Свойства и строение атомов химических элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат по химии

Свойства и строение атомов химических элементов

Химический Элемент: Никель “Ni”

1. История открытия

Металл в нечистом виде впервые получил в 1751 году шведский химик А. Кронстедт, предложивший и название элемента. Значительно более чистый металл получил в 1804 году немецкий химик И. Рихтер. Название “Никель” происходит от минерала купферникеля (Nias), известного уже в 17 веке 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 века Никель применялся лишь как составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое развитие никелевой промышленности в концу 19 века связано с нахождением крупных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии и в Канаде и открытием “облагораживающее” его влияния на свойства сталей.

2. 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 Никель в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, где Никеля 5,8·10^-3%, он также тяготеет к более глубокой, так называемых 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 Никель 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 Никель - сравнительно слабый мигрант. Его относительно мало в поверхностных водах, в живом веществе. В районах, где преобладают ультраосновные породы, почва и растения обогащены никелем.

3. Получение

Около 80% Никеля от общего его производства 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 предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Cu 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 Никель отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Никель (марка 110) 0,01%.

Для разделения Cu и Ni используют также так называемых карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции: Ni + 4CO = Ni(CO)₄. Получение карбонила проводят при 100-200 атм и при 200-250 °C, а его разложение - без доступа воздуха при атм. давлении и около 200 °C. Разложение Ni(CO)₄ используют также для получения никелевых покрытий и изготовления различных изделий (разложение на нагретой матрице).

В современное "автогенных" процессах плавка осуществляется за счет тепла, выделяющегося при окислении сульфидов воздухом, обогащенным кислородом. Это позволяет отказаться от углеродистого топлива, получить газы, богатые SO₂, пригодные для производства серной кислоты или элементарной серы, а также резко повысить экономичность процесса. Наиболее совершенно и перспективно окисление жидких сульфидов. Все 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 других.

4. Физические свойства

При обычных условиях Никель существует в виде в-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку (а = 3,5236Е). Но Никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере H₂, образует б-модификацию, имеющую гексагональную решетку плотнейшей упаковки (а = 2,65Е, с = 4,32Е), которая при нагревании выше 200 °C переходит в кубическую. Компактный кубический Никель имеет плотность 8,9 г/см³ (20 °C), атомный радиус 1,24Е, ионные радиусы: Ni²⁺ 0,79Е, Ni³⁺ 0,72Е; t_пл 1453 °C; t_кип около 3000 °C; удельная теплоемкость при 20°C 0,440 кдж/(кг·К) [0,105 кал/(г·°C)]; температурный коэффициент линейного расширения 13,3·10^-6 (0-100 °C); теплопроводность при 25°C 90,1 вт/(м·К) [0,215 кал/(см·сек·°С)]; тоже при 500 °C 60,01 вт/(м·К) [0,148 кал/(см·сек·C°)]. Удельное электросопротивление при 20°C 68,4 ном·м, т.е. 6,84 мком·см; температурный коэффициент электросопротивления 6,8·10^-3 (0-100 °C). Никель - ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400-500 Мн/м² (т. е. 40-50 кгс/мм²); предел упругости 80 Мн/м², предел текучести 120 Мн/м²; относительное удлинение 40%; модуль нормальной упругости 205 Гн/м²; твердость по Бринеллю 600- 800 Мн/м². В температурном интервале от 0 до 631 К (верхняя граница соответствует точке Кюри) Никель ферромагнитен. Ферромагнетизм Никеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d⁸4s²) его атомов. Никель вместе с Fe (3d⁶4s²) и Со (3d⁷4s²), также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d-электронной оболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которого для атомов Никеля составляет 6 м_Б, где м_Б - магнетон Бора. Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах Никеля приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, то есть к ферромагнетизму. По той же причине сплавы и ряд соединений Никеля (оксиды, галогениды и других) магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой). Никель входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монелъ-металл, инвар и других).

5. Электронное строение атома

Составить электронную формулу Никеля

Дайте объяснение физического смысла всех индексов у Никеля (порядковый номер, номер периода, номер группы, принадлежность к группе А или Б) Определите возможность эффекта провала электрона

Порядковый номер: 28

Номер периода: 4

Номер группы: 8

Группа: Б

Эффект провала электрона: Возможен

Выделите валентные подуровни в электронной формуле атома Никеля, определите принадлежность Никеля к типу: s-, f-, d-, p элементов…

4s²3d⁸

Никель принадлежит к d-элементам

Напишите наборы квантовых чисел для всех валентных электронов

Прогнозируйте величины окислительных чисел (степени окисления)

Конфигурация двух внешних электронных слоев атома никеля 3s2p6d84s2. Образует соединения чаще всего в степени окисления +2 (валентность II), реже -- в степени окисления +3 (валентность III) и очень редко в степенях окисления +1 и +4 (валентности соответственно I и IV).

Распределите валентные электроны атома Никеля по энергетическим ячейкам в соответствии с принципом наименьшей энергии и правилом Гунда.

Типы бинарных соединений, образованные Никелем. Изобразите пространственную структуру фторида Никеля.

NiO, Ni(OH)₂,NiF₂, NiCl₂, NiBr₂, NiI₂, NiS, NiSO₄, Ni(NO₃)₂, NiCO_3…

Фторид никеля(II) -- неорганическое соединение, соль металла никеля и плавиковой кислоты с формулой NiF₂, зеленовато-жёлтые кристаллы, хорошо растворяется в воде, образует кристаллогидрат.

6. Свойства соединений Никеля

Определите свойства оксидов (основной, кислотный, амфотерный) и напишите уравнения реакций подтверждающих их характер.

Оксиды Никеля: NiO - оксид никеля 2

Ni₃O₄- оксид никеля 3

Оксиды проявляют основные и амфотерные свойства.

А) 2Ni + O₂ > 2NiO (500-1000^OC)

Ni(OH)₂ > NiO +H₂O (230-250^ОС)

NiO + 2NaOH > Na₂NiO₂ + H₂O (400^oС)

NiCO₃ > NiO + CO₂ (?300^ОС)

Б) 3Ni + 4Na₂O₂ > Ni₃O₄ + O₂ (?900^OC)

6Ni₂O₃ > 4Ni₃O₄ + O₂

Определите характер гидроксидов (основной, кислотный, амфотерный) и напишите уравнения реакций подтверждающих их характер.

Гидроксиды никеля: NiOH; Ni(OH)₂

Проявляют основные свойства.

А) 2NiOH + K₂S > Ni₂S + KOH (реагирует с сульфидами щелочных металлов)

NiOH + 3KCN > K₂[Ni(CN)₃] +KOH (реагирует с цианидами щелочных металлов)

Б) Ni(OH)₂ > NiO + H₂O (230-360^OC) (При нагревании разлагается)

Ni(OH)₂ + 2HCl > NiCl₂ + 2H₂O (реагирует с кислотами)

Ni(OH)₂ + 2NaOH > Na₂[Ni(OH)₄]v (медленно реагирует с щелочами)

2Ni(OH)₂ + Cl₂ + KOH > 2NiO(OH) + 2KCl + 2H₂O (является слабым восстановителем)

Соли, образуемые данным элементом и их свойства

Сульфид никеля(II) -- бинарное неорганическое соединение, соль металла никеля и сероводородной кислоты с формулой NiS, чёрные кристаллы, не растворяется в воде, характеризуется значительной нестехиометричностью, образует несколько полиморфных форм.

Ni + S > NiS (900^OC) (Сплавление никеля и серы)

NiCl₂ + H₂S > NiSv + 2NaCl (Пропускание сероводорода через раствор соли двухвалентного никеля)

NiS + 2HCl > NiCl₂ + H₂S^ (90^oC) (Растворяется в горячей концентрированной соляной кислоте)

NiS + 8HNO₃ > NiSO₄ + 8NO_2^ + 4H₂O (реагирует с окисляющими кислотами)

2NiS + CO₂ > 2Ni + CO₂ + CS₂ (300-400^OC) (восстанавливается монооксидом углерода)

Физические свойства:

Сульфид никеля(II) нестехиометрическое соединение NiS_x, где x=1ч1,04.

Сульфид никеля(II) образует несколько модификаций:

· б-NiS -- чёрный аморфный порошок, растворяется в разбавленной соляной кислоте

· в-NiS -- чёрные кристаллы гексагональной сингонии, пространственная группа P 6₃/mmc, параметры ячейки a = 0,3428 нм, c = 0,5340 нм, Z = 2, растворяется в горячей разбавленной соляной кислоте.

· г-NiS -- чёрные кристаллы тригональной сингонии, пространственная группаR 3m, параметры ячейки a = 0,9590 нм, c = 0,3145 нм, Z = 9, не растворяется в разбавленной соляной кислоте.

Фазовый переход г>в происходит при температурах 282-389°С в зависимости от стехиометрического состава.

Является катализатором.

7. Применение элемента и его соединений

Сплавы

Никель является основой большинства суперсплавов -- жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок. никель атом валентный квантовый

· Монель-металл (65 -- 67 % Ni + 30 -- 32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив;

· Белое золото (например, 585 пробы содержит 58,5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));

· нихром, сплав никеля и хрома (60 % Ni + 40 % Cr);

· пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;

· инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании;

· Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина.

Никелирование

Никелирование -- создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12 -- 36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома 0,3 мкм).

Бестоковое никелирование проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) и гипофосфита натрия в присутствии цитрата натрия:

NiCl₂ + NaH₂PO₂ + H₂O = Ni + NaH₂PO₃ + 2HCl

Процесс проводят при PН4 -- 6 и 95 °C.

Производство аккумуляторов

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

Радиационные технологии

Нуклид ⁶³Ni, излучающий в⁺ частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтонах, а также детекторах электронного захвата (ЭЗД) в газовой хроматографии.

Медицина

· Применяется при изготовлении брекет-систем (никелид титана).

· Протезирование

Монетное дело

Никель широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название “никель”

Теплоизоляторы

Чистый никель ввиду очень низкой теплопроводности иногда применяется для изготовления разного рода держателей нагретых предметов, сочетая хорошую теплоизоляцию с высокой прочностью и достаточной электропроводностью. В частности, из никеля делаются держатели и проводники для кварцевых горелок дуговых ртутных ламп.

Музыкальная промышленность

Также никель используется для производства обмотки струн музыкальных инструментов.

Список использованной литературы

1. Г.Г. Уразов. Металлургия никеля .ОНТИ, 1935.

2. В.И. Смирнов. Металлурги никеля. Металлургиздат, 1947

3. Д.И. Чижиков. Металлургия цветных тяжелых металлов. Изд-во АН СССР,1948

4. С.М. Ясюкович. Оборудование руд . Металлургиздат,1953

5. Большой энциклопедический словарь.

6. Научно-технический энциклопедический словарь.

Размещено на Allbest.ru