Химические и физические свойства элемента

Рис.2.1.1. Схема атома никеля

Никель – серебристо-белый с желтоватым оттенком металл, очень твердый, вязкий и ковкий, притягивается магнитом, проявляя магнитные свойства при температурах ниже 340C. Он не отличается высокой химической активностью, устойчив в атмосфере, воде, щелочах и ряде кислот, что связано со склонностью никеля к пассивированию за счет образования поверхностной оксидной пленки, устойчивой к коррозии. 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 зеленый цвет, а безводные соли – желтые или коричнево-желтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зеленые), три сульфида NiS (черный), Ni2S3 (желтовато-бронзовый) и Ni3S4 (черный). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(HC4H6N2O2)2, дающий четкую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля («Справочник по геохимии», 2004). [3]

Физические и химические свойства никеля — ковкий и пластичный металл. Он обладает кубической гранецентрированной кристаллической решеткой. Температура плавления 1455°C, температура кипения около 2900°C, плотность 8,90 кг/дм3. Никель — ферромагнетик, точка Кюри около 358°C. [3]

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. [3]

Металлический никель реагирует с азотной кислотой, причем в результате образуется нитрат никеля (II) Ni(NO3)2 и выделяется соответствующий оксид азота, например: [3]

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. [3]

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 NiO1,33-2,0. [3]

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. [3]

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. [3]

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. [3]

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

Для никеля характерно образование комплексов. Так, катион Ni2+ с аммиаком образует гексаамминовый комплекс [Ni(NH3)6]2+ и диакватетраамминовый комплекс [Ni(NH3)4(Н2О)2]2+. Эти комплексы с анионами образуют синие или фиолетовые соединения. [3]

При действии фтора F2 на смесь NiCl2 и КСl возникают комплексные соединения, содержащие никель в высоких степенях окисления: +3 — (K3[NiF6]) и +4 — (K2[NiF6]). [3]

Порошок никеля реагирует с оксидом углерода (II) СО, причем образуется легко летучий тетракарбонил Ni(CO)4, который находит большое практическое применение при нанесении никелевых покрытий, приготовлении высокочистого дисперсного никеля и т. д. [3]

Характерна реакция ионов Ni2+ с диметилглиоксимом, приводящая к образованию розово-красного диметилглиоксимата никеля. Эту реакцию используют при количественном определении никеля, а продукт реакции — как пигмент косметических материалов и для других целей( В. А. Васильев,«Экологическая геохимия»,2004). [3]

2.2 Распространенность  элемента в природе.

Никель, впервые попавший в руки человека, — небесного происхождения: содержащее этот элемент прочное и стойкое к ржавлению метеоритное железо шло не только на талисманы, но и на оружие. А имя к элементу № 28 пришло скорее из преисподней, чем с неба. Это было в середине XVII В., а может быть и раньше. Старый Ник, насмешливый и любопытный гном, тогда еще проживавший в горах Саксонии, любил поддразнить горняков и нередко подсовывал им вместо полноценной медной руды похожий на нее минерал, из которого, однако, не удавалось выплавить ни меди, ни металла вообще. По имени этого гнома и был назван элемент. [2]

Никель довольно распространён в природе — его содержание в земной коре составляет около 0.01 % от всей массы. Никель обычно содержится в сульфидных и мышьяк-содержащих медно-никелевых рудах (например, купферникель (никелин) NiAs, 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. Никель является контрастным элементом; высокое его содержание  характерно для океанической и нижней (по 0,013%) земной коры, более низкое - для верхней коры (0,002-0,003%), причем в архейской немного выше (0,01%); в мантии концентрация наиболее высока (0,2%). В океанических глубоководных зонах (0,016 %), в переходных (0,011%), щитах (0,0064%) и складчатых зонах (0,0053 %). Средний показатель в общей земной коре, по всем имеющимся данным, составляет 0,01±0,001 и принят за кларк. [2]

В метеоритах преобладают сидерофильные свойства никеля (%): железные - среднее 8,76, гексаэдриты 6,0, октаэдриты 8,27, атакситы 18,8, троилитовая фаза 1,3; железно-каменные - среднее 4,75, палласиты 4,89,мезосидериты 4,70, железная фаза 10,0; хондриты углистые 10,98, обыкновенные  1,6,  энстатитовые  4 1,8, железная фаза 10,16; ахондриты - уреилиты 0,13, говардиты и эвкриты по 0,0013. [2]

Содержание никеля в лунных породах (г/т): реголит 137-260("Луна-16", "Аполлон-11,-17"), базальт морской 41±19, материковый 161-343.

Никеленосность  Fe-Mn океанических конкреций, имеющих самые высокие генеральные оценки среднего содержания Ni - 0,66 % (от 0,008 до 2,48 %). В региональном плане наиболее высокая концентрация Ni и Со приурочена к тектонически наиболее активной Калифорнийской площади, включающей зону Кларион-Клиппертон (Тихий океан) -0,9 % никеля, что говорит в пользу большого значения гидротермально-эксгаляционной составляющей для этих металлов. Это подтверждается тем, что в гидротермально активной широтной тектонической зоне Кларион-Клиппертон среднее содержание никеля- 1,25 %. [2]

В Атлантическом океане средние показатели для разных зон меняются от 0,32 до 0,48 %, в Индийском - 0,43-0,48 %. Никель накапливаются в конкрециях с глубины 4000 м (в среднем 0,71 и 0,52 %), для горных структур его содержание уменьшается от 1,2 до 2 раз, что, вероятно, связано с их различной ассоциацией Ni-Mn. Особенно низкое содержание никеля (генеральное среднее значение для конкреций 0,29±0,10) и максимальном в корках на глубине 1100-1500 м. В современном осадочном бассейне Балтийского, Белого, Черного и других морей содержится металлов (%): Ni 0,02±0,006. [2]

А. Фридрих и др.  в 1984 установили, что содержание никеля в Тихом океане связано с его количеством в осадках (%) : цеолитсодержащие пелагические глины - 0,02-0,04 Ni, , конкреции в них - 0,60-1,13; карбонатные илы и цеолитсодержащие мергели - 0,077-0,90, , конкреции - 1,41-1,80. Изучение фракций осадков различной магнитности показало, что во фракции   <63 мкм (89,7 % массы осадков) содержание никеля составило соответственно 0,03%, а для фракции > 63 мкм - от 0,007 и 0,006 в немагнитной, до 1,23 и 0,14 в сильномагнитной. [2]

Показатели содержания никеля в конкрециях Тихого океана, залегающих в диагенетических и седиментационно-диагенетических осадках, по М.П. Скорняковой (1984), выше (1,14 %), чем в седиментационных (0,69%). Нижние части конкреций во всех обстановках богаче Ni, чем верхние, беднее. Носителями никеля являются также сульфиды никелин, тенит, виоларит, различные сульфиды железа, халькопирит. Опыты по изучению сорбционных свойств  природных и синтетических Fe-Mn конкреций, проведенные Н.Ф. Челищевым и др. выявили, что основной фактор накопления цветных металлов - их высокая сорбционная способность, которая необратима; никель в ряду его сорбционной емкости находятся в начале возрастающего ряда: (Na, К, Cs) < (Ni)<Са < Sr < Zn < Ba < Cd < Си < Pb. [2]

Общее среднее содержание никеля в почвах мира, по А. Кабата-Пендиас, оценивается: кларк - в 20 мг/кг, в том числе фермы для США - в 19 и для Китая. По З. Юпинг и др. (1984),- в 92 мг/кг. Наиболее богаты им почвы аридных и семиаридных районов, особенно на вулканических породах, глинистые и суглинистые, богатые органикой; для США оценки содержания никеля соответственно 150—200, 22 (суглинистые); 20 (глинистые); 22 (светлые почвы пустынь); в остальных почвах < 20 мг/кг сухой массы. [2]

Обобщенные многочисленные данные по различным типам почв  стран мира (мг/кг сухой массы); подзолы и песчаники – Канада-  34, КДНР - 58; бывш. СССР -15, Новая Зеландия - 70; лёссовые и пылеватые - бывш. СССР -11, КДНР – 70, Новая Зеландия - 44; суглинистые и глинистые почвы - бывш. СССР - 24, КДНР 10-14, Канада - 38, Мьянма 27-91; ледниковая морена - Дания – 6, Ирландия 5-25; флювиосоли - Австрия 20-30; глейсоли - бывш. СССР -36, Австрия -6; каштановые и бурые - бывш. СССР 10-34, Австрия 6-25, Мьянма 12-39, Ирландия 10-20; солончаки и солонцы - бывш. СССР 10-76; черноземы - бывш. СССР 14-40; луговые - бывш. СССР 27-75; лесные почвы бывш. СССР 22-25. [2]

Для различных ландшафтных зон бывшего СССР распределение никеля в почвах систематизировано В.В. Добровольским. При этом генеральное среднее для разных типов почв по всем приведенным данным составляет 19,2±0,5, что гораздо ниже, чем ранние кларки в почвах 40-50 мг/кг. [2]

Биофильность никеля  довольно низкая (БфП-103), как и биогенность (Бг -0,085). По степени накопления в растениях (фитофильность) он относится к средней группе, но сильного захвата. Для различных климатических зон Бг в растениях меняется: тундровая  0,21; лесная  0,046 (древесная 0,026, растительная 0,066); степная 0,062; пустынная 0,059. В общем считается, что никелевая доступность для растений уменьшается при повышении рН почв, а пределы колебаний содержания очень велики - от 0,05 до 5 мг/кг. Считается также, что из всех необходимых для жизни элементов никель требуется в очень малых количествах. Отмечается, что он содержится в уреазе и необходим для получения азота из мочевины, а его избыток приводит к недостатку железа и вызывает хлороз. Концентрации никеля, при которых в листьях растений обнаруживается отравление, колеблются от 0,25 до 3000 мг/кг в зависимости от вида, возраста и типа ткани. [2]

В ряду молярной токсичности металлов  он учтен только для цветущих растений и находится в конце ряда Hg > Pb > Си > Cd > Cr > Ni > Zn.

В относительно чистом воздухе над океанами содержание никеля  в среднем 0,3 нг/л (по другим данным, в Тихом океане 4 мкг/л), в аэрозоле 20 г/т. На континентах концентрация его в воздухе выше: в Японии 1-150, самая высокая; в США до 126 (среднее значение 100) при среднем уровне за 1965-1968 гг. - 35; в ФРГ 1-120, Англии 1-200; в Норвегии 1,2 (среднее значение для Западной Европы - 25). [2]

В атмосферном воздухе территорий СНГ (аэрозольная составляющая, нг/м3) фоновое содержание составляет: Прибрежный Крым 7, Московская обл. (оз. Глубокое) 5. В атмосферных  осадках над территорией Верхней Волги среднее содержание никеля в растворе составило 25 мкг/л. Высокая его концентрация установлена И.К. Неждановой и др. (1991) для сажи из талого снега - до 1440 мкг/л при отношении его в твердой и жидкой фазах. [2]