Nickel
Серебристо-белый металл, ферромагнетик, ключевой компонент нержавеющей стали и батарей.
Никель — химический элемент с символом Ni и атомным номером 28. Это серебристо-белый блестящий металл с легким золотистым оттенком, относящийся к твердым и ковким переходным металлам. Хотя чистый никель химически активен, крупные куски медленно реагируют с воздухом в стандартных условиях, поскольку на поверхности образуется пассивирующий слой оксида никеля, предотвращающий дальнейшую коррозию. Несмотря на это, самородный никель встречается в земной коре лишь в微量 количествах, обычно в ультраосновных породах и в крупных железо-никелевых метеоритах, не подвергавшихся воздействию кислорода за пределами земной атмосферы. Метеоритный никель встречается в сочетании с железом, что отражает происхождение обоих элементов как основных продуктов нуклеосинтеза в сверхновых; считается, что смесь железа и никеля составляет внешнее и внутреннее ядро Земли. Использование никеля в виде природного метеоритного железо-никелевого сплава прослеживается до 3500 г. до н. э. Элемент был впервые выделен и классифицирован в 1751 году Акселем Фредриком Кронстедтом, который первоначально принял руду за медный минерал на кобальтовых рудниках в Лосе, Хельсингланд, Швеция. Его название происходит от озорного духа из немецкой горняцкой мифологии — Nickel, потому что никелевые минералы могут быть зелеными, как медные руды, и назывались kupfernickel — «медь Никеля», так как не давали меди. Экономически важные никелевые руды — сульфиды, особенно пентландит, хотя большая часть никеля в земной коре существует в виде оксидов. Основные места добычи включают Сулавеси, Индонезия; район Садбери, Канада; Новая Каледония; Западная Австралия; и Норильск, Россия. Никель — один из четырех элементов, ферромагнитных при комнатной температуре, наряду с железом, кобальтом и гадолинием. Постоянные магниты Alnico, частично на основе никеля, обладают промежуточной силой между магнитами на основе железа и редкоземельными магнитами. Около 68% мирового производства используется в нержавеющей стали, с дальнейшим применением в сплавах на основе никеля и меди, гальванопокрытиях, легированных сталях, литейном производстве и аккумуляторных батареях, включая те, что используются в электромобилях. Никель широко используется в монетах, хотя никелированные предметы могут вызывать аллергию на никель. В виде соединений он служит катализатором гидрирования, катодным материалом для аккумуляторных батарей, а также используется в пигментах и обработке металлических поверхностей. Он также является незаменимым питательным веществом для некоторых микроорганизмов и растений, имеющих ферменты с никелем в активном центре.
Quick Facts
- Atomic number
- 28
- Discoverer
- Axel Fredrik Cronstedt
- Category
- transition metal
- Primary use
- stainless steel (68% of world production)
Facts from the source article.
Контекст
Никель — это серебристо-белый блестящий металл с легким золотистым оттенком, который хорошо полируется. Он твердый, ковкий и пластичный, и является одним из всего четырех элементов, ферромагнитных при комнатной температуре или около нее, наряду с железом, кобальтом и гадолинием. Его температура Кюри составляет 355 °C, выше которой массивный никель становится немагнитным. Металл имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру с параметром решетки 0,352 нм, что дает атомный радиус 0,124 нм, и эта структура остается стабильной при давлениях до как минимум 70 ГПа. Никель обладает относительно высокой электро- и теплопроводностью для переходного металла. Чистый никель химически активен, но в больших кусках он медленно реагирует с воздухом в стандартных условиях, поскольку на поверхности образуется пассивирующий слой оксида никеля, предотвращающий дальнейшую коррозию. Самородный никель встречается в земной коре лишь в微量 количествах, обычно в ультраосновных породах и внутри крупных железо-никелевых метеоритов, не подвергавшихся воздействию кислорода за пределами атмосферы. Метеоритный никель встречается в сочетании с железом, что отражает происхождение этих элементов как основных конечных продуктов нуклеосинтеза в сверхновых. Считается, что смесь железа и никеля составляет внешнее и внутреннее ядро Земли. Никелевые минералы могут быть зелеными, как медные руды, и исторически были известны как kupfernickel — «медь Никеля», потому что не давали меди.
Путеводитель
Значение никеля заключается в его широком промышленном применении и уникальных физических свойствах. Около 68% мирового производства используется в нержавеющей стали, с дополнительным применением в сплавах на основе никеля и меди (10%), гальванопокрытиях (9%), легированных сталях (7%), литейном производстве (3%) и аккумуляторных батареях, включая те, что используются в электромобилях (4%). Это один из всего четырех элементов, ферромагнитных при комнатной температуре, наряду с железом, кобальтом и гадолинием, и используется в постоянных магнитах Alnico промежуточной силы. Никель также является незаменимым питательным веществом для некоторых микроорганизмов и растений. Элемент имеет спорную электронную конфигурацию: учебники по химии приводят [Ar] 3d8 4s2, но исследовательская литература указывает [Ar] 3d9 4s1 как основное состояние. Его изотопы включают никель-62, который имеет самую высокую энергию связи на нуклон среди всех нуклидов, и никель-78, считающийся важным в нуклеосинтезе сверхновых. Наследие никеля включает его роль в чеканке монет, хотя никелированные предметы иногда вызывают аллергию на никель, а его соединения служат катализаторами гидрирования и катодами для аккумуляторных батарей.
Открытие, название и древние корни
Идентичность никеля как отдельного элемента была установлена в 1751 году на кобальтовых рудниках в Лосе, Хельсингланд, Швеция, где Аксель Фредрик Кронстедт выделил металл, первоначально приняв его руду за медный минерал. Само название несет в себе озорной отголосок, происходя из немецкого горняцкого фольклора, где «Никель» — подобно Старому Нику — был духом-проказником. Никельсодержащие руды часто имели зеленый цвет, имитируя медные месторождения, но при плавке не давали меди, что побудило горняков называть их kupfernickel, буквально «медь Никеля». Несмотря на позднюю формальную классификацию, практические отношения человечества с этим металлом уходят удивительно далеко в древность. Природный метеоритный железо-никелевый сплав, как прослежено, использовался людьми еще в 3500 г. до н. э., то есть древние народы придавали форму и обрабатывали этот элемент задолго до того, как его научная идентичность была сформулирована. В современной периодической таблице никель носит символ Ni и атомный номер 28, прочно закрепляя его среди переходных металлов.
Физические свойства и атомная структура
Никель представляет собой серебристо-белый металл с легким золотистым оттенком, который хорошо полируется. Он твердый, ковкий и пластичный, и обладает заметно высокой электро- и теплопроводностью среди своих собратьев-переходных металлов. Его кристаллическая решетка — гранецентрированная кубическая, с параметром решетки 0,352 нм и атомным радиусом 0,124 нм; эта структура остается стабильной при давлениях, превышающих 70 гигапаскалей. Пожалуй, самым примечательным его свойством является ферромагнетизм при комнатной температуре или около нее — свойство, которым среди всех элементов обладают только железо, кобальт и гадолиний. Выше температуры Кюри, составляющей 355 градусов Цельсия, массивный никель теряет эту магнитную характеристику. Теоретическая прочность на сжатие идеального кристалла никеля достигает 34 гигапаскалей — величина, никогда не реализуемая в массивном материале из-за образования и движения дислокаций, хотя наночастицы никеля ее достигают. В атомной физике продолжается дискуссия о том, является ли электронная конфигурация основного состояния [Ar] 3d⁸ 4s² или [Ar] 3d⁹ 4s¹, причем два набора уровней тонкой структуры перекрываются по энергии.
Звездное происхождение и изотопное наследие
Глубочайшее повествование никеля написано в звездном огне. Наряду с железом, он является основным конечным продуктом нуклеосинтеза в сверхновых, и считается, что смесь железа и никеля составляет как внешнее, так и внутреннее ядро Земли. Среди его изотопов никель-62 обладает самой высокой энергией связи на нуклон среди всех нуклидов — 8,7946 МэВ на нуклон, превосходя даже более распространенные изотопы железа. Однако железо доминирует в космической распространенности, потому что никель подвергается быстрому фотодиссоциации в звездных недрах. Радиоактивный никель-56, образующийся во время горения кремния, выбрасывается в огромных количествах сверхновыми типа Ia; его распад путем электронного захвата в кобальт-56 и, в конечном итоге, в железо-56 формирует характерные кривые блеска, наблюдаемые на промежуточных и поздних стадиях этих взрывов. Никель-60, дочерний продукт вымершего радионуклида железо-60 с периодом полураспада 2,6 миллиона лет, открывает окно в раннюю историю Солнечной системы. Вариации содержания никеля-60 во внеземных материалах могут раскрыть детали того, как формировалась наша планетная система.
Промышленная рабочая лошадка и биологическая роль
Экономическая жизнь никеля определяется его ролью в нержавеющей стали, на которую приходится примерно 68 процентов мирового производства. Еще 10 процентов идет на сплавы на основе никеля и меди, 9 процентов — на гальванопокрытия, 7 процентов — на легированные стали и 3 процента — на литейное производство. Оставшиеся 4 процента поддерживают разнообразные применения, включая аккумуляторные батареи — критически важные компоненты электромобилей, а также чеканку монет, где ценится коррозионная стойкость никеля. Постоянные магниты Alnico, частично на основе никеля, занимают промежуточное положение по силе между магнитами на основе железа и редкоземельными магнитами. Помимо металлургии, соединения никеля служат катализаторами гидрирования, катодами батарей, пигментами и средствами для обработки металлических поверхностей. Экономически важными рудами являются сульфиды, особенно пентландит, добываемые на Сулавеси, в районе Садбери в Канаде (месторождение которого, возможно, имеет метеоритное происхождение), Новой Каледонии, Западной Австралии и Норильске, Россия. Биологически никель функционирует как незаменимое микроэлементное питательное вещество для некоторых микроорганизмов и растений, где он занимает активные центры в специализированных ферментах.
More in Химия и материалы
Заметили ошибку?
Исправления от читателей сразу попадают в нашу очередь на проверку. Предложить правку · Как собираются источники для этого сайта