Нікель — хімічний елемент із порядковим номером 28, розташований у четвертому періоді, десятій групі періодичної таблиці. Належить до d-елементів, або перехідних металів. Відносна атомна маса Нікелю — 58,69.
У природі Нікель представлений п’ятьма стабільними ізотопами: ⁵⁸Ni, ⁶⁰Ni, ⁶¹Ni, ⁶²Ni та ⁶⁴Ni. Найпоширеніший — ⁵⁸Ni, на який припадає близько 68% природного Нікелю. Ядро цього ізотопу містить 28 протонів і 30 нейтронів.
У нейтральному атомі Нікелю навколо ядра перебувають 28 електронів. Електронна конфігурація основного стану — [Ar] 3d⁸ 4s², а розподіл електронів за оболонками — 2, 8, 16, 2. На зовнішньому енергетичному рівні перебувають два електрони, але в утворенні хімічних зв’язків можуть брати участь також електрони 3d-підрівня. Найхарактерніший ступінь окиснення Нікелю — +2, хоча відомі сполуки зі ступенями окиснення +1, +3 та іншими.
Нікель: властивості
За фізичними властивостями Нікель — твердий, міцний і пластичний метал сріблясто-білого кольору з характерним блиском. Його густина становить приблизно 8,9 г/см³, температура плавлення — 1455 °C, а кипіння — близько 2913 °C. Він добре проводить тепло й електричний струм, хоча за електропровідністю помітно поступається міді.
Одна з найцікавіших властивостей Нікелю — феромагнетизм. За кімнатної температури він притягується до магніту й разом із залізом та кобальтом належить до небагатьох металів із вираженими феромагнітними властивостями. Але якщо нагріти Нікель приблизно до 358 °C, тепловий рух порушує впорядковану орієнтацію магнітних моментів атомів, і метал втрачає феромагнітні властивості. Цю температуру називають температурою Кюрі. Після охолодження нижче неї здатність до феромагнітного впорядкування відновлюється.
Не менш цікава й хімічна поведінка Нікелю. За звичайних умов він досить стійкий до дії повітря та вологи, оскільки на його поверхні утворюється тонкий захисний оксидний шар. Цей шар уповільнює подальше окиснення металу. Саме тому Нікель широко використовують для створення корозійностійких покриттів.
Проте хімічно інертним Нікель назвати не можна. Під час нагрівання він реагує з киснем за рівнянням 2Ni + O₂ → 2NiO, утворюючи оксид нікелю(II). Нікель також може реагувати з розбавленими кислотами, хоча швидкість реакції залежить від умов і стану поверхні. Наприклад, із хлоридною кислотою відбувається реакція Ni + 2HCl → NiCl₂ + H₂↑, унаслідок якої утворюється хлорид нікелю(II) та виділяється водень.
Багато сполук Нікелю зі ступенем окиснення +2 мають характерне зелене забарвлення. Зокрема, водні розчини його солей часто зелені, а гідроксид нікелю(II) Ni(OH)₂ — зелений малорозчинний осад. Його можна отримати реакцією NiCl₂ + 2NaOH → Ni(OH)₂↓ + 2NaCl. За певних умов сполуки Нікелю(II) можуть окиснюватися до сполук Нікелю(III), і саме такі перетворення використовують у деяких типах акумуляторів.
Нікель: історія відкриття
Історія відкриття Нікелю пов’язана з незвичайною помилкою середньовічних шахтарів. У Європі вони знаходили червонуваті руди, які зовні нагадували мідні, але спроби виплавити з них мідь закінчувалися невдачею. Німецькі гірники називали таку руду Kupfernickel, що приблизно означало «чортова мідь». Слово Nickel пов’язували з пустотливим гірським духом, який нібито підсовував шахтарям обманливу руду.
Насправді шахтарі часто мали справу з арсенідом нікелю NiAs. У 1751 році шведський хімік Аксель Фредрік Кронстедт дослідив таку руду й отримав із неї раніше невідомий метал. Подальші дослідження підтвердили, що це не мідь, а окремий хімічний елемент. Так назва Нікель закріпилася за металом, який раніше вважали витівкою гірських духів.
Видобуток нікелю
У природі Нікель переважно трапляється не у вільному стані, а у складі мінералів. Основні промислові джерела — сульфідні та латеритні нікелеві руди. Сульфідні руди містять сполуки Нікелю із Сульфуром, часто разом із мінералами Міді та Заліза. Латеритні руди утворюються внаслідок тривалого вивітрювання гірських порід, особливо в умовах теплого й вологого клімату.
Видобувають нікелеву руду у відкритих кар’єрах або підземних шахтах. Подальша переробка залежить від типу руди. Сульфідні руди зазвичай збагачують флотацією, отримуючи концентрат, який потім піддають плавленню та подальшому очищенню. Для латеритних руд застосовують високотемпературну переробку або вилуговування кислотами, зокрема за підвищених температури й тиску.
Після переробки руди отримують нікелеві продукти різного ступеня чистоти, а за потреби — металевий Нікель. Для його очищення використовують електроліз та інші технології. Один із найцікавіших способів — процес Монда, заснований на здатності Нікелю утворювати летку сполуку з чадним газом. За відповідних умов відбувається реакція Ni + 4CO ⇄ Ni(CO)₄, унаслідок якої утворюється карбоніл нікелю.
Цікаво, що карбоніл нікелю кипить уже приблизно за 43 °C, хоча сам Нікель плавиться лише за 1455 °C. Ця надзвичайно токсична сполука може переходити в газоподібний стан, а за вищої температури розкладатися з виділенням чистого металу. Саме на цьому принципі ґрунтується процес Монда, який дозволяє отримувати Нікель високої чистоти.
Використання нікелю
Сьогодні найбільше Нікелю використовують у виробництві нержавіючої сталі та інших сплавів. У багатьох марках нержавіючої сталі він покращує пластичність і корозійну стійкість. Наприклад, поширена сталь марки 304 містить приблизно 18% Хрому та 8% Нікелю. З неї виготовляють кухонне обладнання, труби, резервуари та промислові конструкції.
Нікель також є основою жароміцних суперсплавів, які використовують у газових турбінах і реактивних двигунах. Важливу роль він відіграє у виробництві акумуляторів, зокрема нікель-металогідридних та деяких типів літій-іонних батарей для електромобілів. Крім того, Нікель застосовують для захисного нікелювання металевих виробів, виготовлення монетних сплавів і як каталізатор хімічних реакцій, зокрема гідрування органічних сполук.
Окремої уваги заслуговує інвар — сплав, який містить приблизно 36% Нікелю та 64% Заліза. Його особливість — надзвичайно мале теплове розширення поблизу кімнатної температури. Якщо більшість металів помітно змінюють розміри під час нагрівання, інвар зберігає їх значно краще. Тому його застосовують у точних вимірювальних приладах і конструкціях, де навіть невеликі температурні деформації можуть спричинити похибки.
Нікель використовують у реактивних двигунах, акумуляторах і точних приладах. Але один із найбільших резервуарів цього металу на Землі недоступний для видобутку — він міститься глибоко під нашими ногами. Земне ядро складається переважно із заліза, а Нікель є одним із важливих компонентів його металевої частини. Значні кількості Нікелю містяться також у залізних метеоритах, де він утворює сплави із залізом. Саме підвищений вміст Нікелю є однією з ознак, які допомагають дослідникам розпізнавати метеоритне залізо.
Ще одна цікава властивість пов’язана зі сплавом Нікелю та Титану, який називають нітинолом. Уявіть металевий дріт, який можна деформувати, а потім нагріти — і за відповідних умов він сам повернеться до своєї початкової форми. Секрет полягає в оборотних перетвореннях кристалічної структури сплаву. Це явище називають ефектом пам’яті форми. Нітинол використовують у медичних стентах, ортодонтичних дугах і спеціальних механізмах, здатних змінювати форму під дією температури.
Нікель у живій природі
Нарешті, Нікель відіграє певну роль і в живій природі. Він входить до складу активних центрів деяких ферментів, зокрема уреази, яка розщеплює сечовину. Для багатьох мікроорганізмів і рослин Нікель є необхідним мікроелементом, хоча для людини його незамінність як поживного елемента переконливо не встановлена. Водночас деякі сполуки Нікелю токсичні, а тривалий контакт із металом у чутливих людей може спричиняти алергічний дерматит.