Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Никель: получение и свойства

Пермский региональный институт педагогических и

информационных технологий

Кафедра МиЕНД

Контрольная работа

по дисциплине: «Химия»

Тема: «Никель»

Пермь 2009

Содержание

1.	Введение	3
2.	Элемент	4
3.	Простое вещество, образующее данный элемент	6
4.	Как свойства вещества обуславливают его получение и применение в промышленности	8
5.	Влияние соединений данного элемента на загрязнения окружающей среды	9
6.	Заключение	14
7.	Список используемой литературы	16

Введение

Никель является одним из чрезвычайно важных металлов; он имеет свою замечательную историю и заманчивые перспективы дальнейшего применения.

Как химический элемент никель известен немногим более 200 лет, но
практическое применение его в виде различных сплавов уходит в глубокую
древность. В развитии человеческой культуры, в особенности народов
Закавказья, Средней Азии, Китая, Индии и Египта, известны примеры
применения никельсодержащих сплавов более чем за 3000 лет до нашей эры.
В истории первобытной культуры, в так называемом железном веке никелю,
наряду с его аналогом — железом, принадлежит особое место, так как эти два
металла сопутствовали друг другу в самородном железе и особенно в
метеоритном железе.

В своей контрольной работе попытаюсь раскрыть свойства элемента. Ответить на вопросы «Как свойства вещества обуславливают его получение и применение в промышленности?», влияние соединений данного элемента на загрязнения окружающей среды.

Элемент

Название элемента, этимология его названия

Никель - металл, химический элемент с атомным номером 28 в периодической системе Менделеева, обозначается символом Ni (лат. Nickolum).

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.

Никель (англ., франц. и нем. Nickel) открыт в 1751 г. 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).

Место элемента в периодической системе

Никель – Ni.

Порядковый номер - №27, VIII группа, 4 период, 4 ряд.

Относительная атомная масса Ar (Ni)=59.

Протонов p=29, электронов e=28, нейтронов n=59-28=31.

Изотопы. Две трети никеля, содержащегося в земной коре, приходится на долю изотопа ⁵⁸Ni. В природе найдены пять изотопов этого элемента, все они стабильны. Еще восемь изотопов никеля с массовыми числами 54, 55, 56, 57, 59, 63, 65 и 66 получены в разные годы искусственным путем. Самый стабильный из них ⁵⁹Ni имеет период полураспада 75 тыс. лет, а самые короткоживущие изотопы этого элемента – ⁵⁴Ni и ⁵⁵Ni – меньше 5 минут.

Строение атома

Атом никеля

Схема расположения электронов на энергетических подуровнях

+ 28 Ni

Квантовые числа для ее внешнего уровня

Главное – n=4
Орбитальное – e=3
Магнитное – m1=-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3
Спиновое – ms= + ½

Электронная конфигурация элемента

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸ 4s² 4p⁰ 4d⁰ 4f⁰

Простое вещество, образующее данный элемент

Формула вещества – Ni

Химическая связь – металлическая

Кристаллическая решетка – металлическая

Физические свойства вещества

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень тверд, хорошо полируется, притягивается магнитом.

Химические свойства вещества

Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью – устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию – образованию на его поверхности плотной оксидной пленки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в азотной кислоте.

Никель образует соединения со степенью окисления +2 и +3. Наиболее устойчивы соединения +2, для которых известны большое количество обычных и комплексных соединений. Оксид никеля Ni₂O₃ является сильным окислителем, обычные соли Ni(III) не существуют, но устойчивым является ряд комплексных солей трехвалентного никеля.

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)₄.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Взаимодействие с простыми веществами (из-за оксидной пленки с кислородом, галогенами, серой реагируют только при повышенной температуре):

Ni+Cl ₂ NiCl₂

2 Ni+O₄ 2NiO

Ni+S NiS

3Ni+N₂ Ni3N₂

Взаимодействие со сложными веществами (при обычных условиях медленно реагирует с разбавленными кислотами):

Ni+2HCl NiCl₂+H₂

Ni+H2SO₂ NiSO₄+H₂

Получение

Восстановление углем и оксидом углерода (II)

NiO+C Ni+CO

NiO+C Ni+CO₂

Восстановление электрическим током (электролиз)

NiSO4 Ni+SO4

HOH H+OH

У анода: OH - e OH

4OH 2H₂O+O₂

У катода: Ni+2e Ni

Восстановление алюминием (алюминотермия)

3Al+3NiO Al₂O3+3Ni

Восстановление водородом

NiO+H₂ Ni+H₂O

Применение вещества

Никель является основой большинства суперсплавов – жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

Изотоп ⁶³Ni, излучающий β⁺- частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах.

Как свойства вещества обуславливают его получение и применение в промышленности

Никель по большей части является составным компонентом различных сплавов. Все нержавеющие стали обязательно содержат никель, т.к. никель повышает химическую стойкость сплава. Также сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и используются при изготовлении прочной брони. При изготовлении важнейших деталей различных приборов используется сплав никеля с железом (36-38% никеля), обладающий низким коэффициентом термического расширения.

При изготовлении сердечников электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои. Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80% никеля. Из никелевых сплавов чеканятся монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.

Различные металлы никелируют, что позволяет защитить их от коррозии. На металл наносится тонкий никелевый слой, обладающий высокой коррозийной стойкостью. Вместе с этим никелирование придает изделиям красивый внешний вид.

Никель широко используют при изготовлении различной химической аппаратуры, в кораблестроении, в электротехнике, при изготовлении щелочных аккумуляторов, для многих других целей. Специально приготовленный дисперсный никель находит широкое применение как катализатор самых разных химических реакций. Оксиды никеля используют при производстве ферритных материалов и как пигмент для стекла, глазурей и керамики; оксиды и некоторые соли служат катализаторами различных процессов. Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.

Влияние соединений никеля на загрязнение окружающей среды

Прогрессирующее загрязнение окружающей среды признается ведущим фактором роста некоторых заболеваний человека. Механизм воздействия фактора весьма сложен и еще изучается.

Пагубное воздействие никеля и его соединений достигло столь опасной величины, что прежде всего проявляется глобальным никелевым токсикозом, получившим эпидемическое распространение. Факты очень тревожны. Главный детский аллерголог-иммунолог МЗ РФ д.м.н. профессор В.А. Ревякина сообщает: "Это явление называется контактным дерматитом, часто развивается на никельсодержащие металлы, а возможно, и на некоторые другие компоненты сплавов, о которых нам пока неизвестно. Явление это не такое уж редкое - в последнее время у нас немало пациентов-подростков, которые после процедуры пирсинга маются аллергией от всех этих колечек, сережек и цепочек. Возникает раздражение на местах заклепок у джинсов, пряжек - все они способны вызывать довольно сильный дерматит".

В 2004 году профессоры Венского университета дерматологи Ф. Гшнайт и В. Аберер (Fritz Gschneit и Werner Aberer) оповестили всему миру, что у 9% австрийцев кожная аллергия на никель. В связи с введением в оборот монет Евро был оглашен факт об аллергии на 28 химический элемент таблицы Менделеева у кассиров евробанков. Американские источники говорят о том, что в США аллергия на никель встречается как минимум у 15% населения. Еще сообщается, что поступление никеля с пищей определено от 69 до 162 микрограммов ежедневно, хотя безвредной нормой признается всего 25-35.

По данным Технического центра часовой промышленности Франции "CETENOR" чувствительностью к воздействию никеля обладают 25-30% всего населения страны. “Основная опасность такой восприимчивости - возникновение устойчивой экземы кожи, которая может распространяться на все тело и не поддается быстрому лечению. Все возрастающее число людей с аллергическими симптомами заставляет всерьез относится к опасности этого явления (аллергии), вызываемого миграцией никеля от часовых изделий, находящихся в прямом и постоянном контакте с телом человека (данные взяты из доклада "Оценка никеля, выделяемого часовыми изделиями" на 4-м Европейском хронометрическом конгрессе в г. Лозанна, Швейцария, 1992 г.).

Проблема настолько остра, ясно, что воздействие экотоксиканта проявляется глобально.

Ученые Владивостока, провели комплексное обследование населения города и сделали анализ заболеваемости по участкам, на которых замерили концентрацию экотоксикантов. Исследователи выявили парные корреляции между показателями заболеваемости и содержанием металлов в волосах детей Владивостока, при этом самая высокая цифра – 0,97 оказалась в графе никеля по общей заболеваемости. Комплексными анализами было установлено, что в центральной части города волосы у большинства детей содержат никеля в 2-3 раза больше нормы, а в пригородах это не зафиксировано. «Загрязнение воздуха», - делают выводы авторы.

Но Владивосток, приморский город-порт Тихоокеанского региона, хорошо продуваем океанскими бризами. Думается, что вдыхание загрязненного воздуха не может давать такие концентрации тяжелого металла в волосах. Основное загрязнение дает индустриальная пища, которая в пригородах почти отсутствует, ибо население сельской местности кормится главным образом со своих огородов, что и отражается на показателях заболеваемости. На загрязнение атмосферы ссылаются и другие авторы из Владивостока.

Аналогичные исследования необходимо провести в крупных промышленных центрах. Заранее можно сказать, что показатели анализов будут гораздо хуже. В интерпретации их должны быть учтены все нюансы. Так как в результате проделанной очень своевременной и добротной работы сделаны не совсем исчерпывающие выводы. Виновато в этом отсутствие научной информации: публикации о никеле, например, крайне редки и порой ложны из-за незнания существа дела.

«Никель (Ni) стимулирует кроветворение, участвует в образовании и функционировании ДНК, РНК и белков, а также гормона пролактина. В организме взрослого человека содержится в среднем 12 мг никеля. Большая часть его сконцентрирована в печени, костном мозге, сыворотке крови. Никель выводится из организма в основном с калом и мочой, в значительно меньшей степени - с потом.

Этот микроэлемент попадает в организм, как с пищей, так и через кожу и слизистые оболочки. Источников никеля очень много: никелированная посуда, столовые приборы и приборы для приготовления пищи, пастеризованное молоко и другие продукты, загрязненные овощи и фрукты, коронки, табакокурение, а также профессиональный контакт в машиностроении, металлургии, угледобыче, гальванике и других отраслях промышленности. Наибольшие выбросы никеля в атмосферу отмечены при сжигании каменного угля. По данным ВОЗ, никель - один из наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. Поступление никеля в избыточных количествах в организм может представлять опасность для здоровья. Избыток никеля может проявляться в виде аллергических реакций (дерматит, ринит и пр.), анемии, повышенной возбудимости центральной и вегетативной нервной системы.

Хроническая интоксикация никелем повышает риск развития новообразований (легкие, почки, кожа) - никель влияет на ДНК и РНК. Антагонисты никеля: железо, селен, цинк и витамин.

Посуда (а у кухарок она в основном алюминиевая!) в возникновении аллергии на металл не виновата, хотя от контакта с никелированной могут быть покраснения кожи, зуд, крапивница и пузырьковые высыпания. Аналогичные диагнозы - это уже свершившийся факт выработки гиперсенсибилизации организма. И такая реакция организма наблюдается только у избранных.

Если гиперчувствительность иммунной системы при кожном контакте с никелем проявляется зудом, покраснением, сыпью и язвами, то аналогичная реакция во внутренних органах повреждает их. Это признается парадоксом иммунитета, так как, атакуя вредный металл, организм убивает и собственные клетки, куда проник никель.

Повышается из года в год экологическая загрязненность 28-м химическим элементом от сжигания каменного угля, от обогатительных фабрик, центров цветной и черной металлургии, предприятий металлообработки и добычи никеля в районах больших и малых городов (Нижний Новгород, Мончегорск, Никель, Норильск и др.), износа при трении никелированных деталей машин и механизмов в промышленности, строительстве и транспорте, от выхлопных газов автомобилей, от насыщения пищи транс-жирами, содержащими токсический металл.

Установлено, что воздух, вода и почва загрязняются 28-м химическим элементом от сжигания каменного угля, от обогатительных фабрик, центров цветной и черной металлургии, предприятий металлообработки и добычи никеля в районах больших и малых городов (Нижний Новгород, Мончегорск, Никель, Норильск и др.), износа при трении никелированных деталей машин и механизмов в промышленности, строительстве и транспорте, от выхлопных газов автомобилей.

В растениях никель содержится в органических соединениях, главным образом, в комплексах лимонной и яблочной кислот. Известны пищевые растения, концентрирующие этот металл. Это прежде всего арахис, какао (шоколад!), кофе, грибы, соя и все бобовые, грецкие орехи, что и определяет их аллергенность. Однако пищевые растения, выращенные на экологически чистых почвах никель могут не содержать.

Патогенность никеля заключается еще и в том, что он, являясь ферромагнитным элементом, влияет на метаболизм кобальта и железа, а также усиливает усвоение меди, от избытка которой также возникают анемии и перерождения печени. Однако в современной литературе никель чаще всего связывают только с возникновением кожных аллергозов. Но наметился сдвиг в том, что источниками поступления никеля в организм стали называться искусственные пищевые продукты. Однако вышеизложенное в некоторых странах игнорируется.

Поскольку никель относится к тиоловым ядам, соединения этого тяжелого металла опасны для здоровья человека, хотя в малом количестве не обладают ярко выраженной агрессивностью для млекопитающих. Поэтому этот токсический металл признан условно жизненно необходимым микроэлементом. Но важно избежать перенасыщения экотоксикантом. В связи с этим остро необходима любая информация о новой концепции.

Меньше всего накапливают в себе никель капуста и картофель. Из зерновых культур рекордсменом по накоплению никеля - кукуруза: корни залегают глубоко. В США на эту культуру в пище и сегодня регистрируют аллергию. Ячмень и просо никель из почвы почти не поглощают. Часто рекомендуемая при диабете гречиха на никель не знаменита, хотя есть зависимость от характера почвы, предшественника (после гороха - около нуля), от удобрений (апатитовые - опасны!), осадков, близости автотрасс, мегаполисов, металлургических производств и розы ветров.

Заключение

Многие металлические изделия, найденные в Египте,
оказались изготовленными за ЗЭОО—4000 лет до н.э. из метеоритного железа, содержащего от 6 до 50—60% никеля. Но, разумеется, это было случайным применением никеля, без знания его как металла, без знания его свойств и методов его получения в чистом виде. С конца XVIII столетия, с развитием естественных наук и в особенности химии, в орбиту хозяйственной деятельности человека стало вовлекаться все
большее и большее число металлов. В середине XVIII века был открыт никель как элемент. В успешном развитии химической науки XIX века, в подготовке и открытии величайшего закона природы — периодического закона химических элементов, сформулированного Д. И. Менделеевым в 1869г., никель и его аналоги играли исключительно важную роль. Элементы VIII группы имели большое значение в обосновании периодической системы элементов – в изучении периодического характера изменения свойств элементов, так как они были связующим звеном
между элементами основной подгруппы и побочных групп (подгруппы В)
периодической системы, объясняя скачкообразный характер изменения свойств элементов по периодам. Как теперь ясно, именно через эти крайние элементы VIII группы - никель, палладий и платину — и далее через элементы нулевой группы происходит переход к элементам I группы (подгруппы В) и выявляется периодичность изменения свойств элементов.

С середины XIX века никель стал находить практическое применение. Как легирующий элемент, придающий высокую вязкость и прочность сталям, как химически стойкий металл и как основа многих металлических сплавов с
особыми физическими свойствами - электрическими, магнитными и др. - никель становится важнейшим техническим металлом. Быстрое развитие мирового производства никеля объясняется широкими и разносторонними потребностями быстро развивающейся техники XIX и XX веков. Особенно большие масштабы производства никеля наметились с первых лет настоящего столетия, когда начали легировать никелем стали, в
особенности конструкционные, машиностроительные и броневые. Большое
значение получили различного назначения чугуны, содержащие никель.

С развитием многих отраслей техники появилась потребность в
высоколегированных сталях и сплавах с особыми физическими, химическими и механическими свойствами. В этом отношении первостепенная роль принадлежала и принадлежит никелю, никелевым сталям и никелевым сплавам. К настоящему времени насчитывается более 3000 составов различных сталей и сплавов, где никель является основой или присутствует как легирующий элемент. Применение никеля в современной технике весьма разнообразно. Он применяется в чистом виде как химически стойкий, ферромагнитный материал в аппаратостроении, как катализатор и как материал для аккумуляторов. Чистый никель применяется в значительных масштабах для защитных поверхностных покрытий: так называемое никелирование имеет большое значение для придания поверхности металлических материалов высокой химической стойкости. Большое развитие получило применение никеля в виде различных сплавов на
его основе. Следует особо отметить широкое применение сплавов никеля с
хромом и железом (нихромы и ферронихромы), коррозионно и кислотостойких никелевых сплавов, жаропрочных сплавов, сплавов никеля с медью, бериллием, кобальтом, твердых сплавов, где никель необходим как связующий материал.

Используемая литература

Курс химии. /Под ред. Н.В.Коровина, 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1990.
Зайцев О.С. Общая химия. Состояние вещества и химические реакции. – М.: Химия, 1990.
Сыропятова С.Е. Химия. учебно-методическое пособие. - Пермь: Изд-во ПРИПИТ, 2005.
Новиков Г.И. Основы общей химии. – М.: Высшая школа, 1988.
Суворов А.В., Никольский А.Б. Общая химия – СПб.: Химия, 1994.