Уравнение реакции никеля с водородом

Гидрид никеля

Гидрид никеля — бинарное неорганическое соединение металла никеля и водорода с формулой NiH₂, чёрные кристаллы, реагирует с водой.

Содержание

• 1 Получение
• 2 Физические свойства
• 3 Химические свойства
• 4 Применение

Получение

• Действие водорода на дифенилникель:

Ni(C₆H₅)₂ + 2 H₂ → NiH₂ + 2 C₆H₆

Физические свойства

Гидрид никеля образует чёрные кристаллы, устойчивые в эфирном растворе.

Взаимодействие с водородом

Большое значение с точки зрения получения вакуума и загрязнения плазмы “холодным” газом играет ремиссия (рециклинг) водорода, определяемая десорбцией изотопов водорода под действием излучения плазмы, захватом, диффузией и молекулярной рекомбинацией, отражением от стенки рабочей камеры. Никель имеет низкую растворимость водорода, это хорошо иллюстрирует диаграмма состояний системы Ni – H.

Рисунок 2.5 – Диаграмма состояний системы Ni–H [8]

Как видно на рисунке 2.5, растворимость водорода в никеле около 0,011 %.

Процесс поглощения водорода определяется его адсорбцией на поверхности и диффузией в объеме металла. Легко диффундируя внутрь металла, водород изменяет его свойства и способствует протеканию реакций на поверхности и внутри металла. Взаимодействе водорода с поверхностью никеля представляет собой хорошо изученный субъект исследования адсорбции. Атомы водорода, попадая на поверхность кристалла никеля, путем диффузионных процессов устремляются в глубь кристалла, причем, вдоль разных кристаллографических направлений водород имеет разные коэффициенты диффузии. После насыщения объема кристалла происходит сегрегация водорода на границах зерен, на порах и на прочих неоднородностях, что приводит к возникновению напряжений внутри поликристалла и его дальнейшему разупрочнению, образованию трещин и разрушению по механизмам схожими с теми, по которым происходит разрушение при гелиевом охрупчивании (описано в разделе 2.2.5). Образование трещин под действием потока ионов водорода происходит и в приповерхностном слое [11].

Скорость миграции атомов водорода в матрице никеля можно оценить по коэффициентам диффузии водорода и его изотопов, температурные зависимости которых представлены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Диффузия водорода, дейтерия и трития в никеле [12]

Водород стабилизирует первичные дефекты и мелкие кластеры, не позволяя им на ранней стадии сливаться в видимые в ПЭМ-дефекты, затрудняет диффузию дефектов и, следовательно, укрупнение пор и петель на поздней стадии облучения. Водород, находящийся в микропузырьках, может химически взаимодействовать с примесными атомами, например, углеродом, образуя СD₄, который стимулирует образование пор и стабилизирует их. Связь атома Н с любым примесным атомом внедрения осуществляется не путем химического взаимодействия, а в результате возникновения полей напряжений, создаваемых вокруг дефекта. Образование комплексов вакансия–водород может привести к значительному увеличению стационарного количества радиационных вакансий и таким образом к проникновению инертного газа в объем металла по вакансиям, стабилизированным водородом [10]. В отсутствие остаточных напряжений или внешней нагрузки, внешнее водородное охрупчивание проявляется в различных формах, типа образования вздутий, внутреннего трещинообразования, формирования гидрида и снижения вязкости.

Энергетический потенциал, позволяющий мигрировать атомам водорода можно оценить зная его термодинамические функции. Термодинамические функции водорода, находящегося в матрице никеля, представлены на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Свободная энергия, энтальпия и энтропия водорода в никеле [12]

Температурные зависимости коэффициентов диффузии внедренного водорода, дейтерия и трития в никеле рассчитываются теоретически. Численные результаты показывают, что диффузия происходит по октаэдрическими пустотами и косвенным путем через метастабильные тетраэдрические пустоты, и что энтальпия миграции и энтропия в обоих случаях сильно зависит от температуры. Тем не менее, энтальпия миграции и энтропия связаны таким образом, что коэффициент диффузии хорошо описывается постоянной энергии активации, т.е. D = D₀ exp(Q / RT), при Q = 45,72; 44,09 и 43,04 кДж / моль и D₀ = 3,84 10 -6 ; 2,40 10 -6 ; 1,77 10 -6 м 2 /с для H, D и T, соответственно [12].

Водород, продиффундировавший в глубь никеля, реагирует с оксидами с образованием паров, с углеродом с образованием метана, с серой, фосфором и рядом других элементов с образованием соответствующих соединений. Получающиеся при этом продукты реакции, например, водяной пар или метан, приводят к разрыхлению структуры, снижают прочность кристалла и способствуют его разрушению.

Наклеп или укрупнение зерна усугубляют отрицательное влияние водорода, способствуют более сильному охрупчиванию и преждевременному разрушению материала.

Так же имеет место проблема водорода в сварных соединениях — происходит охрупчивание сварного шва.

При взаимодействии водорода с никелем необходимо учитывать следующее: растворимость водорода возрастает с температурой; имея ниаменьший атомный радиус водород легко диффундирует в никель; с повышением давления водорода никель сильнее его поглощает. Для уменьшения растворимости водорода можно его легировать такими элементами как углерод, алюминий, кремний.

Способность проникновения водорода в металл определяется его взаимодействием на поверхности металла. Для уменьшения взаимодействия поверхности никеля с водородом важна защита поверхности металла.

Следует защитить сварной шов от образования в нем областей с высокой концентрацией водорода.

Никель и его соединения.

Никель — ковкий и пластичный металл. Никель — ферромагнетик. На воздухе — стабилен. На поверхности находится защитная пленка NiO, которая защищает металл от дальнейшего окисления.

С H₂O и парами воды, содержащимися в воздухе, никель тоже не реагирует. Практически не взаимодействует никель и с такими кислотами, как серная, фосфорная, плавиковая и некоторыми другими.

С O₂ реагирует только при температуре выше 800° С.

Оксид никеля обладает основными свойствами. Он существует в 2-х модификациях: низкотемпературной (гексагональная решетка) и высокотемпературной (кубическая решетка).

С галогенами, серой реагирует только при температуре с образованием NiHal₂ и NiS. При взаимодействии с С, P образуются: карбид Ni₃C, фосфиды — Ni₅P₂, Ni₂P, Ni₃P.

С неметаллами (N₂) реакция протекает при оптимальных условиях.

Существуют растворимые в воде соли NiSO₄, Ni(NO₃)₂ и многие другие, которые образуют кристаллогидраты NiSO₄·7Н₂О, Ni(NO₃)₂·6Н₂О.

Если добавить щелочь к раствору соли никеля (II), то выпадет зеленый осадок гидроксида никеля:

Ni(OH)₂ обладает слабоосновными свойствами. При взаимодействии с щелочью:

Применение никеля и его соединений.

Наибольшее применение никель находит в производстве нержавеющей стали и сплавов. К сплавам, в которых потребляется много никеля, относятся:

— монель-металл (Ni, Cu, Fe, Mn), широко используемый в химической аппаратуре, судостроении, для изготовления отстойников и крышек;

— нихром и хромель (Ni, Cr), используемые в виде проволоки для реостатов, тостеров, утюгов, обогревателей;

— инвар (Ni, Fe), применяемый благодаря очень низкому коэффициенту расширения для изготовления маятников в часах и измерительных рулетках;

— пермаллой (Ni, Fe), используемый в технологии морских кабелей и электропередачи благодаря прекрасной магнитной восприимчивости;

— нейзильбер (Ni, Cu, Zn) – для изготовления домашней утвари;

— алнико (Ni, Co, Fe, Al) – мощный магнитный материал, используемый для изготовления мелкого инструмента, обладающего свойствами постоянного магнита.

Никелевые покрытия давно применяют в декоративных целях и для защиты от коррозии многих основных металлов, хотя часто заменяют и хромовым покрытием.