Курсовая работа: Никель и его карбонил

Никель склонен к образованию растворов с другими металлами. Так, он неограниченно растворяется в кобальте, и при этом не образует с ним соединений. Аналогично никель ведёт себя по отношению к марганцу при повышенных температурах. С хромом Ni также образует непрерывный ряд твёрдых растворов, но ни одного соединения. B системе Ni –Fe в твёрдом состоянии взаимная растворимость практически неограниченна, но при этом наблюдается образование фазы FeNi₃ . Сплавы никеля с различными металлами используются во всех важнейших отраслях промышленности.

В ряду напряжений Ni стоит правее Fe (их нормальные потенциалы соответственно -0,44 В и -0,24 В) и поэтому медленнее, чем Fe, растворяется в разбавленных кислотах, например:

Ni + 2HCl = NiCl₂ + H_2.

По отношению к воде никель устойчив. Органические кислоты действуют на никель лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют никель; разбавленная азотная - очень легко:

3Ni + 8HNO₃ = 3Ni(NO₃ )₂ + 2NO + 4H₂ O;

концентрированная HNO₃ пассивирует металл, однако в меньшей степени, чем железо. При взаимодействии с кислотами образуются соли 2-валентного Ni.

Почти все соли Ni (II) и сильных кислот хорошо растворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Труднорастворимые соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная и фосфорная. Большинство солей никеля разлагается при прокаливании (600-800 °С). Одна из наиболее употребительных солей - сульфат NiSO₄ кристаллизуется из растворов в виде изумрудно-зелёных кристаллов NiSO_4* 7 Н₂ О - никелевого купороса. Сильные щёлочи на Ni не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии(NH₄ )₂ CO₃ с образованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет:

Ni + 2(NH_3* H₂ O) + (NH₄₎₂ CO₃ + H₂ O = [Ni(H₂ O)₂ (NH₃ )₄ ](OH)₂ + CO₂ ;

для большинства из них характерно наличие комплексов [Ni(NH_3)6] ²⁺ и [Ni(OH)₂ (NH₃₎₄ ]. На избирательном образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения металлического никеля из руд. NaOCI и NaOBr осаждают из растворов солей Ni (II) гидроокись Ni(OH)₃ чёрного цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно 2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (C₄ H₇ O₂ N)Ni служит для аналитического определения Nі (реакция Чугаева). При повышенных температурах никель взаимодействует с окислами азота, SO₂ и NH_3. При действии CO на его тонкоизмельчённый порошок при нагревании образуется карбонил Ni (CO)₄ . В этом соединении металл проявляет нулевую степень окисления. Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый никель.

Также извесны соединения Ni³⁺ и Ni⁴⁺ . Степень окисления 3+ проявляется в гидроксиде и комплексных соединениях. На образовании гидроксида никеля (Ш) при анодном окислении гидроксида никеля (ІІ) основано действие акумулятора Эдисона. Один из его электродов изготовлен из высокоактивного железного порошка, а другой – из смеси оксида никеля (Ш), никелевых опилок и цементирующего вещества. Электролитом служит раствор гидроксида калия. При разрядке аккумулятора гидрат оксида никеля (Ш) восстанавливается до Ni(OH)₂ , а железо окисляется в основном до Fe(OH)₂ . При зарядке идёт обратный процесс:

Железо-никелевый аккумулятор Эдисона в противоположность обычному свинцовому аккумулятору переносит перегрузки и продолжительное незаряженное состояние. Напряжение на его клеммах при разрядке рано примерно 1,3 В, при зарядке – порядка 1,7 В и выше.

Четырехвалентный никель встречается в таких веществах как K₂ [NiF₆ ], Na(K)[NiIO₆ ]_* xH₂ O, Cs₂ NiF₆ и органических комплексах. Соединения Ni(VI) – сильные окислители.

1.4 Сплавы никеля

Способность никеля растворять в себе значительное количество других металлов и сохранять при этом пластичность привела к созданию большого числа никелевых сплавов. Полезные свойства этих сплавов в определенной степени обусловлены свойствами самого никеля, среди которых наряду со способностью образовывать твёрдые растворы со многими металлами выделяются ферромагнетизм, высокая коррозионная стойкость в газовых и жидких средах, отсутствие аллотропических превращений. С конца 19 в. сравнительно широко используются медно-никелевые сплавы, обладающие высокой пластичностью в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, ценными электрическими и другими свойствами. Практическое применение находят сплавы типа монель - металла, которые выделяются среди конструкционных материалов высокой химической стойкостью в воде, кислотах, крепких щёлочах, на воздухе. Важную роль в технике играют ферромагнитные сплавы Ni (40-85%) с Fe, относящиеся к классу магнитно-мягких материалов. Среди этих материалов имеются сплавы, характеризующиеся наивысшим значением магнитной проницаемости , её постоянством , сочетанием высокой намагниченности насыщения и магнитной проницаемости. Такие сплавы применяют во многих областях техники, где требуется высокая чувствительность рабочих элементов к изменению магнитного поля. Сплавы с 45-55% Ni, легированные в небольших количествах Cu или Со, обладают коэффициентом линейного термического расширения, близким к коэффициенту линейного термического расширения стекла, что используется в тех случаях, когда необходимо иметь герметичный контакт между стеклом и металлом. Сплавы Ni с Со (4 или 18%) относятся к группе магнитострикционных материалов. Благодаря хорошей коррозионной стойкости в речной и морской воде такие сплавы являются ценным материалом для гидроакустической аппаратуры. В начале 20 в. стало известно, что жаростойкость Ni на воздухе, достаточно высокая сама по себе, может быть улучшена путём введения Al, Si или Cr. Из сплавов такого типа важное практическое значение благодаря хорошему сочетанию термоэлектрических свойств и жаростойкости сохраняют сплав никеля с Al, Si и Mn (алюмель) и сплав Ni с 10% Cr (хромель). Хромель- алюмелевые термопары относятся к числу наиболее распространенных термопар, применяемых в промышленности и лабораторной технике. Находят практическое использование также термопары из хромеля и копеля. Важное применение в технике получили жаростойкие сплавы Ni c Cr - нихромы. Наибольшее распространение получили нихромы с 80% Ni, которые до появления хромалей были самыми жаростойкими промышленными материалами. Попытки удешевить нихромы уменьшением содержания в них Ni привели к созданию ферронихромов, в которых значительная часть Ni замещена Fe. Наиболее распространённой оказалась композиция из 60% Ni, 15% Cr и 25% Fe. Эксплуатационная стойкость большинства нихромов выше, чем ферронихромов, поэтому последние используются, как правило, при более низкой температуре. Нихромы и ферронихромы обладают редким сочетанием высокой жаростойкости и высокого электрического сопротивления (1,05-1,40 мкОм). Поэтому они вместе с хромалями представляют собой два наиболее важных класса сплавов, используемых в виде проволоки и ленты для изготовления высокотемпературных электрических нагревателей. Для электронагревателей в большинстве случаев производят нихромы, легированные кремнием (до 1,5%) в сочетании с микродобавками редкоземельных, щёлочноземельных или др. металлов. Предельная рабочая температура нихромов этого типа составляет, как правило, 1200 °С, у ряда марок 1250 °С. никелевые сплавы, содержащие 15-30% Cr, легированные Al (до 4%), более жаростойки, чем сплавы, легированные Si. Однако из них труднее получить однородную по составу проволоку или ленту, что необходимо для надёжной работы электронагревателей. Поэтому такие никелевые сплавы используются в основном для изготовления жаростойких деталей, не подверженных большим механическим нагрузкам при температурах до 1250 °С. Во время 2-й мировой войны 1939-45 в Великобритании было начато производство жаропрочных сплавов Ni - Cr - Ti - Al, называемых нимониками. Эти сплавы, возникшие как результат легирования нихрома (типа X20H80) титаном (2,5%) и алюминием (1,2%), имеют заметное преимущество по жаропрочности перед нихромами и специальными легированными сталями. В отличие от ранее применявшихся жаропрочных сталей, работоспособных до 750-800 °С, нимоники оказались пригодными для эксплуатации при более высоких температурах. Появление их послужило мощным толчком для развития авиационных газотурбинных двигателей. За сравнительно короткий срок было создано большое число сложнолегированных сплавов типа нимоник (с Ti, Al, Nb, Ta, Со, Mo, W, В, Zr, Ce, La, Hf) с рабочей температурой 850-1000°С. Усложнение легирования ухудшает способность сплавов к горячей обработке давлением. Поэтому наряду с деформируемыми сплавами широкое распространение получили литейные сплавы, которые могут быть более легированными, а следовательно, и более жаропрочными (до 1050°С). Однако для литых сплавов характерны менее однородная структура и, как следствие этого, несколько больший разброс свойств. Опробованы способы создания жаропрочных композиционных материалов введением в никель или его сплавы тугоплавких окислов тория, алюминия, циркония и других соединений. Наибольшее применение получил никелевый сплав с высокодисперсными окислами тория (ТД-никель). Важную роль в технике играют легированные сплавы Ni - Cr, Ni - Mo и Ni - Mn, обладающие ценным сочетанием электрических свойств: высоким удельным электрическим сопротивлением (r = 1,3-2,0 мкОм), малым значением температурного коэффициента электрического сопротивления (порядка 10-5 1/°С), малым значением термоэдс в паре с медью (менее 5 мв/°С). По величине температурного коэффициента электрического сопротивления эти сплавы уступают манганину в интервале комнатных температур, однако, имеют в 3-4 раза большее удельное электрическое сопротивление. Главная область применения таких сплавов - малогабаритные резистивные элементы, от которых требуется постоянство электрических свойств в процессе службы. Элементы изготавливаются, как правило, из микропроволоки или тонкой ленты толщиной 5-20 мкм. Сплавы на основе Ni - Mo и Ni - Cr применяют также для изготовления малогабаритных тензорезисторов, характеризующихся почти линейной зависимостью изменения электрического сопротивления от величины упругой деформации. Для химической аппаратуры, работающей в высокоагрессивных средах, например в соляной, серной и фосфорной кислотах различной концентрации при температурах, близких к температуре кипения, широко используются сплавы Ni - Mo или Ni - Cr - Mo, известные за рубежом под названием хастелой, реманит и др., а в странах СНГ - сплавы марок H70M28, Н70М28Ф, Х15Н55М16В, Х15Н65М16В. Эти сплавы превосходят по коррозионной стойкости в подобных средах все известные коррозионностойкие стали. В практике применяют ещё целый ряд никелевых сплавов (с Cr, Mo, Fe и др. элементами), обладающих благоприятным сочетанием механических и физико-химических свойств, например коррозионностойкие сплавы для пружин, твёрдые сплавы для штампов и другие. Помимо собственных сплавов, никель входит как один из компонентов в состав многих сплавов на основе других металлов.

1.5 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.

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 чистого никеля являются такие виды техники как приборы для радиолокации, телевидения, дистанционного управления процессами (в атомной технике). Никелевые пластинки в последнее время применяют взамен кадмиевых в механических прерывателях нейтронного пучка с целью получения нейтронных импульсов с большим значением энергии. Имеются 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.

На основе применения порошков чистого никеля было освоено производство пористых фильтров для фильтрования газов, топлива и в различных областях химической промышленности.

Никель широко применяется в качестве электродов для щелочных аккумуляторов. 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.

Одним из способов добычи чистого никеля является карбонильный метод, основанный на разложении тетракарбонила никеля Ni(CO)₄ . Это вещество и его применение описано в следующем разделе.

2. Экспериментальная часть

2.1 Карбонил никеля: получение и свойства

Карбонил никеля, тетракарбонил никеля Ni(CO)₄ , открытый в 1888 г. Лангером, образуется при пропускании оксида углерода (ІІ) при 50 – 100^о над мелкораздробленным никелем (полученным, например, восстановлением оксида никеля водородом при 400^о С):

Ni + 4CO = Ni(CO)_4.

Также Ni(CO)₄ можно получить действием оксида углерода (ІІ) под давлением 50 – 100 ат. на концентрированный раствор хлорида гексаммина никеля, нагретого до 80^о :