Химические свойства никеля

(Пахомова Анна и Гусейнов Эльмин)

Никель (Ni) является элемент восьмой группы, четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28, относится к семейству железа. Простое вещество - это металл серебристо-белого цвета, пластичный, ковкий, при обычных температурах на воздухе образует тонкую оксидную пленку на поверхности. Ему присущи характерные свойства металлов. Химически малоактивен.

· Свойства атома:

1)Атомная масса (молярная масса): 58, 6934 г/моль;

2)Строение внешнего электронного слоя: 3d84s2;

3)Радиус атома: 124пм.

· Электронная конфигурация:

1s22s22p63s23p64s23d8

На первом энергетическом уровне 2 электрона на s-орбитали, на втором-2 электрона на s-орбитали и 6 на p-орбитали, на третьем- 2 на s-орбитали, 6 на p-орбитали и 8 электронов на d-орбитали, на четвертом- 2 электрона на s-орбитали.[10]

· Химические свойства:

1)Ковалентный радиус: 115 пм;

2)Радиус иона: (+2е) 69пм;

3)Электроотрицательность: 1, 91 (шкала Полинга);

4)Электродный потенциал: -0, 25 В;

5)Степени окисления: 0; +1; +2; +3; +4(редкие и неустойчивые соединения);

6)Энергия ионизации: 736, 2 кДж/моль.

В ряду активности металлов он находится между кобальтом и оловом:

Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au

· Термодинамические свойства простого вещества:

1)Плотность (при н.у.): 8, 902 г/см3;

2)Температура плавления: 1453 °С (1726 К, 2647 °F);

3)Температура кипения: 2732 °С (3005 К, 4949 °F);

4)Удельная теплота плавления: 17, 61 кДж/моль;

5)Удельная теплота испарения: 378, 6 кДж/моль;

6)Молярная теплоёмкость: 26, 1 Дж/моль; [11]

7)Молярный объём: 6, 6 см3/моль.[12]

· Изотопы никеля:

Природный никель состоит из смеси пяти стабильных изотопов: 58Ni (67, 76%), 60Ni (26, 26%), 61Ni (1, 25%), 63Ni (3, 66%), 63Ni (1, 16%).

“Изотопным составом объясняется меньший атомный вес природного никеля, по сравнению с кобальтом, имеющим порядковый номер 27.”[13] (Пешкова В. М. Аналитическая химия никеля / В. М. Пешкова, В. М. Савостина. - Москва: Издательство наука, 1966.- C.5-7.)

· Природные и искусственные полученные изотопы никеля:

1) 56Ni: тип излучения γ \ период полураспада 6, 4 дня\ происхождение изотопа искусственное\ содержание в природном никеле 0%;

2) 57Ni: тип излучения β +\ период полураспада 36 часов\ происхождение изотопа искусственное\ содержание в природном никеле 0%;

3) 58Ni: - \ стабилен\ происхождение изотопа естественное\ содержание в природном никеле 67, 76%;

4) 59Ni: тип излучения К, нет β +\ 5∙ 104\ искусственное\ содержание в природном никеле 0%;

5) 60Ni: - \ стабилен\ происхождение изотопа естественное\ содержание в природном никеле 26, 16%;

6) 61Ni: - \ стабилен\ происхождение изотопа естественное\ содержание в природном никеле 1, 25%;

7) 62Ni: - \ стабилен\ происхождение изотопа естественное\ содержание в природном никеле 3, 66%;

8) 63Ni: тип излучения β -\ период полураспада 125 лет\ происхождение изотопа искусственное\ содержание в природном никеле 0%;

9) 64Ni: тип излучения β -\ больше 3∙ 1015\ происхождение изотопа естественное\ содержание в природном никеле 1, 16%;

10) 65N: тип излучения β -, γ \ период полураспада 2, 6 часа\ происхождение изотопа искусственное\ содержание в природном никеле 0%;

11) 66Ni: тип излучения β -\ период полураспада 54, 8 часа\ \происхождение изотопа искусственное\ содержание в природном никеле 0%.

В большинстве соединений никель положительно двухвалентен, но известны комплексные соединения, где никель имеет валентность +2 и +3. По химическим свойствам никель близок к железу и кобальту, отчасти, меди. Трудность окисления ионов Cu (2+) и Ni (2+) объясняется высокими значениями третьего потенциала ионизации (Энергии ионизации, т. е, энергии, необходимой для отрыва одного электрона от нейтрального атома. Отношение этой величины к заряду электрона есть ионизационный потенциал, т. е. напряжение электрического поля, достаточное для отрыва электрона.)

Как отмечалось ранее, никель нельзя отнести к активным металлам, он[14] обладает средней химической активностью, но тонкодисперсный порошок, полученный восстановлением соединений никеля водородом при низких температурах, пирофорен.[15]

“Никель является металлом сравнительно низкой химической активности. При обычных температурах, он покрывается тонкой защитной окисной пленкой и не взаимодействует с влагой воздуха, водой и рядом растворителей. Вода, насыщенная углекислотой, в присутствии ионов хлора может вызвать точечную коррозию никеля. Никель превосходно сопротивляется коррозии в щелочных растворах. Сильные щелочи — едкий натрий и едкий калий — на никель не действуют, так же как и безводный аммиак. Однако он растворяется в аммиачных растворах в присутствии (NH4)2CO3 с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в зеленый цвет ”. [16](Дриц М. Е. Свойства элементов / М. Е. Дриц [и др.].- Москва: Издательство: Металлургия, 1985.-C.490.)

При обычных условиях никель устойчив к реакциям с кислородом, галoгенами, серой, щелочами. Сухие газы(окислы азота, сернистый газ и аммиак) при комнатной температуре с никелем не реагируют.

· Взаимодействие никеля с галогенами.

Металлический никель в отсутствии повышенной температуры и влаги устойчив к действию не только кислорода, но галогенов: фтор (F₂), хлор (Cl₂), бром (Br₂), йод (I₂), астат (At₂). При обычных условиях никель с галогенами не реагирует.

Ni + Hal → [17]

При нагревании никель реагирует со всеми галогенами с образованием дигалогенидов никеля.[18]

Ni + Hal₂ → ^t NiHal₂

1) Ni + F₂ → ^t NiF₂

2) Ni + Cl ₂→ ^t NiCl₂

3) Ni + Br₂ → ^t NiBr₂

4) Ni + I₂ → ^t NiI₂

· Взаимодействие никеля с неметаллами.

Никель реагирует не со всеми неметаллами, так к действию фтора никель устойчив и не реагирует даже при температуре красного каления.

Ni + F →

С некоторыми неметаллами при создании специальных условий никель взаимодействует.

При обычных условиях никель устойчив.

Ni + S →

Однако, нагревание порошков никеля и серы приводит к образованию сульфида никеля (NiS).

Ni + S → NiS

Сульфиды никеля практически не растворимы в воде и органических растворителях. Разлагаются лишь азотной кислотой и царской водкой. При нагревании в вакууме выше 500°Сдиссоциируют с образованием паров серы и фаз, обогащенных никелем. При нагревании на воздухе окисляются.

· Взаимодействие никеля с кислородом.

При обычных условиях никель с кислородом не реагирует, и на воздухе он почти не изменяется.

Ni + O₂ →

Но при высокой температуре (500 °C) реакция с кислородом протекает с образованием монооксида никеля (NiO), представляющий собой зеленовато-желтый светлый порошок. Происходит окислительно-восстановительная реакция, и никель переходит из Ni 0 в Ni +4.

2Ni + O₂ → ^t 2NiO

Однако, в мелкодисперсном состоянии (в виде мелкораздробленного порошка) никель обладает пирофорностью, т. е. самовоспламеняется на воздухе даже при обычной температуре.

Как отмечалось ранее, в мелкодисперсном состоянии никель пирофорен, и способен поглощать большое количество газов (Н₂, СО и др.), что, кстати, [19] ухудшает его свойства. Так при реакции с монооксидо углерода (II) образуется карбид никеля, представляющий собой серые кристаллы.

3Ni+ 2CO → ^t Ni₃C + CO₂

При неизмельченном состоянии металла возможно образование тетракарбонила никеля, представляющего собой бесцветную жидкость.

Ni +4 CO→ ^tNi(CO)4[20]

При реакции с водородом образуется гидрид никеля, представляющий собой черные кристаллы.

Ni + H2 → ^t NiH2

“В тонко раздробленном состоянии никель адсорбирует водород, на этом свойстве никеля основано применение никеля и его соединений в качестве катализатора, ускоряющего присоединение или отщепление водорода.” (Никель//Большая советская энциклопедия/.-1939.-Т42.-С.111.)

· Взаимодействие никеля с водой.

По отношению к воде никель устойчив. Его гидроксо-соединения, такие как гидроксид никеля (II) Ni(OH)2 и гидроксид никеля (III) Ni(OH)3 получают косвенным путем.

· Взаимодействие никеля с щелочами.

Щелечи как в водных растворах так и расплавах не действуют на никель.

Ni + NaOH →

· Взаимодействие никеля с кислотами.

При реакции с кислотами такими как азотная, серная, соляная, образует соответствующие двухвалентные соли.[21]

Никель легко растворяется в разбавленных кислотах, при этом он образует аквакатиона [Ni(H2O)6] с зарядом 2+. Стоит заметить, что с соляной, серной, фосфорной, фтористоводородной кислотами никель реагирует медленно.

Ni +2HCl (разб.) → ^tNiCl₂ + H₂↑ [22]

Ni +H₂SO₄ (разб.)→ Н₂↑ + NiSO₄

Легче и быстрее всего никель реагирует с разбавленной азотной кислотой.

Ni + 8HNO₃ (разб.)→ Ni(NO₃)₂ + 2NO↑ +4H₂O

При действии на никель концентрированных серной и азотной кислот, они лишь пассивируют металл, т е приводят к образованию на поверхности оксидных пленок, как и в случае c железом.

“Органические кислоты действуют на Никель, лишь после длительного соприкосновения с ними”. (Грибовская И. Ф. Никель/И. Ф. Грибовская//Большая советская энциклопедия/.-1974.-Т17.-С.611.)

· Взаимодействие никеля с солями.

В силу малой химической активности никеля такие соединения как сода (Na₂CO₃), поташ (K₂CO₃) не взаимодействуют с металлом.

Ni + Na₂CO₃→

Ni + K₂CO₃→

Однако, такие малоактивные металлы как медь (Cu) никель вытесняет из солей

Ni + CuSO₄ → NiSO₄ + Cu

“Никель один из самых активных металлов — катализаторов. Ката-

литическая активность никеля зависит от степени дисперсности порошка,

его чистоты и методики его получения. Каталитическими свойствами об-

ладают многие сплавы никеля с алюминием, молибденом и с другими

элементами, а также и некоторые соединения: оксид, сульфид, бориды

никеля и другие.”[23]