Периодическая система элементов Менделеева - Никель

Должно быть, не всем женщинам известно, что в далекие времена их прабабушки — тогда еще юные и прелестные — нежно любили никель, и металл щедро платил им тем же: у одной он томно лежал на груди, другой тайно и страстно сжимал руку, а у третьей, превратившись в диадему, украшал пушистые волосы.

Да-да, не удивляйтесь: еще в начале прошлого века никель считался драгоценным металлом. Добыча его была связана с большими трудностями, и те крохотные количества никеля, которые удавалось получить, попадали в руки к ювелирам. Но инженеры и не проявляли к этому металлу никакого интереса, поскольку не могли тогда еще найти ему применения.

Знакомство человека с никелем состоялось, по-видимому, еще много столетий назад. Древние китайцы, например, еще во II веке до н. э. выплавляли сплав никеля с медью и цинком — «пакфонг», который пользовался спросом в различных странax.Попадал он и в Бактрию — государство, расположенное на месте современных среднеазиатских республик. Бактрийцы же изготовляли из этого сплава монеты. Одна из таких монет, выпущенная в 235 году до н. э., хранится в Британском музее в Лондоне.

Как элемент никель был открыт в 1751 году шведским химиком Кронстедтом, который обнаружил его в минерале никелине. Но тогда этот минерал назывался иначе—купферникель («медный дьявол»). Дело в том, что еще в средние века саксонские рудокопы часто встречали минерал красноватого цвета. Из-за своей окраски камень был ошибочно принят ими за медную руду. Долго пытались металлурги выплавить из этой «медной руды» медь, но шансов на успех у них было едва ли больше, чем у алхимиков, надеявшихся при помощи «философского камня» получить золото из мочи животных.

«В чем же причина неудач?»—ломали голову саксонцы. Наконец, кого-то из них осенило: конечно же, все это происки Ника—злого духа гор, который прочно «окопался» в бесовском камне и не желает отдавать ни единой унции меди из своих «сбережений».

Возможно, ученым мужам средневековья удалось в дальнейшем научно обосновать эту смелую гипотезу. Во всяком случае, попыток получить из красноватого минерала медь больше уже не предпринимали. А чтобы и впредь никто не соблазнился этой пустой затеей, минерал решено было назвать «медным дьяволом».

Кронстедт, вероятно, не был суеверным. Не убоявшись «дьявола», он сумел все-таки получить из купферникеля металл, но не медь, а какой-то, новый элемент, который он и нарек никелем.

Прошло еще полвека, и немецкому химику Рихтеру удалось выделить из руды относительно чистый никель — серебристо-белый металл, с едва уловимым коричневым оттенком, очень ковкий и тягучий. Но о производстве никеля в промышленных масштабах тогда еще не было и речи.

В 1865 году крупные месторождения никелевых руд были обнаружены в Новой Каледонии. Начальником горного департамента этой французской колонии незадолго до описываемых событий был назначен Жюль Гарнье, обладавший исключительной энергией и глубокими знаниями. Он тотчас развил бурную деятельность, надеясь найти на острове полезные ископаемые. Вскоре его поиски увенчались успехом: недра острова оказались богатыми никелем. В честь энергичного француза новокаледонский никельсодержащий минерал назвали гарниеритом.

Спустя почти два десятилетия в Канаде при прокладке Тихоокеанской железной дороги рабочие натолкнулись на громадные залежи медно-никелевых руд.

Эти два открытия послужили мощным толчком к освоению промышленной добычи никеля. Приблизительно в те же годы было открыто и важное свойство этого элемента — улучшать качество стали. Правда, еще в 1820 году знаменитый английский ученый Майкл Фарадей провел несколько опытов по выплавке сталей, содержащих никель, но тогда они не смогли заинтересовать металлургов.

В конце прошлого века Обуховский завод (в Петербурге) получил ответственное задание военно-морского ведомства—освоить производство высококачественной корабельной брони. К этому времени флот Англии и Франции уже был «одет» в новую броню из никелевой стали, получившей высокую оценку специалистов.

Созданием новой отечественной брони занялся замечательный русский металлург и металловед А. А. Ржешотарский. Напряженная работа вскоре была успешно завершена. Обуховский завод начал выпускать отличную десятидюймовую броню из никелевой стали. Эта броня по качеству не уступала зарубежной, но Ржешотарский решил пойти дальше. Вскоре он разработал новую технологию получения брони: поверхностный слой металла начали подвергать цементации—насыщать ее углеродом. Таким путем удалось получить броню исключительной прочности и вязкости с повышенной твердостью поверхностного слоя. С ней уже было трудно конкурировать даже броневым плитам французского концерна «Шнейдер-Крезо», продукция которого до появления брони Ржешотарского считалась эталоном.

Военно-морское ведомство наградило талантливого инженера золотой медалью, а по его технологии начали выпускать броню и на других заводах.

В наши дни никелевую сталь используют в мирных целях. Из нее изготовляют хирургические инструменты, детали химической аппаратуры, предметы домашнего обихода. ^v

Кто не знает великолепную скульптуру В. И. Мухиной «Рабочий и колхозница»? Величественный 24-метровый монумент, который украшал Советский павильон на Международной выставке в Париже, был выполнен из нержавеющей стали, содержащей около 10% никеля. Сегодня она величественно возвышается у входа на Выставку достижений народного хозяйства в Москве.

Не менее важное «занятие» никеля—создание разнообразных сплавов с другими металлами. Еще в начале XIX века металлургов и химиков охватила «эпидемия» поисков нового сплава, способного полностью заменить серебро для изготовления посуды и столовых приборов. В роли «вируса» выступила солидная премия, обещанная тому счастливцу, который сможет создать такой сплав. Вот тогда-то и вспомнили о древнем китайском сплаве. Почти одновременно различным ученым, взявшим за основу состав пакфонга, удалось получить медноникелевые сплавы, весьма сходные с серебром. Один из сплавов был назван «аргентан» («подобный серебру»), другой—«нейзильбер» («новое серебро»). Спустя некоторое время появились мельхиор, альфенид и другие заменители серебра, в состав которых непременно входил никель.

Никелевые сплавы быстро завоевали популярность и вошли в обиход. Однако в 1916 году на долю одного из них—нейзильбера—выпали крупные «неприятности». Австрийский император Франц-Иосиф, пользовавшийся сервизом из этого сплава, внезапно заболел и умер. Отчего? Подозрение пало на «новое серебро»—на посуду из него был наложен запрет. Тщательные исследования позволили полностью реабилитировать ни в чем не повинный сплав. А умер император не так уж и неожиданно:

ему было отроду «всего-навсего» 86 лет.

Для сплавов никеля находились все новые и новые дела. Во время первой мировой войны наблюдались случаи, когда боевые корабли, не принимавшие участия в баталиях, тем не менее вынуждены были на длительный срок становиться в док для ремонта. Причиной выхода кораблей из строя была «диверсионная» деятельность морской воды, которая буквально съедала медноцинковые трубки конденсаторов корабельных котлов. Пришлось срочно искать более подходящий материал для злополучных трубок.

Пока ученые занимались поисками, война успела кончиться, но вопрос не был снят с повестки дня. Лишь в 1926 году удалось создать медно-никелевый сплав, которому не была противопоказана морская служба. Спустя три года все французские корабли, а затем и флоты других держав обзавелись новыми конденсаторными трубками. Теперь моряки могли быть твердо уверены, что злополучные трубки уже не подведут их в трудную минуту.

Сейчас число никелевых сплавов, находящих широкое применение в технике, в быту, в ювелирном деле, превысило 3000!

Монель-металл, например, успешно трудится в химическом машиностроении, в судостроении. Нихромовые спирали используют в нагревательных приборах, в электропечах сопротивления. Нейзильбер принимает участие в конструировании различных приборов и аппаратов. В точной механике для изготовления калибров и эталонов применяют инвар — сплав с очень малым коэффициентом расширения: при нагреве от 0 до 40°С его объем увеличивается всего на одну миллионную долю по сравнению с первоначальным. Платинит служит заменителем дорогостоящей платины в тех случаях, когда нужно впаять металл в стекло (шприцы, электролампы и т. п.). Упругий сплав элинвар—отличный материал для пружин, в частности часовых. Высокими магнитными свойствами обладают такие сплавы, как мишима, альнико, альни. Пермаллой после специальной термомеханической обработки приобретает необычайно большую магнитную проницаемость, легко намагничивается и размагничивается даже в слабых полях. Этот сплав находит применение в телефонии и радиотехнике. Для изготовления термопар используют хромель и алюмель. Из сплава на основе никеля (до 75%) выполнены турбинные лопатки воздушного лайнера «Ту-104»

Несколько лет назад ученые создали новый сплав — никоей, названный так по первым слогам входящих в него компонентов: 94% никеля, 4% кобальта и 2% кремния («силиция»). Испытания показали, что никоей поможет создать мощные источники ультразвука.

Но, пожалуй, наибольший интерес, в научном и промышленном мире вызвал сплав никеля (55%) с титаном—нитинол. Он был создан в одной из лабораторий США еще в начале 60-х годов, но свой «талант» раскрыл не сразу. Достаточно легкий, прочный и пластичный коррозионностойкий, он считался неплохим сплавом и не более. Однако его создатели продолжали проводить с ним различные эксперименты, и вдруг сплав проявил совершенно уникальную способность— «помнить» свое прошлое. Произошло это во время одного из многочисленных опытов. Нитиноловую спираль после определенной обработки нагрели до 150°С и охладили, а затем к ней подвесили груз, который растянул ее и превратил в совершенно ровную проволоку. Чудеса начались, когда эту проволоку опять нагрели (до 95°С): на глазах изумленных исследователей она превратилась в ...спираль.

Эксперимент ставили снова и снова, придавая металлу все более сложные формы, но он продолжал демонстрировать блестящую «память», невозмутимо принимая свой первоначальный облик. Проволоку, например, согнули таким образом, что она образовала слово «нитинол», затем нагрели, охладили и деформировали до неузнаваемости, но стоило пропустить через эту проволочную путаницу сильный электрический импульс, мгновенно разогревший ее, и взорам ученых вновь предстало название сплава.

Точное объяснение этого явления еще не найдено, зато применений предложено уже сотни. Из нитинола можно делать, в частности заклепки для соединения таких конструкций, к которым можно подобраться лишь с одной стороны. Металлу при этом предлагают «запомнить» форму обычной заклепки, а потом рабочий конец ее превращают в круглый стержень, который и вставляют в отверстие при низкой температуре. Теперь нужно слегка подогреть головку заклепки, и она тут же «вспомнит», что у нее было утолщение и -с другой стороны. Такая заклепка крепит детали намертво.

Одна из американских фирм, связанная с космическими исследованиями, уже продемонстрировала антенну из нитинола, которая предназначена для искусственных спутников Земли. Свитая в плотный клубок, она во время запуска занимает немного места, «спрятавшись» в специальном углублении. Но в космосе, когда солнечные лучи нагревают сплав, антенна обретает нужную форму. Этот же принцип предлагается использовать для изготовления радиотелескопа с антенной диаметром более километра.

Никель прекрасно защищает металлы от окисления, придавая изделиям красивый внешний вид. Веселый блеск кастрюль, кофейников и самоваров—все это «проделки» никеля, тонким слоем которого покрыты многие предметы обихода.

Впервые попытку использовать этот металл в качестве покрытия предпринял в 1842 году немецкий ученый Бетгер. Однако ему не удалось добиться своей цели, так как никель, которым располагала в то время техника, содержал посторонние примеси, мешавшие гальваническим путем наносить покрытие. С тех пор гальванотехника шагнула далеко вперед. Тончайшая пленка никеля надежно охраняет сегодня железо, позволяя сберечь от коррозии огромные количества этого металла.

Никель помогает даже бороться против фальшивомонетчиков. Недавно во Франции была выпущена в обращение новая монета достоинством в 5 франков. Главное отличие ее от других монет заключается в том, что она «слоеная»: на немагнитную мельхиоровую основу нанесен слой никеля. Теперь владельцы торговых автоматов могут быть спокойны: пятифранковая монета обладает такими электромагнитными свойствами, что ее практически невозможно подменить каким-нибудь поддельным жетоном.

Ученые и инженеры давно обратили внимание на каталитические способности никеля. Еще в 90-х годах прошлого столетия французские химики Сабатье и Сендерен увлеклись проблемой получения так называемых «отвержденных» жиров из жидких растительных масел. Они установили, что для этого к молекуле растительного масла нужно присоединить определенное количество водорода. Но вот беда: установить-то ученые установили, а присоединить им никак не удавалось. Сначала они пытались просто пропускать водород через жир — газ не желал вступать с ним во взаимодействие. Пробовали вводить различные добавки — безуспешно. Лишь когда в качестве катализатора химики применили мельчайший порошок никеля, цель была достигнута. Полученный при этом отвержденный жир нашел применение в производстве маргарина, который был назван так за сходство, хотя и весьма отдаленное, с перламутром (по-латыни «маргарос» – перламутор).

Из соединений никеля важное значение имеет его окись, используемая для изготовления щелочных железоникелевых аккумуляторов. Эти аккумуляторы, правда, уступают свинцовым по величине электродвижущей силы, но зато выгодно отличаются от них меньшим весом, более продолжительным сроком работы, простотой в обращении.

Недавно одна из фирм США сконструировала бритву с турболучевым приводом. Три батареи, состоящие из соединений никеля и кадмия, сообщают бритве нужную энергию. Как утверждает американская печать, новинкой заинтересовалось Управление по космонавтике: предполагалось, что космонавты возьмут эту бритву в экспедицию на Луну.

Дoлгиe годы врачи не могли выяснить причину аллергических заболеваний, число которых в последнее время возросло во всем мире. Совсем недавно молдавским медикам удалось установить, что в крови больных бронхиальной астмой, гайморитом и насморком, содержится в несколько раз больше никеля и свинца, чем в крови здоровых людей, в то время как содержание других микроэлементов примерно одинаково. Это интересное открытие позволит врачам объяснить механизм возникновения аллергических заболеваний, облегчит их диагностику и поможет найти новые, более эффективные способы лечения.

В Периодической системе никель расположен рядом с железом и кобальтом. Будучи во многом сходными, эти элементы образуют так называемую триаду. Любопытно, что из 104 известных в настоящее время элементов при обычных условиях лишь члены железной триады обладают ферромагнитными свойствами. Эта «семейственность доставляет много хлопот металлургам: отделить никель от кобальта—задача не из легких. Да и другая соседка никеля по таблице элементов—медь—тоже очень неохотно расстается с ним. В природе же и кобальт, и медь, как правило, сопутствуют никелю. Разделение этих элементов — очень сложный многостадийный процесс. Именно по этой причине никель считается одним из наиболее дорогих и дефицитных промышленных металлов.

В земной коре содержится 0,008% никеля. Не думайте, что это мало. Общее количество никеля оценивается приблизительно в 10¹⁵ тонн. Предположим, кому-нибудь пришла в голову мысль никелировать нашу планету. Хватит ли для этого земных запасов? Несложный расчет показывает, что не только хватит, но еще и останется примерно на ...20 тысяч (!) таких же «шариков». Вот вам и 0,008%! А ведь земная кора—это только «скорлупка», под которой находятся гораздо более плотные слои, где содержание никеля, по мнению ученых, значительно выше.

Любопытно, что в некоторых случаях геологи, занятые поисками полезных ископаемых, прибегают к помощи ...собак. Уже несколько лет ученые Института геологии Карельского филиала Академии наук СССР совместно с работниками Института минералогии проводят успешные эксперименты по обучению четвероногих рудознатцев. Две овчарки, фокстерьер и спаниэль, как чуткие приборы, реагируют на руды многих металлов, в том числе и никеля, залегающие на глубине нескольких метров. Сейчас Зевс, Ирбит, Дик, Пират и их многочисленные преемники «работают» в геологических партиях, помогая устанавливать точные места для бурения скважин.

«Не слишком ли примитивен для XX века этот способ?»—подумает, быть может, кое-кто из читателей. Не торопитесь с выводами: дело в том, что в условиях северных болот геологам искать руду трудно, да и обходится это недешево. Четвероногие же друзья обладают «повышенной проходимостью» и проникают в такие места, которые недоступны для человека. Радиус действия живого «прибора» в десятки раз больше, чем у обычных физических приборов, применяемых для поиска полезных ископаемых. У собак есть еще одно достоинство: чтобы «осмотреть» 20 ящиков с образцами, им нужно лишь несколько секунд, тогда как даже опытному геологу для этого потребуются сутки.

Опытом советских ученых по использованию собак для геологоразведочных работ воспользовались канадцы. В полицейском управлении Ванкувера отобрали трех немецких овчарок, обучили их новой «профессии» и отправили в «командировку» на поиск месторождений полезных ископаемых. Под руководством опытных геологов собаки только за сезон открыли несколько перспективных залежей никеля и меди.

Канаде принадлежит ведущая роль в добыче никелевых руд среди капиталистических стран. Несколько лет назад вблизи озера Онтарио, где находится одно из основных канадских месторождений, был произведен, пожалуй, самый грандиозный за последние годы промышленный взрыв. Подготовка к нему длилась больше года. В скалах было проделано 17 тысяч шпуров, общая длина которых составила несколько десятков километров. В шпуры заложили колоссальное количество взрывчатки — железнодорожный эшелон из 30 вагонов! «Мамонт-взрыв»—так назвали его канадцы — поднял в воздух полтора миллиона тонн скальных пород и три с половиной миллиона тонн никелевой руды. Совсем недавно крупные залежи никеля были обнаружены вблизи канадского озера Манитоба. Эта «находка» сделана с помощью приборов, которые вели наблюдения за нашей планетой с одного из ее искусственных спутников.

В конце 1969 года на Лондонской бирже поднялся невиданный бум: курс акций, выпущенных акционерным обществом «Посейдон», то резко возрастал, то стремительно падал вслед за сообщениями, поступавшими из далекой Австралии. Общество «Посейдон» было создано вскоре после того, как в прибрежных песках этого континента удалось обнаружить в заметных количествах никель. О результатах дальнейших изысканий геологов немедленно становилось известно в Лондоне. Сначала появились сведения об очень высоком содержании никеля — курс акций тотчас же заметно подскочил. Затем передали, что произошла ошибка в 10 раз (не там оказалась запятая)—через несколько минут акции «Посейдона» начали продавать чуть ли не за бесценок. Но вот новое сообщение с телетайпной ленты: первоначальные данные о высокой концентрации никеля верны — снова цены на акции взвинчиваются до предела. Видимо, кое-кто неплохо погрел на этом руки, а «эпицентр» никелевого бума переместился теперь непосредственно в Австралию, где несколько десятков горнопромышленных компаний ведут ожесточенную борьбу за право эксплуатации найденных месторождений.

В отличие от Земли, где никель встречается лишь совместно с другими элементами, многие небесные тела располагают чистым никелем. Если бы вам удалось достать с неба звезду, вы возможно нашли бы на ней изотоп никеля — никель-80 (на Земле этот элемент существует в виде пяти более легких изотопов). Удельный вес земного никеля—8,9 грамма на кубический сантиметр. На звездах, где плотность материи очень велика (например, на «белых карликах»), 1 кубический сантиметр никеля весит тонны! Интересно, что средняя плотность Вселенной меньше 10^-29 граммов на кубический сантиметр. При такой плотности земной шар весил бы всего 10 миллиграммов!

В довольно больших количествах космический никель попадает на нашу планету. По подсчетам советских ученых, ежегодно на каждый квадратный километр Мирового океана падает в виде метеоритов до 250 граммов никеля. Казалось бы, не так уж много. Но ведь океан имеет солидный возраст, солидные размеры, а значит, и солидные накопления