Реферат: Химия никеля

5. Применение никеля в современной технике.       

Широкое и разнообразное применение никеля связало с замечатель­ными свойствами этого металла. Никель — один из элементов VIII группы периодической системы, и аналогами его являются не только кобальт и железо, по и металлы группы палладия и платины.

В периодической системе никель по вертикали занимает ряд: Ni - Pd - Pt, что и определяет сходство этих металлов. Вот почему никель во мно­гих отношениях сохраняет высокую химическую стойкость, присущую платине и палладию.

Степень химической стойкости этих элементов уменьшается от пла­тины к никелю, но последний еще сохраняет ее в достаточной сте­пени для практического применения. Никель не окисляется в ат­мосферных условиях при комнатной 'температуре, он стоек в различ­ных химически активных средах — в щелочах и др. и не окисляется при нагревании до 700—800°. Никель является ферромагнитным металлом; в чистом виде он пластичен и имеет достаточную прочность. Он подвер­гается всем видам механической обработки — ковке, прокатке, штам­повке и хорошо сваривается.

Благодаря комплексу этих свойств никель в чистом виде находит разнообразное применение, особенно широкое  в виде различ­ных сплавов.

Нет необходимости подробно останавливаться на известных уже по литературным данным областях применения никеля. Они приведены в указанных монографиях по металлургии никеля. С точки зрения современного применения никеля в чистом виде и в различных сплавах представляют интерес две обзорные статьи за 1953 и 1955 гг., посвященные специально никелю и его сплавам, В них приведено краткое описание научных работ но никелю и его сплавам (содержащим выше 40% никеля), выполненных за последние годы, отмечены новые области применения никеля и приводится боль­шой список литературы.

Ряд справочников и статей посвящен применению никеля в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах с особыми физическими, хими­ческими и механическими свойствами; много работ посвя­щено разработке новых никелевых жаропрочных сплавов и их приме­нению в реактивной, газотурбинной технике .

Это свидетельствует о все возрастающем интересе к металлическому никелю и его сплавам, обусловливающем непрерывный рост потребле­ния этого металла в новых областях техники.

Остановимся кратко на некоторых примерах современного примене­ния никеля и его сплавов и на этом фоне покажем перспективы дальней­шего его развития.

5.1. Применение чистого никеля

Никель в чистом виде находит основное применение в качестве защит­ных покрытий от коррозии в различных химических средах. Защитные покрытия на железе и других металлах получаются двумя известными способами: плакировкой и гальванопластикой. Первым методом плаки­рованный слой создается путем совместной прокатки в горячем состоя­нии тонкой никелевой пластинки с толстым железным листом. Соотноше­ние толщин никеля и покрываемого металла при этом равно примерно 1:10. В процессе совместной прокатки, за счет взаимной диффузии, эти листы свариваются, и получается монолитный двухслойный или даже трехслойный металл, никелевая поверхность которого предохраняет этот материал от коррозии.

Такого рода горячий метод создания защитных никелевых покрытий широко применяется для предохранения железа и нелегированных ста­лей от коррозии. Это значительно удешевляет стоимость многих изделий и аппаратов, изготовленных не из чистого никеля, а из сравнительно де­шевого железа или стали, но покрытых тонким защитным слоем из нике­ля. Из никелированных листов железа изготовляются большие резер­вуары для транспортировки и хранения, например, едких щелочей, при­меняемые также в различных производствах химической промышленности.

Гальванический способ создания защитных покрытий никелем явля­ется одним из самых старых методов электрохимических процессов. Эта операция, широко известная в технике под названием никелирование, в принципе представляет сравнительно простой технологический процесс. Он включает в себя некоторую подготовительную работу по весьма тща­тельной очистке поверхности покрываемого металла и подготовке элек­тролитической ванны, состоящей из подкисленного раствора никелевой соли, обычно сульфата никеля. При электролитическом покрытии като­дом служит покрываемый материал, а анодом — никелевая пластинка. В гальванической цепи никель осаждается на катоде с эквивалентным переходом его из анода в раствор. Метод никелирования имеет широкое применение в технике, и для этой цели потребляется большое количество никеля.

За последнее время метод электролитического покрытия никелем при­меняется для создания защитных покрытий на алюминии, магнии, цинке и чугунах. В работе  описывается применение метода никелирования алюминиевых и магниевых сплавов, в частности для защиты дюралюми­ниевых лопастей винтовых самолетов. В другой работе  описано применение никелированных чугунных барабанов для сушки в бумажном производстве; установлено значительное повышение коррозионной стой­кости барабанов и повышение качества бумаги на никелированных барабанах по сравнению с обычными чугунными без никелировки.

Теоретическим и практическим вопросам электролитического никели­рования посвящены многие доклады на 4-й международной конференции по электроосаждению: получение светлых покрытий, меры предохра­нения от растрескивания покрытий, применение различных электроли­тов, влияние органических соединений на поверхность осаждаемого ни­келя и др.

Описанию оригинального метода никелирования через каталитиче­скую реакцию посвящена работа. Этим методом, отличным от элек­тролитического, удается, по мнению автора, достигать равномерного по - 40 кровного слоя независимо от формы, конфигурации и размеров никелируе­мых деталей.

В работе советских авторов изучено электроосаждение золота "при добавке никеля в виде Ni(CN)2 для получения осадков с большей твер­достью и сопротивлением истиранию. Работа дала положительные резуль­таты. Получению светлых осадков при никелировании посвящена так­же.

Плавленый, ковкий никель в чистом виде также находит широкое применение в виде листов, труб, прутков и проволоки, легко получаемых из никеля существующими технологическими операциями.

Основные потребители никеля — химическая, текстильная, пищевая и другие отрасли промышленности. Из чистого никеля изготовляются различ­ные аппараты, приборы, котлы и тиг­ли с высокой коррозионной стойкостью и постоянством физических свойств. Осо­бое значение имеют никелевые материалы в изготовлении резервуаров и цис­терн для хранения в них пищевых продуктов,    химических   реагентов .

Никелевые тигли широко распространены в практике аналитической хи­мии. Никелевые трубы различных размеров служат для изготовления конденсаторов, в производстве водорода, для перекачки различных хи­мически активных веществ (щелочей) в химическом производстве. Нике­левые, химически стойкие инструменты широко используются в медицине, в научно-исследовательской работе.

Сравнительно новой областью применения никеля являются новые виды техники: приборы для радиолокации, телевидения, дистанционного управления процессами (в атомной технике), в последнее время стали из­готовляться из чистого никеля.

По сообщению авторов работы, никелевые пластинки в последнее время применяют взамен кадмиевых в механических прерывателях ней­тронного пучка с целью получения нейтронных импульсов с большим значением энергии.

  Имеются интересные указания о применении никелевых пластинок в ультразвуковых установках, как электрических, так и механических, а также в современных конструкциях телефонных аппаратов.

Есть некоторые области техники, где чистый никель применяется или непосредственно в порошкообразном виде или в виде различных из­делий, получаемых из порошков чистого никеля.

Одной из областей применения порошкообразного никеля являются каталитические процессы в реакциях гидрогенизации непредельных уг­леводородов, циклических альдегидов, спиртов, ароматических углеводо­родов.

Каталитические свойства никеля аналогичны тем же свойствам пла­тины и палладия. Таким образом, химическая аналогия элементов од­ной и той же группы периодической системы находит отражение и здесь. Никель, как металл более дешевый, чем палладий и платина, широко применяется в качестве катализатора при гидрогенизационных про­цессах.

  Для этих целей целесообразно применять никель в виде тончайшего порошка. Он получается специальным режимом восстановления водо­родом закиси никеля в интервале температур 300—350°.

В последнее время разработан оригинальный метод получения чис­тейшего порошка никеля (до 99,8—99,9% Ni) для различных целей, в том числе и для каталитических процессов.

Вопросу получения порошкообразного никеля стандартного состава посвящена одна из советских работ. В сообщении  дается описа­ние металлокерамического метода получения порошкообразного никеля высокой чистоты и применения его для электротехнических целей. Там же приводятся данные по изготовлению этим методом сплавов никеля с железом. На основе применения порошков чистого никеля было освоено производство пористых фильтров для фильтрования газов, топлива и др. в различных областях химической промышленности. Значительное коли­чество никеля в порошкообразном виде потребляется в производстве раз­личных никелевых сплавов и в качестве связки при получении металлокерамическим способом твердых и сверхтвердых сплавов.

Никель широко применяется в качестве аккумуляторных электро­дов в щелочных аккумуляторах. В Германии еще в годы войны был раз­работан метод изготовления этих электродов из прессованных и спечен­ных при определенных условиях порошков чистого никеля. Этот способ стал широко применяться в Германии и других странах.

Имеются сообщения  о том, что пластинки для щелочных аккуму­ляторов, изготовленные из тонкого порошка чистейшего никеля, получен­ного через карбонил никеля, имеющие 80% пористости и большую по­верхность, показывают высокую производительность. Подобные аккуму­ляторы сохраняются без разрядки при длительном хранении (примерно до одного года).

Некоторое применение никель находит в виде неорганических соеди­нений в керамической промышленности для различных покрытий, эма­лирования и других целей.

     

                               5.2. Применение никелевых сплавов .

При всем разнообразии применения никеля в чистом виде надо все же заметить, что расход его на эти цели составляет по тоннажу небольшую долю от общего потребления никеля — примерно 8%.

Главной и основной областью применения никеля почти со времени зарождения никелевой промышленности являются металлические спла­вы, в которых никель является либо легирующим элементом, либо ос­новой никелевого сплава, легированного другими элементами.

Выше было приведено соотношение доли расхода никеля на металли­ческие сплавы и в чистом виде для США за 1935 г.: примерно 82% для сплавов, 8% в чистом виде и 10% для никелирования.

За последние годы в распределении никеля по объектам его потребле­ния существенных изменений не произошло. Так, в 1953 г. потребление никеля в США по различным объектам составило.

Заключение.

Никель является одним из чрезвычайно важных металлов; он имеет свою замечательную историю и заманчивые перспективы дальнейшего применения.

Как химический элемент никель известен немногим более 200 лет, но практическое применение его в виде различных сплавов уходит в глубокую древность. В развитии человеческой культуры, в особенности народов За­кавказья, Средней Азии, Китая, Индии и Египта, известны примеры при­менения никельсодержащих сплавов более чем за 3000 лет до нашей эры.

В истории первобытной культуры, в так называемом железном веке никелю, наряду с его аналогом — железом, принадлежит особое место, так как эти два металла сопутствовали друг другу в самородном железе и особенно в метеоритном железе. Многие металлические изделия, найден­ные в Египте, оказались изготовленными за ЗЭОО—4000лет до н.э. из метео­ритного железа, содержащего от 6 до 50—60% никеля.

Но, разумеется, это было случайным применением никеля, без знания его как металла, без знания его свойств и методов его получения в чистом виде.

С конца XVIII столетия, с развитием естественных наук и в особен­ности химии, в орбиту хозяйственной деятельности человека стало вовле­каться все большее и большее число металлов. В середине XVIII века был открыт никель как элемент.

В успешном развитии химической науки XIX века, в подготовке и открытии величайшего закона природы — периодического закона химиче­ских элементов, сформулированного Д. И. Менделеевым в 1869 г., никель и его аналоги играли исключительно важную роль. Элементы VIII группы имели большое значение в обосновании периодической системы элементов—   в изучении периодического характера изменения свойств элементов, так как они были связующим звеном между элементами основной подгруппы и побочных групп (подгруппы В) периодической системы, объясняя скач­кообразный характер изменения свойств элементов по периодам.

Как теперь ясно, именно через эти крайние элементы VIII группы - никель, палладий и платину — и далее через элементы нулевой группы происходит переход к элементам I группы (подгруппы В) и выявляется периодичность  изменения  свойств  элементов.

С середины XIX века никель стал находить практическое применение. Как легирующий элемент, придающий высокую вязкость и прочность сталям, как химически стойкий металл и как основа многих металлических сплавов с особыми физическими свойствами — электрическими, магнит­ными и др. — никель становится важнейшим техническим металлом.

Быстрое развитие мирового производства никеля объясняется широ­кими и разносторонними потребностями быстро развивающейся техники

XIX и XX веков. Особенно большие масштабы производства никеля на­метились с первых лет настоящего столетия, когда начали легировать ни­келем стали, в особенности конструкционные, машиностроительные и бро­невые. Большое значение получили различного назначения чугуны, со­держащие никель.

С развитием многих отраслей техники появилась потребность в высоко­легированных сталях и сплавах с особыми физическими, химическими и механическими свойствами. В этом отношении первостепенная роль при­надлежала и принадлежит никелю, никелевым сталям и никелевым спла­вам. К настоящему времени насчитывается более 3000 составов различных сталей и сплавов, где никель является основой или присутствует как ле­гирующий . элемент.

Применение никеля в современной технике весьма разнообразно. Он применяется в чистом виде как химически стойкий, ферромагнитный ма­териал в аппаратостроении, как катализатор и как материал для аккуму­ляторов. Чистый никель применяется в значительных масштабах для за­щитных поверхностных покрытий: так называемое никелирование имеет большое значение для придания поверхности металлических материалов высокой химической стойкости.

Большое развитие получило применение никеля в виде различных сплавов на его основе. Следует особо отметить широкое применение сплавов никеля с хромом и железом (нихромы и ферронихромы), коррозионно- и кислотостойких никелевых сплавов, жаропрочных сплавов, сплавов никеля с медью, бериллием, кобальтом, твердых сплавов, где никель необ­ходим как связующий материал.

Литература

 

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