Никель формула химическая. Свойства химического элемента Никель для здоровья, а также его применение; вред элемента и последствия отравления ним

Металл в нечистом виде впервые получил в 1751 году шведский химик А. Кронстедт, предложивший и название элемента. Значительно более чистый металл получил в 1804 году немецкий химик И. Рихтер. Название "Никель" происходит от минерала купферникеля (NiAs), известного уже в 17 веке и часто вводившего в заблуждение горняков внешним сходством с медными рудами (нем. Kupfer - медь, Nickel - горный дух, якобы подсовывавший горнякам вместо руды пустую породу). С середины 18 века Никель применялся лишь как составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое развитие никелевой промышленности в конце 19 века связано с нахождением крупных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии и в Канаде и открытием "облагораживающего" его влияния на свойства сталей.

Распространение Никеля в природе. Никель - элемент земных глубин (в ультраосновных породах мантии его 0,2% по массе). Существует гипотеза, что земное ядро состоит из никелистого железа; в соответствии с этим среднее содержание Никель в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где Никеля 5,8·10 -3 %, он также тяготеет к более глубокой, так называемых базальтовой оболочке. Ni в земной коре - спутник Fe и Mg, что объясняется сходством их валентности (II) и ионных радиусов; в минералы двухвалентных железа и магния Никель входит в виде изоморфной примеси. Собственных минералов Никеля известно 53; большинство из них образовалось при высоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения Никеля связаны с процессами в магме и коре выветривания. Промышленные месторождения Никеля (сульфидные руды) обычно сложены минералами Никеля и меди. На земной поверхности, в биосфере Никель - сравнительно слабый мигрант. Его относительно мало в поверхностных водах, в живом веществе. В районах, где преобладают ультраосновные породы, почва и растения обогащены никелем.

Физические свойства Никеля. При обычных условиях Никель существует в виде β-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку (а = 3,5236Å). Но Никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере H 2 , образует α-модификацию, имеющую гексагональную решетку плотнейшей упаковки (а = 2,65Å, с = 4,32Å), которая при нагревании выше 200 °C переходит в кубическую. Компактный кубический Никель имеет плотность 8,9 г/см 3 (20 °C), атомный радиус 1,24Å, ионные радиусы: Ni 2+ 0,79Å, Ni 3+ 0,72Å; t пл 1453 °C; t кип около 3000 °C; удельная теплоемкость при 20°C 0,440 кдж/(кг·К) ; температурный коэффициент линейного расширения 13,3·10 -6 (0-100 °C); теплопроводность при 25°C 90,1 вт/(м·К) ; тоже при 500 °C 60,01 вт/(м·К) . Удельное электросопротивление при 20°C 68,4 ном·м, т.е. 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/м 2 (т. е. 40-50 кгс/мм 2); предел упругости 80 Мн/м 2 , предел текучести 120 Мн/м 2 ; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м 2 ; твердость по Бринеллю 600- 800 Мн/м 2 . В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует точке Кюри) Никель ферромагнитен. Ферромагнетизм Никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d 8 4s 2) его атомов. Никель вместе с Fe (3d 6 4s 2) и Со (3d 7 4s 2), 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 Никеля. В химические отношении Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами. В соединениях проявляет переменную валентность (чаще всего 2-валентен). Никель - металл средней активности. Поглощает (особенно в мелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H 2 , 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 NiX 2 . Сгорая в парах серы, дает сульфид, близкий по составу к Ni 3 S 2 . Моносульфид NiS может быть получен нагреванием 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 Ni 3 N может быть получен пропусканием NH 3 над NiF 2 , NiBr 2 или порошком металла при 445 °C. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni 3 P 2 в виде серой массы. В системе Ni - As установлено существование трех арсенидов: Ni 5 As 2 , Ni 3 As (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 Ni 3 C 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 HNO 3 пассивирует Никель, однако в меньшей степени, чем железо.

При взаимодействии с кислотами образуются соли 2-валентного Ni. Почти все соли Ni (II) и сильных кислот хорошо растворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Труднорастворимы соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная и фосфорная. Большинство солей Никеля разлагается при прокаливании (600- 800 °C). Одна из наиболее употребительных солей - сульфат NiSO 4 кристаллизуется из растворов в виде изумрудно-зеленых кристаллов NiSO 4 ·7H 2 O - никелевого купороса. Сильные щелочи на Никель не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (NH 4) 2 CO 3 с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; для большинства из них характерно наличие комплексов 2+ и . На избирательном образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения Никеля из руд. NaOCl и NaOBr осаждают из растворов солей Ni (II), гидрооксид Ni(OH) 3 черного цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно 2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (C 4 H 7 O 2 N) 2 Ni служит для аналитического определения Ni.

При повышенных температурах Никель взаимодействует с оксидами азота, SO 2 и NH 3 . При действии СО на его тонкоизмельченный порошок при нагревании образуется карбонил Ni(CO) 4 . Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый Никель.

Получение Никеля. Около 80% Никеля от общего его производства получают из сульфидных медно-никелевых руд. После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавят в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения Никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10-15% Ni. Обычно электроплавке предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Cu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni - файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового Никель отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Никель (марка 110) 0,01%.

Для разделения Cu и Ni используют также так называемых карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции: Ni + 4CO = Ni(CO) 4 . Получение карбонила проводят при 100-200 атм и при 200-250 °C, а его разложение - без доступа воздуха при атм. давлении и около 200 °C. Разложение Ni(CO) 4 используют также для получения никелевых покрытий и изготовления различных изделий (разложение на нагретой матрице).

В современное "автогенных" процессах плавка осуществляется за счет тепла, выделяющегося при окислении сульфидов воздухом, обогащенным кислородом. Это позволяет отказаться от углеродистого топлива, получить газы, богатые SO 2 , пригодные для производства серной кислоты или элементарной серы, а также резко повысить экономичность процесса. Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов. Все более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислорода при повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно Никель переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением).

Из силикатных (окисленных) руд Никель также может быть сконцентрирован в штейне при введении в шихту плавки флюсов - гипса или пирита. Восстановительно-сульфидирующую плавку проводят обычно в шахтных печах; образующийся штейн содержит 16-20% Ni, 16-18% S, остальное - Fe. Технология извлечения Никеля из штейна аналогична описанной выше, за исключением того, что операция отделения Cu часто выпадает. При малом содержании в окисленных рудах Со их целесообразно подвергать восстановительной плавке с получением ферроникеля, направляемого на производство стали. Для извлечения Никеля из окисленных руд применяют также гидрометаллургические методы - аммиачное выщелачивание предварительно восстановленной руды, сернокислотное автоклавное выщелачивание и других.

Применение Никеля. 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- весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешевыми и распространенными материалами.

Переработка руд Никеля сопровождается выделением ядовитых газов, содержащих SO 2 и нередко As 2 O 3 . Очень токсична СО, применяемая при рафинировании Никеля карбонильным методом; весьма ядовит и легко летуч Ni(CO) 4 . Смесь его с воздухом при 60 °C взрывается. Меры борьбы: герметичность аппаратуры, усиленная вентиляция.

Никель в организме является необходимым микроэлементом. Среднее содержание его в растениях 5,0·10 -5 % на сырое вещество, в организме наземных животных 1,0·10 -6 %, в морских - 1,6·10 -4 %. В животном организме Никель обнаружен в печени, коже и эндокринных железах; накапливается в ороговевших тканях (особенно в перьях). Установлено, что Никель активирует фермент аргиназу, влияет на окислительные процессы; у растений принимает участие в ряде ферментативных реакций (карбоксилирование, гидролиз пептидных связей и других). На обогащенных Никелем почвах содержание его в растениях может повыситься в 30 раз и более, что приводит к эндемическим заболеваниям (у растений - уродливые формы, у животных - заболевания глаз, связанные с повышенным накоплением Никеля в роговице: кератиты, кератоконъюнктивиты).

История

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 стёкол в зелёный 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 зелёный окисел и путём 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 никель изучали многие химики, начиная с Пруста. Никкел — ругательное слово на языке горняков. Оно образовалось из искажённого 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. В русской литературе начала XIX в. употреблялись названия николан (Шерер, 1808), николан (Захаров, 1810), николь и никель (Двигубский, 1824).

Физические свойства

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень твёрд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом, проявляя магнитные свойства при температурах ниже 340 °C.

Химические свойства
Дихлорид никеля (NiCl2)

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).
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.
Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью — устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию — образованию на его поверхности плотной оксидной плёнки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в азотной кислоте.
С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)4.
Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Никель горит только в виде порошка. Образует два оксида NiO и Ni2O3 и соответственно два гидроксида Ni(OH)2 и Ni(OH)3. Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Растворы окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида NiS (черный), Ni2S3 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (черный). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C4H6N2O2)2, дающий чёткую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля
Водный раствор сульфата никеля в банке имеет зелёный цвет.

Водные растворы солей никеля(II) содержат ион гексаакваникеля(II) 2+. При добавлении к раствору, содержащему эти ионы, аммиачного раствора происходит осаждение гидроксида никеля (II), зелёного желатинообразного вещества. Этот осадок растворяется при добавлении избыточного количества аммиака вследствие образования ионов гексамминникеля(II) 2+.
Никель образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат (II) 2− имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат(II) 2− имеет плоскую квадратную структуру.
В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля (II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названием диметилглиоксима. При его взаимодействии с ионами никеля (II) образуется красное координационное соединение бис(бутандиондиоксимато)никель(II). Это — хелатное соединение и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

Нахождение в природе

Никель довольно распространён в природе — его содержание в земной коре составляет ок. 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 (1,2 кг/т и 8г/т). В ультраосновных породах преобладающее количество никеля связано с оливинами, содержащими 0,13 — 0,41 % Ni. Он изоморфно замещает железо и магний. Небольшая часть никеля присутствует в виде сульфидов. Никель проявляет сидерофильные и халькофильные свойства. При повышенном содержании в магме серы возникают сульфиды никеля вместе с медью, кобальтом, железом и платиноидами. В гидротермальном процессе совместно с кобальтом, мышьяком и серой и иногда с висмутом, ураном и серебром, никель образует повышенные концентрации в виде арсенидов и сульфидов никеля. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах.

* никелин (красный никелевый колчедан, купферникель) NiAs
* хлоантит (белый никелевый колчедан) (Ni, Co, Fe)As2
* гарниерит (Mg, Ni)6(Si4O11)(OH)6*H2O и другие силикаты
* магнитный колчедан (Fe, Ni, Cu)S
* мышьяково-никелевый блеск (герсдорфит) NiAsS,
* пентландит (Fe,Ni)9S8

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. О никеле в организмах известно уже немало. Установлено, например, что содержание его в крови человека меняется с возрастом, что у животных количество никеля в организме повышено, наконец, что существуют некоторые растения и микроорганизмы — «концентраторы» никеля, содержащие в тысячи и даже в сотни тысяч раз больше никеля, чем окружающая среда.
Месторождения никелевых руд

Основные месторождения никелевых руд находятся в Канаде, России, Новой Каледонии, Филиппинах, Индонезии, Китае, Финляндии, Австралии. Природные изотопы никеля.
Природный никель содержит 5 стабильных изотопов: 58Ni (68.27 %), 60Ni (26.10 %), 61Ni (1.13 %), 62Ni (3.59 %), 64Ni (0.91 %).

Получение

Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 г. 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, пефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

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

Применение

Сплавы

Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

* монель-металл (65 — 67 % Ni + 30 — 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив;
* белое золото (например 585 пробы содержит 58,5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));
* нихром, сплав сопротивления (60 % Ni + 40 % Cr);
* пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;
* инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании;
* Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина.

Никелирование

Никелирование — создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 — 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).

Бестоковое никелирование проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) и гипофосфита натрия в присутствии цитрата натрия:

NiCl2 + NaH2PO2 + H2O = Ni + NaH2PO3 + 2HCl

Процесс проводят при рН 4 — 6 и 95 °C.

Производство аккумуляторов

Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

Радиационные технологии

Нуклид 63Ni, излучающий β+-частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах.

Медицина

* Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана).
* Протезирование

Монетное дело

Никель широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель».

Биологическая роль

Биологическая роль: никель относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших тканях, особенно в перьях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям — у растений появляются уродливые формы, у животных — заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице. Токсическая доза (для крыс) — 50 мг. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил Ni(CO)4. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м3 (для различных соединений).

Физиологическое действие

Никель — основная причина аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В Евросоюзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека.
Карбонил никеля — очень ядовит. Предельно допустимая концентрация его паров в воздухе производственных помещений 0.0005 мг/м³.
В XX веке было установлено, что поджелудочная железа очень богата никелем. При введении вслед за инсулином никеля продлевается действие инсулина и тем самым повышается гипогликемическая активность. Никель оказывает влияние на ферментативные процессы, окисление аскорбиновой кислоты, ускоряет переход сульфгидрильных групп в дисульфидные. Никель может угнетать действие адреналина и снижать артериальное давления. Избыточное поступление никеля в организм вызывает витилиго. Депонируется никель в поджелудочной и околощитовидной железах.

Никель – пластичный металл серебристо-белого цвета с характерным блеском. Относится к тяжелым цветным металлам. Никель ценная легирующая добавка. В природе в чистом виде никель не встречается, обычно входит в состав руд. Чистый никель (Nickel/Никель), Nickel 200 и Nickel 201 , добывают путем специальных технологий.

В соединении с другими металлами никель способен образовывать твердые и прочные никелевые сплавы:

• никель-медный сплав (Monel/Монель) – сплав на медной основе с никелем в качестве легирующей добавки. В составе обычно до 67% никеля и до 38% меди. К этой группе сплавов относят: Monel 400 , Monel 401, Monel 404, Monel R-405 , Monel K-500 и др.
• никель-хромовый сплав (Inconel/Инконель) – аустенитный жаропрочный сплав. К этой группе относят: Inconel 600 , Inconel 601 , Inconel 617 , Inconel 625 , Inconel 690 , Inconel 718 , Inconel 725 , Inconel X-750 и др.
• никель-железо-хромовый сплав (Inconloy/Инколой) – возможно добавление в сплав молибдена, меди, титана. К этой группе относят: Incoloy 20, Incoloy 800 , Incoloy 800H , Incoloy 800HT , Incoloy 825 , Incoloy 925 и др.
• никель-молибденовый сплав (Hastelloy/Хастеллой) – возможно присутствие в составе хрома, железа и углерода. К этой группе относят: Hastelloy C-4 , Hastelloy C-22 , Hastelloy C-276 , Hastelloy B-2 и др.

Свойства никеля

Никель – ферромагнетик, точка Кюри – 358°C, температура плавления – 1455°C, температура кипения – 2730-2915°C. Плотность – 8,9 г/см 3 , коэффициент теплового расширения -13,5∙10 −6 K −1. На воздухе компактный никель – стабилен, а высокодисперсный – пирофорен.

Никель обладает такими свойствами, как:

• пластичность и ковкость;
• прочность при высоких температурных режимах;
• устойчивость к окислению в воде и на воздухе;
• твердость и достаточная вязкость;
• высокая коррозионная стойкость;
• ферромагнетик;
• хороший катализатор;
• хорошо полируется.

Поверхность никеля покрыта тонким слоем оксида NiO, защищающим металл от окисления.

Преимущества и недостатки

Главные плюсы никеля и сплавов - жаропрочность, жаростойкость и повышенная механическая прочность (давление до 440 МПа). К достоинствам также можно отнести эксплуатацию в раскаленных концентрированных щелочных и кислотных растворах. Помимо этого никель способен сохранять магнитные свойства при пониженных температурах.

Главным недостатком никеля является значительное снижение показателей термоЭДС при быстром охлаждении после отжига (до 600°C). Также к минусам никеля можно отнести тот факт, что в природе чистый никель не встречается. Его получают путем дорогих технологий, что сказывается на его стоимости.

Область применения

Основная сфера применения никеля – металлургия. В ней он задействован в производстве высоколегированных нержавеющих сталей. Добавляя в расплав железа никель, металлурги получают прочные и пластичные сплавы, которые обладают повышенной коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким температурам. Стоит отметить, что никелевые сплавы сохраняют свои качества при многократном длительном нагревании.

Благодаря этим свойствам нержавеющая и термостойкая никелевая сталь применяется:

• в пищевой и химической промышленности;
• в нефтехимической промышленности и строительстве;
• в медицине и фармацевтике;
• в авиа- и машиностроении;
• в изготовлении подводных кабелей;
• в изготовлении нагревательных элементов промышленного оборудования;
• в производстве постоянных магнитов;
• в производстве станков и специального оборудования;
• в изготовлении интерьерных элементов зданий;
• в мебельной промышленности;
• в изготовлении бытовых приборов и домашней утвари;

Благодаря своей пластичности и легкости в ковке из никеля получают очень тонкие изделия, например, полосы, ленты и листы из никеля. Также никель активно используют в производстве проволоки и прутков.

Задолго до открытия никеля саксонские горняки знали минерал, который походил на медную руду и применялся в стекловарении для окраски стёкол в зелёный цвет. Все попытки получить из него медь оказались неудачными, в связи с чем он получил название "купферникель", что приблизительно означает "Медный дьявол" (ср. нем. Nickel - озорник). Этот минерал (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог и химик Кронштедт. Ему удалось получить зелёный оксид и путём восстановления последнего - новый металл, названный никелем.

Нахождение в природе, получение:

Никель довольно распространён в природе - его содержание в земной коре составляет 0,01 %(масс.). В железных метеоритах (до 8 %). В растениях в среднем 5*10 -5 весовых процентов, 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 несколькими способами:
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 алюминием: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al 2 O 3 .

Физические свойства:

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень твёрд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом. Плотность простого вещества при н.у. 8,902 г/см 3 , Тпл.=1726К, Ткип.=3005К.

Химические свойства:

При обычных температурах никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью - устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Реагирует с азотной кислотой, образуя нитрат никеля(II) Ni(NO 3) 2 и соответствующий оксид азота.
При нагревании никель взоимодействует со многими неметаллами: галогенами, серой, фосфором, углеродом. С кислородом воздуха при 800°С никель образует оксид NiO.
Никель способен поглощать большие объемы водорода, причем в результате образуются твердые растворы водорода в никеле.
С оксидом углерода(II) никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO) 4 .

Важнейшие соединения:

В соединениях кобальт проявляет степень окисления +3, +2, 0.
Оксид никеля(II), NiO - твердое вещество от светло- до тёмно-зелёного или чёрного цвета. Преобладают основные свойства, водородом и другими восстановителями восстанавливается до металла.
Гидроксид никеля(II), Ni(OH) 2 - зеленого цвета, мало растворим в воде, и щелочах, хорошо во многих кислотах, преобладают основные свойства. При нагревании разлагается, образуя NiO.
Соли никеля(II) - обычно получают взаимодействием NiO или Ni(OH) 2 с различными кислотами. Растворимые в воде соли никеля обычно образуют кристаллогидраты, например, NiSO 4 *7Н 2 О, Ni(NO 3) 2 *6Н 2 О. К числу нерастворимых соединений никеля относятся фосфат Ni 3 (PO 4) 2 и силикат Ni 2 SiO 4 . Кристаллогидраты и растворы окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли - жёлтые или коричнево-жёлтые.
Комплексные соединения никеля(II) весьма многочислены (к.ч.=6). Их образованием объясняется например растворение оксида никеля в растворе аммиака. Диметилглиоксимат никеля Ni(C 4 H 6 N 2 O 2) 2 , дающий чёткую красную окраску в кислой среде, используется как качественная реакция на ионы никеля (II).
Соединения никеля(III) - менее характерны. Известен, напиример оксид Ni 2 O 3 *H 2 O , вещество чёрного цвета, получается при окислении гидроксида никеля(II) в щелочной среде гипохлоритом или галогенами:
2Ni(OH) 2 + 2NaOH + Br 2 = Ni 2 O 3 *H 2 O + 2NaBr + H 2 O
Сильный окислитель.
Существуют также комплексные соединения никеля(III) , например, K 3 .
Карбонил никеля, Ni(CO) 4 . Диамагнитная бесцветная жидкость, очень летучая и токсичная. Затвердевает при -23°С, при нагревании до 180-200°С разлагается на металлический никель и оксид углерода(II). Ni(CO) 4 мало растворим в воде, хорошо в органических растворителях, не реагирует с разбавленными кислотами и щелочами.

Применение:

Никель является компонентом многих сплавов - жаропрочных, сплавов сопротивления (нихром: 60% Ni + 40% Cr), ювелирных (белое золото, мельхиор), монетных.
Никель используется также для никелирования - создания корозионностойкого покрытия на поверхности другого металла. Еще используют также для производства аккумуляторов, обмотки струн музыкальных инструментов...
Никель относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Известно, что он принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений.
Никель может служить причиной аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В Евросоюзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека.

Рудагина Ольга
ХФ ТюмГУ, 581гр., 2011 г.

Источники: Википедия: http://ru.wikipedia.org/wiki/Ni и др.,
Популярная библиотека химических элементов. Никель. http://n-t.ru/ri/ps/pb028.htm
Сайт кафедры общей и неорганической химии РХТУ им. Д.И. Менделеева. Таблица Д.И. Менделеева: Никель

Взаимодействия никеля в организме

Главный источник поступления никеля в человеческий организм – это еда и вода. Из пищи усваивается до 10% никеля, из воды он всасывается быстрее и полнее - абсорбция вещества увеличивается до 25%. Соляная кислота уже в желудке начинает воздействовать на никель, способствуя его всасыванию в кровь, остатки вещества усваиваются в тонком кишечнике. Далее никель вступает в соединения с сывороточными белками плазмы крови (альфа1-гликопотеином, никелоплазмином и др.) и разносится кровью к органам. Практически весь остаточный никель выводится через кишечник с фекалиями, только 5% остатков никеля удаляются с мочой и с желчью.

Несмотря на малую химическую активность никеля, у него есть довольно активные реакции взаимодействия в организме, которые полезно учитывать для контроля усвоения этого вещества. В присутствии витамина В12 никель стимулирует сократимость и рост мышечных волокон (а если этого витамина в организме мало, никель, наоборот, снижает мышечный тонус. Наличие витамина С ухудшает усвоение никеля. За счет влияния на выведение избыточных стероидных гормонов никель предположительно предупреждает задержку натрия и воды, избавляя от отеков, а также сохраняет кальций в костной ткани, не позволяя развиться остеопорозу. Если организм испытывает дефицит железа, место этого элемента замещают молекулы никеля. Всасывание никеля усиливается во время беременности и грудного вскармливания, что объясняется необходимостью этого химического элемента для синтеза гормонов, отвечающих за вынашивание и лактацию.

Ухудшают усвоение никеля цинк , селен , сера в продуктах и биоактивных добавках. Вместе с медью и кобальтом никель принимает участие в синтезе эритроцитов и других элементов крови.

Основные функции в организме

В человеческом организме никель концентрируется в основном в гипофизе, поджелудочной железе и надпочечниках – важнейших железах эндокринной системы, которые вырабатывают эндорфин, гормон роста, а также другие гормоны, выполняющие следующие функции:

• отвечают за вынашивание и вскармливание ребенка;
• стимулируют выработку меланина – пигмента кожи, защищающего ее от УФ-облучения;
• активизируют работу щитовидной железы;
• улучшают сократительные способности мышц;
• помогают в выработке инсулина.

Роль никеля в гормонообразующей деятельности эндокринной системы пока изучается, однако есть данные о том, что никель успокаивает нервную систему, снижая активность адреналина. Благодаря никелю усиливается выработка почками гормона эритропоэтина, отвечающего за выработку красных кровяных телец эритроцитов, за снабжение кислородом всех тканей. Подтверждена роль никеля в регулировании накопления и выведения мочи, выработанных надпочечниками избыточных стероидных гормонов. Благодаря этому снижается артериальное давление, регулируется уровень глюкозы в крови, ускоряется регенерация тканей в организме.

Еще один орган депонирования никеля – печень, и здесь элемент принимает участие в синтезе важнейших для организма аминокислот, которые входят в структуру клеточных ДНК и РНК, укрепляют иммунитет, улучшают работу сердца и сосудов, борются с воспалениями и ускоряют восстановление тканей после них, контролируют массу тела, предотвращают неконтролируемое деление клеток.

Никель участвует в реакциях окисления и восстановления разных органических соединений, важных для работы организма, необходим для выработки некоторых ферментов, без которых не усваиваются витамины, жиры и углеводы.

Польза никеля для организма

Польза никеля для организма плохо изучена, но поскольку он активно влияет на ряд важнейших процессов в органах и системах, можно указать на следующие его полезные свойства:

• уменьшает проявление артериальной гипертензии;
• регулирует обмен жиров и углеводов, влияет на уменьшение массы тела;
• снимает нервное возбуждение;
• повышает гемоглобин крови;
• улучшает усвоение инсулина;
• повышает иммунитет;
• укрепляет сердечно-сосудистую систему.

Препараты с содержанием никеля активно применяются в трихологии – этот элемент усиливает кровоток в области волосяных фолликулов и улучшает снабжение их кислородом, что помогает уменьшить выпадение волос.

Роль в возникновении и течении различных заболеваний

Доказано влияние никеля на активацию инсулина. Если при сахарном диабете вводить это вещество сразу после инсулина, то значительно усиливается гипогликемическая активность препарата, и его можно принимать реже. У пожилых людей никель начинает накапливаться в легких, и, учитывая вероятную связь этого вещества с гормональной активностью организма, ученые предполагают влияние никеля на возрастную активность легочных гормонов, способных усилить проявления бронхиальной астмы.

Избыточное накопление никеля в организме провоцирует депигментацию кожи – витилиго. Влияние никеля на выработку гистамина в организме сделало этот металл одним из наиболее известных аллергенов: около 15% людей в мире страдают аллергией на никелевые соединения, из которых делают украшения, часы, застежки и заклепки для одежды – это проявляется раздражением и зудящей сыпью на коже.

В каких продуктах содержится никель

Четвертая часть никеля, попадающего в наш организм ежедневно, приходится на водопроводную воду. Особенно много этого химического элемента содержит вода по утрам, когда она долго простояла в трубопроводе. Чемпионами по содержанию никеля считается порошок какао (980 мкг/100 г веса продукта), горький шоколад (260 мкг) и молочный шоколад (120 мкг). Причинами такого высокого содержания никеля в этих продуктах считают использование аппаратуры и емкостей с никелевым покрытием для хранения и переработки шоколадного сырья.

Никель в некоторых продуктах (мкг на 100 г)

Совет врача. Тем, кто придерживается диеты на растительных белках, нужно рационально распределять в своем меню богатые белком бобовые и крупяные продукты, чтобы не получить передозировку никеля

Страдающим аллергией на никель нужно постараться иметь в рационе как можно меньше продуктов с высоким содержанием никеля.

Как сохранить никель в пище

Продукты с высоким содержанием никеля (крупы, бобовые) не следует хранить в открытом виде под прямыми солнечными лучами, потому что металл может сформировать различные оксиды, способные накапливаться в организме. С другой стороны, нельзя хранить продукты в посуде с никелированным покрытием больше двух дней – возрастает риск перехода никеля в еду и избыточного накопления минерала в органах и тканях.

Усвояемость минерала

Аллергикам надо помнить и о том, что в напитках с кофеином и в пиве содержится никель, который плохо усваивается и может спровоцировать обострение кожных раздражений.

Всасывание никеля значительно ухудшается, если вместе с содержащими его продуктами пить чай, кофе, молоко, апельсиновый сок, дополнять еду фруктово-ягодными десертами из цитрусовых, киви, черной смородины и других продуктов, в которых много аскорбиновой кислоты.

Сочетание с другими питательными веществами

Никель легко вступает в связь с белками и органическими кислотами (лимонной, яблочной, уксусной и др.), помогая их усвоению. Важно сочетание никеля с продуктами, которые богаты жирами и углеводами. Без никеля не происходит расщепление поступивших с питательными веществами жиров на удобные для всасывания жирные кислоты и глицерин, не высвобождается нужная организму энергия из углеводов.

Суточные нормы никеля

Биологическая роль никеля в организме человека пока не определена точно, поэтому нет научно обоснованных норм потребления этого металла, а потребности в нем обосновываются большей частью на основании наблюдений. Суточная норма никеля для человека определена в диапазоне от 100 до 300 мкг. С продуктами и водой мы получаем каждый день около 600 мкг никеля, но усваиваем не более четверти из поступившего количества, поэтому при сбалансированном рационе недостаток или избыток этого вещества – редкое явление.

Причины и последствия дефицита никеля

Если организм получает в день менее 50 мкг никеля, может развиться дефицитное состояние. Причиной недостатка никеля, помимо неполноценного питания (например, диеты на основе только фруктов или соков, гречки или кофе) могут стать некоторые заболевания желудка и кишечника, нарушающие всасывание никеля, сильная анемия, сердечные болезни.

Совет врача. При синдроме хронической усталости, при физических и умственных перенапряжениях, после перенесенных инфекционных болезней организм нуждается в повышенном поступлении никеля с продуктами питания

Дополнить рацион никелем нужно, посоветовавшись с врачом, при артериальной гипертензии, сахарном диабете, некоторых дерматологических заболеваниях. Особенно осмотрительно следует относиться к никелю беременным и кормящим женщинам. С одной стороны – никель способствует вынашиванию малыша и влияет на лактацию, с другой – это токсичный элемент, поэтому любые биодобавки, витаминные комплексы и даже изменения меню в пользу продуктов, богатых никелем, должны обязательно обсуждаться с врачом.

Признаками недостатка никеля становится мышечная слабость и общая вялость, отсутствие желания двигаться. Снижается сопротивляемость организма вирусам и бактериям, инфекционные заболевания развиваются часто, протекают долго и тяжело. Если долго не принимать меры, сильно снизится уровень гемоглобина, повысится сахар в крови, нарушится сердечная деятельность, разовьются патологии печени, проявятся дерматозы.

Избыток никеля в организме

Избыточное накопление никеля в организме случается гораздо чаще дефицитных состояний, причем происходит из-за воздействия совокупности причин:

• постоянного пользования никелированной посудой и хранения в ней еды;
• употребления большого количества продуктов, богатых никелем;
• повышенное содержание никеля в овощах и фруктах из-за их выращивания на загрязненных этим элементом почвах и водах;
• высокое содержание никеля в водопроводной воде;
• злоупотребление консервами (в них много никеля от баночного металла);
• ношение украшений, часов из никелевых сплавов;
• некачественные зубные протезы или брекет-системы с выделяющимся из них никелем;
• вдыхание табачного дыма, выхлопных газов;
• злоупотребление электронными сигаретами.

Передозировку никеля можно получить, вдыхая пары или пыль с соединениями этого элемента в условиях промышленного производства, при работе с медицинскими препаратами, поскольку никель способен накапливаться в организме. Наиболее опасны сульфат и хлорид никеля – эти соединения растворяются в воде и быстро всасываются.

Оксалаты, силикаты и фосфаты никеля в воде не растворимы и потому менее токсичны.

Острое отравление из-за избытка никеля можно получить при попадании в организм разовой дозы вещества более 50 мг. В этом случае появляются боли в правом подреберье, одышка, тошнота и головные боли.

Важно! Высокий уровень никеля в крови при лабораторном анализе может быть первым признаком развивающегося инфаркта миокарда

Хроническая интоксикация никелем проявляется:

• кожными воспалениями – кератитом, контактным дерматитом;
• язвочками на роговице глаз;
• часто возникающими носовыми кровотечениями;
• ринитами, болезнями дыхательных путей;
• нервными расстройствами, раздражительностью и возбудимостью;
• сбоями сердечного ритма;
• проблемами с пищеварением.

В запущенных формах избыток никеля грозит отеками мозга и легких, жировой дистрофией печени, почечной недостаточностью, развитием рака легких, желудка.

Первой помощью при остром отравлении никелем может стать введение унитиола (дитиолпропансульфоната натрия), который прочно связывает и выводит никель. По показаниям применяют симптоматическую терапию и исключают из рациона продукты с никелем.

Препараты, содержащие минерал

При невозможности восполнить недостаток никеля из рациона врач может порекомендовать биодобавки или витаминные комплексы с содержанием никеля (например, Витальгин, Витрум). Обычно таблетки или капсулы препарата принимают раз в день во время еды, но продолжительность приема и дозировка обязательно выбираются врачом, поскольку никель – токсичный металл с неприятными побочными эффектами.