Химические и физические свойства элемента

В атмосферном воздухе типичного крупного промышленного города 0,12 мкг/м3, в центре очагов загрязнения, в мощных их источниках, 7 мкг/м3. Оценки содержания никеля  для разных производств (мкг/м3): заводы сталеплавильный 0,09, чугунолитейный 0,35, машиностроительный и шлифовальный по 0,06; магистраль с интенсивным движением автотранспорта 0,02. [2]

Оценка кларка никеля в океанической воде 1-5108 %, чаще 0,5 мкг/л. Генеральное среднее из значений клерков в океанической воде, подсчитанное по данным разных исследователей (3,8±1)108%. Количество никеля от поверхности океанов (Тихий, Атлантический 1·108) к глубинным слоям (Тихий 5,7-108, Атлантический 4-108) значительно увеличивается. В океанических глинистых илах -225, а в известковых -30 г/т. В речной воде его кларки от 3-108 до 5-107 %; генеральная средняя оценка 1,5±4 мкг/л (107). В поверхностных водах фоновое содержание 0,3 мкг/л, в водах с окислительной обстановкой 0,8-5, средний показатель для вод гипергенеза 3,3 мкг/л. [2]

Коэффициент водой миграции у никеля (0,65)  значительно выше, чем у Ti (0,01), Мn (0,12), V (0,10) и Сr (0,24). [2]

По обобщенным данным А. Самама, содержание никеля (106 г/л) в речных водах в растворенной форме -2.2, во взвешенной - 90. В подземных водах концентрация его меняется в еще больших пределах и нередко достигает 40 (до 130) мкг/л. Это связано с легкой Миграцией никеля в кислых и нейтральных водах и гидролизуемостью его в Мелочных. Основными растворенными подвижными формами  являются аминокислоты, гуминовые и фульвокислоты (в организмах - карбонил Ni(CO)4, наиболее прочен цианид). В поверхностных водоемах США среднее содержание никеля -19, а максимальное 130 мкг/л, в водопроводной воде (100 городов на начало 60-x гг.) ,4,8 при разбросе значений от 0,04 до 59 мкг/л. Более поздние специальные исследования водопроводной воды из Хартфорда и Коннектикута дали среднее значение 1,1±0,3 мкг/л (1972 г.), что считается более надежной оценкой. Особенности поведения  никеля в водных системах в условиях техногенеза изучены Ю.Е. Саетом и др. Установлено, что он находится во взвешенной и растворенной формах и прослеживается зональность в его распределении в техногенном водотоке при более существенном снижении взвешенной формы по сравнению с растворенной по его протяжению. Основными растворенными формами, содержащими никель, являются органическая - 4,9 мкг/л и неорганическая - 11,6 мкг/л, Формы нахождения его в донных отложениях малой реки различны и составляют (мкг/кг; В - валовое содержание; формы: с - сорбционно-карбонатная, о - органическая, г - гидроооксидная, к - кристаллическая;( I - выше города, П - ниже города) IВ -24, с -10,3, о -5,1, г -3,0, к  -5,5 ПВ -106, с -51, о -13,7, г -23,6, к -17,1. [2]

Считается, что никель в ряду растворимости многих его солей легко переходит в воду и создает большие проблемы при промышленном водосбросе. В обычном водоснабжении его концентрация в поверхностных водах достигала 1 мг/л (при обычных уровнях 2-5 и 5-2С мкг/л в зависимости от применяемой арматуры). В водопроводной воде США среднее содержание 48 мкг/л. (В. А. Васильев, «Экологическая геохимия», 2004). [2]

2.3. Миграция  элемента в природных системах.

В распределении никеля в земной коре отмечается большое сходство. Так, наиболее высокие содержания никеля характерны для ультраосновных пород (1400—2000 мг/кг); с увеличением кислотности горных пород его концентрации уменьшаются до 5—15 мг/кг в гранитах. В осадочных породах они изменяются от 5 до 90 мг/кг, причем наиболее высокие значения характерны для глинистых отложений, а наиболее низкие — для песчаников. [4]

По геохимическим свойствам никель является сидерофильным элементом. Из-за высокого сродства к сере он часто ассоциируется с сегрегатами сернистых тел. В континентальных отложениях никель присутствует главным образом в виде сульфидов и арсенидов и часто замещает железо в железомагнезиальных соединениях. Он также ассоциируется с карбонатами, фосфатами и силикатами. [4]

При выветривании горных пород никель легко высвобождается, а затем осаждается преимущественно с оксидами железа и марганца. Однако, подобно Мn2+ и Fe2+, двухвалентный никель относительно стабилен в водных растворах и может мигрировать на значительные расстояния. При выветривании обогащенных Ni горных пород (главным образом в условиях тропического климата) наблюдалось образование гарниерита (Ni, Mg)SiO3·nH2O, который представляет собой глинистый минерал с плохо установленным составом. Органическое вещество обнаруживает способность к абсорбции никеля, вероятно поэтому он концентрируется в угле и нефти. [4]

Принято считать, что в почвах никель тесно связан с оксидами Мn и Fe, однако для большинства почв с оксидами Мn экстрагировалось менее чем 15—30% общего его количества. Относительно высокая доля никеля, выщелачиваемого из почв ЭДТА, позволяет предполагать, что этот элемент менее активно фиксируется различными почвенными компонентами, нежели кобальт. [4]

В   верхних  горизонтах   почв   никель   присутствует  главным образом  в  органически  связанных  формах,  часть  из  которых может  быть  представлена  легкорастворимыми  хелатами. Однако Норриш  утверждает, что формы никеля, связанные с оксидами железа и марганца, по-видимому, наиболее доступны для растений. [4]

Распределение никеля в почвенном профиле зависит от содержания, как органического вещества, так и аморфных оксидов и глинистой фракции, которое определяется типом почв. Концентрации никеля в природных растворах верхних горизонтов различных почв изменялись от 3 мкг/л на границе до 25 мкг/л в центре рассматриваемого пространства. [4]

Информация об ионных формах никеля в почвенном растворе весьма  ограниченна,  однако,  по данным   Гаррелса  и  Крайста, такие его формы, как Ni2+, NiOH+, HNiO2 и Ni(OH)3, вероятно, могут наблюдаться в тех случаях, когда этот элемент не полностью связан в хелатные комплексы. Как правило, растворимость никеля в почвах находится в обратной зависимости от величины рН. [4]

Блумфилд отметил,  что,   хотя  органическое  вещество способно    мобилизовать    никель    из    карбонатов    и    оксидов, а также уменьшить его сорбцию глинами, степень связывания этого металла с органическими лигандами не может быть особенно высокой. [4]

Состояние никеля в почвах во многом определяется его содержанием в материнских породах. Однако уровень концентраций никеля в верхнем слое почв зависит также от почвообразующих процессов и техногенного загрязнения. [4]

Самые высокие содержания никеля наблюдаются в глинистых и суглинистых почвах, в почвах на основных и вулканических породах и в почвах, богатых органикой. Особенно высокими уровнями содержаний отличаются торфянистые серпентинитовые почвы, в которых никель присутствует в виде легкорастворимых органических комплексов. Почвы аридных и семиаридных регионов, вероятно, также характеризуются высокими концентрациями никеля. Общее среднее для почв земного шара оценивается в 20 мкг/кг, а для почв США — в 19 мг/кг; среднее содержание в широко распространенных почвах Китая, подстилаемых известняками, оценивается в 92 мг/кг, а пределы колебаний— от 2 до 450 мг/кг. [4]

В настоящее время никель считается серьезным поллютантом, поступающим в окружающую среду с выбросами металлообрабатывающих предприятий и в связи с растущими темпами сжигания угля и нефти. Применение осадка сточных вод и некоторых фосфатных удобрений также может быть важным источником его поступления в почвы. Антропогенные источники никеля, в частности промышленная деятельность, приводят к существенному увеличению его содержаний в почвах. В осадках сточных вод никель присутствует главным образом в форме легкодоступных органических хелатов, т. е. может быть фитотоксичным. Обработка почв, например внесение фосфатов или органического вещества, способствует снижению доступности Ni для растений (В. В. Иванов, «Экологическая геохимия элементов», 1996). [4]

2.4. История  геохимии элемента.

Никель был открыт в 1751г. шведским металлургом А.Ф.Кронстедтом. Это серебристо-белый металл с сильным блеском, не тускнеющий на воздухе. Никель тверд, тугоплавок и легко полируется. При отсутствии примесей (особенно серы) он весьма гибок, ковок, тягуч и способен развальцовываться в очень тонкие листы и вытягиваться в проволоку. Температура плавления никеля 1455 0С, температура кипения 2990 0С, плотность 8,9 г/см3. Кларк никеля, по А.П. Виноградову , 0,008%.[4]

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 «дьявольская руда». 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 никель 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. В русской литературе начала XIX в. употреблялись названия николан (Шерер, 1808), николан (Захаров, 1810), николь и никель (Двигубский, 1824). [4]

Наиболее древние – сульфидные медно-никелевый месторождения архейских зеленокаменных поясов расположены на западе Австралии. Одни месторождения этого района заключены в пачке высокомагнезиальных вулканогенных пород мощностью 240-600 м, залегают они в горизонте серпентинизированных комтиитовых перидотитов. Образование руд произошло до метаморфизма вулканогенных толщ. Месторождения второго более позднего типа ассоциируют с дайками дунитов. [4]

На орогенной стадии геосинклинальных областей образуются комплексные никель-кобальтовые месторождения (часто с серебром, висмутом, ураном), ассоциирующие с комплексами гранитоидов.

Крупные сульфидные медно-никелевые месторождения возникли на активизированных древних платформах и щитах. Оруденение приурочено к расслоениям массивам основных и ультраосновных пород, а также связано с трапповым магматизмом. [4]

Основные эпохи медно-никелевого оруденения – архейская (Западная Австралия), протерозойская (Канадский и Балтийский щиты, Ю.Африка) и мезозойская (Сибирская платформа). К наиболее важным рудным районам относятся Сёдберри и Томпсон (Канада), Камбалда (З.Австралия), районы Кольского полуострова и Норильский район (Россия). [4]

Силикатно-никелевые месторождения коры выветривания основных и ультраосновных пород Урала, Кубы, Новой Каледонии, Филиппин, Австралии и др. возникли в мезозойское время в платформенных условиях. [4]

Никель концентрируется главным образом в мафитах и ультрамафитах в виде примеси к силикатам и рассеянных мелких выделений сульфидов. Из гранитоидной магмы никель (вместе с кобальтом, мышьяком, серой, а иногда и висмутом, серебром, ураном) выносится в гидротермальных растворах и образует жильные сульфидные и силикатные никелевые месторождения. В поверхностных условиях никель переносится грунтовыми водами и в виде водных силикатов накапливается в коре выветривания. Известно более 40 минералов никеля и более 100 минералов, в которых никель и кобальт присутствуют совместно. На более часто встречающиеся и промышленные минералы никеля: сульфиды пентландит, миллерит, никелин, никелестый пирротин, полидимит, кобальт-никелевый пирит, виоларит, бравоит, ваэсит, хлоантит, раммельс-бергит, герсдорфит, ульманит, водные силикаты – гарниерит, аннабергит, ховахсит, ревдинскит, шухардит, никелевые нонтрониты и никелевые хлориты. Обычно разрабатываются месторождения сульфидных руд, содержащие 1-2% никеля, и силикатные руды, содержащие 1-1,5% Ni. Сульфоарсенидные никель-кобальтовые руды добываются в небольшом количестве. Никель получают из комплексных руд: медно-никелевых, кобальт-никелевых, железоникелевых. Для комплексных сульфидных руд никеля минимальным промышленным содержанием считается 0,2%, для оксидно-силикатных – 0,6%. Сульфидные медно-никелевые руды бывают массивными, вкрапленными и прожилковатовкрапленными. Богатые руды с содержанием никеля не ниже 2-2,5% направляются в плавку. Более бедные руды предварительно обогащаются методом флотации. Силикатные руды никеля с содержанием металла 1,1-2% обогащению не поддаются. Они просушиваются, брикетируются, к ним примешиваются добавки, содержащие серу, и руды направляются в плавку. Сульфидо-арсенидные руды комплексные (никель, кобальт, серебро, иногда золото, висмут, уран) обычно богатые. В случае необходимости они подвергаются обогащению методом флотации. [4]

Никель обладает ценными свойствами: ферромагнитностью, ковкостью, тягучестью, не окисляемостью на воздухе, сильным блеском, хорошо полируется, поддается прокатке, ковке и сварке. Основная часть добываемого никеля (87%) идет на производство жаропрочных, конструкционных, инструментальных, нержавеющих сталей и сплавов; относительно небольшая часть никеля расходуется на производство никелевого и медно-никелевого проката, для изготовления проволоки, лент, разнообразной аппаратуры для химической и пищевой промышленности, а также в реактивной авиации, ракетостроении, в производстве оборудования для атомных электростанций, для изготовления приборов радиолокации. Сплавы никеля с медью, цинком, алюминием (латунь, нейзильбер, мельхиор, бронза), сплав никеля и хрома (нихром) и монельметалл (75% меди и 25% никеля) широко используются машиностроительной промышленностью. Сплав никонель применяется в ракетостроении; элинар сохраняет постоянную упругость при различных температурах; платинит заменяет дорогую платину; пермаллой обладает магнитной проницаемостью. Пермаллойные сердечники есть в любом телефонном аппарате. Десятая часть никеля, производимого в мире, идет на изготовление катализаторов в нефтехимическом производстве. [4]

2.5. Элемент  в природно-техногенных системах.

Техногенное загрязнение никеля окружающей среды весьма существенно, в городах содержание его в почвах составляет 37-107 мг/кг. Высока его концентрация независимо от численности населения в производственных районах. [5]

Загрязнение никеля типично для многих производств и составляет (мг/кг): в Великобритании - отходы рудников 2-1150, металлообработка 506-600, сельскохозяйственные почвы, обработанные сточными водами, 23-95. Норма, принятая ЕЭС для никеля в осадках сточных вол. применяемых для сельского хозяйства, 300 (в Нидерландах 50, в Англии 600), для удобрения почв - до 101 (в Швеции). В районах, подвергшихся техногенному загрязнению, содержание никеля может достигать значительно больших величин; трава из района металлообрабатывающей промышленности в Великобритании содержала 1700-32000 мг/кг, листья злаков 230-250, хвощ 140 мг/кг и т.д. [5]

Наиболее высокое техногенное загрязнение наблюдается районах с никелевой горнорудной и перерабатывающей промышленностью, так как для получения 1 т никеля требуется добыть и переработать многие десятки и сотни тонн руды. Например, в районе г. Садбери (Канада) в атмосферном воздухе содержалось 530-700 нг/л3 никеля, водопроводной воде 0,2±0,4 мг/л, в воде водоемов для сточных вод до 5,7 мг/л. На никелевом производстве в бывш. СССР после реконструкции в воздухе цехов содержание Ni составляло 0,7-2,3, а до нее 4-4,5 мг/м3, растворенных его соединений было соответственно 0,09-0,17 и 0,11-0,56 мг/м3. При получении продукции на 1 т. никеля приходится 150 т металлургических шлаков, а общие объемы этих отходов у нас оцениваются в 330 млн. т. (80-е гг.), запасы никеля - в 300 тыс.т. объемы хвостов обогащения Ni-Co отрасли - в 400 млн т, запасы никеля - в 521 тыс. т. [5]