Геохимия никеля

Введение.

Никель (англ., франц. и нем. Nickel) открыт в 1751 г. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную руду и применялась в стекловарении для окраски стекол в зеленый цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце XVII в. руда получила название купферникель (Kupfernickel), что приблизительно означает "медный дьявол". Руду эту (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог Кронштедт. Ему удалось получить зеленый окисел и путем восстановления последнего - новый металл, названный никелем. Когда Бергман получил металл в более чистом виде, он установил, что по своим свойствам металл похож на железо; более подробно никкель изучали многие химики начиная с Пруста. Никкел - ругательное слово на языке горняков. Оно образовалось из искаженного Nicolaus - родового слова, имевшего несколько значений. Но главным образом слово Nicolaus служило для характеристики двуличных людей; кроме того, оно обозначало "озорной маленький дух", "обманчивый бездельник" и т. д. 

Хотя, как говорят исторические факты, никель начал использовался  человеком около 5 тысяч лет назад. Китайцы получали сплав, в состав которого входили цинк, медь и никель. Также из такого сплава в государстве  Бактрии, которое находилось в Средней  Азии, чеканили монеты.

Более 75% никеля используется для производства сталей и сплавов  с другими металлами (железо, хром, кобальт, медь алюминий и др.), а также  металлокерамических твердых и  сверхтвердых сплавов. Легированные никелем  стали антикоррозионные и жароупорные. Никелистые чугуны отличаются хорошими литейными свойствами, прочностью, легкостью обработки. Сплавы никеля с черными и цветными металлами (нихром, инвар, мельхиор, константан, нейзильберг и др.) применяются в машино- и приборостроении, для производства бытовых изделий и медицинского оборудования.

Никель как металл применяется  для никелирования изделий, изготовления аппаратуры в химической и пищевой  промышленности.

Химические и  физические свойства элемента, определяющие его миграцию.

В периодической системе  элементов Д.И. Менделеева никель находится  на 28-м месте, т.е. рядом с железом  и кобальтом. Его атомная масса 58,71.

Сидерофильный характер никеля сказывается в его способности  в свободном состоянии или  в виде соединений легко растворяться в железном расплаве. Вместе с тем  он обладает чертами халькофильности  и в меньшей степени литофильности.

Никель - ковкий и пластичный металл. Температура плавления 1455°C, температура кипения около 2900°C, плотность 8,90 кг/дм³. Никель — ферромагнетик, точка Кюри около 358°C. 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). Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d⁸4s². Образует соединения чаще всего в степени окисления +2 (валентность II), реже - в степени окисления +3 (валентность III) и очень редко в степенях окисления +1 и +4 (соответственно валентности I и IV). Природный Никель состоит из смеси пяти стабильных изотопов: ⁵⁸Ni (67,76%), ⁶⁰Ni (26,16%), ⁶¹Ni (1,25%), ⁶³Ni (3,66%), ⁶⁴Ni (1,16%). В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля (II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названием диметилглиоксима. Электроотрицательность - 1,8, 1-й ионизационный потенциал - 7,64 эв. Никель образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом никель со степенью окисления +3 только в виде комплексных солей. Для соединений никеля +2 известно большое количество обычных и комплексных соединений. Оксид никеля Ni₂O₃ является сильным окислителем. Гидроксид выпадает из растворов никелевых солей при прибавлении щелочей в виде объемистого осадка яблочно-зеленого цвета.  С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)_4.

Кристаллохимические свойства.

Радиус нейтрального атома никеля 0,124 нм, радиус иона Ni²⁺ - от 0,069 до 0,083 нм.

При обычных условиях Никель существует в виде β-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку (а = 3,5236Å). Но Никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере H₂, образует α-модификацию, имеющую гексагональную решетку плотнейшей упаковки (а = 2,65Å, с = 4,32Å), которая при нагревании выше 200 °C переходит в кубическую.

На воздухе компактный никель стабилен, а высокодисперсный никель пирофорен. Поверхность никеля покрыта тонкой пленкой оксида NiO, которая прочно предохраняет металл от дальнейшего окисления. С водой и парами воды, содержащимися в воздухе, никель тоже не реагирует. Практически не взаимодействует никель и с такими кислотами, как серная, фосфорная, плавиковая и некоторыми другими.

Металлический никель реагирует  с азотной кислотой, причем в результате образуется нитрат никеля (II) Ni(NO₃)₂ и выделяется соответствующий оксид азота, например:

3Ni + 8HNO₃ = 3Ni(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Только при нагревании на воздухе до температуры выше 800°C металлический никель начинает реагировать  с кислородом с образованием оксида NiO.

Оксид никеля обладает основными  свойствами. Он существует в двух полиморфных  модификациях: низкотемпературной (гексагональная решетка) и высокотемпературной (кубическая решетка, устойчива при температуре  выше 252°C). Имеются сообщения о  синтезе оксидных фаз никеля состава NiO_1,33-2,0.

При нагревании никель реагирует  со всеми галогенами с образованием дигалогенидов NiHal₂. Нагревание порошков никеля и серы приводит к образованию сульфида никеля NiS. И растворимые в воде дигалогениды никеля, и нерастворимый в воде сульфид никеля могут быть получены не только «сухим», но и «мокрым» путем, из водных растворов.

С графитом никель образует карбид Ni₃C, c фосфором — фосфиды составов Ni₅P₂, Ni₂P, Ni₃P. Никель реагирует и с другими неметаллами, в том числе (при особых условиях) с азотом. Интересно, что никель способен поглощать большие объемы водорода, причем в результате образуются твердые растворы водорода в никеле.

Известны такие растворимые  в воде соли никеля, как сульфат NiSO₄, нитрат Ni(NO₃)₂ и многие другие. Большинство этих солей при кристаллизации из водных растворов образует кристаллогидраты, например, NiSO₄·7Н₂О, Ni(NO₃)₂·6Н₂О. К числу нерастворимых соединений никеля относятся фосфат Ni₃(PO₄)₂ и силикат Ni₂SiO₄.

При добавлении щелочи к  раствору соли никеля (II) выпадает зеленый  осадок гидроксида никеля:

Ni(NO₃)₂ + 2NaOH = Ni(OH)₂ + 2NaNO₃

Ni(OH)₂ обладает слабоосновными свойствами. Если на суспензию Ni(OH)₂ в щелочной среде воздействовать сильным окислителем, например, бромом, то возникает гидроксид никеля (III):

2Ni(OH)₂ + 2NaOH + Br₂ = 2Ni(OH)₃ + 2NaBr.

Минералы.