Особенности состава, свойств и характеристик алюминия

Химические свойства

Дихлорид никеля (NiCl₂)

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).

Никель образует соединения со степенью окисления +1, +2, +3 и +4. При этом соединения никеля со степенью окисления +4 редкие и неустойчивые. Оксид никеля Ni₂O₃ является сильным окислителем.

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 плёнки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в разбавленной азотной кислоте:

3Ni + 8HNO₃(30%) → 3Ni(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

и в горячей концентрированной серной:

Ni + 2H₂SO₄ → NiSO₄ + SO₂ + 2H₂O

С соляной и с разбавленной серной кислотами реакция протекает медленно. Концентрированная азотная кислота пассивирует никель, однако при нагревании реакция всё же протекает (основной продукт восстановления азота — NO₂).

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

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Никель горит только в виде порошка. Образует два оксида NiO и Ni₂O₃ и соответственно два гидроксида Ni(OH)₂ и Ni(OH)₃. Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Водные растворы солей окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида: NiS (черный), Ni₃S₂ (желтовато-бронзовый) и Ni₃S₄ (серебристо-белый). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C₄H₆N₂O₂)₂, дающий чёткую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля.

Основная информация

Имея атомный номер 28, занимает такую же позицию в периодической таблице. Аббревиатура записывается как Ni, производное Niccolum. Легко поддается обработке и отличается значительной пластичностью. Отличается характерным бело-серым цветом со слабым золотистым отливом, поддается полировке, взаимодействует с магнитом.

Главными характеристиками никеля являются:

• плотность – 8,902 г/см3;
• температура, при которой происходит расплавление – 14530 С;
• начинает кипеть – 2730-29150 С;
• точка Кюри – 3580 С.

Никель стабилен при взаимодействии с воздухом. На поверхности металла есть оксидная пленка. Ее наличие обеспечивает отсутствие ржавчины.

В земных недрах, по мнению ученых, сохраняется около 8×103%. Согласно этим же исследования, существует вероятность того, что огромные залежи никеля сосредоточены внутри планеты, в ее ядре. Некоторое количество металла находится в водах мирового океана.

Биологическая роль

Никель — микроэлемент, который необходим всем живым организмам. Его среднее содержание в растениях — 0,00005 %, в наземных животных — 0,000001 %, в морских — 0,00016 % массы тела.

Роль никеля в организме изучена не до конца. Известно, что он участвует в ферментативных реакциях и влияет на окислительные процессы. Он содержится в легких, печени, мышцах, поджелудочной и щитовидной железах, некоторых отделах головного мозга. Микроэлемент также накапливается в ороговевших тканях человека, животных и птиц, в том числе в волосах и перьях.

Избыточное содержание никеля в растениях приводит к уродливым формам, в организме животных — к различным глазным заболеваниям (кератоконъюнктивитам, кератитам).

Пары и пыль никеля токсичны и могут вызывать поражения кожи, легких и носоглотки, а частое вдыхание паров металла опасно появлением злокачественных новообразований.

Преимущества и недостатки

Главные плюсы никеля и сплавов — жаропрочность, жаростойкость и повышенная механическая прочность (давление до 440 МПа). К достоинствам также можно отнести эксплуатацию в раскаленных концентрированных щелочных и кислотных растворах. Помимо этого никель способен сохранять магнитные свойства при пониженных температурах.

Главным недостатком никеля является значительное снижение показателей термоЭДС при быстром охлаждении после отжига (до 600°C). Также к минусам никеля можно отнести тот факт, что в природе чистый никель не встречается. Его получают путем дорогих технологий, что сказывается на его стоимости.

Дивиденды

Последние годы Норникель исправно выплачивал щедрые дивиденды — 60% от EBITDA, если Чистый долг / EBITDA < 1,8x. В этом заключалось как преимущество (высокая доходность), так и недостаток компании: направляя на дивиденды весь свободный денежный поток, компания была ограничена в развитии.

Например, ради сохранения высоких дивидендов, РУСАЛ заблокировал реализацию Норникелем мега-проекта «Арктик-Палладий». Проект был лично одобрен Президентом РФ и предусматривал создание к 2030 году крупнейшего в мире производителя металлов платиновой группы с объемом производства 70-100 тонн платиноидов в год. Его реализация позволила бы Норникелю увеличить контроль над мировым рынком палладия с текущих 44% до более чем 65%.

Текущая дивидендная политика предусмотрена акционерным соглашением и фактически обязывает компанию выплачивать подобные дивиденды. Срок действия соглашения истекает 1 января 2023 года, поэтому дивиденды за 2021 год с выплатой в 2022 году, станут последними, рассчитанными по формуле 60% от EBITDA. Начиная с 2023 года компания будет применять более сбалансированный подход, как ожидается — 60% от свободного денежного потока.

Эти изменения пойдут на пользу компании, поскольку:

• Позволят компании инвестировать в развитие и рост. Стратегия развития компании предполагает увеличение производства всех металлов более чем на 30% к 2030 году, а для ее реализации нужны деньги.
• Норникель получит возможность дополнительно увеличить инвестиции в свой рост и вернуться к реализации проекта «Арктик-Палладий».

Типы проката

В современном производстве трудно обойтись без нержавеющего листа. Он нашел свое применение во всех отраслях промышленности – от фармацевтической до авиационной. Данная продукция получила широкое применение в строительстве благодаря своим свойствам – инертности к агрессивным средам, износоустойчивости. По способу производства листовой прокат может быть горячим или холодным. В зависимости от сферы применения поверхность листа бывает гладкой или фактурной. Холоднокатаные листы могут иметь зеркальную, шлифованную или матовую поверхность. Горячекатаные бывают травленные и термообработанные.

Из листовой стали формируется сортовой нержавеющий прокат, в который входит множество разновидностей изделий. Наиболее широкое распространение получили трубы. Помимо них из проката изготавливают пруток, ленту, проволоку.

Благодаря широким возможностям применения стальной пруток является одним из наиболее популярных изделий металлопроката. В бытовой сфере его используют для изготовления силовых и декоративных элементов балконов, различных изгородей. В промышленности стальной пруток используют для производства шпилек, болтов, различного рода пружин, заклепок, железнодорожного крепежа и других деталей. В строительстве его применяют для армирования железобетонных конструкций.

Стальная лента представляет собой полосовую сталь в рулонах толщиной от 0,005 до 4 мм. В зависимости от способа производства изделия бывают холоднокатаные (ГОСТ 19851-74) и горячекатаные (ГОСТ 6009-74). Стальная лента успешно используется в машиностроении, мебельной промышленности, строительстве. Данное изделие может использоваться как сырье для штамповки различных деталей или как упаковка тары. Холоднокатаная лента из жаростойкой и коррозионностойкой стали применяется для изготовления конструкций, устойчивых к агрессивным средам, и деталей для машин (ГОСТ 4986-79).

Нержавеющая проволока (ГОСТ 18143-72) устойчива к большинству видов коррозии и отличается повышенной жаропрочностью. Такую проволоку широко применяют для сварки нержавеющих сталей, так как обычные электроды не могут справиться с этой задачей. Также она успешно используется в пищевой и химической промышленности, архитектуре и мебельном производстве. Пружинная нержавеющая проволока используется для изготовления подвижных частей механизмов и инструментов, которые подвергаются механическим нагрузкам и функционируют в агрессивной среде. Хромоникелевая проволока не меняет своих характеристик при температуре от 390 до 790 o С. Проволока из такой стали используется в нефтеперерабатывающей и химической промышленности.

Физико-химические характеристики

Никель устойчив к окислению. Это свойство обеспечивает тонкая поверхностная пленка оксида NiO, появляющаяся при обычных температурах.

Свойства атома
Название, символ, номер	Ни́кель / Niccolum (Ni), 28
Атомная масса (молярная масса)	58,6934(4) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	3d8 4s2
Радиус атома	124 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	115 пм
Радиус иона	(+2e) 69 пм
Электроотрицательность	1,91 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	-0,25 В
Степени окисления	0, +2, +3
Энергия ионизации (первый электрон)	736,2 (7,63) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	8,902 г/см³
Температура плавления	1726 K (1453 °C, 2647 °F)
Температура кипения	3005 K (2732 °C, 4949 °F)
Уд. теплота плавления	17,61 кДж/моль
Уд. теплота испарения	378,6 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	26,1 Дж/(K·моль)
Молярный объём	6,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	3,524 Å
Температура Дебая	375 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 90,9 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-02-0

Центрированная по граням структура обуславливает стойкость к нагрузкам, а особенности строения электронных оболочек атомов – свойство намагничивания.

История

Никель был официально открыт в 1751 году химиком Акселем Кронстедтом, который нашел его в кобальтовой земле. Однако еще раньше его раскапывали в горах Саксонии. Горняки использовали руду, содержащую никель, для изготовления стекла. По внешним признакам саксонцы сначала принимали эту руду за серебряную и пытались переплавить ее в драгоценный металл, но этого не получалось. Кроме того, при плавлении из руды выделялся ядовитый газ, который наносил вред горнякам. Неудачу потерпели и попытки добыть из этой руды медь.

В итоге в конце XVII в. саксонцы назвали руду «купферникель», что в переводе означает «медный дьявол». Это связано с тем, что горняки считали выделение ядовитого газа происками злых духов, обитавших в горах. Именно купферникель исследовал Аксель Кронстедт в 1751 году. Он получил из него окисел зеленого цвета и восстановил его до металла, который до этого не был известен науке. Химик назвал этот металл никелем.

В 1775 году Торберн Улаф Бергман получил никель в более чистом виде и подробнее описал его свойства. Он выяснил, что по своему составу этот металл больше похож на железо, чем на медь. В конце XVIII – начале XIX вв. многие химики, начиная с Жозефа Луи Пруста, детально изучали никель. В 1804 году немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер получил наконец чистый металл, и никель окончательно утвердился как химический элемент.

Физические и механические свойства материалов

ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

Физические свойстваматериалов К физическим свойствам материалов относится плотность, тем­пература плавления, электропроводность, теплопроводность, магнит­ные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью

называется отношение массы однородного матери­ала к единице его объема

Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными

Температура плавления

— это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плав­ления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью

называется способность материала хоро­шо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, осо­бенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важ­ным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность

— это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами

т.е. способностью хорошо намагничи­ваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения

характеризу­ют способность материала расширяться при нагревании

Это свой­ство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке желез­нодорожных и трамвайных путей и т.д

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способнос­тью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различ­ных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью

, а аналогичная способность неметаллических материалов —химической стойкостью. К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаро­стойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость

характеризует способность металлического ма­териала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность

характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость

— это способность материала сопротивлять­ся разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость

характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

Механические свойства материалов

Механические свойства характеризуют способность материа­лов сопротивляться действию внешних сил. К основным механичес­ким свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность

— это способность материала сопротивляться раз­рушающему воздействию внешних сил.

Твердость

— это способность материала сопротивляться вне­дрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью

называется свойство материала сопротивляться раз­рушению под действием динамических нагрузок.

Упругость

— это свойство материалов восстанавливать свои раз­меры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью

называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость

— это свойство материалов разрушаться под дей­ствием внешних сил без остаточных деформаций.

Твердость

металлов измеряется путем вдавливания в испытуе­мый образец твердого наконечника различной формы.

Структура и состав

Никель имеет белый цвет с серебристым оттенком. Этот металл часто сочетается с другими материалами. В результате образуются сплавы.

• Никель содержится в пище, земной коре, воде и даже в воздухе.
• Никель имеет гранецентрированную кубическую решетку (а = 3,5236А). В обычном состоянии он представлен в форме β-модификации. При катодном распылении переходит в α-модификацию с гексагональной решеткой. Если далее нагреть никель до 200°C, то его решетка станет кубической.
• У никеля недостроенная 3d-электронной оболочка, поэтому его относят к переходным металлам.
• Элемент никель входит в состав самых важных магнитных сплавов и материалов, у которых коэффициент теплового расширения минимален.

Никель, не переработанный и добытый в природе, состоит из 5 стабильных изотопов. В периодической системе Менделеева за никелем числится номер 28. Этот элемент имеет атомную массу равную 58,70.

Далее мы погорим про магнитные, технологические свойства никеля, его механические,физические и технические характеристики.

Свойства «хитрого бездельника»

• жаропрочность;
• устойчивость против коррозии (в том числе в агрессивных средах);
• никель красив — он имеет серебристо-белый цвет с легким золотистым оттенком, к тому же блестит;
• существенный недостаток — металл дорогой.

Наш сегодняшний герой — химический элемент с атомным номером 28. В таблице Менделеева он устроился в 10 группе четвертого периода (по устаревшей классификации это побочная подгруппа VIII группы). Кто знает химию, сразу его назовет Niccolum, или узнает по обозначению Ni. Никель — это переходный металл, ковкий, пластичный.

Это один из четырех элементов, кроме железа, кобальта и гадолиния (редкоземельный металл), которые проявляют магнитные свойства при нормальных условиях.

Некоторые характеристики металла:

Свойство	Значение
Плотность	8,902 г/см³
Кристаллическая структура	Гранецентрированная, кубическая
Температура плавления	1453°С
Температура кипения	2732°С
Атомная (молярная) масса	58,7 г/моль
Степени окисления	0, +2, +3

Химическая активность у металла средняя. В порошкообразном состоянии способен воспламениться на открытом воздухе.

Сферы применения

О руде, по описанию похожей на медь, знали еще саксонские горняки в Средние века. Она использовалась как зеленый пигмент для окраски стекол.

С тех пор, благодаря изучению свойств и характеристик металла, область применения расширилась.

Его применяют самостоятельно и в сплавах.

Чистый никель

Беспримесный никель востребован промышленным производством:

• Покрытие, стойкое коррозии. Применяется для защиты железа, алюминия, магния, цинка, чугуна, нелегированных сталей. Попутно снижает стоимость изделий.
• Приборы, котлы, тигли с постоянными физико-химическими характеристиками, устойчивые к коррозии.
• Резервуары для перевозки и хранения химических реагентов (включая едкие щелочи), эфирных масел.
• Трубы для перекачки щелочей, других агрессивных субстанций на предприятиях химического комплекса.
• Инструментарий для науки, медицины.
• Детали приборов радиолокации, телевидения, дистанционного управления процессами на атомных станциях.

Сплавы

Известно более трех тысяч композиций никеля с металлами:

Самые распространенные – с железом, кобальтом, хромом, молибденом, алюминием, титаном, бериллием.

• Медно-никелевое соединение монель (никеля – две трети): химия, электротехника, медицина. А также оснастка для океанских лайнеров, морских судов, портов, защитные кожухи атомных реакторов, газовые турбины, двигатели реактивных самолетов.
• Сплавы никеля вязкие, с малым коэффициентом термического расширения. Из них делают броню для нужд военно-промышленного комплекса.
• Особая группа – сплавы на медной основе (нейзильбер, латунь, бронза, другие).
• Никелевые сплавы – основа современных монет (например, пятицентовика в США), обмотки струн музыкальных инструментов, брекетов.

Продукция металлургических предприятий поставляется в виде трубки, проволоки, нити, фольги, ленты, порошка, других конфигураций.

Медно-никелевые сплавы

Это сплавы на медной основе, при этом никель является в них основным легирующим элементом. Смешение никеля и меди гарантирует высокую прочность, электросопротивление и устойчивость к коррозии.

В качестве элементов медно-никелевых сплавов могут также выступать алюминий, железо, марганец, цинк, титан, свинец, кремний. Согласно ГОСТ 492-73, допускается не более 2 % примесей, для некоторых сплавов — не более 0,15 %. Наиболее распространенные медно-никелевые сплавы — это копель, константан, мельхиор, нейзильбер, куниаль, манганин, монель.

Копель

Копель (МНМц43-0,5) содержит 0,1−1 % марганца, 42,5−44 % никеля, до 0,6 % примесей, остальная масса приходится на медь. Сплав имеет большую термоэлектродвижущую силу, выпускается в виде проволоки, которая применяется для компенсационных проводов, а также для изготовления термопар.

Константан

Константан (МНМц40-1,5) — термостабильный сплав с высоким удельным электросопротивлением. Он состоит из 1-2 % марганца, 39-41 % никеля, примерно 59 % меди и не более 0,9 % примесей. Константан выпускается в виде проволоки, полос и лент. Используется для изготовления приборов высокого класса точности, реостатов и электронагревательных элементов, компенсационных проводов и термопар.

Мельхиор

Мельхиор (МНЖМц30-1-1) — конструкционный медно-никелевый сплав с содержанием 18-22 % никеля, примерно 80 % меди и не боле 0,6 % примесей. Некоторые разновидности мельхиора содержат железо и марганец. Он обладает высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Хорошо поддается обработке давлением в холодном и горячем виде — штампуется, режется, чеканится. Его легко паять и полировать. Мельхиор имеет серебристый оттенок, выпускается в виде труб, полос и ленты. Применяется для изготовления монет, недорогих ювелирных украшений и посуды. Из него делают трубные доски кондиционеров, конденсаторные трубы. Сплав также используется в приборостроении.

Нейзильбер

Название нейзильбер (МНЦ15-20) переводится с немецкого как «новое серебро». Такое название он получил из-за того, что напоминает драгоценный металл, но при этом он стоит намного дешевле. Из него делают столовые приборы, которые серебрятся после отливки. В промышленности нейзильбер применяется для производства паровой и водяной арматуры, медицинских инструментов и деталей точных приборов. Из него производят ордены и медали, ювелирные изделия, гитарные лады. Нейзильбер также используется для изготовления финифти и филиграни. Сплав содержит 18-22 % цинка, 13,5-16,5 % никеля, около 38 % меди и не более 0,9 % примесей. Выпускается в виде ленты, труб, полос, проволоки и прутков.

Куниаль

Куниаль — дисперсионно-твердеющий сплав меди, никеля и алюминия. Куниаль А (МНА13-3) содержит 2,3-3 % алюминия, 12-15 % никеля, около 80 % меди и не более 1,9% примесей. Куниаль Б (МНА6-1,5) — 1,2-1,8 % алюминия, 5,5-6,5 % никеля, около 90 % меди и не более 1,1 % примесей.

Куниаль А выпускается в виде прутков, применяется в машиностроении для изделий повышенной прочности. Из куниаля Б изготавливают полосы, которые используются в электротехнике для пружин и других изделий.

Манганин

Манганин (МНМц3-12) — термостабильный сплав, содержащий 11,5-13,5 % марганца, 2,5-3,5 % никеля, около 85 % меди и не более 0,9 % примесей. Он выпускается в виде листов и проволоки, находит применение в измерительной технике: из манганина делают шунты, катушки, добавочные сопротивления, магазины сопротивлений и др.

Монель

Монель (НМЖМц28-2,5-1,5) — сплав на основе никеля, который содержит 2-3 % железа, 1,2-1,8 % марганца, 27-29 % меди и не более 0,6 % примесей. Выпускается в виде лент, полос, листов и проволоки. Применяется в различных сферах промышленности: медицинской, химической, нефтяной, судо- и авиастроительной. Из него делают дрели, музыкальные инструменты, оправы для очков, различные антикоррозионные детали.

Месторождения

Никель не относится к редкоземельным металлам – на планете его достаточно (0,01% по массе). В земной коре обнаружен исключительно в связанном виде.

Предполагается, что из его сплава с железом состоит земное ядро.

Второй источник самородного металла – железные метеориты.

Крупными залежами располагают страны Тихоокеанского бассейна:

• Австралия;
• Индонезия;
• Новая Каледония;
• Филиппины.

Мировые запасы никелевых руд исчисляются миллионами тонн.

Медно-никелевые руды залегают в зонах глубинных разломов на древних щитах. Их характерная особенность – постоянный минеральный состав руд, среди которых кобальт, платиноиды, золото.

Втрое богаче по запасам месторождения экзогенного типа.