Никель
Металл и соединения никеля(II)
Саксонские горняки принимали красноватый минерал за медную руду, но меди в нём не обнаружили. Минерал прозвали «купферникелем», или «медным бесом»; теперь он известен как никелин, NiAs. В 1751 году Аксель Кронстедт выделил из него новый металл — никель.
Электронная конфигурация атома никеля — \(3d^84s^2\). Никель обладает ферромагнитными свойствами и устойчив к коррозии. Поэтому им покрывают сталь и вводят его в состав нержавеющих сталей (18/8). Из сплавов никеля с медью чеканят монеты, а инвар (Fe + 36 % Ni) почти не расширяется при нагревании. Мелкодисперсный никель Ренея (1926) получают выщелачиванием алюминия из сплава Ni–Al; он служит катализатором гидрирования жиров и других органических веществ. Исследования каталитического гидрирования принесли Полю Сабатье Нобелевскую премию в 1912 году.
При взаимодействии с серной кислотой никель медленно переходит в раствор. Его соли в степени окисления +2 имеют зелёную окраску: таковы \(\ce{NiSO4*7H2O}\) и \(\ce{NiCl2*6H2O}\). При добавлении щёлочи выпадает светло-зелёный \(\ce{Ni(OH)2}\). В отличие от \(\ce{Fe(OH)2}\) и \(\ce{Mn(OH)2}\), он не окисляется на воздухе, но растворяется в аммиаке с образованием сине-фиолетового раствора.
scienceРеакции никеля(II)
- \(\ce{Ni + H2SO4 -> NiSO4 + H2 ^}\) — никель медленно растворяется в серной кислоте с выделением водорода.
- \(\ce{NiSO4 + 2NaOH -> Ni(OH)2 v + Na2SO4}\) — при добавлении щёлочи к сульфату никеля(II) выпадает гидроксид.
- \(\ce{Ni(OH)2 + 6NH3 -> [Ni(NH3)6](OH)2}\) — гидроксид растворяется в аммиаке, образуя сине-фиолетовый раствор.
- \(\ce{NiCl2 + Na2S -> NiS v + 2NaCl}\) — образуется чёрный осадок, который после старения не растворяется в HCl.
- \(\ce{2Ni(NO3)2 ->[t] 2NiO + 4NO2 ^ + O2 ^}\) — при нагревании нитрат никеля(II) разлагается с образованием оксида.
boltОтделение никеля от железа
Комплексы металлов с молекулами аммиака называют аммиакатами. Если в растворе присутствуют ионы железа(III) и никеля(II), избыток аммиака осаждает \(\ce{Fe(OH)3}\), а никель остаётся в растворе в виде аммиаката. При этом также осаждаются \(\ce{Cr(OH)3}\) и \(\ce{Al(OH)3}\), тогда как кобальт, медь и цинк, как и никель, переходят в раствор в виде аммиакатов. Такое разделение служит первым шагом анализа сплавов на основе железа.
Диметилглиоксим и комплексы
Для обнаружения никеля используют реакцию, открытую Львом Чугаевым в Москве в 1905 году. В аммиачном растворе диметилглиоксим (dmgH\(_2\)) образует с никелем алый осадок \(\ce{Ni(dmgH)2}\). Две молекулы реагента располагаются в одной плоскости вокруг иона никеля(II); между ними образуются водородные связи O–H···O. Осадок можно отделить и взвесить, поэтому реакцию применяют и в гравиметрии — определении содержания вещества по массе выделенного соединения. Реакция почти специфична: ей мешают, в частности, большие количества кобальта и железа(II); железо(III) маскируют тартратом.
Частицы, связанные с центральным ионом в комплексе, называют лигандами. Их расположение вокруг иона определяет геометрию комплекса. Для никеля(II) с конфигурацией \(d^8\) возможны следующие варианты:
| Комплекс | Геометрия | Цвет | Магнетизм |
|---|---|---|---|
| \(\ce{[Ni(H2O)6]^2+}\), \(\ce{[Ni(NH3)6]^2+}\) | Лиганды расположены по вершинам октаэдра. | Комплексы имеют зелёную и сине-фиолетовую окраску соответственно. | У каждого комплекса имеются два неспаренных электрона. |
| \(\ce{[Ni(CN)4]^2-}\), \(\ce{Ni(dmgH)2}\) | Лиганды расположены по вершинам плоского квадрата. | Комплексы имеют жёлтую и алую окраску соответственно. | Оба комплекса диамагнитны. |
| \(\ce{[NiCl4]^2-}\) | Лиганды расположены по вершинам тетраэдра. | Комплекс имеет синюю окраску. | У комплекса имеются два неспаренных электрона. |
scienceРеакции образования комплексов никеля
- \(\ce{NiCl2 + 2C4H8N2O2 + 2NH3 -> Ni(C4H7N2O2)2 v + 2NH4Cl}\) — в реакции Чугаева образуется алый осадок.
- \(\ce{Ni(CN)2 + 2KCN -> K2[Ni(CN)4]}\) — при добавлении цианида калия образуется комплекс с плоско-квадратным расположением лигандов.
- \(\ce{NiCl2 + 2[N(C2H5)4]Cl -> [N(C2H5)4]2[NiCl4]}\) — образуется синий комплекс с тетраэдрическим расположением лигандов.
boltПричина плоско-квадратной геометрии
Лиганды сильного поля (\(\ce{CN-}\), dmg) значительно повышают энергию орбитали \(d_{x^2-y^2}\). Восемь d-электронов спариваются на четырёх орбиталях с меньшей энергией, поэтому комплексу выгодно плоско-квадратное расположение лигандов. Все его электроны спарены, и комплекс диамагнитен. Со слабыми и объёмными лигандами (\(\ce{Cl-}\)) никель(II) образует тетраэдрический комплекс.
Никель(III) и аккумуляторы
В щелочной среде сильные окислители — бром, гипохлорит и персульфат — переводят \(\ce{Ni(OH)2}\) в чёрный оксогидроксид никеля(III) \(\ce{NiO(OH)}\). Он служит рабочим веществом положительного электрода никель-кадмиевых (Юнгнер, 1899) и никель-металлгидридных аккумуляторов. При разряде на этом электроде протекает реакция:
На отрицательном электроде Ni–Cd аккумулятора окисляется кадмий, а в Ni–MH аккумуляторе — водород, запасённый в интерметаллиде вроде \(\ce{LaNi5}\). Никель(IV) известен в \(\ce{K2NiF6}\) и в перезаряженных электродах.
scienceРеакции никеля(III)
- \(\ce{2Ni(OH)2 + NaClO -> 2NiO(OH) + NaCl + H2O}\) — гипохлорит окисляет гидроксид никеля(II) до оксогидроксида никеля(III).
- \(\ce{2Ni(OH)2 + Br2 + 2NaOH -> 2NiO(OH) + 2NaBr + 2H2O}\) — в щелочной среде гидроксид никеля(II) окисляется бромом.
- \(\ce{Cd + 2NiO(OH) + 2H2O ->[разряд] Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2}\) — при разряде никель-кадмиевого аккумулятора кадмий окисляется, а никель(III) восстанавливается.
- \(\ce{2NiO(OH) + 6HCl -> 2NiCl2 + Cl2 ^ + 4H2O}\) — никель(III) окисляет соляную кислоту с выделением хлора.
auto_awesomeНикель в аккумуляторах будущего
В современных литий-ионных аккумуляторах электромобилей применяют катоды из смешанных оксидов никеля, марганца и кобальта (NMC) с высоким содержанием никеля. Никель обеспечивает ёмкость, а кобальт и марганец помогают сохранять устойчивость структуры. Спрос на никель для батарей растёт быстрее, чем для стали.
push_pinГлавное
Электронная конфигурация никеля — \(3d^84s^2\). Этот ферромагнитный и устойчивый к коррозии металл применяют для покрытий, изготовления нержавеющих сталей, монет и инвара; никель Ренея используют как катализатор гидрирования. Никель медленно растворяется в кислотах с образованием солей никеля(II), растворам которых придаёт зелёную окраску \(\ce{[Ni(H2O)6]^2+}\); холодная концентрированная \(\ce{HNO3}\) пассивирует металл. Зелёный \(\ce{Ni(OH)2}\) растворяется в аммиаке с образованием сине-фиолетового \(\ce{[Ni(NH3)6]^2+}\), что позволяет отделять никель от железа(III). Для Ni(II) с конфигурацией \(d^8\) характерны октаэдрические комплексы с \(\ce{H2O}\) и \(\ce{NH3}\), плоско-квадратный диамагнитный \(\ce{[Ni(CN)4]^2-}\) и синий тетраэдрический \(\ce{[NiCl4]^2-}\). Диметилглиоксим в реакции Чугаева (1905) образует алый плоский \(\ce{Ni(dmgH)2}\). Сильные окислители в щёлочи превращают гидроксид никеля(II) в чёрный \(\ce{NiO(OH)}\), используемый в электродах Ni–Cd и Ni–MH аккумуляторов.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.