Никель и его соединения. Примеры решения задач

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Никель - двадцать восьмой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Ni от латинского «niccolum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 28.

Подобно кобальту, никель встречается в природе преимущественно в виде соединений с мышьяком или серой; таковы, например, минералы купферникель NiAs, мышьяковоникелевый блеск NiAsS и др. Никель более распространен, чем кобальт [около 0,01% (масс.) земной коры].

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком (рис. 1), очень тверд, хорошо полируется, притягивается магнитом. Он характеризуется высокой коррозионной стойкостью - устойчив в атмосфере, в воде, в щелочах и ряде кислот. Активно растворяется в азотной кислоте. Химическая стойкость никеля обусловлена его склонностью к пассивированию - к образованию на поверхности оксидных пленок, обладающих сильным защитным действием.

Рис. 1. Никель. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса никеля

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии никель существует в виде одноатомных молекул Ni, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 58,6934.

Изотопы никеля

Известно, что в природе никель может находиться в виде пяти стабильных изотопов 58 Ni, 60 Ni, 61 Ni, 62 Niи 64 Ni. Их массовые числа равны 58, 60, 61, 62 и 64 соответственно. Ядро атома изотопа никеля 58 Ni содержит двадцать восемь протонов и тридцать нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы никеля с массовыми числами от 48-ми до 78-ми, а также восемь мета стабильных состояний, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп 59 Ni с периодом полураспада равным 76 тысяч лет.

Ионы никеля

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов никеля выглядит следующим образом:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 8 4s 2 .

В результате химического взаимодействия никель отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Ni 0 -2e → Ni 2+ ;

Ni 0 -3e → Ni 3+ .

Молекула и атом никеля

В свободном состоянии никель существует в виде одноатомных молекул Ni. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу никеля:

Сплавы никеля

Главная масса никеля идет на производство различных сплавов с железом, медью, цинком и др. Металлами. Присадка никеля к стали повышает её вязкость и стойкость против коррозии.

Сплавы на основе никеля можно разделить на жаропрочные (нимоник, инконель, хастелла [свыше 60% никеля, 15-20% хрома и др. металлы]), магнитные (пермаллой ) и сплавы с особыми свойствами (монель-металл, никелин, константан, инвар, платинит).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

NiCl 2 → Ni → NiSO 4 → Ni(NO 3) 2 → Ni(OH) 2 → NiCl 2 .

Уравнения реакций, протекающих в растворах, изобразите в ионной и сокращенной ионной формах.

Ответ

Поместив в раствор хлорида никеля (II) более активный, чем никель металл, можно получить никель в свободном виде (реакция замещения):

NiCl 2 + Zn → Ni + ZnCl 2 ;

Ni 2+ + Zn 0 → Ni 0 + Zn 2+ .

Никель растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием сульфата никеля (II):

Ni + H 2 SO 4 (dilute) → NiSO 4 + H 2 ;

Ni 0 + 2H + → Ni 2+ + H 2 .

Нитрат никеля (II) можно получить по реакции обмена:

NiSO 4 + Ba(NO 3) 2 → Ni(NO 3) 2 + BaSO 4 ↓;

SO 4 2- + Ba 2+ → BaSO 4 ↓.

Подействовав на нитрат никеля (II) щелочью можно получить гидроксид никеля (II):

Ni(NO 3) 2 + 2NaOH → Ni(OH) 2 ↓+ 2NaNO 3 ;

Ni 2+ + 2OH — = Ni(OH) 2 ↓.

Хлорид никеля (II) из гидроксида никеля (II) можно получить по реакции нейтрализации с соляной кислотой:

Ni(OH) 2 + 2HCl → NiCl 2 + 2H 2 O;

OH — + H + = H 2 O.

ПРИМЕР 2

Задание

Какую массу хлорида никеля (II) можно получить при нагревании 17,7 г никеля и 12 л хлора (н.у.)? Какой объем 0,06М раствора можно приготовить из этой массы соли?

Решение

Запишем уравнение реакции:

Ni + Cl 2 = NiCl 2 .

Найдем количество моль никеля (молярная масса - 59 г/моль) и хлора, вступивших в реакцию используя данные указанные в условии задачи:

n (Ni) = m (Ni) / M (Ni);

n (Ni) = 17,7 / 59 = 0,3 моль.

n (Cl 2) = V (Cl 2) / V m ;

n (Cl 2) = 12 / 22,4 = 0,54 моль.

Согласно уравнению задачи n (Ni): n (Cl 2) = 1:1. Это означает, что хлор находится в избытке и все дальнейшие расчеты следует вести по никелю. Найдем количество вещества и массу образовавшегося хлорида никеля (II) (молярная масса 130 г/моль):

n (Ni): n (NiCl 2) = 1:1;

n (Ni) = n (NiCl 2) = 0,3 моль.

m (NiCl 2)= n (NiCl 2)×M (NiCl 2);

m (NiCl 2)= 0,3 × 130 = 39 г.

Рассчитаем объем 0,06М раствора, который можно получить из 39 г хлорида никеля (II):

V(NiCl 2) = n (NiCl 2)/ c (NiCl 2);

V (NiCl 2)= 0,3 / 0,06 = 0,5 л.

Ответ

Масса хлорида никеля (II) равна 39 г, объем 0,06М раствора - 0,5 л (500 мл).

Никель сернокислый представляет собой кристаллическое вещество изумрудно-зеленого или бирюзового цвета, растворимое в воде, выветривающееся на воздухе. Это один из видов солей никеля.
Никель сернокислый сильно токсическое вещество, поэтому при работе с ним необходимо соблюдать правила обращения с опасными веществами.
Химическая формула: NiSO4 7H2O.
Никель сернокислый используют в гальванике для никелирования изделий и металлов.
А также - для изготовления аккумуляторов, катализаторов, ферритов в электронной и электротехнической промышленности, в металлургии для приготовления сплавов. Никель нашел широкое применение в парфюмерной, жировой и химической промышленности в качестве реактива.
При производстве керамики никель сернокислый применяется в качестве красителя.

Требования безопасности никеля сернокислого (сульфата никеля гептагидрата, никелевого купороса) ГОСТ 4465-74.
7-водный сернокислый никель (II) является кристаллическим веществом. При попадании внутрь организма человека оказывает канцерогенное и общетоксичное действие. При попадании на кожу и слизистые оболочки верхних дыхательных путей и глаз продукт действует раздражающе и вызывает повышенную чувствительность к никелю.
При растворении 7-водного сернокислого никеля (II) в воде образуется гидроаэрозоль, который по степени воздействия на организм относится к веществам 1-го класса опасности.
Предельно допустимая концентрация гидроаэрозоля 7-водного сернокислого никеля в пересчете на никель в воздухе рабочей зоны - 0,005 мг/м³.
Предельно допустимая концентрация иона никеля в воде водоемов санитарно-бытового пользования - 0,1 мг/дм³.
Обезвреживанию и уничтожению 7-водный сернокислый никель не подлежит. Просыпавшийся продукт после сухой и последующей влажной уборки утилизируют в технологических процессах получения или потребления сернокислого никеля.
В воздушной среде и сточных водах сернокислый никель токсичных веществ не образует.
7-водный сернокислый никель (II) не горюч, пожаро- и взрывобезопасен.
Все работающие с сернокислым никелем должны быть обеспечены специальной одеждой, специальной обувью и другими средствами защиты. Для защиты органов дыхания должен применяться респиратор ШБ-1 «Лепесток». Во избежание контакта с кожей рук рекомендуется пользоваться защитной пастой ИЭР-2 и ланолиново-касторовой мазью. При попадании сернокислого никеля в глаза их следует промыть обильным количеством воды.
Производственные и лабораторные помещения, в которых проводится работа с 7-водным сернокислым никелем, должны быть оборудованы приточно-вытяжной вентиляцией, оборудование должно быть герметизировано.

Задолго до открытия никеля саксонские горняки знали минерал, который походил на медную руду и применялся в стекловарении для окраски стёкол в зелёный цвет. Все попытки получить из него медь оказались неудачными, в связи с чем он получил название "купферникель", что приблизительно означает "Медный дьявол" (ср. нем. Nickel - озорник). Этот минерал (красный никелевый колчедан NiAs) в 1751 г. исследовал шведский минералог и химик Кронштедт. Ему удалось получить зелёный оксид и путём восстановления последнего - новый металл, названный никелем.

Нахождение в природе, получение:

Никель довольно распространён в природе - его содержание в земной коре составляет 0,01 %(масс.). В железных метеоритах (до 8 %). В растениях в среднем 5*10 -5 весовых процентов, в морских животных - 1,6*10 -4 , в наземных - 1*10 -6 , в человеческом организме - 1…2*10 -6
Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана несколькими способами:
1. Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей (5-8% Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.
2. Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель , термическим разложением, которого выделяют особо чистый металл.
3. Алюминотермический способ. Восстановления никеля из оксидной руды алюминием: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al 2 O 3 .

Физические свойства:

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень твёрд, вязкий и ковкий, хорошо полируется, притягивается магнитом. Плотность простого вещества при н.у. 8,902 г/см 3 , Тпл.=1726К, Ткип.=3005К.

Химические свойства:

При обычных температурах никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью - устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Реагирует с азотной кислотой, образуя нитрат никеля(II) Ni(NO 3) 2 и соответствующий оксид азота.
При нагревании никель взоимодействует со многими неметаллами: галогенами, серой, фосфором, углеродом. С кислородом воздуха при 800°С никель образует оксид NiO.
Никель способен поглощать большие объемы водорода, причем в результате образуются твердые растворы водорода в никеле.
С оксидом углерода(II) никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO) 4 .

Важнейшие соединения:

В соединениях кобальт проявляет степень окисления +3, +2, 0.
Оксид никеля(II), NiO - твердое вещество от светло- до тёмно-зелёного или чёрного цвета. Преобладают основные свойства, водородом и другими восстановителями восстанавливается до металла.
Гидроксид никеля(II), Ni(OH) 2 - зеленого цвета, мало растворим в воде, и щелочах, хорошо во многих кислотах, преобладают основные свойства. При нагревании разлагается, образуя NiO.
Соли никеля(II) - обычно получают взаимодействием NiO или Ni(OH) 2 с различными кислотами. Растворимые в воде соли никеля обычно образуют кристаллогидраты, например, NiSO 4 *7Н 2 О, Ni(NO 3) 2 *6Н 2 О. К числу нерастворимых соединений никеля относятся фосфат Ni 3 (PO 4) 2 и силикат Ni 2 SiO 4 . Кристаллогидраты и растворы окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли - жёлтые или коричнево-жёлтые.
Комплексные соединения никеля(II) весьма многочислены (к.ч.=6). Их образованием объясняется например растворение оксида никеля в растворе аммиака. Диметилглиоксимат никеля Ni(C 4 H 6 N 2 O 2) 2 , дающий чёткую красную окраску в кислой среде, используется как качественная реакция на ионы никеля (II).
Соединения никеля(III) - менее характерны. Известен, напиример оксид Ni 2 O 3 *H 2 O , вещество чёрного цвета, получается при окислении гидроксида никеля(II) в щелочной среде гипохлоритом или галогенами:
2Ni(OH) 2 + 2NaOH + Br 2 = Ni 2 O 3 *H 2 O + 2NaBr + H 2 O
Сильный окислитель.
Существуют также комплексные соединения никеля(III) , например, K 3 .
Карбонил никеля, Ni(CO) 4 . Диамагнитная бесцветная жидкость, очень летучая и токсичная. Затвердевает при -23°С, при нагревании до 180-200°С разлагается на металлический никель и оксид углерода(II). Ni(CO) 4 мало растворим в воде, хорошо в органических растворителях, не реагирует с разбавленными кислотами и щелочами.

Применение:

Никель является компонентом многих сплавов - жаропрочных, сплавов сопротивления (нихром: 60% Ni + 40% Cr), ювелирных (белое золото, мельхиор), монетных.
Никель используется также для никелирования - создания корозионностойкого покрытия на поверхности другого металла. Еще используют также для производства аккумуляторов, обмотки струн музыкальных инструментов...
Никель относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Известно, что он принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений.
Никель может служить причиной аллергии (контактного дерматита) на металлы, контактирующие с кожей (украшения, часы, джинсовые заклепки). В Евросоюзе ограничено содержание никеля в продукции, контактирующей с кожей человека.

Рудагина Ольга
ХФ ТюмГУ, 581гр., 2011 г.

Источники: Википедия: http://ru.wikipedia.org/wiki/Ni и др.,
Популярная библиотека химических элементов. Никель. http://n-t.ru/ri/ps/pb028.htm
Сайт кафедры общей и неорганической химии РХТУ им. Д.И. Менделеева. Таблица Д.И. Менделеева: Никель

(в скобках указаны координац. числа) Ni 2+ 0,069 нм (4), 0,077 нм (5), 0,083 нм (6).

Среднее содержание никеля в земной коре 8-10 -3 % по массе, в воде океанов 0,002 мг/л. Известно ок. 50 минералов никеля, из них важнейшие: пентландит (Fe,Ni) 9 S 8 , миллерит NiS, гарниерит (Ni,Mg) 3 Si 4 O 10 (OH) 10 . 4H 2 O, ревдинскит (не-пуит) (Ni,Mg) 3 Si 2 O 5 (OH) 4 , никелин NiAs, аннабергит Ni 3 (AsO 4) 2 8Н 2 О. В основном никель добывают из сульфидных медно-никелевых руд (Канада, Австралия, Юж. Африка) и из силикатно-окисленных руд (Новая Каледония, Куба, Филиппины, Индонезия и др.). Мировые запасы никеля на суше оцениваются в 70 млн. т.

Свойства. Никель-серебристо-белый металл . Кристаллич. решетка гранецентрир. кубическая, а = 0,35238 нм, z = 4, пространств. группа Рт3т. Т. пл. 1455 °С. т. кип. 2900 °С; плота. 8,90 г/см 3 ; C 0 p 26,l Дж/(моль . К); DH 0 пл 17,5 кДж/моль , DH 0 исп 370кДж/моль ; S 0 298 29,9 ДжДмоль К); ур-ние температурной зависимости давления пара для твердого никеля lgp(гПа) = 13,369-23013/T+0,520lgT+0,395T (298-1728К), для жидкого lgp(гПа)=11,742-20830/T+ 0,618 lg Т (1728- 3170 К); температурный коэф. линейного расширения 13,5 . 10 -6 К -1 (273-373 К); теплопроводность 94,1 Вт/(м х х К) при 273 К, 90,9 Вт/(м. К) при 298 К; g 1,74 Н/м (1520 °С); r 7,5 10 -8 Ом м, температурный коэф. r 6,75 . 10 -3 К -1 (298-398 К); ферромагнетик , точка Кюри 631 К. Модуль упругости 196-210 ГПа; s раст 280-720 МПа; относит. удлинение 40-50%; твердость по Бринеллю (отожженного) 700-1000 МПа. Чистый никель- весьма пластичный металл , хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии, поддается прокатке, волочению, ковке.

Н икель химически малоактивен, но тонкодисперсный порошок , полученный восстановлением соединений никеля водородом при низких т-рах, пирофорен. Стандартный электродный потенциал Ni 0 /Ni 2+ - 0,23 В. При обычных т-рах никель на воздухе покрывается тонкой защитной пленкой никеля оксида . Не взаимод. с водой и влагой воздуха . При нагр. окисление никеля с пов-сти начинается при ~ 800 °С. С соляной, серной, фосфорной, фтористоводородной к-тами никель реагирует очень медленно. Практически на него не действуют уксусная и др. орг. к-ты, особенно в отсутствие воздуха . Хорошо реагирует с разб. HNO 3 , конц. HNO 3 пассивируется. Р-ры и расплавы щелочей и карбонатов щелочных металлов , а также жидкий NH 3 на никель не действуют. Водные р-ры NH 3 в присут. воздуха коррелируют никель.

Н икель в дисперсном состоянии обладает большой каталитич. активностью в р-циях гидрирования , дегидрирования , окисления , изомеризации , конденсации . Используют либо скелетный никель (никель Ренея), получаемый сплавлением с Аl или Si с послед. выщелачиванием щелочью , либо никель на носителе .

Н икель поглощает Н 2 и образует с ним твердые р-ры. Гидриды NiH 2 (устойчив ниже 0°С) и более стабильный NiH получены косвенными путями. Азот почти не поглощается никелем вплоть до 1400 °С, р-римость N 2 в металле 0,07% при 450 °С. Компактный никель не реагирует с NH 3 , дисперсный при 300-450 °С образует с ним н и т р и д Ni 3 N.

Расплавленный никель растворяет С с образованием к а р б и д а Ni 3 C, к-рый при кристаллизации расплава разлагается с выделением графита ; Ni 3 C в виде серо-черного порошка (разлагается при ~ 450°С) получают науглероживанием никеля в атмосфере СО при 250-400 °С. Дисперсный никель с СО дает летучий никеля тетракарбонил Ni(CO) 4 . При сплавлении с Si образует с и л и ц и д ы; Ni 5 Si 2 , Ni 2 Si и NiSi плавятся конгруэнтно соотв. при 1282, 1318 и 992 °С, Ni 3 Si и NiSi 2 -инконг-руэнтно соотв. при 1165 и 1125°С, Ni 3 Si 2 разлагается, не плавясь, при 845 °С. При сплавлении с В дает б о р и д ы: Ni 3 B (т. пл. 1175°С), Ni 2 B (1240 °С), Ni 3 B 2 (1163°C), Ni 4 B 3 (1580 °С), NiB 12 (2320 °С), NiB (разлагается при 1600 °С). С парами Se никель образует с е л е н и д ы: NiSe (т. пл. 980 °С), Ni 3 Se 2 и NiSe 2 (разлагаются соотв. при 800 и 850 °С), Ni 6 Se 5 и Ni 21 Se 20 (существуют только в твердом состоянии). При сплавлении никеля с Те получают т е л л у р и д ы: NiTe и NiTe 2 (между ними образуется, по-видимому, широкая область твердых р-ров) и др.

А р с е н а т Ni 3 (AsO 4) 2 . 8H 2 O-зеленые кристаллы ; р-римость в воде 0,022%; к-тами разлагается; выше 200 °С обезвоживается, при ~ 1000°С разлагается; катализатор получения твердого мыла .

С и л и к а т Ni 2 SiO 4 -светло-зеленые кристаллы с ромбич. решеткой; плотн. 4,85 г/см 3 ; разлагается, не плавясь, при 1545°С; в воде не раств.; минер. к-тами медленно разлагается при нагревании. А л ю м и н а т NiAl 2 O 4 (никелевая шпи-нель)-голубые кристаллы с кубич. решеткой; т. пл. 2110°С; плотн. 4,50 г/см 3 ; не раств. в воде ; медленно разлагается к-тами; катализатор гидрирования .

Важнейшие комплексные соед. никеля-а м м и н ы. Наиб. характерны гексааммины и акватетраммины с катионами соотв. 2+ и 2+ . Это голубые или фиолетовые кристаллич. в-ва, обычно раств. в воде , в р-рах ярко-синего цвета; при кипячении р-ров и при действии к-т разлагаются; образуются в р-рах при аммиачной переработке никелевых и кобальтовых руд .

В комплексах Ni(III) и Ni(IV) координац. число никеля равно 6. Примеры-фиолетовый K 3 и красный K 2 , образующиеся при действии F 2 на смеси NiCl 2 и КСl; сильные окислители . Из др. типов известны соли гетеро-поликислот, напр. (NH 4) 6 H 7 . 5H 2 O, большое число внутрикомплексных соед. Ni(II). См. также Никель-органические соединения.

Получение. Руды перерабатывают пиро- и гидромстал-лургич. путем. Для силикатно-окисленных руд (не поддаются обогащению) используют либо восстановит. плавку с получением ферроникеля, к-рый далее подвергают продувке в конвертере с целью рафинирования и обогащения, либо плавку на штейн с серосодержащими добавками (FeS 2 или CaSO 4). Полученный штейн продувают в конвертере для удаления Fe, а затем дробят и обжигают, из образовавшегося NiO восстановит. плавкой получают металлический никель. Никелевые концентраты, получаемые при обогащении сульфидных руд , плавят на штейн с послед. продувкой в конвертере. Из медно-никелевого штейна после его медленного охлаждения флотацией выделяют концентрат Ni 3 S 2 , к-рый, аналогично штейнам из окисленных руд , обжигают и восстанавливают.

Один из путей гидропереработки окисленных руд-восстановление руды генераторным газом или смесью Н 2 и N 2 с послед. выщелачиванием р-ром NH 3 и СО 2 с продувкой воздуха . Р-р очищают от Со сульфидом аммония . При разложении р-ра с отгонкой NH 3 осаждается гидроксо-карбонат никеля, к-рый либо прокаливают и из образовавшегося NiO восстановит. плавкой получают никель, либо повторно раств. в р-ре NH 3 и после отгонки NH 3 из пульпы восстановлением Н 2 получают никель. Др. путь - выщелачивание окисленной руды серной к-той в автоклаве . Из образовавшегося р-ра после его очистки и нейтрализации никель осаждают сероводородом под давлением и полученный концентрат NiS перерабатывают подобно штейнам.

Гидропереработка сульфидных никелевых материалов (концентратов, штейнов) сводится к автоклавному окислит. выщелачиванию либо р-рами NH 3 (при низком содержании Со), либо H 2 SO 4 . Из аммиачных р-ров после отделения CuS никель осаждают водородом под давлением . Для разделения Ni, Со и Сu из аммиачных р-ров применяют также экстракц. способы с использованием, в первую очередь, хелатообразу-ющих экстрагентов.

Автоклавное окислитю выщелачивание с получением сульфатных р-ров применяют как к обогащенным материалам (штейнам) с переводом никеля и др. металлов в р-р, так и к бедным пирротииовым Fe 7 S 8 концентратам. В последнем случае окисляется преим. пирротин, что позволяет выделить элементарную S и сульфидный концентрат, переплавляемый далее на никелевый штейн.