Nickel

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Nickel
Nickel electrolytic and 1cm3 cube.jpg
Nodule de nickel pur (99,9 %), raffiné par électrolyse, à côté d'un cube d'1 cm³
CobaltNickelCuivre
   
 
28
Ni
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   
                                           
Ni
Pd
Tableau completTableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro Nickel, Ni, 28
Famille d'éléments Métal de transition
Groupe, période, bloc 10, 4, d
Masse volumique 8,902 g·cm-3 (25 °C)[1]
Dureté 4
Couleur Blanc argenté, reflet gris
No CAS 7440-02-0
No EINECS 231-111-4
Propriétés atomiques
Masse atomique 58,6934 ± 0,0002 u[1]
Rayon atomique (calc) 135 pm (149 pm)
Rayon de covalence 124 ± 4 pm[2]
Rayon de van der Waals 163 pm
Configuration électronique [Ar] 4s2 3d8 ou
[Ar] 4s1 3d9
Électrons par niveau d’énergie 2, 8, 16, 2
État(s) d’oxydation 2, 3
Oxyde faiblement basique
Structure cristalline Cubique à faces centrées
Propriétés physiques
État ordinaire solide (ferromagnétique)
Point de fusion 1 455 °C[1]
Point d’ébullition 2 913 °C[1]
Énergie de fusion 17,47 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 370,4 kJ·mol-1
Volume molaire 6,59×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur 0,545 Pa
à 1 456,85 °C
Vitesse du son 4 970 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1,91
Chaleur massique 440 J·kg-1·K-1 à 20 °C[3]
Conductivité électrique 14,3×106 S·m-1
Conductivité thermique 90,7 W·m-1·K-1
Solubilité sol. dans HNO3,

HCl + ions Pt (IV)[4],

HCl + H2O2[5]
Énergies d’ionisation[1]
1re : 7,6398 eV 2e : 18,16884 eV
3e : 35,19 eV 4e : 54,9 eV
5e : 76,06 eV 6e : 108 eV
7e : 133 eV 8e : 162 eV
9e : 193 eV 10e : 224,6 eV
11e : 321,0 eV 12e : 352 eV
13e : 384 eV 14e : 430 eV
15e : 464 eV 16e : 499 eV
17e : 571,08 eV 18e : 607,06 eV
19e : 1 541 eV 20e : 1 648 eV
21e : 1 756 eV 22e : 1 894 eV
23e : 2 011 eV 24e : 2 131 eV
25e : 2 295 eV 26e : 2 399,2 eV
27e : 10 288,8 eV 28e : 10 775,40 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD
MeV
56Ni {syn.} 6,077 j ε 2,136 56Co
58Ni 68,0769 %
[1]
stable avec 30 neutrons
59Ni {syn.}
trace
76 000 a ε 1,072 59Co
60Ni 26,10 %[6] stable avec 32 neutrons
61Ni 1,13 %[6] stable avec 33 neutrons
62Ni 3,59 %[6] stable avec 34 neutrons
63Ni {syn.} 100,1 a β- 2,137 63Cu
64Ni 0,91 %[6] stable avec 36 neutrons
Précautions
SGH[7],[8]
SGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxique
Attention
H317, H351, H372, P280, P314,
SIMDUT[9]
D2A : Matière très toxique ayant d'autres effets toxiques
D2A, D2B,
Directive 67/548/EEC[8]
Nocif
Xn



Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le nickel est l'élément chimique de numéro atomique 28, de symbole Ni. Le corps simple nickel est un métal.

Propriétés atomiques[modifier | modifier le code]

Le nickel est un élément métal de transition du bloc d, le plus léger du groupe 10.

L'atome de nickel possède deux configurations électroniques, [Ar] 3d8 4s2 et [Ar] 3d9 4s1, qui sont très proches en énergie – le symbole [Ar] désigne les électrons du cœur qui ont la configuration de l'atome d'argon. Il existe un désaccord au sujet de la configuration devant être considérée comme étant de plus basse énergie[10]. Les manuels de chimie indiquent la configuration électronique du nickel comme étant [Ar] 4s2 3d8[11], ou bien de façon équivalente comme étant [Ar] 3d8 4s2[12],[13]. Ce choix est en accord avec la règle de Klechkowski, qui prévoit que la sous-couche 4s sera remplie avant la 3d. Il est d'ailleurs appuyé par le fait expérimental que l'état de plus basse énergie de l'atome de nickel est un niveau de la configuration 3d8 4s2, à savoir le niveau 3d8(3F) 4s2 3F, J = 4[14].

Cependant, chacune de ces deux configurations correspond à un ensemble d'états quantiques d'énergies différentes[14]. Les deux ensembles des énergies se recouvrent, et l'énergie moyenne des états de la configuration [Ar] 3d9 4s1 se trouve en fait inférieure à l'énergie moyenne des états de la configuration [Ar] 3d8 4s2. Pour cette raison, les publications de recherche au sujet des calculs de la structure atomique considèrent que la configuration électronique fondamentale du nickel est [Ar] 3d9 4s1[10].

L'atome de nickel est paramagnétique.

Généralités, découverte du corps simple et de l'élément[modifier | modifier le code]

Du nickel brillant parmi les autres éléments des matériaux des segments ou mâchoires de frein

Le nickel est fréquemment associé au cobalt dans les dépôts miniers, il est particulièrement apprécié pour les alliages qu'il forme. Longtemps confondu avec l'argent ou le cuivre, le nickel est aujourd'hui utilisé pour la confection de monnaie et en alliage dans l'industrie.

Le corps simple, métal dense blanc argenté, plus dur et plus tenace que le fer, a été isolé en 1751 à partir d'arséniures de nickel, dénommés de manière générique Kupfernickel en allemand, kopparnickel en suédois ou "nickeline" en français, par le chimiste suédois, le baron Axel Frederik von Cronstedt. L'opérateur, ancien élève de Georg Brandt, maître spécialiste des arséniures et découvreur de l'élément cobalt, étudie des résidus verts provenant d'une mine de minerai de cobalt à Helsingland. Est-ce un dernier essai au départ d'extraire du cuivre de ce minerai verdâtre, ce "Kupfernickel" considéré autrefois comme une sorte de « cuivre du diable » puisqu'il en a l'apparence verdâtre et rejeté par les mineurs chevronnés s'ils le détectaient avant l'étape du four ? Il obtient d'abord par chauffage en présence de soufre et de carbonate de potassium de l'oxyde de nickel avant de réduire ce dernier protoxyde de nickel en creuset brasqué avec du charbon actif pour obtenir une poudre qui une fois compactée et mise en lamelle donne un échantillon de métal blanc brillant qu'il appelle trivialement "nickel", pour signifier que cela n'était selon lui nullement du cuivre ou du moins un « faux cuivre »[15]. En observant la chimie différente de ce corps simple, il découvre qu'il s'agit d'un élément chimique.

Nickeline ou arséniure de nickel altérée superficiellement en arséniates de nickel verts et toxiques, par l'humidité de l'air

L'allemand kupfernickel fait aussi référence à l'action supposée des nains, génies ou gnômes maléfiques des mines, les "nickels du cuivre", sur les veines de cuivre ou de minerais de cuivre, comme d'ailleurs sur les autres veines de minéraux intéressants, par exemple riches en métaux précieux. Selon les auteurs, les nains ou nickels cachaient, subtilisaient ou rendaient invisible la bonne matière évidemment recherchée, comme ils provoquaient malicieusement des tremblements, des bruits ou résonances inquiétantes, des failles perverses où s'infiltraient de l'eau qui ennoyait les galeries ou étaient larguées des vapeurs méphitiques. La dénomination des nains vient de leur patron ou intercesseur médiéval saint Nicolas ou sankt Nickelaas, en latin ecclésiastique Sanctus Nicolaus[16]. Au XIIe siècle, ce brave saint protecteur des navigateurs, garant de l'équilibre et de la stabilité du monde naturel et des équipements de l'artifice humain, assurait, par sa dévotion et la perpétuation sous son égide des anciennes pratiques ritualisées de mineurs saxons ou germaniques, la tranquillité et la sécurité du milieu minier, comme le calme des flots marins ou fluviaux.

Ces appellations proviennent en partie de l'impossibilité d'extraire le cuivre de ce qu'on croyait à l'époque être apparemment du minerai de cuivre ; on croyait que le « minerai de cuivre » avait subi un mauvais sort de petits démons. En fait, l'erreur rationnelle repose sur ce que les savants naïfs confondaient les minerais de cuivre avec les minerais de nickel, élément chimique qui était tout à fait inconnu, distinct du cuivre.

Le terme nickel est attesté en français écrit vers 1765[17]. L'adjectif nickélifère, déjà attesté en 1818 mais beaucoup plus commun en 1900, qualifie une matière ou un corps contenant du nickel[18]. Le nickelage désigne avant le milieu du XIXe siècle l'action du verbe nickeler, c'est-à-dire couvrir d'une mince couche de nickel, ainsi que le revêtement métallique de nickel protecteur, c'est-à-dire le résultat du verbe nickeler en galvanoplastie[19]. L'adjectif nickelé qualifie un métal ou un alliage recouvert d'une couche de nickel[20]. En 1857, la nickelure désigne une technique particulière, à préciser, par laquelle les métaux peuvent être nickeler et de manière général, l'art de nickeler et le travail fait par nickelage[21]. Le chimiste Adolphe Wurtz popularise en 1873 l'adjectif nickélique pour qualifier certains composés de nickel[22]. L'alliage NiCr ou nickelchrome est mentionné dans le Grand Larousse encyclopédique en 1932.

Isotopes[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Isotopes du nickel.

Le nickel possède 31 isotopes de nombre de masse variant entre 48 et 78, ainsi que sept isomères nucléaires. Il existe dans la nature sous la forme de cinq isotopes stables ou quasi stables : 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni et 64Ni, 58Ni étant le plus abondant (abondance naturelle de 68,077 %[23]). On lui attribue une masse atomique standard de 58,6934(2) u. 26 radioisotopes ont été caractérisés, le plus stable étant 59Ni avec une demi-vie de 76 000 années, suivi de 63Ni (100,1 années) et de 56Ni (6,077 jours). Tous les autres radioisotopes ont une demi-vie inférieure à 60 heures, et la plupart inférieure à 30 secondes.

Occurrences de l'élément, extraction minière et purification[modifier | modifier le code]

Le clarke s'élève entre 75 g et 80 g par tonne selon les estimations[24]. Il s'agit d'un élément moyennement abondant.

Le nickel existe à l'état natif, c'est le nickel natif qui contient souvent divers autres métaux comme impuretés. Le nickel est en effet très souvent associé au fer. Rappelons le noyau nickel-fer, qui marque une origine proche des astéroïdes, au centre de la Terre. Les météorites métalliques ont très souvent un noyau ferro-nickel, les météorites brillantes dans l'espace montrent souvent une surface à base de nickel. Les nodules polymétalliques des profondeurs océaniques sont à base de Mn, Ni, Co, Fe, Cr...

Garniérite enveloppé dans la limonite nickélifère, Montagne du Nickel, près de Riddle, comté Douglas, Oregon
Minerai de sulfures de nickel à texture de spinifex, Lunnon Shoot, Kambalda, en Australie occidentale

Le nickel, quelle que soit son origine tellurique ou météoritique, se substitue facilement dans l'écorce terrestre au fer ou au magnésium dans divers silicates, en particulier ceux des roches magmatiques alcalines ou basiques, voire ultrabasiques comme les péridots et les pyroxènes. Les péridotites peuvent en contenir plus de 3,1 kg par tonne. Ainsi le nickel apparaît sous forme de silicates ou hydrosilicates, comme les variétés de serpentines comme la garniérite ou nouméite, un silicate complexe de nickel et de magnésium de formule simplifiée (Ni,Mg)3[Si2O5](OH)4) qui peut être aussi considéré comme un composant de roches détritiques ou de latérites[25]. Comme ces derniers assemblages à garniérite sont dénommés minerais saprolithiques, l'adjectif latéritique qualifie souvent les formations plus altérées, à base de limonites nickélifè̠res (Fe, Ni)O(OH). n H2O.

On le trouve sous forme combinée au soufre dans la millérite NiS, la polydymite Ni3S4, la pyrrolite (Fe,Ni)S, la pentlandite (Ni,Fe)9S8 très souvent insérées dans une matrice rocheuse à base de pyrrhotite. Il s'agit de chalcopyrite CuFeS2 ou de pyrrhotite nickélifère des anciens auteurs.

Combiné à l'arsenic ou sous forme d'arséniures ou d'arséniates, il est présent dans la nickéline ou niccolite NiAs de couleur rouge, de chloantite NiAs3, de smaltite, l'annabergite ou "nickel ocre" Ni3(AsO4)2. 8 H2O, d'aerugite...

Il apparaît aussi sous forme d'oxydes, de sulfates, de carbonates, de phosphates, d'antimoniures (breithauptite ou alliage NiSb), de phosphures, de sulfoarséniures (gersdorffite NiAsS ou disomose)... Tous ces minéraux sont liés à des gîtes associés à des roches magmatiques, parfois ayant constitués des filons excentrés.

Minerais et extraction minière[modifier | modifier le code]

Articles principaux : Minerai (roche) et Extraction du nickel.

Les minerais de nickel étaient connus en France au XIXe siècle av. J.-C. dans les Pyrénées, les Alpes ou en Algérie. L'extraction du nickel est compliquée par les associations fréquentes avec Fe, Cu, Co, etc. Les minerais sulfurés préalablement oxydés ou grillés étaient réduits par la vapeur d'eau. Pour purifier efficacement le nickel, il faut attendre le procédé Mond qui utilise la formation entre 60 °C et 80 °C du tétracarbonyle de nickel Ni(CO)4 volatile et la pyrolyse de ce corps instable vers 180 °C, laissant un dépôt de nickel métal.

Le nickel est communément présent dans les résidus de la préparation du smalt, à base de sulfoarséniures de nickel parfois dénommé speiss. Le grillage du speiss permet d'obtenir du nickel impur, qui peut être purifié après quelques étapes réitérées d'affinages.

Le nickel ou plutôt le silicate de magnésie et de nickel préalablement décrit a longtemps constitué la principale richesse de la Nouvelle-Calédonie, découvertes par l'ingénieur Jules Garnier en 1864. Le minerai était exploité à partir d'une teneur supérieure à 0,5 % en masse dans les années 1990. Ce territoire autonome possède environ 30 % des réserves mondiales, estimé alors à plus de 174 millions de tonnes. Le plus gros projet métallurgique au monde est actuellement en construction en Nouvelle-Calédonie.

Dans les années 1990, les autres pays producteurs étaient la Russie, le Canada, l'Australie et Cuba, les Ètats-Unis. Des gisements importants sont encore exploités en Russie, dans la région de Norilsk. 27 % de la production mondiale de nickel proviennent de mines situées dans le cratère d'impact d'une énorme météorite dite de Sudbury il y a 1,8 milliards d'années[26].

Au début du XXIe siècle, le nickel est extrait de deux types de minerais : les latérites et les sulfures de nickel, ces derniers exploités à Sotkamo en Finlande. Mais bien que 70 % des réserves de nickel sont des minerais latéritiques, ceux-ci ne correspondent qu'à 40 % de la production mondiale. Les minerais latéritiques sont essentiellement destinés à la production de ferronickel, les minerais sulfureux, par l'intermédiaire de mattes, étant généralement dédiés à la production de nickel très pur[27]. Le grillage des sulfures s'opère a minima entre 500 °C et 700 °C[28]. Les matières fondues subissent ensuite des procédés classiques d'hydrométallurgie.

Qu'ils soient latéritiques ou sulfureux, les minerais de nickel sont exploités dès que leur richesse dépasse 1,3 % de nickel[27]. Cette faible teneur explique la complexité et la diversité des procédés, déterminés par la nature de la gangue du minerai, ainsi que par la qualité du nickel désiré à la fin de l'extraction.

Nodules de nickel obtenu par électrolyse

Propriétés physiques et chimiques du corps simple métal, préparation et alliages[modifier | modifier le code]

Bloc de nickel pur.

Le nickel est un métal blanc argenté, parfois légèrement grisâtre, de densité 8,9. Il existe sous deux variétés allotropiques, le Niα hexagonale instable et le Niβ cubique face centrée, variété la plus stable.

Ce corps cristallin de maille cubique est souvent déjà brillant, il possède un bel éclat brillant par polissage. Il fait partie du groupe des métaux non-ferreux[29]. Le nickel est classé comme métal de transition, c'est un corps solide assez dur, le plus dur des métaux après le chrome, tenace,ductile, malléable, en particulier plus malléable que le cobalt. Pour le métallurgiste, les propriétés mécaniques du nickel sont voisines de celles du fer. Il se laisse laminer et étirer en fils assez fins.

Plaquette centimétrique de nickel malléable

Le nickel est bon conducteur de la chaleur et de l'électricité. Il est ferromagnétique.

Propriétés physiques[modifier | modifier le code]

La maille du nickel β est cubique à faces centrées avec un paramètre cristallin de 0,352 nm, ce qui correspond à un rayon atomique de 0,124 nm. Cette structure cristalline est stable jusqu'aux pressions d'au moins 70 GPa.

Plaque-coupon de nickel

Le nickel, comme le cobalt, est plus tenace que le fer. Sa cassure est fibreuse. Métal moins fusible que le fer, mais plus fusible que le chrome, il est facile à travailler. Sa densité apparente peut varier après écrouissage, les pièces montrant une densité apparente passant de 8,3 à 8,8.

Le corps simple est dilatable par la chaleur. La conductivité électrique est 24 % IACS, c'est-à-dire moins du quart que celle du cuivre pur. Il est fusible au-dessus de 1 452 °C et, très pur, bout vers 2 730 °C.

Le nickel paramagnétique est ferromagnétique aux températures ordinaires[30]. Seuls trois autres éléments possèdent cette propriété: le fer, le cobalt et le gadolinium. Sa température de Curie est de 355 °C, ce qui signifie que le nickel solide est non magnétique au-dessus de cette température[31]. En pratique, le champ magnétique s'atténue dès 250 °C.

Propriétés chimiques, stabilité de la surface métal et nickelage[modifier | modifier le code]

Le nickel est stable à l'air et à l'eau. Le nickel ne s'oxyde pas facilement à l'air humide. Le nickel ne s'oxyde pas à l'air froid, l'oxydation existe à l'air très chaud, et d'autant plus importante avec la température croissante. Un fil fin de nickel chauffé brûle dans le gaz oxygène pur. La mousse de nickel, corps poudreux très divisé à haute surface spécifique, peut s'enflammer dans l'air, une fois soumise à un point chaud ou à une étincelle. Le nickel de Raney est un corps pyrophosphorique.

Le métal nickel pulvérulent est un super-adsorbant de molécules gazeuses, comme l'hydrogène ou le monoxyde de carbone. Il peut retenir et libérer facilement plus de 8 litres de monoxyde de carbone. Les "mousses de nickel", mises au point au cours des années 1980, ont révolutionné la catalyse, notamment en hydrogénation, de même que l'électrochimie.

Le nickel massif est attaqué lentement par les acides non oxydants. Le nickel est facilement dissout dans l'acide sulfurique et l'acide chlorhydrique avec dégagement de gaz hydrogène. La réaction de dissolution peut être conduite dans ces acides dilués ou étendus d'eau.

Ni solide + 2 H3O+ aq ions hydronium en milieu non oxydant + 4 H2O eau → [Ni(H2O)6]2+ cation nickel hydraté vert + H2 gaz

Mis en contact avec l'acide nitrique concentré, la surface du métal devient passive, au même titre que la passivité du fer[32]. En pratique, s'il est attaqué rapidement par l'acide nitrique dilué, le métal Ni est insoluble dans les acides oxydants concentrés. De manière générale, en condition oxydante, l'attaque est lente.

L'alliage monel ou à défaut le nickel est utilisé dans les montages ou appareillages de laboratoire faisant intervenir le gaz fluor ou l'acide fluorhydrique.

Le nickel est insoluble dans le solvant ammoniac.

Ainsi le métal en plaque ou en revêtement de nickelage pour protéger des métaux oxydables résiste bien à la corrosion et à l'exposition durable à l'air humide, en formant une couche d'oxyde passivante ou protectrice NiO. Il prend souvent une teinte blanc grisâtre.

Le nickel reste le plus souvent intacte en solution neutre ou alcaline, en présence d'eau de mer, ou exposé à des conditions atmosphérique clémente.

Le nickel résiste bien à l'action des bases, même à chaud. Les conditions réductrices retarde de manière générale l'attaque. C'est pourquoi le nickel sert à la manipulation ou au transport d'alcalis concentrés.

Grâce à sa résistance à l'oxydation et à la corrosion, il est utilisé dans les pièces de monnaie, pour le plaquage du fer, du cuivre, du laiton, dans certaines combinaisons chimiques et dans un grand nombre d'alliages.

Préparation du corps simple, production[modifier | modifier le code]

L'oxyde de nickel était préparé, à partir des arséniures ou sulfo-arséniures de nickel selon les techniques du laboratoire de Georg Brandt, par chauffage avec du soufre S et du carbonate de potasse K2CO3, qui donne de la potasse caustique par chauffage.

La récupération du sulfure de nickel était également possible. Les minerais sont traités par le pentasulfure de potassium K5S5, ce dernier corps étant soluble dans l'eau alors que le sulfure de nickel est insoluble.

Le sulfure de nickel, qui peut aussi être un minerai sulfuré concentré, était ensuite grillé, puis traité par l'acide sulfurique selon un procédé ancien mis au point au laboratoire de Friedrich Wöhler. le soufre part sous la forme de gaz hydrogène sulfuré. Le traitement ultérieur par la potasse donnait un "oxyde de nickel hydraté" ou Ni(OH)2 vert pomme, insoluble.

Au laboratoire, l'oxyde de nickel était ensuite réduit à basse température en tube de verre sous un balayage de gaz hydrogène.

NiO solide + H2 gaz → Ni métal pulvérulent + H2O vapeur ou liquide évaporé

Les chimistes obtenaient une poudre pulvérulente, réactive et "pyrophorique" puisqu'elle s'enflammait à l'air, une fois mis en contact avec le gaz oxygène composant minoritaire de l'air. L'industrie procédait par une réduction moins coûteuse au charbon, dans un creuset réfractaire, pour obtenir un nickel impur, la poudre métal du commerce contenant les corps simple cobalt, cuivre et fer.

Pour obtenir un nickel purifié, l'oxyde de nickel était traité à l'acide oxalique, et l'oxalate de nickel 2NiO. C4O6 obtenu chauffé au feu de forge en vase clos se décomposait en corps simple Ni et en dioxyde de carbone. Le nickel était réduit dans un creuset fermé adapté, le métal se plaçant au culot.

arborescence des opérations métallurgique
Principales filières métallurgiques pour l'extraction du nickel.

Le principal problème technique était la séparation du nickel du cobalt. Les solutions salines concentrées, préparées avec un oxyde mixte de cobalt et de nickel, étaient neutralisées par la potasse. Au mélange était ajouté en excès une solution de nitrite de potasse, avant qu'il soit mis au repos en milieu acide, par exemple en milieu acide acétique, une journée. Le nitrite double de potassium et de cobalt CoK(NO2)3 avait lentement précipité, et le précipité était récupéré par filtration de la solution, après un lavage soigneux avec une solution aqueuse de chlorure de potassium. Ce corps solide récupéré permettait de fabriquer le jaune de cobalt, utilisé pour la peinture à l'aquarelle. La liqueur filtrée, contant l'ion nickel, était traité à l'hydroxyde de potasse pour précipiter un "oxyde de nickel hydraté" ou hydroxyde de nickel.

Tous les procédés d'extraction actuels combinent encore des techniques d'hydrométallurgie et de pyrométallurgie, dont l'optimisation dépend fortement de la nature du minerai traité. L'activité est éminemment capitalistique : une usine produisant 60 000 tonnes par an de ferronickel à partir de latérite, coûte environ 4 milliards de dollars (Koniambo, Nouvelle-Calédonie), soit un investissement de 70 000 dollars par tonne de nickel produite annuellement. Or en 2010, la tonne de nickel commercialisée sous la forme de ferronickel est cotée 26 000 dollars. Le coût de transformation du minerai en ferronickel se situe à la même époque entre 4 000 et 6 000 dollars pour une usine performante : l'amortissement du capital explique la différence entre prix de vente et coût de production[27].

Le nickel peut être moulu, fondu, mis en forme par moulage. Il est aussi facilement usinable et soudable. Le nickel se soude bien au fer. Autrefois, par laminage de tôles, issues d'un montage composé d'une lame d'acier prise entre deux plaques de nickel, étaient obtenues des tôles plaquées de nickel sur les deux faces.

Alliages à base de nickel[modifier | modifier le code]

Voir la catégorie : Alliage de nickel.

Le nickel peut s'allier en principe avec tous les métaux, sauf avec le plomb, l'argent, le thorium et les métaux alcalins.

Les alliages de Ni les plus courants sont avec les métaux Fe, Mn, Cr, Co, Cu, Zn, Al... et les non-métaux comme le Si[33]. Le nickel renforce notamment la résistance de l'acier à la rupture et à l'attaque chimique.

Les propriétés mécaniques et calorifiques des alliages fabriqués sont remarquables, notamment la résistance à l'usure sur de vastes plages de températures, des basses-températures à parfois plus de 1 000 °C. Ce sont des matériaux non ou très peu déformables, montrant souvent une quasi-absence de dilatation, une résistance aux réactifs chimiques et à la corrosion atmosphérique, une très faible usure, des propriétés physiques, comme la résistance électrique, peu influencées par le paramètre température...

Le nickel est présent dans un grand nombre d'alliages, des aciers inoxydables et réfractaires à fortes teneurs en chrome et nickel aux fontes de nickel tels que le Ni-resist, des alliages de blindage magnétique, type alliage fer-nickel ou ferro-nickels très durs, sinimax Ni0.43Fe0.54Si0.03 et permalloy aux aimants permanents Alnico, des alliages résistants à la corrosion type hastelloy (par exemple hastelloy C résistant à la corrosion ou hastelloy D à grande résistance mécanique Ni0.84Cu0.03Fe0.02Si0.075Mn0.02Co0.015, parfois au molyddène) ou des nickel-chrome ou chrome-nickel à l'alliage Monel à grande résistance à l'attaque chimique, principalement à base de Ni et Cu, par exemple Ni0.65Cu0.27Fe0.02Si0.03Mn0.03 ou aux divers cupro-nickels, par exemple pour les pièces de monnaies ou encore le nigusil...

Le nickel est pour le physicien métallurgiste un élément gammagène, c'est-à-dire qui stabilise la phase cubique à faces centrées, et, du coup, favorise l'obtention d'une structure martensitique sur des pièces à grosses sections, en améliorant le résultat de la trempe.

Acier au nickel, plus résistant à la rupture, à la corrosion, aux milieux de basses températures, voire à l'attaque chimique en milieu oxydant.

Pour les aciers faiblement alliés, par exemple à base de fer associé à 1,85 % de Ni, 0,8 % de Cr, 0,7 % de Mn, 0,4 % de C, 0,25 % de Mo..., le nickel accroît la résistance mécanique, améliore indéniablement les propriétés à basses températures et la résistance à la corrosion. Pour un acier inox classique, comme le 18/8 (Fe avec 18 % de Cr et 8 % de Ni) ou le 18/10, les métallurgistes s'accordent sur la caractéristique de "surface inoxydable" apportée par le chrome et la résistance mécanique à l'étirement et la résistance à la corrosion, apportées par le nickel. Au niveau des surfaces, il se forme un film d'oxydes protecteurs qui peut annihiler en grande partie les conditions favorables d'oxydation. A contrario, en condition réductrice, et par exemple avec la dissémination de l'ion chlorure responsable de piqûres et de crevasses, la destruction de la couche d'oxydes peut être très rapide sous diverses contraintes, libérant les possibilités d'attaques plus profondes.

La microstructure des aciers spéciaux et super-alliages, observables en partie par les sous-grains et grains, est tributaire de la déformation à chaud de l'acier ou de l'alliage.

On le retrouve dans les "bronzes au nickel" à base de 45 % à 67 % de Cu, de 19 % à 41 % Zn et de 10 % à 26 % Ni, avec des chouïas de Pb entre 0 % à 2,5 %, et 0,5 % de Mn et 0,5 % Fe , les alliages "Nickel-Bronze-Aluminium" à base de Ni, Cu, Zn et Al, le packfong Cu0.5Ni0.25Zn0.25 ou les maillechorts, à base de Cu, Zn et Ni, qui ressemblent peu ou prou au métal argent, mais aussi l'argentan, l'argenton, le ruolz... Des bijoux de faible prix sont ainsi fabriqués en alliage de nickel dit argenté. L'alliage nickel molybdène Ni0.80Mo0.20 est vendu en poudre, ces alliages à partir de Ni0.5Mo0.5 jusqu'à Ni0.875Mo0.125 ont été des modèles précoces pour l'étude de l'oxydation jusqu'à 800 °C[34].

Les propriétés thermiques et électriques justifient les alliages dénommés ː invar à 64 % de Fe et 36 % de Ni, constantan (résistance de précision de formule Cu0.54Ni0.44Mn0.01Fe0.005ZnεSnέ), kovar, platinite, alumel, nimonic NiCrTiCoAl à environ 75 % Ni, cunife, inconel ou incoloy DS NiCrSi à l'origine des alliages intermétalliques, ... Le coefficient de dilatation thermique de l'alliage Fe0.53Ni0.29Co0.28 est proche de celui du verre soufflé, il était utilisé comme conducteur dans les ampoules d'éclairage.

Les propriétés magnétiques sont recherchées, par exemple le Mu-métal qui tire sa dénomination de sa perméabilité magnétique, l'Alnico des aimants permanents...

Le nickel-chrome est un alliage anti-corrosion et à résistance électrique élevé. L'alliage karma Ni0.74Cr0.20Cu0.03Fe0.03 est un alliage spécifique de jauge de déformation.

Les techniques électrochimiques nous ont laissé d'autres alliages de Ni, comme les zincs alliés. Les procédés de vaporisation thermiques (formant des dépôts limités à des couches fines) ou de métallurgie des poudres (en masse plus compacte) permettent de réaliser des alliages WNi, servant de cibles de pulvérisation pour revêtements électrochrome. Les alliages NiTi, comme l'alliage nitinol, sont parmi les premiers reconnus à mémoire de forme. L'alliage nickel phosphore NiP peut constituer un matériau en réseau ultra-léger tridimensionnel de tubes creux de masse volumique avoisinant une masse volumique de 0,9 mg/cm³[35].

Chimie du nickel, corps composés et complexes à base de Ni[modifier | modifier le code]

Le nickel est moins réactif que le fer et le cobalt, surtout vis à̠ vis des acides et de l'oxygène[36].

Notons la valence 0 du complexe K4[Ni(CN)4] et du composé volatile Ni-tétracarbonyle Ni(CO)4[37].

Poudre d'oxyde de nickel III

Son nombre d'oxydation le plus commun est II, il atteste d'un caractère ionique[38].

Il existe encore les degrés d'oxydation -II,-I, I, III, IV. Le degré d'oxydation III caractérisé par de nombreux complexes avec des ligands donneur pour la liaison σ-comme la familles des thiols et des phosphines, est minoritaire, tout comme le degré I, présent dans les alliages avec le sodium, les complexes tétraédriques bien stabilisé, et les enzymes à fonction d'hydrogénation (hydrogénases) et le IV, surtout communément préparé sous forme d'oxyde par les électrochimistes spécialisés dans les cathodes. Plus rares encore sont les degrés d'oxydation -II,-I.

La chimie colorée de l'ion Ni(II) en solutions aqueuses. De gauche à droite, complexe hexaammonié [Ni(NH3)6]2+, éthylène diaminé [Ni(C2H4(NH2)2 ]2+, tétrachloré [NiCl4]2- et cations hexahydratés [Ni(H2O)6]2+.

Les sels de nickel sont souvent isomorphes de ceux du fer. Il existe une vaste gamme de sels doubles, diversement hydratés, avec les métaux alcalins et le cation ammonium. Ainsi NiSO4.(NH4)2SO4. 6 H2O ... Ils sont très souvent isomorphes des sels doubles où le nickel(II) est remplacé par l'ion fer, cobalt, magnésium... ions métalliques divalents.

Un grand nombre de sel de nickel divalent, une fois dissous dans l'eau, a la couleur vert-pomme de l'ion hydraté [Ni(H2O)6]2+, tout comme les cristaux hydratés de différents sels de nickel. Anhydres, ils sont plutôt jaune ou à nuance de vert plus faible. La couleur dépend toutefois de l'anion, à la fois de son électronégativité et de sa polarisabilité, ainsi NiBr2 est jaune alors que NiI2 est noir. Dissous dans l'ammoniaque, la coloration des solutions est bleue ou violette, grâce aux ions complexes du nickel ammoniacal [Ni(NH3)n]2+.

La chimie du nickel est marquée par les complexes colorés de Ni(II) avec des configurations électroniques suivant la théorie des ligands ou champ de coordination. Leurs structures peuvent être selon l'hybridation :

  • dsp2 en plan-carré, à comportement diamagnétique et le plus souvent rouge, brun, jaune, par exemple [Ni(CN)4]2-
  • sp3 tétraédrique, paramagnétique, le plus souvent bleu ou vert, par exemple [Ni(Cl)4]2-
  • sp3d2 octaédrique, par exemple [Ni(H2O)6]2+ ou [Ni(NH3)6]2+

Les complexes de Ni(II) sont difficilement oxydables en complexes de Ni(III), au contraire des ions et complexes de cobalt et de fer[39]. Mais les complexes de Ni(II) peuvent facilement réduit en Ni(I) voire en Ni(0). Ainsi le complexe cyanuré [Ni(CN)4]2- peut être réduit en [Ni(CN)3]2-, voire en [Ni(CN)4]4-.

Le cyanure de nickel qui cristallise dans un mélange ammoniac-benzène laisse un cyanure de nickel ammino-benzénique. Tout se passe comme si les molécules de benzène, sans être liés, étaient captés dans les mailles du réseau cristallin formé. Ces complexes sont nommés clathrates.

L'ion nickel, comme l'ion vanadium, se retrouve aussi piégé dans les structures supramoléculaires de type porphyrine, par exemple au sein des fractions lourdes de pétrole brut.

Il est possible de fabriquer de la "fonte au nickel" ou du "métal carburé".

Ni solide cristal + Ccharbon de bois après chauffage → Ni1-xCx "fonte au nickel" avec x fraction de plusieurs pourcents

L'oxyde de nickel était réduit directement dans un creuset brasqué au feu de forge.

NiO solide cristal + Ccharbon de bois après chauffage → NiC "métal nickel carburé fondu" + COgaz

Le nickel réagit à chaud avec les corps oxydants, comme le gaz oxygène ou les halogènes, comme le chlore.

Précipité d'hydroxyde de nickel II

Le nickel est chalcophile et arsénophile. Il réagit facilement avec le soufre et l'arsenic.

Parmi les principaux composés, citons ː

  • Oxydes de nickel et oxydes mixtes
protoxyde ou monoxyde de nickel II NiO
sesquioxyde de nickel Ni2O3 non basique et instable à la chaleur
oxyde magnétique Ni3O4
dioxyde de nickel NiO2
ferrites au nickel Ni1-xZnxFe2O4
  • Oxyhydroxydes de nickel
Oxyhydroxyde de nickel NiOOH
Autres oxyhydroxyde de Ni(III) Ni2O3. n H2O
Autres oxyhydroxyde de Ni(IV) NiO2. n H2O des batteries d'Edison
  • Hydroxydes de nickel
hydroxyde de nickel Ni(OH)2
hydroxyde de nickel hydraté Ni(OH)2. 1/4 H2O
Hydroxyde de nickel III Ni(OH)3
  • Fluorures de nickel
Fluorure de nickel NiF2
hexafluoronickélate(IV) de potassium K2[NiF6] instable
Chlorure de nickel
  • Chlorures de nickel
Chlorure de nickel divalent NiCl2 jaune
Hexahydrate de chlorure de nickel NiCl2. 6 H2O aux cristaux vert-émeraude
Hexahydrate de chlorure de nickel
chlorure de nickel hexa-ammonié NiCl2. 6 NH3
Ammonio-chlorure de nickel NiCl2. NH4Cl. 6 H2O
  • Bromures de nickel
NiBr2, corps brun-jaune déliquescent
NiBr2. 3 H2O
NiBr2. 6 NH3, poudre violette
Bromure de nickel(II) hexammonié
bromoplatinate de nickel NiPtBr6. 6 H2O
  • Iodures de nickel
iodure de nickel NiI2 noir
  • Antimoniures de nickel
NiSb[40]
  • Sulfures de nickel
Sulfure de nickel NiS noir
sous-sulfure de nickel Ni3S2
sulfure de fer et de nickel
  • Arséniures de nickel
NiAs ou nickéline
Nickel-skuttérudite, cristal de formule chimique (Ni,Co) As 2 à 3[41],
Sulfate de nickel hexahydraté
  • Sulfo-antimoniures de Ni
  • Sulfo-arséniures de Ni
  • Sulfates de nickel
Cristaux de nitrate de nickel
Sulfate de nickel
sulfate de nickel hydraté
sulfate double de nickel et d'ammonium hexahydraté NiSO4(NH4)2SO4. 6 H2O
Nickel-boussingaultite, minéral de formule chimique (NH4)2 (Ni,Mg) (SO4)2, 6 H2O[42].
  • Urano-sulfates de nickel
Nickel-zippeite, minéral de formule chimique Ni2(UO2)6(SO4)3(OH)10,16 H2O[43]
  • Carbonates de nickel
Carbonate de nickel basique
NiCO3
Hydroxycarbonate x NiCO3 • y Ni(OH)2 • z H2O
  • Nitrates de nickel
  • Phosphates de nickel
Cristaux de phosphate de nickel vert.
  • borates de nickel
borate de nickel(II) Ni(BO2)2[44]
  • Sulfamate de nickel
  • Chlorates de nickel
  • Bromates de nickel
  • Arséniates de nickel
  • Hydrures de nickel
hydrure de nickel
Précipité de cyanure de nickel
  • Phosphures de nickel
  • cyanures de nickel
cyanure de nickel(II) Ni(CN)2
complexe de Ni(I) K2[Ni(CN)3] le plus souvent dimérisé
complexe de Ni(O) K4[Ni(CN)4]
cyanure de nickel ammino-benzénique, "complexe clathrate"
  • Glyoximes
bis-diméthyl-glyoxime de nickel NiC8H14O4N4, cristaux rouge écarlate, "complexe chélate" insoluble dans l'eau
Précipitation de Nickel-Diacétyle-dioxime
Diacétyl-glyoxime de nickel
Formation de précipité de bis-diméthyl-glyoxime de Ni dans des solutions légèrement ammoniacales
  • Nickel-carbonyle ou nickel-tétracarbonyle Ni(CO)4
  • Nitroso-carbonyle de nickel Ni(CO)2(NO)2

Il existe aussi des composés organo-nickéliques mieux stabilisés

Analyse[modifier | modifier le code]

Le nickel colore la perle de borax en jaune pâle à froid, en rouge orange à chaud.

L'analyse quantitative peut utiliser le réactif de Tschugaeff.

Le cation nickel divalent réagit avec le diméthyl-glyoxime pour donner un composé électriquement neutre, chélate rouge ou écarlate, le bis(diméthylglyoxime) de nickel[45]. Ce complexe important, en analyse qualitative et quantitative du nickel, précipite dans des solutions légèrement ammoniacales.

Toxicité[modifier | modifier le code]

En très faible quantité et sous des formes assimilables par l'organisme, le nickel est considéré comme un oligo-élément pour les animaux, également indispensable à la croissance des plantes.

Si le corps simple métal nickel sous forme compacte et massive n'est en principe pas toxique, un contact prolongé avec la peau et les muqueuses peut provoquer des démangeaisons, des prurits et parfois des allergies. L'ingestion de sels solubles dilués dans l'eau provoque nausées, vomissements, diarrhées.

Certains composés de nickel sont des corps dangereux ou très toxiques, par exemple le nickel tétra-carbonyle, cancérigène reconnu, présent dans les vapeurs ou fumées. Même la poussière de nickel ou les diverses poudres de nickel finement divisés, utilisé en catalyse, sont également reconnues cancérigènes, ils provoquent d'abord par contact et à faibles doses chroniques des dermites et des allergies cutanées.

La présence conséquente de nickel d'origine naturelle est toxique ː c'est le cas sur les sols ultramafiques. Les sols contaminés massivement par le nickel deviennent stériles et la végétation rare, mises à part quelques rares espèces végétales à grande résistance. Il existe ainsi des plantes hyper-accumulatrices, comme l'Alyssum murale, qui peut récupérer à la terre souillée 120 kg/ha en sur-concentrant 15 à 20 % en masse de Ni dans son corps végétal[46].

Toxicité pour l'homme[modifier | modifier le code]

Le corps humain contiendrait moins de 500 μg ou microgramme. Cet oligo-élément semble très sélectif, il joue un rôle au niveau pulmonaire. Mais sa présence excessive est nocive.

Le Centre international de recherche sur le cancer classe le nickel dans les substances possiblement cancérigènes pour l’homme. L'exposition chronique au nickel est un facteur de risque du cancer du poumon[47], inscrit à ce titre dans les tableaux de maladies professionnelles.

Le nickel est le plus allergisant de tous les métaux. Plus de 12 % de la population y est allergique, dont une majorité de femmes[48]. La réaction la plus fréquente est une dermatite de contact provoquée par un bracelet de montre, des bijoux fantaisie, des accessoires vestimentaires (boucles, boutons, fermetures éclair, etc.).

Malgré cette toxicité, le nickel est resté partie intégrante de la construction des pièces en euros. Exemple : dans la couronne de la pièce de 2 € ou dans le centre de la pièce de 1 € il y a du nickel, mais se rajoute le cupronickel (alliage de cuivre et nickel) et aussi un alliage avec de plus fortes proportions de cuivre pour les pièces de 1, 2 et 5 centimes d'Euros, ainsi que du cuproaluminium (alliage de cuivre et aluminium)[49].

Il y a des polémiques sur l'utilisation du nickel dans les alliages dentaires non précieux.

Contamination environnementale[modifier | modifier le code]

Dans le monde : Le rejet annuel dans l'atmosphère serait de 24 000 à 87 000 tonnes par an (selon les évaluations), et il faut y ajouter les 26 000 tonnes annuellement émises par les volcans ou issues de l'érosion éolienne[50].

Le taux de nickel dans la mer varie selon les lieux du globe ; de 0,12 à 0,70 microgramme par litre avec une moyenne de 0,4 μg/L[50].

En France ; les émissions dans l'air étaient estimées à 218 tonnes en 2002 (pour les sources provenant de la combustion de pétrole et charbon, et de l'industrie métallurgique (métaux non ferreux). L'Agence de l'eau Seine-Normandie a estimé que dans son bassin une centaine de tonnes de nickel étaient apportées aux cours d'eau, majoritairement à partir du ruissellement agricole V[51].

En mer, le taux en est souvent plus élevé près de la côte (de 4 μg⋅L-1 dans la Seine et de 1 μg⋅L-1 dans le Rhône, en phase dissoute, et 50 mg⋅kg-1 par exemple sur les matières en suspension de la Gironde ou environ 30 mg⋅kg-1 pour la Seine et le Rhône)[50].

Aux États-Unis, le Mussel Watch donne un taux moyen dans les moules de 1,9 mg⋅kg-1 (p.s.) avec un maximum de 3,5 mg⋅kg-1 (p.s.). Pour les huîtres, la moyenne serait de 1,8 mg⋅kg-1 (p.s.) avec un maximum de 3,4 mg⋅kg-1 (p.s.). Au nord du territoire australien, dans des eaux peu polluées le taux de nickel varie de 0,36 à 0,44 mg⋅kg-1 (p.s.) pour les huîtres[50].

Écotoxicité[modifier | modifier le code]

Ses effets écotoxiques sont peu étudiés, bien que ce métal présente une forte affinité pour les ligands organiques comportant une fonction thiol (SH-)[50], ce qui explique que sa toxicité est diminuée en présence de ligands[52]. Elle l'est aussi en présence de carbone organique dissous (COD)[52] et de matières en suspension (MES)[52]

Son écotoxicité est aussi modulée par le pH du milieu, la présence d'autres métaux ou polluants (qui peuvent avoir des effets synergiques ou non) et selon le mode et la voie d'exposition (nourriture, eau, sédiment), dont chez les mollusques aquatiques[52] qui le bioconcentrent (de 1 à quelques dizaines de mg⋅kg-1)[50]. Chez les escargots aquatiques d'eau douce Hyalella azteca et Lymnaea stagnalis le nickel se montre le moins toxique pour l'animal quand il n'est présent que dans l'eau. Il est plus toxique pour l'escargot dans le sédiment et le plus toxique quand il est présent comme contaminant à la fois dans les 3 compartiments (eau, sédiment et nourriture).

Chez l'huître, le développement larvaire est perturbé à 349 μg/L de sulfate de nickel et à 891 μg⋅L-1 chez la moule qui y semble donc moins sensible[50]. Les moules d'eau douce (p. ex. : moule zébrée) peuvent aussi en accumuler une quantité considérable dans leur coquille.

Utilisations[modifier | modifier le code]

Le nickel pur est utilisé pour certains types de cordes de guitare électrique. Il entre également dans la composition du fil dentaire. Le nickel sert à fabriquer des spatules, des creusets et divers instruments pour analyse. Des cuves de nickel sont employées pour le transport sur les navires de soude caustique, concentrée ou très pure. Il sert au raffinage et au stockage des solvants chlorés ou de divers composés, comme le phénol. Sa surface propre évite aussi toute contamination ou décoloration de ces matières.

Le nickel sert à fabriquer des aimants, des écrans magnétiques. Il sert à fabriquer des contacteurs électriques et des électrodes, des bougies de moteurs à explosion.

Il est utilisé comme résistance chauffante (grille pain, radiateur ou encore sèche-cheveux) grâce à son coefficient de conductibilité thermique très faible, ou comme revêtement sur les casques F1 des sapeurs pompiers.

Le nickelage est le plus souvent un revêtement anti-corrosion, obtenu par placage électrolytique à l'aide de sels hydrosolubles. Il est très utile sur le fer, métal plus sensible à la corrosion.

Un autre débouché « historique » du nickel reste les pièces de monnaie, où les qualités de malléabilité et de résistance du produit, à faible usure, sont particulièrement appréciées. Ainsi, on trouve du nickel dans les pièces américaines, canadiennes et dans les pièces d'un et de deux euros. Les pièces de nickel pur ou à revêtement de nickel sont blanches, les pièces en cupronickel sont jaunes.

Alliages[modifier | modifier le code]

Il est utilisé en bijouterie avec de l’or afin d'obtenir une meilleure tenue mécanique ainsi que des couleurs originales. Ainsi, du cuivre, du nickel et de l’or donnent de l’or jaune ou rosé. L’or et le nickel donnent de l’or blanc. Les "bronzes au nickel" se retrouve dans les profilés pour architecture ou élément de décoration et dans les couverts des services de table, en petite bijouterie avec les alliages alpacca, mais aussi dans les instruments de dessin industriels (compas, pinte-sèche...), les mécanismes d'horlogerie comme les ressorts, les pièces de précision de l'instrumentation scientifique et technique, divers composants de mécanique de précision et d'optique, .

Le nickel est souvent présent dans les aciers spéciaux. Les aciers au Ni et Cr servent à fabriquer des plaques-blindées, des coffres-forts et portes blindées, des chars d'assaut...

Le nickel entre dans la composition de plusieurs familles d'alliages métalliques. En dehors des aciers inoxydables (qui n'appartiennent pas à la famille des alliages de nickel mais à celle des aciers), les alliages de nickel peuvent être classés en trois catégories :

  • Les alliages fer-nickel : ils sont utilisés pour leurs propriétés physiques, parfois étonnantes. Par exemple, l'invar, alliage fer-nickel contenant 36 % de nickel (FeNi36), est quasiment non dilatable en dessous de 200 °C. Il y est utilisé en cryogénie (cuve des navires méthaniers), en physique des lasers (éléments de structure) ou dans les écrans de téléviseurs cathodiques (shadow mask). Les propriétés physiques des alliages fer-nickel mises à profit sont les propriétés magnétiques (mu-métal, alliages à forte perméabilité magnétique, alliages à bas point de Curie, alliages magnétostrictifs), élastiques (alliages à très faible coefficient thermoélastique), ainsi que leurs extraordinaires propriétés de dilatation (alliages non dilatables ou à dilatation contrôlée)
  • Les alliages cuivre-nickel (cupronickels) : ils présentent une très bonne résistance à la corrosion en milieu acide ou marin, ainsi qu'une bonne aptitude à la mise en forme et au soudage.
  • Les superalliages : c'est ainsi qu'on appelle une famille d'alliages de composition complexe, à base de nickel (ou de cobalt), comme le nichrome, présentant une excellente résistance à la corrosion sèche à haute température et de très bonnes propriétés mécaniques (limite élastique élevée, résistance au fluage). Ce sont des matériaux de choix pour les turboréacteurs (aéronautique) et certaines chaudières. Le développement de ces alliages a accompagné celui des moteurs d'avion depuis le milieu du XXe siècle. La série des Nimonic, résistante aux fortes pressions et aux hautes températures, sert en particulier à fabriquer des turbines à gaz et des réacteurs.

Le nickel-chrome est utilisé comme résistance chauffante Ni60 à 80 %Cr10 à 25 %FeεMnέ, mais aussi en particulier pour les soins dentaires et comme matériau de soudure[53].

Catalyseur NiO/TiO2-SiO2

Accumulateurs[modifier | modifier le code]

Le nickel est aussi utilisé dans divers accumulateurs alcalins, type fer-nickel, nickel-cadmium... ou autres. Par exemple il constitue la cathode des piles alcalines nickel-dioxyde de manganèse, et des accumulateurs alcalins nickel-cadmium, nickel-métal hydrure et nickel-zinc.

Catalyse et photochimie[modifier | modifier le code]

En dehors de son rôle d'élément d'alliage et de partie d'accumulateurs, le nickel est également utilisé comme catalyseur d'hydrogénation. Les catalyseurs à base de Ni est utilisé pour hydrogéner les corps gras insaturés, pour fabriquer de la margarine ou certains savons par exemple.

Ni de Raney, poudre grise, sur une coupelle, dans une "chambre à gants" dûment inertée
Surface de Ni Raney en microscopie électronique

Le nickel de Raney ou le nickel de Sabatier-Senderens catalysent l'hydrogénation. La "mousse de nickel" joue ce rôle.

Certains complexes de Ni(II), comme les thiophénolates alkyl-aminés, jouent un rôle stabilisant vis-à-vis de la lumière, ils sont nommés désactivateurs ou "quenchers" en anglais scientifique[54]. Insérés dans les parties chromophores d'un polymère, ces centres jouent un rôle dans le stockage de l'énergie, qui peut être ensuite libérer par la chaleur, la fluorescence et/ou la phosphorescence.

En chimie radicalaire, les complexes de Ni(II) tels que les dialkylthiocarbamates, les thiobisphénolates et autres phosphites, sont des désactivateurs d'hydroxy-peroxydes et des piégeurs efficaces de radicaux libres. Ils peuvent stopper une réaction radicalaire, suffisamment lente.

Le Ni est ion actif dans certaines enzymes qui utilisent du nickel comme centre catalytique.

Les sels de nickel (hydroxycarbonate, chlorure, sulfate, hypophosphite...) ne sont seulement utilisés en catalyse, mais dans différentes industries telles que l'électronique, la galvanoplastie.

Biochimie[modifier | modifier le code]

Les billes de nickel agarose sont employées comme matrice ou résine pour effectuer la chromatographie d'affinité des protéines ou pour leur purification après marquage en biochimie.

Colonne chromatographique en billes de Ni-agarose

Remarques[modifier | modifier le code]

Il convient de remarquer que, pour certains usages, le nickel pourrait être remplacé par d'autres éléments exemple : platine et palladium pour l'hydrogénation, cobalt pour les alliages magnétiques ou inoxydables. Le nickel est utilisé principalement en raison de son faible coût d'extraction et de traitement par rapport aux autres solutions techniquement envisageables à ce jour.

Actuellement dans l'Union Européenne, environ 80% des produits contenant du nickel arrivés en fin de vie sont collectés et recyclés[55]. Au niveau mondial, ce sont plus de 50% du nickel en fin de vie qui est recyclé[56].

Production et économie du nickel[modifier | modifier le code]

La bourse de la valeur nickel est située à Londres[57]. Mais la production mondiale reste diverse, selon les pays et les entreprises.

Évolution de la production mondiale de nickel[58].

Par pays[modifier | modifier le code]

D'après[59].

Les principaux pays producteurs en 2014 sont :

Pays Production (t) % monde
1 Philippines 440 000 18,1
2 Russie 260 000 10,7
3 Indonésie 244 000 10
4 Canada 233 000 9,6
5 Australie 220 000 9,1
6 Nouvelle-Calédonie (France) 165 000 6,8
7 Brésil 126 000 5,2
8 Chine 100 000 4,1
9 Colombie 75 000 3,1
10 Cuba 66 000 2,7
11 Afrique du Sud 54 700 2,3
12 Madagascar 37 800 1,6
13 Macédoine (1) 21 100 0,9
14 Botswana (1) 19 600 0,8
15 Grèce (1) 19 400 0,8
Total monde 2 430 000 100

(1) 2013, minéralinfo.fr

Par entreprise[modifier | modifier le code]

En 2010, les principaux producteurs sont[60]:

Commerce[modifier | modifier le code]

Nickel obtenu par électrolyse d'un tuyau
Section de l'accrétion de Ni par électrolyse

En 2014, la France est nette importatrice de nickel, d'après les douanes françaises. Le prix moyen à la tonne à l'import était de 13 000 €[61].

Histoire[modifier | modifier le code]

L'utilisation du nickel est très ancienne, attestée jusque 3500 av. J.-C. Des bronzes trouvés en Syrie possèdent une teneur en nickel jusqu'à 2 %. D'anciens manuscrits chinois suggèrent que « le cuivre blanc » était utilisé en Chine entre le XVIIIe siècle av. J.-C. et le XVe siècle av. J.-C.. Toutefois, compte tenu du fait que le minerai de nickel était souvent confondu avec celui d'argent, sa connaissance et ses usages ne seront développés que bien plus tard.

Durant l'Antiquité, en Grèce et en Chine, les artisans fabriquent par des procédés indirectes à partir de minerais des pièces de monnaie en alliages de Ni, Zn et Cu.

La niccolite, minerai de nickel, était très appréciée pour sa capacité à colorer le verre en vert.

Le nickelage est mis au point par le chimiste anglais Michael Faraday en 1834. La grande résistance à l'oxydation de la couche nickelée justifie l'emploi de cette technique.

Un des convertisseurs type Pierce-Smith de la fonderie de Coniston, ville aujourd'hui insérée dans le Grand Sudbury. Il produisait après mai 1913 une matte à 14 % Cu et 41 % Ni coulée en lingots et transportée vers l'usine de raffinage de la Mond company en Grande-Bretagne, à Clydach, près de Swansea[62].

Aux États-Unis, nickel ou nick, dans le langage populaire désigna d'abord le cent Indien de cupro-nickel, introduit en 1859. En 1865, la désignation se transféra à la pièce de trois cents et l'année suivante à la pièce de cinq cents dite Shield (Armoiries). La première pièce de monnaie de nickel pur est suisse et date de 1881[63].

Vers 1880, les pièces de monnaies de 5, 10 et 25 centimes de la République Française sont soit en cuivre pur, soit en cupronickel Cu75 %Ni25 %. Le cupronickel est un alliage monétaire allemand à la Belle Époque. Les alliages CuNiZn sont des alliages monétaires belges et chiliens. Nommés maillechorts en France ou "German silver" (argent des Allemands), ils servent à fabriquer des couverts de tables brillants.

Les métallurgistes en quête d'amélioration des propriétés mécaniques et physico-chimiques des produits ferreux s'aperçoivent que, outre sa facilité d'alliage avec de nombreux métaux, le nickel confère une grande résistance à l'acier et au fer. Il incorpore le nickel dans leurs productions de plus en plus sophistiquées via divers ferronickels patiemment mis au point. L'acier à 3 % en masse de nickel est très vite utilisé dans les roues de wagons ferroviaires, puisque l'addition minime de Ni fait passer la charge de 125 kg/m² à 160 kg/m². Les marines nationales emploient les aciers au nickel pour le blindage des navires. Les aciers faiblement alliés sont facilement durcis, par 2 % de nickel et 1 % de nickel.

Ludwig Mond découvre le nickel carbonyle, intermédiaire du procédé de purification du Ni qui porte son nom, mis au point en 1890. L'exploitation du gisement canadien de Sudbury, à base de "pyrrhotines nickélifères", a permis en grande partie l'essor de la Mond Nickel company, crée en septembre 1900 et autorisé par la représentation du fils aîné de Ludwig, Robert Mond en Ontario en octobre suivant. La compagnie Mond a été englobée en 1929 dans l'International Nickel Company.

Le traitement électrochimique s'est aussi développé à la Belle Époque. Les chimistes ou métallurgistes Becquerel, Roseleur, Adams et Pfannhauser mettent au point un traitement à base de sulfate double de nickel et d'ammonium. Ce sont les premières pièces nickelées, aujourd'hui communes dans les appareils usuels. Le nickelage s'impose comme un procédé de galvanoplastie à la mode. Le fourreau des sabres et les objets apparents de la sellerie sont nickelés. Le recouvrement de nickel concerne les objets en laiton ou en fer facilement oxydables, de façon à les utiliser de manière plus durable. Cet effet de longue durée d'usage, allié à une surface propre et brillante, est recherchée autant sur les instruments de chirurgie que sur les galvanos d'imprimerie en cuivre. Les bains de nickelage utilise par exemple 80 g de sulfate double de nickel et d'ammonium pour un litre d'eau, imposant le dépôt par une densité de courant de 0,3 A/dm² à 0,6 A/dm².

Vers 1916, un bain électrochimique a base de chlorure de nickel, sulfate de nickel et acide borique est testé par Watts, qui emploie des adjuvants.

Dans les années vingt, la confection d'ustensiles de cuisine en employant des alliages de nickel et/ou les procédés de nickelage est commune.

L'incorporation du nickel dans les aciers des blindages lors de la Seconde Guerre mondiale, a entraîné chez les belligérants la restriction de son usage dans les pièces de monnaie. Mais les nations ou puissances militaires prévoyantes avaient en toute conscience envisagé cette récupération après thésaurisation.

Notes et références[modifier | modifier le code]

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  12. Atkins P.W., Jones L. et Laverman L. Principes de chimie, 3e édn. française, de Boeck 2014, (ISBN 978-2-8041-8731-6), p. 730
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  14. a et b NIST Atomic Spectrum Database Pour lire les niveaux de l'atome de nickel, taper "Ni I" à la boîte "Spectrum" et cliquer sur "Retrieve data".
  15. Ce corps simple contient encore des impuretés de Co, Cu, Fe... Pour procéder à une purification, il fallait procéder en solution aqueuse ou avec l'acide oxalique.
  16. Ces petits êtres de la croyance populaire nordique sont parfois appelés lutins par diverses traditions paysannes qui prétendaient les apercevoir en surface, par exemple avec les traces de champignons recycleurs ou autres phénomènes (climatiques...) supposés émanés du sol. En ce sens vague, ils sont très proches des kobolds à l'origine de la dénomination du cobalt. Les jargons des mineurs germaniques semblent toutefois ne pas confondre "nickels" et "cobalts", à moins de les définir catégoriquement en "esprits malins ou petits génies malfaisant, hantant les mines et corrompant à qui-mieux̠-mieux les minerais". Même dans le folklore, chaque conte fait allusion à un être défini, le "nickel du cuivre" de tel lieu minier précis...
  17. Article de l'Encyclopédie.
  18. Il sert ensuite à qualifier un gisement.
  19. Ce verbe se conjugue à l'instar du verbe appeler, ainsi je nickelle...
  20. Cet adjectif est dans le dictionnaire universel rédigé par Louis-Nicolas Bescherelle, en 1845. Le verbe nickeler est cité en 1853 dans le dictionnaire des arts et manufactures rédigé sous l'autorité de l'ingénieur et fondeur Laboulaye dès 1847.
  21. Le terme nickelure est présent dans le journal officiel, en 1875. Plus tard, à la Belle Époque, apparaissent le verbe "nickeliser" et le substantif "nickelisage".
  22. L'adjectif désigne ensuite communément ce qui a rapport au nickel.
  23. (en) « Isotopes of the Element Nickel », Science education, Jefferson Lab
  24. Alain Foucault, opus cité.
  25. Un nom générique ancien de ces silicates hydratés naturel de Ni, Mg et Ca est nickelgymnite ou gymnite nickélifère. Autrefois les dénominations nouméite et garniérite désignaient respectivement les variétés riches ou pauvres en Ni.
  26. André Brahic, De feu et de glace, éd. Odile Jacob, 2010 (ISBN 978-2-7381-2330-5).
  27. a, b et c (en) Frank K. Krundwell, Michael S. Moats, Venkoba Ramachandran, Timothy G. Robinson et William G. Davenport, Extractive Metallurgy of Nickel, Cobalt and Platinum Group Metals, Elsevier, , 610 p. (ISBN 978-0-08-096809-4), p. 1-15 ; 27-32
  28. Cette opération explique le dégagement de dioxyde de soufre SO2
  29. « Metaux non Ferreux », sur Fédération des entreprises du recyclage (consulté le 23 octobre 2014)
  30. Il est pratiquement aussi magnétique que le fer.
  31. Kittel, Charles, Introduction to Solid State Physics, Wiley, (ISBN 0-471-14286-7), p. 449.
  32. Même remarque pour le nickel avec l'eau régale.
  33. Dans les années 1980, les alliages les plus importants étaient avec l'acier, le cuivre et l'aluminium.
  34. Thèse de Marie-Josèphe Gouillon. Etude de la cinétique d'oxydation de l'alliage nickel-molybdène. Génie des procédés. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 1974
  35. HRL laboratories primé par le Record Guinness, d'après la brève du monde § 221 du SCF Info en ligne mars N°5
  36. En dépit de leur réactivité décroissante, Fe, Co et Ni sont assez semblables d'un point de vue chimique. Le nickel, le palladium et le platine appartiennent au "groupe du nickel", le Pd et le Pt sont nettement moins réactifs que le nickel. Mais les trois métaux principaux de groupe sont des catalyseurs importants et forment un grand nombre de complexes de coordination.
  37. La réaction réversible, pivot du procédé Mond qui permet de récupérer et/ou purifier le nickel, est la suivante :
    Ni solide cristal + CO gaz oxyde de carbone, réactif entre 60 °C et 80 °C → Ni(CO)4 gaz qui se décompose vers 180 °C
  38. Le nickel divalent est commun et stable, ce qui explique la vaste des composés de Ni(II). L'ion cobalt Co3+ libre est très oxydant, sauf dans certains complexes stable. L'ion ferrique fe3+ est un oxydant courant, plus modéré.
  39. [FeII(CN)6]4- peut être oxydé facilement en [FeIII(CN)6]3-
  40. Magnetic Dependent Resistor (MDR)
  41. espèce découverte en 1845, classe chimique des sulfures...
  42. (classe chimique : sulfates), espèce découverte en 1976
  43. espèce minérale découverte en 1976, classe chimique : sulfates
  44. catalyseur
  45. Ce composé structuré en cycle est un chélate. La chélation, en particulier par les liaisons hydrogène, stabilise les complexes.
  46. Des plantes pour extraire des métaux, INRA Nancy
  47. http://www.lenntech.fr/francais/data-perio/ni.htm
  48. http://www.holodent.com/article-13665924.html
  49. http://www.etna-mint.fr/index.php?page=identifier
  50. a, b, c, d, e, f et g Surveillance du milieu marin, travaux du Réseau National d'Observation de la Qualité du Milieu Marin Ifremer, Le RNO : programmes actuels - L'argent, le cobalt, le nickel et le vanadium dans les mollusques du littoral français - Les carottes sédimentaires, mémoire de la contamination, Bulletin Ifremer, 2002
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  52. a, b, c et d Custer, K. W., Hammerschmidt, C. R., & Burton, G. A. (2016). Nickel toxicity to benthic organisms: The role of dissolved organic carbon, suspended solids, and route of exposure. Environmental Pollution, 208, 309-317 (résumé).
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  54. En référence au verbe to quench, éteindre. Par exemple, le butylaminethiophénolate de Ni(II)
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Bibliographie[modifier | modifier le code]

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  • Joseph R. Davis, Nickel, cobalt and their alloys, ASM International / Handbook Committee, 2000, 442 pages. ISBN 9780871706850
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  • Alain Foucault, Jean-François Raoult, Fabrizio Cecca, Bernard Platevoet, Dictionnaire de Géologie - 8e édition, Français/Anglais, édition Dunod, 2014, 416 pages. Avec la simple entrée "nickel" p 237.
  • Jean Meunier, "Cobalt et nickel", douzième cahier du tome 3, "Métaux" in Edmond Frémy (dir.), Encyclopédie Chimique, Dunod, Paris, 1889.
  • Paul Pascal, Nouveau traité de chimie minérale, Paris, Masson, (réimpr. 1966), 32 vol. :

    « 18. Complexes du fer, du cobalt et du nickel ; 20.1. Alliages métalliques ; 20.2. Alliages métalliques (suite) ; 20.3 Alliages métalliques (suite) »

    (notice BnF no FRBNF37229023)

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