также никелевые сплавы активно используются в протезировании и изготовлении брекет-систем.

Физические свойства никеля

Никель представляет собой серебристо-белый металл, который не тускнеет. На воздухе он покрывается .

Никель очень твердый, но в то же время довольно пластичный и ковкий.

Температура плавления составляет 1455 °C, температура кипения - около 2900 °C, плотность 8,90 кг/дм³.

Никель - ферромагнетик с точкой ≈ 358°C.

Химические свойства никеля

Никель в соединениях может иметь следующие степени окисления: +1, +2, +3 и +4. Соединения, в которых никель имеет степень окисления +4, очень редкие и неустойчивые. При нагревании выше 800 °C никель реагирует с кислородом, образуя оксид:

2Ni + O₂ → 2NiO

Порошок никеля на воздухе. В результате образуются оксиды никеля:

5Ni + 3O₂ → 3NiO + Ni₂O₃

Взаимодействует с монооксидом углерода, образуя ядовитый газ карбонил:

Ni + 4СO → Ni(СO)₄

При высокой температуре взаимодействует с азотом, образуя нитрид никеля:

Ni + N₂ = Ni₃N₂

С серой протекает экзотермическая реакция:

С углеродом, бором, кремнием, фосфором также при нагревании образуются соединения нестехиометрического состава, например:

3Ni + C = Ni₃C,

2Ni + B = Ni₂B,

3Ni + P = Ni₃P.

С галогенами металл реагирует, образуя галогениды:

Ni + Cl₂ = NiCl₂.

Никель способен поглощать водород, при этом образуются твердые растворы водорода в никеле.

Металлический никель реагирует с азотной кислотой

3Ni + 8H­NO₃ = 3Ni(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

При нагревании реагирует с концентрированными азотной и серной кислотами:

Ni + 2H₂­SO₄ = NiSO₄ + SO₂ + 2H₂O,

Ni + 4H­NO₃ = Ni(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.

С разбавленными растворами соляной и серной кислот:

Ni + 2HCl = NiCl₂ + H₂,

Ni + H₂­SO₄ = NiSO₄ + H₂.

Никель вытесняет металлы, которые в электрохимическом ряду напряжений расположены правее их растворов солей:

Ni + Cu­SO₄ = NiSO₄ + Cu.

Никель не взаимодействует с водой, щелочами и фтором даже при нагревании. вы найдете интересные эксперименты на изучение химических свойств металлов.

Реакция обнаружения ионов никеля

Для проведения качественной реакции на никель используется реактив Чугаева (диметилглиоксим). Если в аммиачный раствор соли никеля добавить с реактив Чугаева, образуется ярко-малиновый осадок. С помощью этой реакции можно обнаружить ионы никеля. Определить содержание никеля можно даже при малом содержании его ионов в растворе - в любом случае при добавлении реагента раствор окрасится в малиновый цвет.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Никель - двадцать восьмой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ni от латинского «niccolum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 28.

Подобно кобальту, никель встречается в природе преимущественно в виде соединений с мышьяком или серой; таковы, например, минералы купферникель NiAs, мышьяковоникелевый блеск NiAsS и др. Никель более распространен, чем кобальт [около 0,01% (масс.) земной коры].

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком (рис. 1), очень тверд, хорошо полируется, притягивается магнитом. Он характеризуется высокой коррозионной стойкостью - устойчив в атмосфере, в воде, в щелочах и ряде кислот. Активно растворяется в азотной кислоте. Химическая стойкость никеля обусловлена его склонностью к пассивированию - к образованию на поверхности оксидных пленок, обладающих сильным защитным действием.

Рис. 1. Никель. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса никеля

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии никель существует в виде одноатомных молекул Ni, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 58,6934.

Изотопы никеля

Известно, что в природе никель может находиться в виде пяти стабильных изотопов 58 Ni, 60 Ni, 61 Ni, 62 Niи 64 Ni. Их массовые числа равны 58, 60, 61, 62 и 64 соответственно. Ядро атома изотопа никеля 58 Ni содержит двадцать восемь протонов и тридцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы никеля с массовыми числами от 48-ми до 78-ми, а также восемь мета стабильных состояний, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 59 Ni с периодом полураспада равным 76 тысяч лет.

Ионы никеля

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов никеля выглядит следующим образом:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 .

В результате химического взаимодействия никель отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ni 0 -2e → Ni 2+ ;

Ni 0 -3e → Ni 3+ .

Молекула и атом никеля

В свободном состоянии никель существует в виде одноатомных молекул Ni. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу никеля:

Сплавы никеля

Главная масса никеля идет на производство различных сплавов с железом, медью, цинком и др. Металлами. Присадка никеля к стали повышает её вязкость и стойкость против коррозии.

Сплавы на основе никеля можно разделить на жаропрочные (нимоник, инконель, хастелла [свыше 60% никеля, 15-20% хрома и др. металлы]), магнитные (пермаллой ) и сплавы с особыми свойствами (монель-металл, никелин, константан, инвар, платинит).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

(в скобках указаны координац. числа) Ni 2+ 0,069 нм (4), 0,077 нм (5), 0,083 нм (6).

Среднее содержание никеля в земной коре 8-10 -3 % по массе, в океанов 0,002 мг/л. Известно ок. 50 никеля, из них важнейшие: пентландит (Fe,Ni) 9 S 8 , миллерит NiS, гарниерит (Ni,Mg) 3 Si 4 O 10 (OH) 10 . 4H 2 O, ревдинскит (не-пуит) (Ni,Mg) 3 Si 2 O 5 (OH) 4 , никелин NiAs, аннабергит Ni 3 (AsO 4) 2 8Н 2 О. В основном никель добывают из сульфидных медно-никелевых (Канада, Австралия, Юж. Африка) и из силикатно-окисленных (Новая Каледония, Куба, Филиппины, Индонезия и др.). Мировые запасы никеля на суше оцениваются в 70 млн. т.

Свойства. Никель-серебристо-белый . Кристаллич. решетка гранецентрир. кубическая, а = 0,35238 нм, z = 4, пространств. группа Рт3т. Т. пл. 1455 °С. т. кип. 2900 °С; плота. 8,90 г/см 3 ; C 0 p 26,l Дж/( . К); DH 0 пл 17,5 кДж/ , DH 0 исп 370кДж/ ; S 0 298 29,9 ДжДмоль К); ур-ние температурной зависимости для твердого никеля lgp(гПа) = 13,369-23013/T+0,520lgT+0,395T (298-1728К), для жидкого lgp(гПа)=11,742-20830/T+ 0,618 lg Т (1728- 3170 К); температурный коэф. линейного расширения 13,5 . 10 -6 К -1 (273-373 К); 94,1 Вт/(м х х К) при 273 К, 90,9 Вт/(м. К) при 298 К; g 1,74 Н/м (1520 °С); r 7,5 10 -8 Ом м, температурный коэф. r 6,75 . 10 -3 К -1 (298-398 К); , 631 К. Модуль упругости 196-210 ГПа; s раст 280-720 МПа; относит. удлинение 40-50%; по Бринеллю (отожженного) 700-1000 МПа. Чистый никель- весьма пластичный , хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии, поддается прокатке, волочению, ковке.

Н икель химически малоактивен, но тонкодисперсный , полученный соединений никеля при низких т-рах, пирофорен. Стандартный Ni 0 /Ni 2+ - 0,23 В. При обычных т-рах никель на покрывается тонкой . Не взаимод. с и влагой . При нагр. никеля с пов-сти начинается при ~ 800 °С. С соляной, серной, фосфорной, фтористоводородной к-тами никель реагирует очень медленно. Практически на него не действуют уксусная и др. орг. к-ты, особенно в отсутствие . Хорошо реагирует с разб. HNO 3 , конц. HNO 3 пассивируется. Р-ры и и , а также жидкий NH 3 на никель не действуют. Водные р-ры NH 3 в присут. коррелируют никель.

Н икель в дисперсном состоянии обладает большой каталитич. в р-циях , . Используют либо скелетный никель (никель Ренея), получаемый сплавлением с Аl или Si с послед. , либо никель на .

Н икель поглощает Н 2 и образует с ним твердые р-ры. NiH 2 (устойчив ниже 0°С) и более стабильный NiH получены косвенными путями. почти не поглощается никелем вплоть до 1400 °С, р-римость N 2 в 0,07% при 450 °С. Компактный никель не реагирует с NH 3 , дисперсный при 300-450 °С образует с ним н и т р и д Ni 3 N.

Расплавленный никель растворяет С с образованием к а р б и д а Ni 3 C, к-рый при разлагается с выделением ; Ni 3 C в виде серо-черного (разлагается при ~ 450°С) получают науглероживанием никеля в СО при 250-400 °С. Дисперсный никель с СО дает летучий Ni(CO) 4 . При сплавлении с Si образует с и л и ц и д ы; Ni 5 Si 2 , Ni 2 Si и NiSi плавятся конгруэнтно соотв. при 1282, 1318 и 992 °С, Ni 3 Si и NiSi 2 -инконг-руэнтно соотв. при 1165 и 1125°С, Ni 3 Si 2 разлагается, не плавясь, при 845 °С. При сплавлении с В дает б о р и д ы: Ni 3 B (т. пл. 1175°С), Ni 2 B (1240 °С), Ni 3 B 2 (1163°C), Ni 4 B 3 (1580 °С), NiB 12 (2320 °С), NiB (разлагается при 1600 °С). С Se никель образует с е л е н и д ы: NiSe (т. пл. 980 °С), Ni 3 Se 2 и NiSe 2 (разлагаются соотв. при 800 и 850 °С), Ni 6 Se 5 и Ni 21 Se 20 (существуют только в твердом состоянии). При сплавлении никеля с Те получают т е л л у р и д ы: NiTe и NiTe 2 (между ними образуется, по-видимому, широкая область твердых р-ров) и др.

А р с е н а т Ni 3 (AsO 4) 2 . 8H 2 O-зеленые ; р-римость в 0,022%; к-тами разлагается; выше 200 °С обезвоживается, при ~ 1000°С разлагается; получения твердого .

С и л и к а т Ni 2 SiO 4 -светло-зеленые с ромбич. решеткой; плотн. 4,85 г/см 3 ; разлагается, не плавясь, при 1545°С; в не раств.; минер. к-тами медленно разлагается при нагревании. А л ю м и н а т NiAl 2 O 4 (никелевая шпи-нель)-голубые с кубич. решеткой; т. пл. 2110°С; плотн. 4,50 г/см 3 ; не раств. в ; медленно разлагается к-тами; .

Важнейшие комплексные соед. никеля-а м м и н ы. Наиб. характерны гексааммины и акватетраммины с соотв. 2+ и 2+ . Это голубые или фиолетовые кристаллич. в-ва, обычно раств. в , в р-рах ярко-синего цвета; при кипячении р-ров и при действии к-т разлагаются; образуются в р-рах при аммиачной переработке никелевых и кобальтовых .

В комплексах Ni(III) и Ni(IV) координац. число никеля равно 6. Примеры-фиолетовый K 3 и красный K 2 , образующиеся при действии F 2 на смеси NiCl 2 и КСl; сильные . Из др. типов известны гетеро-поликислот, напр. (NH 4) 6 H 7 . 5H 2 O, большое число внутрикомплексных соед. Ni(II). См. также Никель-органические соединения.

Получение. перерабатывают пиро- и гидромстал-лургич. путем. Для силикатно-окисленных (не поддаются обогащению) используют либо восстановит. плавку с получением ферроникеля, к-рый далее подвергают продувке в конвертере с целью и обогащения, либо плавку на штейн с серосодержащими (FeS 2 или CaSO 4). Полученный штейн продувают в конвертере для удаления Fe, а затем дробят и обжигают, из образовавшегося NiO восстановит. плавкой получают металлический никель. Никелевые концентраты, получаемые при обогащении сульфидных , плавят на штейн с послед. продувкой в конвертере. Из медно-никелевого штейна после его медленного охлаждения выделяют концентрат Ni 3 S 2 , к-рый, аналогично штейнам из окисленных , обжигают и восстанавливают.

Один из путей гидропереработки окисленных руд-восстановление или смесью Н 2 и N 2 с послед. р-ром NH 3 и СО 2 с продувкой . Р-р очищают от Со . При разложении р-ра с отгонкой NH 3 осаждается гидроксо-карбонат никеля, к-рый либо прокаливают и из образовавшегося NiO восстановит. плавкой получают никель, либо повторно раств. в р-ре NH 3 и после отгонки NH 3 из пульпы Н 2 получают никель. Др. путь - окисленной серной к-той в . Из образовавшегося р-ра после его очистки и никель осаждают под и полученный концентрат NiS перерабатывают подобно штейнам.

Гидропереработка сульфидных никелевых материалов (концентратов, штейнов) сводится к автоклавному окислит. либо р-рами NH 3 (при низком содержании Со), либо H 2 SO 4 . Из аммиачных р-ров после отделения CuS никель осаждают под . Для разделения Ni, Со и Сu из аммиачных р-ров применяют также экстракц. способы с использованием, в первую очередь, хелатообразу-ющих экстрагентов.

Автоклавное окислитю с получением сульфатных р-ров применяют как к обогащенным материалам (штейнам) с переводом никеля и др. в р-р, так и к бедным пирротииовым Fe 7 S 8 концентратам. В последнем случае окисляется преим. пирротин, что позволяет выделить элементарную S и сульфидный концентрат, переплавляемый далее на никелевый штейн.

НИКЕЛЬ , Ni, химический элемент VIII группы периодической системы, принадлежащий к триаде т. н. железных металлов (Fe, Со, Ni). Атомный вес 58,69 (известны 2 изотопа с атомным весом 58 и 60); порядковый номер 28; обычная валентность Ni равна 2, реже - 4, 6 и 8. В земной коре никель более распространен, чем кобальт, составляя около 0,02% ее по весу. В свободном состоянии никель встречается только в метеорном железе (иногда до 30%); в геологических образованиях он содержится исключительно в виде соединений - кислородных, сернистых, мышьяковистых, силикатов и т. п. (см. Никелевые руды).

Свойства никеля . Чистый никель - серебристо-белый металл с сильным блеском, не тускнеющим на воздухе. Он тверд, тугоплавок и легко полируется; при отсутствии примесей, (особенно серы) он весьма гибок, ковок и тягуч, способен развальцовываться в очень тонкие листы и вытягиваться в проволоку диаметром менее 0,5 мм. Кристаллическая форма никеля - куб. Удельный вес 8,9; литые изделия имеют удельный вес ~8,5; прокаткой он м. б. увеличен до 9,2. Твердость по Мосу ~5, по Бринеллю 70. Предельное сопротивление на разрыв 45-50 кг/мм 2 , при удлинении 25-45%; модуль Юнга Е 20 = (2,0-2,2)х10 6 кг)см 2 ; модуль сдвига 0,78·10 6 кг/см 2 ; коэффициент Пуассона μ =0,3; сжимаемость 0,52·10 -6 см 2 /кг; температура плавления никеля по позднейшим наиболее точным определениям равна 1455°С; температура кипения - в пределах 2900-3075°С.

Линейный коэффициент термического расширения 0,0000128 (при 20°С). Теплоемкость: удельная 0,106 cal/г, атомная 6,24 cal (при 18°С); теплота плавления 58,1 cal/г; теплопроводность 0,14 cal см/см 2 сек. °С (при 18°С). Скорость звукопередачи 4973,4 м/сек. Удельное электрическое сопротивление никеля при 20°С равно 6,9-10 -6 Ω-см с температурным коэффициентом (6,2-6,7)·10 -3 . Никель принадлежит к группе ферромагнитных веществ, но магнитные свойства его уступают таковым железа и кобальта; для никеля при 18°С предел намагничения J m = 479 (для железа J m = 1706); точка Кюри 357,6°С; магнитная проницаемость как самого никеля, так и его ферросплавов значительна (см. ниже). При обыкновенной температуре никель вполне устойчив по отношению к атмосферным влияниям; вода и щелочи, даже при нагревании, на него не действуют. Никель легко растворяется в разбавленной азотной кислоте с выделением водорода и значительно труднее - в НСl, H 2 SO 4 и концентрированная HNО 3 . Будучи накален на воздухе, никель окисляется с поверхности, но лишь на незначительную глубину; в нагретом состоянии он легко соединяется с галоидами, серой, фосфором и мышьяком. Рыночными сортами металлического никеля являются следующие: а) обыкновенный металлургический никель, получаемый восстановлением из его окислов при помощи угля, содержит обычно от 1,0 до 1,5% примесей; б) ковкий никель, получаемый из предыдущего переплавлением с добавкой около 0,5% магния или марганца, содержит примесь Mg или Мn и почти не содержит серы; в) никель, приготовленный по способу Монда (через никелькарбонил) - наиболее чистый продукт (99,8-99,9% Ni). Обычными примесями в металлургическом никеле являются: кобальт (до 0,5%), железо, медь, углерод, кремний, окислы никеля, сера и окклюдированные газы. Все эти вещества, за исключением серы, мало влияют на технические свойства никеля, понижая лишь его электропроводность и несколько повышая твердость. Сера (присутствующая в форме сульфида никеля) резко уменьшает ковкость и механическую прочность никеля, особенно при повышенной температуре, что замечается даже при содержании <0,005% S. Вредное влияние серы объясняется тем, что сульфид никеля, растворяясь в металле, дает хрупкий и низкоплавкий (температура плавления около 640°С) твердый раствор, образующий прослойки между кристаллитами чистого никеля.

Применение никеля . Основная масса металлургического никеля идет на изготовление ферроникеля и никелевой стали. Крупным потребителем никеля является также производство различных специальных сплавов (см. ниже) для электропромышленности, машиностроения и химического аппаратуростроения; эта область применения никеля за последние годы показывает тенденцию к усиленному росту. Из ковкого никеля готовят лабораторные аппараты и посуду (тигли, чашки), кухонную и столовую посуду. Большие количества никеля расходуются для никелирования железных, стальных и медных изделий и в производстве электрических аккумуляторов. Из химически чистого никеля изготовляются ламповые электроды для радиотехнической аппаратуры. Наконец восстановленный чистый никель в виде порошка является наиболее употребительным катализатором при всевозможных реакциях гидрирования (и дегидрирования), например, при гидрогенизации жиров, ароматических углеводородов, карбонильных соединений и т. д.

Никелевые сплавы . Качественный и количественный состав применяемых никелевых сплавов весьма разнообразен. Техническое значение имеют сплавы никеля с медью, железом и хромом (в самое последнее время также с алюминием), - часто с добавкой третьего металла (цинка, молибдена, вольфрама, марганца и др.) и с определенным содержанием углерода или кремния. Содержание никеля в этих сплавах варьирует от 1,5 до 85%.

Сплавы Ni-Cu образуют твердый раствор при любом соотношении компонентов. Они стойки по отношению к щелочам, разбавленной H 2 SО 4 и нагреву до 800°С; антикоррозионные свойства их растут с увеличением содержания Ni. Из сплава 85% Cu+15% Ni изготовляются оболочки для пуль, из сплава 75% Си + 25% Ni - мелкая разменная монета. Сплавы с 20-40% Ni служат для изготовления труб в конденсационных установках; такие же сплавы употребляются для облицовки столов в кухнях и буфетах и для изготовления штампованных орнаментальных украшений. Сплавы с 30-45% Ni идут на производство реостатной проволоки и стандартных электрических сопротивлений; сюда относятся например, никелин и константан. Сплавы Ni-Cu с высоким содержанием Ni (до 70%) отличаются большой химической устойчивостью и широко применяются в аппарато- и машиностроении. Наибольшим распространением пользуется монель-металл.

Сплавы Ni-Cu-Zn достаточно стойки по отношению к органическим кислотам (уксусной, винной, молочной); при содержании около 50% меди они объединяются под общим названием нейзильбера . Более богатый медью аппаратурный сплав амбарак содержит 20% Ni, 75% Сu и 5% Zn; по устойчивости он уступает монель-металлу. Сплавы типа бронзы или латуни, содержащие в своем составе никель, называют иногда также никелевой бронзой.

Сплавы Ni-Cu-Mn , содержащие 2-12% Ni, под названием манганина употребляются для электрических сопротивлений; в электроизмерительных приборах применяется сплав из 45-55% Ni, 15-40% Мn и 5-40% Сu.

Сплавы Ni-Cu-Сг стойки по отношению к щелочам и кислотам, за исключением НСl.

Сплавы Ni-Cu-W за последнее время получили большое значение как ценные кислотоупорные материалы для химической аппаратуры; при содержании 2-10% W и не свыше 45% Сuони хорошо вальцуются и весьма устойчивы к горячей H 2 SO 4 . Наилучшими качествами обладает сплав состава: 52% Ni, 43% Сu, 5% W; допустима небольшая примесь Fe.

Сплавы Ni-Cr . Хром растворяется в никеле до 60%, никель в хроме до 7%; в сплавах промежуточного состава имеются кристаллические решетки обоих типов. Эти сплавы стойки по отношению к влажному воздуху, щелочам, разбавленным кислотам и к H 2 SО 4 ; при содержании 25% Сг и более, они устойчивы и против HNO 3 ; добавка ~2% Ag делает их легко вальцующимися. При 30% никеля сплав Ni-Cr вполне лишен магнитных свойств. Сплав, содержащий 80-85% Ni и 15-20% Сг, наряду с высоким электрическим сопротивлением весьма устойчив к окислению при высоких температурах (выдерживает нагревание до 1200°С); он применяется в электрических печах сопротивления и хозяйственных нагревательных приборах (электрические утюги, жаровни, плиты). В США из Ni-Cr изготовляются литые трубы для высоких давлений, применяемые в заводской аппаратуре.

Сплавы Ni-Mo обладают высокой кислотоупорностью (при >15% Мо), но не получили распространения вследствие их дороговизны.

Сплавы Ni-Mn (с 1,5-5,0% Мn) стойки по отношению к щелочам и влаге; техническое применение их ограничено.

Сплавы Ni-Fe образуют непрерывный ряд твердых растворов; они составляют обширную и технически важную группу; в зависимости от содержания углерода они носят характер либо стали, либо чугуна. Обычные сорта никелевой стали (перлитовой структуры) содержат 1,5-8% Ni и 0,05- 0,50% С. Присадка никеля делает сталь очень вязкой и значительно повышает ее предел упругости и ударное сопротивление на изгиб, не нарушая ковкости и свариваемости. Из никелевой стали готовят ответственные детали машин, например передаточные валы, оси, шпиндели, цапфы, зубчатые сцепления и т. п., а также многие детали артиллерийских конструкций; сталь с 4-8% Ni и <0,15% С хорошо поддается цементации. Введение никеля в чугуны(>1,7% С) способствует выделению углерода (графита) и разрушению цементита; никель повышает твердость чугуна, его сопротивление на растяжение и изгиб, способствует равномерному распределению твердости в отливках, облегчает механическую обработку, придает мелкозернистость и уменьшает образование пустот в литье. Никелистый чугун применяется как щелочеупорный материал для химической аппаратуры; наиболее пригодны для этой цели чугуны с содержанием 10-12% Ni и ~1 % Si. Сталеподобные сплавы с более высоким содержанием никеля (25-46% Ni при 0,1-0,8% С) имеют аустенитовую структуру; они очень стойки к окислению, к действию горячих газов, щелочей и уксусной кислоты, обладают высоким электрическим сопротивлением и весьма малым коэффициентом расширения. Эти сплавы почти не магнитны; при содержании Ni в пределах 25-30% они вполне утрачивают магнитные свойства; магнитная проницаемость их (в полях низкой напряженности) растет с увеличением содержания никеля и м. б. еще повышена специальной термической обработкой. К сплавам этой категории относятся: а) ферроникель (25% Ni при 0,3-0,5% С), идущий на изготовление клапанов моторов и других машинных частей, работающих при повышенной температуре, а также немагнитных частей электрических машин и реостатной проволоки; б) инвар ; в) платинит (46% Ni при 0,15% С) применяется в электролампах вместо платины для впаивания проводов в стекло. Сплав пермаллой (78% Ni при 0,04% С) имеет магнитную проницаемость μ = 90000 (в поле напряженностью 0,06 гаусса); предел намагничения I m = 710. Некоторые сплавы этого типа идут на изготовление подводных электрических кабелей.

Сплавы Ni-Fe-Cr - также очень важная в техническом отношении группа. Хромоникелевая сталь , употребляемая в машино- и моторостроении, содержит обычно 1,2-4,2% Ni, 0,3-2,0% Сг и 0,12-0,33% С. Кроме высокой вязкости она обладает и значительной твердостью и сопротивляемостью износу; временное сопротивление на разрыв, в зависимости от характера термической обработки, колеблется между 50 и 200 кг/мм 2 ; идет на изготовление коленчатых валов и других деталей двигателей внутреннего сгорания, частей станков и машин, а также артиллерийской брони. В сталь для лопаток паровых турбин, с целью повышения твердости, вводится большое количество хрома (от 10 до 14%). Хромоникелевые стали с содержанием >25% Ni хорошо противостоят действию горячих газов и обладают минимальной текучестью: они могут подвергаться значительным усилиям в условиях высокой температуры (300-400°С), не обнаруживая остаточных деформаций; употребляются для изготовления клапанов к моторам, частей газовых турбин и конвейеров для высокотемпературных установок (например, печей для отжига стекла). Сплавы Ni-Fe-Cr, содержащие >60% Ni, служат для изготовления литых машинных деталей и низкотемпературных частей электрических нагревательных приборов. Как аппаратурный материал, сплавы Ni-Fe-Cr обладают высокими антикоррозионными свойствами и довольно устойчивы по отношению к HNО 3 . В химическом аппаратостроении пользуются хромоникелевой сталью, содержащей 2,5-9,5% Ni и 14-23% Сг при 0,1-0,4% С; она почти не магнитна, устойчива к HNО 3 , горячему аммиаку и к окислению при высоких температурах; присадка Мо или Сu повышает стойкость к горячим кислотным газам (SО 2 , НСl); повышение содержания Ni увеличивает способность стали к механической обработке и стойкости к H 2 SO 4 , но уменьшает стойкость к HNO 3 . Сюда относятся крупповские нержавеющие стали (V1M,V5M) и кислотоупорные стали (V2A, V2H и др.); термическая обработка их заключается в нагреве до ~ 1170°С и закалке в воде. В качестве щелочеупорного материала применяют никель-хромистый чугун (5-6% Ni и 5-6% Сг при содержании >1,7% С). Сплав нихром, содержащий 54-80% Ni, 10-22% Сг и 5-27% Fe, иногда с добавкой Сu и Мn, устойчив к окислению в пределах температур до 800°С и находит применение в нагревательных приборах (этим же названием иногда обозначают описанные выше сплавы Ni-Cr, не содержащие Fe).

Сплавы Ni-Fe-Mo предлагались как аппаратурный материал. Наивысшей кислотоупорностью и антикоррозионными свойствами обладает сплав из 55-60% Ni, 20% Fe и 20% Мо, при содержании < 0,2% С; присадка небольшого количества V еще более повышает кислотоупорность; Мn м. б. вводим в количестве до 3%. Сплав вполне устойчив по отношению к холодным кислотам (НСl, H 2 SO 4), за исключением HNO 3 , и к щелочам, но разрушается хлором и окислителями в присутствии кислот; он имеет твердость по Бринеллю >200, хорошо вальцуется, куется, отливается и обрабатывается на станках.

Сплавы Ni-Fe-Cu применяются в химической аппаратуре (сталь с 6-11% Ni и 16-20% Сu).

Сплавы Ni-Fe-Si . Для постройки кислотоупорной аппаратуры применяются кремненикелевые стали марки «дуримет» (Durimet), содержащие 20-25% Ni (или Ni и Сг в отношении 3:1) и ~ 5% Si, иногда с добавкой Сu. Они устойчивы к холодным и горячим кислотам (H 2 SО 4 , HNO 3 , СН 3 ·СООН) и соляным растворам, менее устойчивы к НСl; хорошо поддаются горячей и холодной механической обработке.

В сплавах Ni-AI имеет место образование химического соединения AINi, растворяющегося в избытке одного из компонентов сплава.

Техническое значение начинают приобретать сплавы, основой которых является система Ni-AI-Si . Они оказались весьма стойкими по отношению к HNО 3 и к холодной и горячей H 2 SО 4 , но механической обработке почти не поддаются. Таков, например, новый кислотоупорный сплав для литых изделий, содержащий около 85% Ni, 10% Si и 5% Аl (или Аl + Сu); его твердость по Бринеллю около 360 (отжигом при 1050°С снижается до 300).

Металлургия никеля . Главной областью применения никеля является производство специальных сортов стали. Во время войны 1914-18 гг. для этой цели расходовалось не менее 75% всего никеля; в нормальных же условиях ~65%. Никель широко применяется также в сплавах его с нежелезными (цветными) металлами, гл. обр. с медью (~ 15%). Остальное количество никеля идет: на изготовление никелевых анодов - 5%, ковкого никеля - 5% и разных изделий - 10%.

Центры производства никеля неоднократно перемещались из одних местностей земного шара в другие, что объяснялось наличием благонадежных рудных месторождений и общей экономической конъюнктурой. Промышленная выплавка никеля из руд началась в 1825-26 г. в Фалуне (Швеция), где был найден никель, содержащий серный колчедан. В 90-х годах прошлого века шведские месторождения оказались по-видимому практически исчерпанными. Лишь во время войны 1914-18 гг., в связи с повышением спроса на металлический никель, Швеция давала несколько десятков тонн этого металла (максимум 49 т в 1917 г.). В Норвегии производство началось в 1847-50 гг.

Главной рудой здесь являлись пирротины с содержанием в среднем 0,9-1,5% Ni. Производство в Норвегии в небольших размерах (максимум - около 700 т в год во время войны 1914-18 гг.) существует и по настоящее время. В середине прошлого века центр никелевой промышленности сосредоточился в Германии и Австро-Венгрии. Сначала она базировалась здесь исключительно на мышьяковистых рудах Шварцвальда и Гладбаха, а с 1901 года, и в особенности во время войны 1914-18 гг., на окисленных рудах Силезии (Франкенштейн). Разработка месторождений никелевых руд в Новой Каледонии началась в 1877 г. Благодаря использованию этих руд мировое производство никеля в 1882 г. достигло почти 1000 т. Добытая здесь руда перерабатывалась на месте лишь в ограниченных количествах, главная же ее масса отправлялась в Европу. Лишь в последние годы, вследствие повышенных транспортных тарифов, в Европу импортируются гл. обр. богатые штейны, содержащие 75-78% Ni, в количестве никеля около 5000 т в год. В настоящее время предположено получать металлический никель в Новой Каледонии, для чего обществом «Никель» сооружается рафинировочный завод, который будет пользоваться электрической энергией гидростанции на реке Ятэ. Никелевая промышленность в Канаде (Северная Америка) возникла в конце 80-х гг. прошлого столетия. До последнего времени здесь существовали две фирмы; одна английская - Mond Nickel Со. и другая американская - International Nickel Со. В конце 1928 года обе фирмы объединились в мощный мировой трест под названием International Nickel Company of Canada, поставляющий на рынок около 90% мировой производительности никеля и эксплуатирующий месторождения, расположенные вблизи г. Седбюри. Фирма Mond Nickel Со. проплавляет свои руды на заводе в Конистоне на штейн, который для дальнейшей переработки отправляется в Англию на завод в Клейдаке. Фирма International Nickel Со. выплавленный на заводе в Конперклифе штейн отправляет для получения металла на завод в Порт- Кольборн. Мировое производство никеля в последние годы достигает 40000 т.

Переработка никелевых руд производится исключительно сухим путем. Гидрометаллургические способы, неоднократно рекомендовавшиеся для переработки руд, не нашли пока применения в практике. Эти способы в настоящее время иногда применяются лишь к переработке промежуточных продуктов (штейнов), получаемых в результате переработки руд сухим путем. Применение сухого пути к переработке никелевых руд (как сернистых, так и окисленных) характеризуется осуществлением одного и того же принципа постепенной концентрации ценных составляющих руды, в виде тех или иных продуктов, которые уже затем перерабатываются на металлы, подлежащие извлечению. Первая стадия такой концентрации пенных составляющих никелевый руд осуществляется рудной плавкой на штейн. В случае сернистых руд, последние плавятся в сыром или в предварительно обожженном состоянии в шахтных или пламенных печах. Окисленные руды плавятся и шахтных печах с добавкой в их шихту серу содержащих материалов. Штейн рудной плавки, роштейн , оказывается не пригодным для его непосредственной переработки на содержащиеся в нем ценные металлы, благодаря их сравнительно незначительной концентрации в этом продукте. В виду этого штейн рудной плавки подвергается дальнейшей концентрации или путем обжига его с последующей плавкой в шахтной печи, или путем окислительной плавки на поду пламенной печи, или в конвертере. Эти сократительные, или концентрационные, штейновые плавки, производимые на практике одно- или многократно, конечной своей целью имеют получение чистого наиболее концентрированного штейна (файнштейна ), состоящего лишь из сульфидов ценных металлов с некоторым количеством последних, находящихся в свободном состоянии. Файнштейны, получаемые на практике, бывают двух родов в зависимости от их состава. При переработке окисленных новокаледонских руд, не содержащих в себе других кроме никеля ценных металлов, файнштейн представляет сплав сульфида никеля (Ni 3 S 2) с некоторым количеством металлического никеля. В результате же переработки сернистых канадских руд, содержащих и никель и медь, получаемый файнштейн представляет сплав сульфидов меди и никеля с некоторым количеством этих металлов в свободном состоянии. В зависимости от состава файнштейна меняется и их переработка на чистые металлы. Наиболее простой является переработка файнштейна, содержащего один только никель; переработка медно-никелевого файнштейна сложнее и м.б. осуществлена различными путями. Переработка окисленных руд на штейн с серосодержащими добавками (гипсом) была предложена Гарниери в 1874 г. Переработка этих руд во Франкенштейне (Германия) производилась следующим образом. К рудной смеси, содержавшей 4,75 % Ni, прибавлялось 10% гипса или 7% ангидрита и 20% известняка; сюда же прибавлялось и некоторое количество плавикового шпата. Вся эта смесь тщательно перемешивалась, измалывалась и затем прессовалась в кирпичи, которые после высушивания проплавлялись в шахтной печи расходом кокса в 28-30% от веса руды. Суточная производительность шахтной печи доходила до25т руды. Сечение печи на уровне фурм равно 1,75 м 2 ; высота ее 5 м. Нижняя часть шахты на высоту 2 м имела ватер-жакеты. Шлаки сильно кислые; в них терялось 15% Ni. Состав роштейна: 30-31% Ni; 48-50% Fe и 14-15% S. Роштейн гранулировался, дробился, обжигался и переплавлялся в вагранке в смеси с 20% кварца и при расходе кокса в 12-14% от веса обожженного роштейна на концентрированный штейн следующего среднего состава: 65% Ni, 15% Fe и 20% S. Последний конвертировался на файнштейн: 77,75% Ni, 21% S, 0,25-0,30% Fe и 0,15-0,20% Сu. Тщательно измельченный файнштейн подвергается обжигу в пламенных печах (с ручным перегребанием или механическим) до полного удаления серы. В конце обжига к обжигаемой массе прибавляют некоторое количество NaNО 3 и Na 2 CО 3 не только для того, чтобы облегчить выгорание серы, но и для того, чтобы присутствующие иногда в штейне As и Sb перевести в сурьмяно- и мышьяковокислые соли, которые затем выщелачиваются водою из обожженного продукта. Полученная в результате обжига NiO подвергается восстановлению, для чего закись никеля смешивается с мукой и водой и из полученного теста формуют кубики, которые затем нагревают в тиглях или ретортах. Под конец восстановления температура поднимается до 1250°С, что способствует свариванию отдельных восстановленных частиц Ni в сплошную массу.

Фирма International Nickel Со. перерабатывает свои сернистые руды след. обр. Рудная плавка в зависимости от их крупности ведется либо в шахтных либо в пламенных печах. Кусковые руды подвергаются предварительному обжигу в кучах; продолжительность обжига от 8 до 10 месяцев. Обожженная руда плавится в смеси с некоторым количеством необожженной руды в шахтных печах. Флюсов не добавляется, т. к. руда самофлюсующаяся. Расход кокса 10,5% от веса рудной смеси. В сутки проплавляется в печи около 500 т руды. Штейн рудной плавки подвергается конвертированию на файнштейн. Конвертерный шлак частью возвращается в конвертер, частью идет в шихту рудной плавки. Состав руд и продуктов приведен в табл.:

Мелкая руда подвергается обжигу в Веджа печах до содержания серы в 10-11% и затем плавке в пламенной печи. Конвертерный шлак, содержащий 79,5% (Сu + Ni), 20% S и 0,30% Fe, перерабатывается процессом Орфорда, состоящим в переплавке файнштейна в присутствии Na 2 S. Последний вызывает расслаивание продуктов плавки на два слоя: верхний, представляющий сплав Cu 2 S + Na 2 S, и нижний, содержащий почти чистый сульфид никеля. Каждый из этих слоев перерабатывается на соответствующий металл. Верхний, медьсодержащий, слой по отделении от него Na 2 S подвергается конвертированию, а нижний, никелевый, слой подвергается хлорирующему обжигу, выщелачиванию (причем он освобождается от некоторого содержащегося в нем количества меди), и полученная т. о. закись никеля восстанавливается. Некоторое количество медно-никелевого файнштейна подвергается окислительному обжигу и последующей восстановительной плавке на медно-никелевый сплав, известный под названием Монель-металла.

Фирма Mond Nickel Со. свои руды обогащает; полученные концентраты подвергаются спекающему обжигу на машинах Dwight- Lloyd’a, агломерат с которых идет в шахтную печь. Штейн рудной плавки подвергается конвертированию, полученный файнштейн перерабатывается способом Mond ’а, для чего файнштейн дробится, обжигается и выщелачивается H 2 SО 4 для удаления большей части меди в виде CuSО 4 . Остаток, содержащий NiO с некоторым количеством меди, высушивается и поступает в аппарат, где он восстанавливается при 300°С водородом (водяной газ). Восстановленный, мелко раздробленный никель поступает в следующий аппарат, где он приводится в соприкосновение с СО; при этом образуется летучий карбонат никеля - Ni(CO) 4 , который переводится в третий аппарат, где поддерживается температура 150°С. При этой температуре Ni(CO) 4 разлагается на металлический Ni и СО. Получающийся этим путем металлический никель содержит 99,80% Ni.

Помимо указанных двух способов получения никеля из медно-никелевого файнштейна существует еще способ Hybinette, дающий возможность получать никель электролитическим путем. Электролитический никель содержит: 98,25% Ni; 0,75% Со; 0,03% Сu; 0,50% Fe; 0,10% С и 0,20% Рb.

Вопрос о производстве никеля в СССР имеет столетнюю историю. Уже в 20-х годах прошлого века были известны никелевые руды на Урале; одно время уральские месторождения никелевых руд, содержащие около 2% Ni, рассматривались как один из главных источников сырья для мировой никелевой промышленности. После открытия никелевых руд на Урале М. Даниловым, П. А. Демидовым и Г. М. Пермикиным был произведен целый ряд опытов по их переработке. В Ревдинске за 1873-77 гг. было получено 57,3 т металлического никеля. Но дальнейшее разрешение поставленной задачи было прекращено после открытия более богатых и мощных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии. Вопрос об отечественном никеле был снова поставлен на разрешение под влиянием обстоятельств, вызванных войной 1914-18 гг. Летом 1915 года на Уфалейском заводе были произведены П. М. Бутыриным и В. Е. Васильевым опыты выплавки штейна в пламенной печи. В это же время велись опыты по извлечению никеля из Уфалейских руд в петербургском Политехническом институте Г. А. Кащенко под руководством проф. А. А. Байкова, а осенью 1915 г. велись пробные плавки в пламенной печи на заводе. Летом 1916 г. на Ревдинском заводе были произведены опыты выплавки медно-никелевых штейнов из бедных никелевых руд (0,86% Ni) и бедных медью колчеданов (1,5% Сu). Плавка велась в шахтной печи. В это же время в доменной печи проплавлялись ревдинские никельсодержащие бурые железняки на никелистый чугун (весь никель руды при этом концентрируется в чугуне), поставлявшийся по контракту с морским ведомством на его ленинградские заводы. Все перечисленные исследования вследствие целого ряда обстоятельств не получили в то время завершения в форме соответствующих заводских процессов. В последние годы проблема получения никеля из уральских руд снова встала на разрешение, и практическое осуществление ее, сообразно содержанию никеля в рудах, должно происходить в двух направлениях. Содержание никеля в уральских рудах - невысокое, и по нему руды делятся на два сорта: 1-й и 2-й. Руды 1-го сорта, пригодные для пирометаллургической переработки, в среднем содержат около 3% Ni; руды 2-го сорта - около 1,5% и ниже. Последние руды не м. б. подвергнуты переработке плавкой без предварительного их обогащения. Другая возможность переработки бедных никелевых руд - путь гидрометаллургический; он д. б. еще изучен. В настоящее время для переработки руд 1-го сорта на Урале строится завод.