Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Свойства и применение никеля

Общая характеристика. История открытия

Никель -- элемент побочной подгруппы восьмой группы, четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (лат. Niccolum). Простое вещество никель (CAS-номер: 7440-02-0) -- это пластичный ковкий переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой защитной пленкой оксида. Химически малоактивен.

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).

1. Нахождение в природе

Никель - элемент земных глубин (в ультраосновных породах мантии его 0,2% по массе). Существует гипотеза, что земное ядро состоит из никелистого железа; в соответствии с этим среднее содержание Ni в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где никеля 5,8Ч10-3%, он также тяготеет к более глубокой, так называемой базальтовой оболочке. Ni в земной коре - спутник Fe и Mg, что объясняется сходством их валентности (II) и ионных радиусов; в минералы двухвалентных железа и магния никеля входит в виде изоморфной примеси. Собственных минералов никеля известно 53; большинство из них образовалось при высоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водных растворов. Месторождения никеля связаны с процессами в магме и коре выветривания. Промышленные месторождения никеля(сульфидные руды) обычно сложены минералами никеля и меди. На земной поверхности, в биосфере никеля - сравнительно слабый мигрант. Его относительно мало в поверхностных водах, в живом веществе. В районах, где преобладают ультраосновные породы, почва и растения обогащены никелем.

Никель в нечистом виде впервые получил в 1751 шведский химик А. Кронстедт, предложивший и название элемента. Значительно более чистый металл получил в 1804 немецкий химик И. Рихтер. Название никель происходит от минерала купферникеля (NiAs), известного уже в 17 в. и часто вводившего в заблуждение горняков внешним сходством с медными рудами (нем. Kupfer - медь, Nickel - горный дух, якобы подсовывавший горнякам вместо руды пустую породу). С середины 18 в. никель применялся лишь как составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое развитие никелевой промышленности в конце 19 в. связано с нахождением крупных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии и в Канаде и открытием "облагораживающего" его влияния на свойства сталей. История происхождения никеля и нахождения его в природе имеет большое познавательное значение.

Никель и его аналоги - железо и кобальт - не только встречаются в недрах Земли, но и являются основными составляющими космических тел, попадающих на нашу планету в виде отдельных осколков - метеоритов или аэролитов. Эти тела, издавна известные как метеоритное железо, являются в основном сплавами железа с разным содержанием никеля и кобальта. Поэтому историю никеля можно рассматривать не только как историю происхождения и распределения его в геосферах Земли, но и как историю космоса и историю происхождения метеоритов. Она может быть прослежена начиная от недр Земли, ее различных глубинных геосфер и кончая метеоритами. Результаты исследовании метеоритов могут быть сопоставлены с новейшими исследованиями синтетических никелевых сплавов, в какой-то степени повторяющих природные химические составы железо-никелевых сплавов, входящих в основу метеоритных железных сплавов. Таким образом, никель является одним из древнейших металлов, обнаруженных совместно с железом в самородном состоянии, а также в виде различных минеральных образований.

Главными странами по добыче и производству Ni являются Канада, Новая Каледония и Австралийский союз. Основными потребителями - Япония, США и страны Западной Европы.

2. Получение

Около 80% никеля от общего его производства (без России) получают из сульфидных медно-никелевых руд. После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавят в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10-15% Ni.

Обычно электроплавке (основной метод плавки в СССР) предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Сu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni - файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu, и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового никеля отливают аноды и рафинируют электролитически.

Содержание примесей в электролитном никеле (марка 110) 0,01%. разделения Cu и Ni используют также т. н. карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции:

Ni+4CO=Ni (CO)

Получение карбонила проводят при 100-200 атм. и при 200-250 °С, а его разложение - без доступа воздуха при атмосферном давлении и около 200°С.

Разложение Ni (CO) используют также для получения никелевых покрытий и изготовления различных изделий (разложение на нагретой матрице). В современных "автогенных" процессах плавка осуществляется за счёт тепла, выделяющегося при окислении сульфидов воздухом, обогащенным кислородом. Это позволяет отказаться от углеродистого топлива, получить газы, богатые SO, пригодные для производства серной кислоты или элементарной серы, а также резко повысить экономичность процесса. Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов. Всё более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислорода при повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно никель переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением). Из силикатных (окисленных) руд никель также может быть сконцентрирован в штейне при введении в шихту плавки флюсов - гипса или пирита. Восстановительно-сульфидирующую плавку проводят обычно в шахтных печах; образующийся штейн содержит 16-20% Ni, 16-18%S, остальное - Fe. Технология извлечения никеля из штейна аналогична описанной выше, за исключением того, что операция отделения Cu часто выпадает. При малом содержании в окисленных рудах Со их целесообразно подвергать восстановительной плавке с получением ферроникеля, направляемого на производство стали. Для извлечения никеля из окисленных руд применяют также гидрометаллургические методы - аммиачное выщелачивание предварительно восстановленной руды, сернокислотное автоклавное выщелачивание и др.

3. Физические свойства

Никель - серебристо-белый ковкий и пластичный металл с сильным блеском, легко полируется. Он обладает кубической гранецентрированной кристаллической решеткой (параметр а = 0,35238 нм).

· температура плавления 1455°C

· температура кипения около 2900°C

· плотность 8,90 кг/дм³

· никель -- ферромагнетик. Хорошо поддаётся прокатке, ковке и сварке.

· точка Кюри около 358°C.

4. Электронное строение атома

4.1 Составьте электронную формулу данного элемента

4.2 Дайте объяснение физического смысла всех индексов у данного химического элемента в системе Д. И. Менделеева ( порядковый №, № периода, № группы, принадлежность к группе “А” или “Б”). Определите возможность “Эффекта провала электрона”

Порядковый номер химического элемента показывает какой заряд ядра атома химического элемента, т.е количество протонов в атоме, а значит и количество электронов в нём.

Ni в ПСЭ имеет № 28, значит заряд ядра 28, а общее количество электронов 28.

Ni находится в 4 периоде. № периода определяет количество энергетических уровней (квантовых слоёв в атоме данного химического элемента), а также максимальное значение главного квантового числа, т.е у Ni 4 энергетических уровня.

№ группы показывает общее число валентных электронов. Для элементов побочных подгрупп № группы показывает сумму валентных электронов, находящихся на внешнем и предвнешнем энергетических уровнях. Ni расположен в 8 Б подгруппе. Один электрон находится на внешнем энергетическом уровне, остальные на предвнешнем энергетическом уровне ( локализованы возле ядра).

“Эффекта провала электрона” не наблюдается т.к d- подуровень заполнен не полностью.

4.3 Выделите валентные подуровни в электронной формуле атома химического элемента, определите принадлежность химического элемента к типу s-, p-, d-, f- элементов

В электронной формуле Ni валентными подуровнями являются 3d4s подуровни, т.к именно на них находятся валентные электроны. Ni относится к d- элементам, т.к последний электрон занимает d- подуровень предвнешнего энергетического уровня.

4.4 Напишите наборы квантовых чисел для всех валентных электронов

Квантовые числа: n- главное квантовое число

L- орбитальное (побочное) квантовое число

m- магнитное квантовое число

m- магнитное квантовое число

Электроны		3d1	3d2	3d3	3d4	3d5	3d6	3d7	3d8	4s1	4s2
Квантовые числа	n	3	3	3	3	3	3	3	3	4	4
	l	2	2	2	2	2	2	2	2	0	0
	m	0	0	-1	-1	+1	+1	+2	-2	0	0
	m	+	-	+	-	+	-	+	+	-	+

n - (главное квантовое число) - определяет уровень электронов (определяет общую энергию электрона на данной орбитали). Главное квантовое число может принимать целые значения n=1,2,3,4…

L - орбитальное (азимутальное) число определяет форму атомных орбиталей и принимает значение от 0 до n-1 (0,1,2,3,… либо s,p,d,f,… в буквенном виде соответственно).

Магнитное квантовое число m₁ определяет энергетическое состояние электрона в пределах одного энергетического уровня. Принимает значения от -L до +L, включая 0.

Спиновое квантовое число m_s определяет собственный вращательный момент электрона вокруг своей оси. Может принимать только два значения +1/2 или -1/2. Спиновое квантовое число вводится для снятия «вырождения». Дело в том, что 2 электрона в атоме могут иметь одинаковый набор квантовых чисел: n, L, m₁ и находятся при этом в «вырожденном» (энергетически неразличимом) состоянии.

4.5 Определите принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам, прогнозируйте величины степени окисления

Металлами называют химические элементы, атомы которых способны только терять валентные электроны и проявлять только продолжительную степень окисления.

Никель - это металл, так как он относится к d- элементам, в атомах которых электронами заполняется подуровень d при уже законченном подуровне s последующего электронного уровня.

Прогнозируемые величины степени окисления +2, реже +3 и очень редко +4.

Никель- типичный восстановитель, как и все металлы обладает хорошей электропроводимостью.

4.6 Распределите валентные электроны атома химического элемента по энергетическим ячейкам в соответствии с принципом наименьшей энергии и правилом Гунда

По правилу Гунда заполнение энергетических ячеек электронами происходит таким образом, что суммарное спиновое квантовое число m было максимальным.

По принципу наименьшей энергии сначала в каждую ячейку заносится один электрон и при завершении d- подуровня заполнение ячеек начинается сначала.

4.7 Прогнозируйте тип гибридизации валентных атомных орбиталей при образовании бинарных соединений (фторидов, хлоридов и др.)

Метод гибридизации атомных орбиталей исходит из предположения, что при образовании молекулы вместо исходных s-,p- и d- электронных облаков образуются такие равноценные или гибридные электронные облака, которые вытянуты к соседним атомам, благодаря чему достигается их более полное перекрывание с электронными облаками этих атомов.

NiF sp- гибридизация возможна

5. Соединение данного химического элемента с неметаллами

5.1 С водородом

Гибриды для металла никеля не получены, так как его химическая активность слишком мала. Водород в значительном количестве растворяется в Ni с образованием твёрдых растворов типа внедрение. По мере повышения температуры растворимость водорода увеличивается.

5.2 С галогенами

Соединения Ni с галогенами носят солеобразный характер NiCl.

Ni + Cl = NiCl (хлорид никеля - блестящие золотисто-желтые ромбоэдрические кристаллы)

5.3 С серой

При соединении с серой никель образует солеобразное соединение- сульфид, NiS, которое образуется очень бурно в условиях контакта никеля с газом SO, HS или парами серы. При этом компактный никель разрушается с поверхности.

Ni + S = NiS (сульфид никеля)

Высший сульфид NiS не имеет практического значения т.к. в контакте с жидким металлом он переходит в моносульфид: NiS + Ni = 4NiS

5.4 С азотом

Азот в молекулярном состоянии почти не соединяется с никелем даже при очень высоких температурах. Однако, атомарный азот (образующийся, например, в процессе термической диссоциации аммиака NH) гораздо активнее взаимодействует с Ni. При этом образуются нитриды переменного состава NiN

4Ni + 3 N= 2 NiN (нитрид никеля)

5.5 С углеродом

Карбиды d- металлов семейства железа химически мало устойчивы и, кроме того, они все эндотермичны.

3Ni + C = NiC (карбид никеля)

5.6 С кислородом

Никель проявляет в оксидах степень окисления +2; соединения, в которых он проявляет степень окисления +3, мало устойчивы.

2Ni + O = 2NiO (оксид никеля () )

Только при нагревании на воздухе до температуры выше 800°C металлический никель начинает реагировать с кислородом с образованием оксида NiO. Неустойчивый оксид NiO можно получить путём глубокого окисления оксида NiO или осторожным прокалыванием азотнокислого никеля.

6. Оксиды и гидрооксиды данного химического элемента

6.1 Запишите ряд оксидов данного химического элемента (прогноз по электронной формуле и ковалентности)

Согласно электронной формуле никеля и его ковалентности, для Ni можно прогнозировать существование следующих оксидов: NiO, NiO, т.к. Ni принимает степени окисления +2 и +3.

6.2 Прогнозируйте характер оксидов (основной, кислотный, амфотерный) по величине Э.О и правилу химических свойств ряда оксидов

Характер оксидов можно прогнозировать по величине электроотрицательности.

Э.О = Э.О - Э.О

Э.О > 2 оксид обладает основными свойствами.

Э.О = 1,9

Э.О = 3,5

Э.О = 3,5 - 1,9 = 1,6

Э.О по величине не всегда можно точно определить.

Свойства оксидов: везде даётся разная величина Э.О. В данном случае этот метод не подходит, т.к. оксид NiO обладает основными свойствами.

1. Оксид Ме О

2. Оксид Ме O

Усиливаются основные свойства от 2 к 1, т.е. Ni О - основной

Ni O - основной

6.3 Запишите соответствующие гидрооксиды (основания и кислоты). Определите принадлежность к сильным или слабым электролитам

Гидрооксид Ni можно получить препаратным путём (например, действием щелочи на раствор соответствующей соли). Гидрооксид Ni растворяются только в кислотах, образуя соли никеля, то есть являются основаниями. Гидрооксид никеля Ni (OH) крайне неустойчив.

Гидрооксид никеля () Ni (OH) выпадает в виде светло-зелёного осадка при действии щелочей на растворы солей. При нагревании он теряет воду и переходит в серо-зелёный оксид никеля () NiO.

Гидрооксид никеля Ni () Ni (OH) имеет чёрно-бурый цвет и образуется при действии щелочей на соли никеля в присутствии сильных окислителей. По свойствам он подобен гидрооксиду кобальта (), но обладает более выраженными окислительными свойствами.

Константа диссоциации Ni (OH)=2,5* 10.Следовательно, гидрооксид никеля относится к слабым электролитам, т.к. его константа диссоциации < 10.

При добавлении щелочи к раствору соли никеля(II) выпадает зеленый осадок гидроксида никеля: Ni(NO₃)₂ + 2NaOH = Ni(OH)₂ + 2NaNO₃. Ni(OH)₂ обладает слабоосновными свойствами.

Если на суспензию Ni(OH)₂ в щелочной среде воздействовать сильным окислителем, например, бромом, то возникает гидроксид никеля(III): 2Ni(OH)₂ + 2NaOH + Br₂ = 2Ni(OH)₃ + 2NaBr.

6.4 Составьте уравнения реакций, подтверждающих характер гидрооксидов в молекулярном и ионном виде

Ni (OH)- основной

Ni (OH) + 2 HCl NiCl + 2 HO

Ni (OH) + 2 H +2 Cl 2Ni + 2 Cl + 2 HO

Ni (OH) + 2 H 2Ni+ 2 HO

Ni (OH)-слабоосновной

Ni (OH)+ 3HCl NiCl+ 3 HO

Ni (OH)+ 3 H+ 3 Cl 3 Ni + 3 Cl + 3 HO

Ni (OH) 3 H 3 Ni+ 3 HO

6.5 Напишите уравнения реакций электролитической диссоциации гидрооксидов

1 стадия: Ni (OH) + aq (Ni OH) aq + (OH)

K = = 1,0 * 10

2 стадия: Ni (OH) Ni + (OH)

K = = 5,6 * 10

общая стадия: Ni (OH) Ni + 2(OH)

К = K * K = 1,0 * 10 * 5,6 * 10 = 5,6 * 10

7. Может ли данный химический элемент образовывать комплексные соединения? Если да, то, какие? Примеры

Ni может образовывать комплексные соединения.

H [Ni (CN)]

v v v

1 2 3

1- внешняя сфера

2 и 3- внутренняя сфера

2- комплекс

3- лиганд

H[Ni (CN)]

H [Ni (CN)] +aq Haq + [Ni (CN)] aq

[Ni (CN)] + aq Ni(CN) (тв) + 2(CN) aq

Обычно комплексообразователь является акцептором, а лиганды- донором. И при образовании комплекса между ними возникает донорно- акцепторная связь.

Катион Ni²⁺ с аммиаком образует гексаамминовый комплекс [Ni(NH₃)₆]²⁺ и диакватетраамминовый комплекс [Ni(NH₃)₄(Н₂О)₂]²⁺. Эти комплексы с анионами образуют синие или фиолетовые соединения.

При действии фтора F₂ на смесь NiCl₂ и КСl возникают комплексные соединения, содержащие никель в высоких степенях окисления: +3 -- (K₃[NiF₆]) и +4 -- (K₂[NiF₆]). Порошок никеля реагирует с оксидом углерода(II) СО, причем образуется легко летучий тетракарбонил Ni(CO)₄, который находит большое практическое применение при нанесении никелевых покрытий, приготовлении высокочистого дисперсного никеля и т.д.

8. Напишите уравнения реакций гидролиза соли NiSO по 1-ой стадии в молекулярном и ионном виде с учётом всех равновесий. Рассчитайте pH среды при гидролизе этой соли (с =0,01 моль/л). Как усилить гидролиз?

Гидромлиз (от греч. hydro -- вода и греч. lysis -- разложение) -- один из видов сольволиза, взаимодействие веществ с водой с образованием различных соединений.

Так как соль NiSO образована слабым основанием Ni (OH) и сильной кислотой HSO, то процесс гидролиза будет проходить по катиону.

pH<7, т.к. процесс гидролиза будет проходить по катиону.

Расчёт pH производится по формуле:

pH=-

pH=-=5,7

Молекулярное: 2 NiSO +2 HO(NiOH) SO+ HSO

Ионное:

Ni|HO <=> (NiOH) | H

¦ v ^ K v ^ ¦

¦ H+OH Ni+ OH ¦

L----- L---

Гидролиз усиливается при разбавлении, при нагреве, при добавлении щёлочи. Гидролиз ослабевает при охлаждении, увеличении С, при подкислении.

9. Окислительно-восстановительные процессы

9.1 Дайте оценку восстановительных свойств Ni и окислительно-восстановительных свойств его ионов в зависимости от pH среды

Система	E,B (нормальный электродный потенциал)
	кислая среда	щелочная среда
E Ni | NiO	+ 1,78	_
E Ni (OH)| NiO	_	+ 0,49

Окислительно-восстановительные свойства Ni можно охарактеризовать величиной нормального электродного потенциала системы.

Система содержит ион-окислитель (Me, Me) и ион-восстановитель (Me), эффективность действия которых характеризуется величиной электродного потенциала системы.

Положительное значение E свидетельствует о преобладании окислительной активности ионов Meили Me по сравнению с восстановительной активностью ионов Me. Чем более отрицательна величина электродного потенциала- тем выше восстановительная активность ионов Me по сравнению с окислительной активностью ионов Me или Me.

Ni- очень слабый восстановитель

Ni- сильный окислитель

Ni- окислитель

Окислительная активность ионов никель увеличивается в кислой среде.

Восстановительная активность ионов никеля увеличивается в щелочной среде

В водных растворах с увеличением степени окисления у Ni возрастает окислительная способность.

9.2 Составьте уравнение 3-х окислительно-восстановительных реакций (с использованием вещества, содержащие ионы Ni) при pH>7, pH<7, pH=7. Предварительно рассчитайте E хим реакции, используйте метод электронно-ионного баланса

1) pH>7 (среда щелочная)

NiO (тв) + KCrO + KOH Ni (OH) (тв) + …(Сr O)

ox red

E= NiO/ Ni(OH) - (CrO)/ CrO = 0,49

3 ¦ Ni O + 2 e + 2 HO Ni(OH) + 2 OH

2 ¦ (CrO) - 3 e + 4 OH (CrO) + 2 HO

3NiO + 6HO + 2(CrO) + 8OH3Ni(OH) + 6OH +2(CrO) + 4HO

+	-
4K

3NiO + 2 К CrO + 2 KOH + 2 HO 3Ni(OH) + 2 K CrO

2) pH<7 (среда кислая)

NiO + VOCl + HCl Ni +(VO) …

ox red

E= NiO/Ni - (VO)/ (VO) = 0,116 - (-0,044) = 0,16 >0

1 ¦ NiO + 2 e + 2 H Ni + HO

2 ¦ (VO) - e (VO)

NiO + 2 H + 2(VO) Ni + HO + 2 (VO)

+	-
	4Cl

NiO + 2 VOCl + 2 HCl Ni + 2 (VO) Cl + HO

3) pH=7 (среда нейтральная)

Ni + K(PO) + HO Ni (OH) (тв) +…(HPO)

red ox

1¦ Ni - 2 e + 2 HO Ni(OH) + 2 H

1¦ (PO) + 2 e + 2 HO (HPO) + 3 OH

Ni + (PO) + 4 HO Ni(OH) + (HPO) + 2 H + 3 OH

+	-
3K

E= (PO) /(HPO) - Ni(OH) / Ni < 0

Ni + K(PO) + 2 HO Ni(OH) + K( HPO) + KOH

10. Электрохимические свойства металла

10.1 Прогнозируйте отношение данного металла в компактном состоянии к атмосфере сухого воздуха ( при комнатной температуре и нагревании), к влаге ( без аэрации и при аэрации), к неокислительным и окислительным кислотам (“на холоду”, и при нагревании), к растворам и расплавам щелочей

Отношение Ni к атмосфере сухого воздуха ( при комнатной температуре и нагревании), к влаге ( без аэрации и при аэрации),

Для никеля окисление заканчивается образованием окисной плёнки с высокими защитными свойствами, не дающей идти окислению вглубь, то есть сводится к пассивации металла, следовательно никель- самопассивирующейся металл. Защитные свойства плёнки оцениваются величиной критерия Пиллинга и Бедвордса.

в пределах 1,25-2,5, = 1,52, устойчив, окисляется с образованием сплошной защитной плёнки.

2 Ni + О Ni || 2 NiO (тв)

По отношению к металлам, активным окислителем является кислород влажного воздуха, имеющих при pH=7 O/ HO= +1,23- 0,059*7= +0,82 В. Можно прогнозировать, что металлы, у которых стандартный электродный потенциал < = +0,82 В, способны окисляться во влажном воздухе. Чем больше разница в величине стандартного электродного потенциала и потенциала кислорода, тем активнее протекает процесс окисления.

Стандартный электродный потенциал никеля = - 0,25В, следовательно никель окисляется во влажном воздухе.

Ni + О + HO Ni(OH) (тв)

Red Ox

4¦ Ni - 2 e + 2 HO = Ni(OH) + 2 H

2¦ О + 4 e + 2 HO = 4 (OH)

4 Ni + 2 О+ 12 HO 4 Ni (OH) + 4 H^

По отношению к металлам, окислителями в атмосфере могут быть HO, CO, Cl.

Можно прогнозировать, что реакция между металлами и окислителями возможна, если потенциал окислителя больше потенциала металла.

Ni/ Ni = - 0,25 В

HO/ H= -0,41 В

Cl/ Cl = +1,36 В

CO/ CO = - 0,12 В

Следовательно, никель окисляют только CO и Cl

По отношению к металлам, кислоты можно разделить на 2 группы:

Неокислительные и окислительные.

1. Взаимодействие никеля с неокислительными кислотами (HBr, HJ, HSO разб.)

Никель почти стоек в HCl, с концентрацией ниже 15% и очень медленно растворяется в разбавленной HSO. Окислитель- ионы H.

Ni + 2 HCl H + NiCl

Ni + HSO H + Ni SO

Для стандартных условий можно прогнозировать, что с неокислительными кислотами будут взаимодействовать металлы, у которых <0.

2. Взаимодействие никеля с окислительными кислотами (HClO, HNO, HSO конц.)

Окислителями в этих кислотах являются кислотосодержащие анионы. А ионы H выполняют только роль среды, в растворах солей, содержащих ионы- окислителей и других окислительных средах.

Пассивирует никель только холодная концентрированная 60-70% HSO.

Однако, никель растворяется в горячей концентрированной HSO с выделением SO.

Ni + 2HSO SO +2 HO + Ni SO

Ni + 4 H +2 SO SO + Ni + SO + 2 HO

Взаимодействие Ni с растворами, расплавами щелочей.

Исходя из свойств оксидов и гидрооксидов металлов, можно прогнозировать, что с щелочами могут взаимодействовать те металлы, у которых оксиды и гидрооксиды обладают амфотерными и кислотными свойствами.

Так как у никеля преимущественно основные и слабоосновные оксиды, то никель устойчив к щелочам.

Никель является самым щелочеупорным металлом из всех металлов, применяемых в технике.

10.2 Опишите процесс измерения величины стандартного электродного потенциала данного металла и дайте термодинамический расчёт этой величины

Для измерения стандартного электродного потенциала электродной системы необходимо собрать электрохимическую ячейку- гальванический элемент из двух полуэлементов.

1-ый полуэлемент- эталон, стандартный водородный электрод.

2-ой полуэлемент- исследуемая электродная система.

Обычно в лабораторных условиях вместо стандартного водородного электрода используется электрод сравнения AgCl.

----- П ----¬

¦ ¦

K+ || Pt, H⁺| H₂ || Ni| Ni || A -

L-----

an

an - условное обозначение любого аниона.

ox/ red = -

- энергия Гиббса электродной реакции

z - число эл-ов, участвующих в реакции

F= 96500 Кл - постоянная Фарадея

Ni aq + 2 e Ni + aq

ox red

рассчитываем по закону Гесса

= -

= 0;

отсюда = - = - 193000 Дж

Ni/ Ni = - = - = - 0,25 В

Стандартный электродный потенциал Ni равен - 0,25 В.

ox/ red < 0 red активнее, чем ox.

10.3 Составьте и опишите схему гальванического элемента из металлического электрода данного металла и электродной системы

С, MnO/ MnO. pH7. Рассчитайте ЭДС теор.

Гальванический элемент- устройство, в котором химическая энергия токообразующей окислительно-восстановительной реакции преобразуется в электрическую.

Обязательным условием для работы гальванического элемента является разность потенциалов между электродными системами.

общая реакция: 3Ni + 2 MnO +4 HO 3 Ni+ 2 MnOv+ 8 OH

e

----------------¬

¦ --------¬¦

¦ v ¦v

||А|| Ni/ Ni || MnO/ MnO, C ||K||

Ni/ Ni= -0,25 В

MnO/ MnO= +0,6 B

||А|| Ni - 2 e Ni

||K|| MnO+ 2 HO + 3 e MnOv +4 OH

E= MnO/ MnO - Ni/ Ni= 0,6 - 0,25= 0,35 В

10.4 Опишите процесс электрохимической коррозии при контакте Ni из Mg во влажной среде (без аэрации и при аэрации). pH= 10

Mg / Mg = -2,37 В

Ni/ Ni = - 0,25 В

Так как стандартный электродный потенциал Mg меньше стандартного электродного потенциала Ni, то магний- анод, никель- катод.

e

---------¬

¦ v ----¬v

||А|| Mg/ O, HO/ Ni ||K||

<------

(OH)

||А|| Анодный процесс (окисления):

2 Mg- 2* 2 e 2 Mg

||K|| Катодный процесс (восстановления):

O + 4 e + 2 HO 4 (OH)

Общая реакция коррозионного процесса:

2 Mg + O + 2 HO 2 Mg + 4 (OH)

v

2 Mg (OH)

Теоретическая величина ЭДС (электродвижущей силы) коррозионного процесса:

ЭДС= - = O/(OH) - Mg (OH) / Mg =

= (1,23- 0,059 * pH)- (-2,690) = (1,23- 0,059 * 10) + 2,690= 3,33 В

3,33 В - достаточно высокая положительная величина ЭДС. Она позволяет спрогнозировать, что процесс коррозии Ni протекает интенсивно.

Если эксплуатация изделия протекает без аэрации ( без доступа кислорода), возникает контактный гальванический элемент:

e

--------¬

¦ v ---¬ v

||А|| Mg/ HO / Ni ||K||

<------

(OH)

||А|| Анодный процесс (окисления):

Mg- 2 e Mg

||K|| Катодный процесс (восстановления):

2 HO + 2 e H + 2 (OH)

общая реакция коррозионного процесса:

Mg + 2 HO Mg + 2 (OH) + H (г)

v

Mg (OH)

Теоретическая величина ЭДС (электродвижущей силы) коррозионного процесса:

ЭДС= HO/ H - Mg / Mg = - 0,059 * 10 - (-2,690) = 2,1 В

2,1 В - положительная величина ЭДС. Процесс коррозии протекает очень интенсивно.

10.5 Опишите процесс электролиза с учётом перенапряжения

Электролит- раствор Ni (NO) pH=4

Электроды- катод Cu

анод Cu

Электролит- раствор: Ni (NO), HO, рН=4 Ni (NO) Ni + 2 NO,
Анод (+) из Cu	Катод (-) из Cu
Анодная реакция в общем виде: Red - Z * е Ox	Катодная реакция в общем виде: Ox + Z * е Red
“ Конкурирующие” Red - частицы анодного процесса: Cu, HO	“ Конкурирующие” Ox - частицы катодного процесса: Ni, HO
Электродные потенциалы Red - частиц: - min + 1,23- 0,059* рН + = = + 1,23- 0,059*4 + 1,08 = 2,08	Электродные потенциалы Ox - частиц: -0,25 -max -0,059* рН += = -0,059*4 +(-0,51)= -0,75
Анодный процесс: Cu- 2 e Cu	Катодный процесс: Ni + 2 e Ni
Вывод: На аноде растворяется Cu, а на катоде восстанавливается Ni до Ni

Электролиз- сумма окислительно-восстановительных реакций, протекающих на электродах электролизера под действием постоянного электрического тока. В электролизере любой конструкции происходит преобразование электрической энергии в химическую.

11. Применение

никель электрохимический галоген кислород

Основная доля выплавляемого никеля (до 80%) расходуется на приготовление различных сплавов. Так, добавление никеля в стали позволяет повысить химическую стойкость сплава, и все нержавеющие стали обязательно содержат никель. Кроме того, сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и используются при изготовлении прочной брони. Сплав железа и никеля, содержащий 36-38% никеля, обладает удивительно низким коэффициентом термического расширения (это -- так называемый сплав инвар), и его применяют при изготовлении ответственных деталей различных приборов.

При изготовлении сердечников электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои. Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80 % никеля. Общеизвестны применяемые в различных нагревателях нихромовые спирали, которые состоят из хрома (10-30 %) и никеля. Из никелевых сплавов чеканятся монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.

Высокая коррозионная стойкость никелевых покрытий позволяет использовать тонкие никелевые слои для защиты различных металлов от коррозии путем их никелирования. Одновременно никелирование придает изделиям красивый внешний вид. В этом случае для проведения электролиза используют водный раствор двойного сульфата аммония и никеля (NH₄)₂Ni(SO₄)₂.

Никель широко используют при изготовлении различной химической аппаратуры, в кораблестроении, в электротехнике, при изготовлении щелочных аккумуляторов, для многих других целей.

Специально приготовленный дисперсный никель (так называемый никель Ренея) 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.

Биологическая роль: никель относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших тканях, особенно в перьях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям -- у растений появляются уродливые формы, у животных -- заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице. Токсическая доза (для крыс) -- 50 мг. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил Ni(CO)₄. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м³ (для различных соединений).

Размещено на Allbest.ru

...