Самая распространенная в научных кругах и наиболее достоверная гипотеза строения Земли утверждает, что структура ядра нашей планеты подобна составу железных метеоритов, то есть — это железоникелевый сплав — более 90 % железа, 8,5 % никеля и всего 0,6 % кобальта. Таким образом, земное ядро заключает в себе практически весь двадцать восьмой элемент на планете — около 17•1019 тонн (общее количество Ni оценивается в 17,4•1019 тонн). Исходя из этой гипотезы, можно утверждать, что Земля примерно на 3 % состоит из никеля, а среди составляющих планету элементов никель занимает пятое место — после железа, кислорода, кремния и магния. Однако в тонкую поверхностную кору Земли проникли лишь немногие из его атомов — в среднем один из ста тысяч (содержание никеля в земной коре по сведениям разных источников составляет от 1•10–3 до 8•10–3 % по массе). Часть «прорвавшихся» атомов образовала вместе с медью и серой скопления сернистых минералов — сульфидные медно-никелевые руды. Другие атомы никеля до самой поверхности Земли двигались в окружении железа, магния и хрома, что объясняется сходством их валентности (II) и ионных радиусов; в минералы двухвалентных железа и магния никель входит в виде изоморфной примеси. При дальнейшем движении спутники никеля окислились, и часть их ушла прочь в виде гидроокисей. Обогащенные никелем невзрачные землистые остатки ныне называются окисленными никелевыми рудами.

Содержание никеля в ультраосновных породах примерно в сотни раз выше, чем в кислых (1,2 кг/т и 8 г/т соответственно). 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 — при повышенном содержании в магме серы возникают сульфиды никеля вместе с железом, медью, кобальтом 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.

В биосфере и поверхностных водах никель слабый мигрант. Так его среднее содержание в растениях 5,0∙10-5 % на сырое вещество, в организме наземных животных 1,0∙10-6 %, в морских организмах — 1,6∙10-4 %, что обусловлено большим содержанием никеля в морской воде. В районах, где преобладают ультраосновные породы, почва и растения обогащены никелем.

Основной источник никеля — промышленные никелевые руды, которые подразделяются на сульфидные медно-никелевые и силикатные. В-первых главными минералами являются магнетит, кубанит, пентландит, миллерит, халькоперит, пирротин, нередко сперрилит. Месторождения этих руд принадлежат к магматическим образованиям. Содержание никеля в сульфидных рудах колеблется в пределах от 0,3 до 4 % и более. Кроме никеля и меди, из руд извлекается значительное количество кобальта, а также золота, платины, палладия и другие ценные металлы.

Силикатные никелевые руды представляют собой рыхлые и глиноподобные породы коры выветривания ультрабазитов, содержащие никель (обычно не менее 1 %). С корами выветривания серпентинитов площадного типа связаны руды, в которых никельсодержащими минералами являются: керолит, гётит, нотронит, серпентин, асболаны. С корами выветривания трещинного, контактово-карстового и линейно-площадного типов связаны руды главными минералами в которых являются гарниерит, никелевый керолит, непуит, ферригаллуазит. Среди силикатных руд выделяются желези стые, магнезиальные, кремнистые, глинозёмистые. В ряде месторождений совместно с силикатными никелевыми рудами залегают железо-никелевые руды с высоким содержанием железа (более 50 %).

Мировым лидером по добыче никеля является Россия, где также находятся и основные месторождения никелевых руд (в основном на Урале). Среди зарубежных стран по размерам добычи никелевых руд выделяются Канада, Новая Каледония, Филлипины, Индонезия, Австралия, Китай и Финляндия.

Применение

Главный потребитель металлического никеля — металлургия (до 80 % от всего выплавляемого никеля), ведь этот металл ценный легирующий элемент. Присадка никеля в сталь повышает химическую стойкость сплава, никель — обязательный компонент всех нержавеющих сталей. Также никелевые сплавы обладают рядом других ценных качеств: высокими механическими, антикоррозионными, магнитными или электрическими и термоэлектрическими свойствами.

Именно со сплавов началась история применение никеля: одни — железоникелевые — человек получил в готовом виде, другие — медно-никелевые — он научился выплавлять из природных руд, еще не зная, какие металлы в них входят. Современная промышленность насчитывает несколько тысяч сплавов, использующих никель, но по-прежнему сочетания железо–никель и медь–никель, предоставленные нам самой природой, остаются основой подавляющего большинства никельсодержащих сплавов.

Одним из первых в роду таких сплавов считают сплав — «пакт-хонг» или «пекфонг», который выплавляли в Китае с давних времен и продолжают выплавлять в наше время во всем мире. Состав сплава несложен: медь, никель (20 %) и цинк, в Европе данный сплав появился лишь в первой половине XIX века под названиями аргентан, немецкое серебро, нейзильбер (новое серебро) и многими другими. Большинство названий отражает схожесть сплава с серебром — красивый светлый цвет. Все дело в том, что никель обладает потрясающей способностью «отбеливать» сплав, так двадцати процентного содержания никеля достаточно, чтобы полностью «нейтрализовать» красный цвет меди.

Со временем нейзильбер стали использовать в чеканке монет, но в наше время этот сплав и родственный ему мельхиор (медь, никель и марганец) чаще применяют в технических целях. Важнейшие жаропрочные сплавы никеля: инконель, нимоник, хастеллой применяются в современных турбинах и реактивных двигателях. В состав таких сплавов входят никель (60 %), хром (15—20 %) и другие металлы. Производятся также металлокерамические жаропрочные сплавы, содержащие никель в качестве связующего металла. Сплавы типа нихрома широко применяются для изготовления элементов электронагревательных устройств. Такие сплавы содержат 80 % никеля и 20 % хрома. Из магнитных сплавов никеля особое значение приобрел пермаллой, содержащий 78,5 % никеля и 21,5 % железа, тонкие пленки пермаллоя — главный элемент запоминающих устройств вычислительных машин.

Особые сплавы никеля — монель-металл (сплав никеля с 30 % меди), используемый в химическом аппаратостроении, так как по механическим свойствам он превосходит никель, а по коррозионной стойкости почти не уступает ему. Никелин и констант еще одни сплавы никеля с медью, обладающие высоким электрическим сопротивлением, мало меняющимся с температурой. Эти сплавы применяются в электроизмерительной аппаратуре. Сплав никеля с железом – платинит – имеет коэффициент расширения такой же, как у стекла, что используется при впаивании вводов металлических контактов в стекло. Инвар – еще один сплав никеля (36 %) и железа (64 %) почти не расширяется при нагреве до 100 °C, этот сплав применяют в радио и электротехнике и химическом машиностроении.

Другое использование никеля — нанесение защитного слоя на стальные поверхности (никелирование) — создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Никелирование производится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля (II), гидроксид бора, хлорид натрия, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12—36 мкм.

Огромный потребитель никеля — «малая энергетика»: аккумуляторные батареи автомобилей, самолетов, карманных фонариков, прочих электроприборов по общей суммарной мощности не уступают мощностям крупнейших ГЭС и ГРЭС!

Никель используют как катализатор в самых разнообразных химических реакциях, например, специально приготовленный дисперсный никель — «никель Ренея».

Оксиды никеля используют при производстве ферритных материалов и как пигмент для стекла, глазурей и керамики; оксиды и некоторые соли служат катализаторами различных процессов.

Производство

Основную долю никеля (почти 80 %) получают из сульфидных медно-никелевых руд. Главными никелевыми рудами можно считать: никелин (бывший 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 никель, содержат примеси кобальта, меди, железа и магния.

Поразителен тот факт, что основная часть никеля производится как побочный продукт в технологиях получения других металлов. Лишь часть ценного металла является основным продуктом процесса рафинирования.

Различные виды никельсодержащих руд требуют определенной обработки. Так, например, тугоплавкие магнезиальные руды, как правило, подвергают восстановительной электроплавке на ферроникель, направляемый на производство сталей. Данный вид обработки уместен при малом содержании в окисленных рудах кобальта (от 5 до 50 % никеля и кобальта в составе руды).

Железистые — латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с применением аммиачно-карбонатного выщелачивания или сернокислотного автоклавного выщелачивания. Конечный продукт во многом зависит от состава сырья и схемы технологического процесса, в итоге можно получить сульфидные концентраты различного состава, закись никеля (76—90 % Ni), синтер (89 % Ni), никелевые порошки и кобальт, а также металлические никель электролитный.

Менее железистые — нонтронитовые руды плавят в смеси с флюсами в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10—15% Ni. Предварительно никелевый рудный концентрат подвергают частичному окислительному обжигу. Кроме никеля штейн содержит железо, кобальт, медь и даже благородные металлы. Железо отделяют продувкой жидкого штейна в конвертерах, после чего остается сплав сульфидов меди и никеля, так называемый файнштейн, который подвергают медленному охлаждению, измельчению, а затем направляют на флотацию для разделения никеля и меди. Либо применяется карбонильный процесс разделения этих двух металлов — метод Монда, заключающийся в обратимости реакции:

Ni + 4CO = Ni(CO)4

Над медно-никелевым файнштейн под высоким давлением (100—200 атмосфер) и при температуре 200—250° C пропускают СО. При этом образуется легколетучий тетракарбонилникеля Ni(CO)4, термическим разложением которого выделяют особо чистый металл. После разделения Ni и Cu никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до закиси никеля. Чистый металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах либо используется алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды:

3NiO + 2Al → 3Ni +Al2O3

Попутно извлекаемый в процессе кобальт выпускают в виде металла и (или) солей.

Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей, содержащих 5—8 % Ni, которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл. Кроме того, из силикатных руд никель также может быть сконцентрирован в штейне при введении в шихту плавки флюсов — гипса или пирита, образующийся штейн содержит 16—20 % собственно никеля, 16—18 % серы, остальное — железо. Извлечение никеля из штейна аналогично процессу для нонтронитовых руд, с той лишь разницей, что процесс отделения меди зачастую отпадает.

Мировым лидером по добыче и производству металлического никеля является Россия, далее следуют Канада, Австралия, Новая Каледония, Куба и Индонезия.

Физические свойства

Никель — серебристо-белый металл с бежевым отливом, твердый (твердость по Бринеллю 600—800 Мн/м2), но в тоже время пластичный и ковкий (модуль нормальной упругости 205 Гн/м2). Однако долгое время металлурги не могли получить никель, обладающий свойствами, которые описал Рихтер. Металл, получаемый при выплавке, был хрупким и совершенно непригодным для обработки. Как оказалось, примеси серы лишь в 0,03 % — достаточно, чтобы вконец испортить механические свойства никеля. Дело в том, что тончайшая пленка хрупкого сернистого никеля разъединяет зерна металла, нарушает его структуру. Примерно так же действует на свойства этого металла и кислород. Первые металлурги не знали, каким образом добиться необходимой чистоты никеля, но вскоре одно открытие решило проблему чистоты металла. Оказалось, что присадка магния в расплавленный никель перед разливкой освобождает элемент от примесей: магний активно связывает, «принимает на себя» серу и кислород. В очищенном от примесей состоянии никель весьма ковкий и вязкий материал, из которого возможно изготовление очень тонких листов и трубок малого диаметра (относительное удлинение 40 %). Предел упругости чистого металлического никеля 80 Мн/м2, предел текучести 120 Мн/м2. Предел прочности при растяжении 400—500 Мн/м2 или 40—50 кгс/мм2.

В обычных условиях никель имеет гранецентрированную кубическую решетку — а = 3,5236, атомный радиус 1,24A, ионные радиусы: Ni2+ 0,79A, Ni3+ 0,72A — β-модификации, однако, подвергнутый катодному распылению в атмосфере водорода, образует α-модификацию с гексагональной решеткой очень плотной упаковки (а = 2,65 A, с = 4,32 A), которая при нагревании выше 200 °C переходит в кубическую. В обычном (β-модификация) состоянии плотность никеля составляет 8,9 г/см3 (при температуре 20 C). Температура плавления никеля (tпл) составляет порядка полутора тысяч градусов Цельсия (1453° C), температура кипения (tкип) около 3000° C. По этой причине никель употребляется, как легирующий элемент для жаропрочных сталей. Ведь показатели плавления и кипения у никеля немногим ниже тех же показателей у титана (tпл = 1668° C; tкип = 3227° C) и хрома (tпл = 1890° C; tкип = 2500° C) — металлов, активно используемых в легировании сталей, работающих в условиях повышенных температур. Другие температурные показатели никеля — удельная теплоемкость (при 20 °C) 0,440 кдж/(кг•К) или 0,105 кал/(г•°C); температурный коэффициент линейного расширения 13,3•10-6 (в пределах 0—100 °C). Теплопроводность этого металла варьируется в зависимости от температуры, так при 25 °C она составляет 90,1 вт/(м•К) или 0,215 кал/(см•сек•°С), а уже при 500° C — 60,01 вт/(м•К) или 0,148 кал/(см•сек•C°).

Удельное электросопротивление никеля (при 20 C) 68,4 ном•м или 6,84 мком•см; температурный коэффициент электросопротивления 6,8•10-3 (в пределах 0—100 °C).

Интересны и магнитные свойства двадцать восьмого элемента. Никель — ферромагнетик, это следствие особенностей строения внешних электронных оболочек его атомов. В конце девятнадцатого века было открыто интересное свойство никеля, названное магнитострикцией. Оно заключается в том, что под действием магнитного поля стержень из никеля укорачивался в отличие от стержней близких данному металлу железа и кобальта. Механизм данного явления заключается в следующем — при возникновении внешнего магнитного поля хаотично расположенные микромагнитики металла (домены) выстраиваются в одном направлении, деформируя этим кристаллическую решетку. Эффект обратим: приложение механического напряжения к металлу меняет его магнитные характеристики.

Химические свойства

Для никеля характерны соединения со степенью окисления +2 и +3. В химическом отношении данный элемент можно охарактеризовать, как малоактивный — он устойчив к воздействию воздуха и воды, не растворяется в щелочах и ряде кислот. Столь высокая стойкость по отношению к агрессивным средам объясняется склонностью никеля к пассивированию, то есть образованию на его поверхности плотной оксидной пленки NiO, которая прочно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Как уже говорилось, компактный никель стабилен на воздухе, однако высокодисперсный (в виде порошка) металл пирофорен (самовоспламеняется на воздухе). Лишь при нагревании до температуры выше 800 °C металлический никель начинает активно реагировать с кислородом воздуха с образованием оксида NiO (зеленоватые кристаллы, практически нерастворимые в воде — минерал бунзенит), обладающего основными свойствами.

Оксид (закись) никеля существует в двух полиморфных модификациях: низкотемпературной с гексагональной решеткой и высокотемпературной с кубической решеткой, устойчивой при температуре выше 252 °C. Второй оксид никеля Ni2O3 является сильным окислителем. Этим оксидам соответствуют два гидроксида никеля: Ni(OH)2 и Ni(OH)3. Гидроксид никеля (II) выпадает в виде светло-зеленого осадка при действии щелочей на растворы солей этого металла. При нагревании гидроксид утрачивает воду и переходит в серо-зеленый оксид никеля (II) NiO. В отличие от гидроксидов железа (II) и кобальта (II), гидроксид никеля (II) кислородом воздуха не окисляется. В этом заключается более высокая устойчивость к окислению соединений никеля (II) по сравнению с аналогичными соединениями железа и кобальта. Гидроксид никеля (III) имеет черно-бурый цвет и образуется при действии щелочей на соли никеля в присутствии сильных окислителей.

Никель практически не взаимодействует с фосфорной, плавиковой и некоторыми другими кислотами, хотя серная и соляная кислоты медленно растворяют никель. Лишь в азотной кислоте происходит активное растворение этого элемента, причем в результате образуется нитрат никеля (II) Ni(NO3)2 и выделяется соответствующий оксид азота:

3Ni + 8HNO3 → 3Ni(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Сильные щелочи на никель не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (NH4)2CO3 с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет.

С графитом никель образует карбид Ni3C при медленном (сотни часов) науглероживании (цементации) порошка никеля в атмосфере СО при 300 °C, c фосфором — фосфиды составов Ni5P2, Ni2P, Ni3P. С азотом никель не реагирует даже при высоких температурах (до 1 400 °C). Нитрид Ni3N может быть получен пропусканием NH3 над NiF2, NiBr2 или порошком металла при температуре 445 °C. Нагревание порошков никеля и серы приводит к образованию сульфида никеля NiS. Кроме того, никель реагирует и с другими неметаллами.

При нагревании никель реагирует со всеми галогенами с образованием дигалогенидов NiHal2.

Соли никеля большей частью имеют зеленый цвет. Почти все соли Ni (II) и сильных кислот хорошо растворимы в воде. Труднорастворимы соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная и фосфорная. Большинство солей никеля разлагается при прокаливании (600—800 °C). Наиболее известны такие растворимые в воде соли никеля, как сульфат NiSO4, нитрат Ni(NO3)2, ацетат, хлорид и многие другие. Растворы окрашены обычно в зеленый цвет, а безводные соли — желтые или коричнево-желтые. К числу нерастворимых соединений никеля относятся оксалат и фосфат Ni3(PO4)2 (зеленого цвета), силикат Ni2SiO4, три сульфида NiS (черный), Ni2S3 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (черный).

При повышенных температурах никель взаимодействует с оксидами азота, SO2 и NH3. С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)4.