Nickel

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Nickel
Cobalt ← Nickel → Cuivre —       28 Ni                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ↑ Ni ↓ Pd Tableau complet • Tableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro	Nickel, Ni, 28
Série chimique	métaux 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] 3d8 4s2 ou [Ar] 3d9 4s1
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	237 Pa à 1 452,85 °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
Directive 67/548/EEC[7]
Xn Symboles : Xn : Nocif Phrases R : R40 : Effet cancérogène suspecté. Risque possible d’effets irréversibles. R43 : Peut entraîner une sensibilisation par contact avec la peau. Phrases S : S22 : Ne pas respirer les poussières. S36 : Porter un vêtement de protection approprié. Phrases R : 40, 43, Phrases S : 22, 36,
SIMDUT[8]
D2A, D2B, D2A : Matière très toxique ayant d'autres effets toxiques cancérogénicité : CIRC groupe 2B D2B : Matière toxique ayant d'autres effets toxiques sensibilisation de la peau chez l'humain Divulgation à 0,1% selon la liste de divulgation des ingrédients
SGH[9],[7]
AttentionH317, H351, H372, P280, P314, H317 : Peut provoquer une allergie cutanée H351 : Susceptible de provoquer le cancer (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) H372 : Risque avéré d'effets graves pour les organes (indiquer tous les organes affectés, s'ils sont connus) à la suite d'expositions répétées ou d'une exposition prolongée (indiquer la voie d'exposition s'il est formellement prouvé qu'aucune autre voie d'exposition ne conduit au même danger) P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P314 : Consulter un médecin en cas de malaise.
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.

L'étymologie du mot provient du suédois kopparrnickel, ce qui signifie « faux cuivre » et de l'allemand kupfernickel, pour « cuivre du diable ».

Ces appellations proviennent de l'impossibilité d'extraire le cuivre de ce qu'on croyait à l'époque être du minerai de cuivre ; on croyait que le « minerai de cuivre » avait subi un mauvais sort des démons. En fait, l'erreur était que les gens confondaient le minerai de cuivre avec celui de nickel qui est un élément propre, distinct du cuivre.

Histoire

L'utilisation du nickel est très ancienne et l'on peut la remonter jusqu'à 3500 av. J.-C. Des bronzes trouvés en Syrie possèdent une teneur en nickel jusqu'à 2 %. De plus d'anciens manuscrits chinois suggèrent que « le cuivre blanc » était utilisé en Chine entre le XVIII^e siècle av. J.-C. et le XV^e 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.

La niccolite, minerai de nickel, était très appréciée pour sa capacité à colorer le verre en vert. En 1751, le baron Axel Frederik Cronstedt essaya d'extraire du cuivre de ce Kupfernickel, « cuivre du diable », et obtint à la place un métal blanc qu'il appela nickel.

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^[10].

L'utilisation du nickel dans les aciers utilisés pour les blindages lors de la Seconde Guerre mondiale a pu entraîner chez les divers belligérants des restrictions dans son utilisation dans les pièces de monnaie.

Le nickel est la principale richesse de la Nouvelle-Calédonie, le territoire possédant à lui tout seul environ 30 % des réserves mondiales, découvertes par l'ingénieur Jules Garnier en 1864. Le plus gros projet métallurgique au monde est actuellement en construction en Nouvelle-Calédonie. D'autres gisements importants sont exploités en Russie, dans la région de Norilsk. 27 % de la production mondiale de nickel proviennent de mines situées dans le cratère d'impact de Sudbury^[11].

Isotopes

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 %^[12]). 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.

Caractéristiques notables

Le nickel est un métal blanc argenté qui possède un éclat poli. Il fait partie du groupe des métaux non-ferreux^[13]. Le nickel est classé comme métal de transition, et il est solide dur et ductile ou malléable. On le trouve sous forme combinée au soufre dans la millérite, à l'arsenic dans la nickéline.

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 certains alliages. Il est fréquemment accompagné de cobalt, et particulièrement apprécié pour les alliages qu'il forme.

Comme tous les métaux non-ferreux, le nickel ne peut pas être créé artificiellement ni détruit. Il est 100% recyclable et à l'infini. Actuellement dans Union Européenne, environ 80% des produits contenant du nickel arrivés en fin de vie sont collectés et recyclés^[14]. Au niveau mondial, ce sont plus de 50% du nickel en fin de vie qui est recyclé^[15].

Propriétés physiques

Le nickel est ferromagnétique aux températures ordinaires. 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^[16].

La maille du nickel 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.

Désaccord au sujet de la configuration électronique

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^[17]. Les manuels de chimie indiquent la configuration électronique du nickel comme étant [Ar] 4s² 3d^8[18], ou bien de façon équivalente comme étant [Ar] 3d⁸ 4s^2[19],[20]. 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) 4s^{2 3}F, J = 4^[21].

Cependant, chacune de ces deux configurations correspond à un ensemble d'états quantiques d'énergies différentes^[21]. 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 4s^1[17].

Production

Évolution de la production mondiale de nickel^[22].

Par pays^[23]

Par entreprise

Les principaux producteurs de nickel sont en 2007^[25] :

• Norilsk Nickel (Russie) (19 % du marché)
• Vale Inco (Brésil) (17 %)
• BHP Billiton (10 %)
• Xstrata (Suisse) (7 %)
• Eramet SLN (France) (6 %)
• Autres (41 %)

En 2010, les principaux producteurs sont^[26]:

• Norilsk Nickel : 283 000 tonnes
• Vale : 155 000 tonnes
• Jinchuan Group : 130 000 tonnes
• BHP Billiton : 93 000 tonnes
• Xstrata : 92 000 tonnes
• Sumitomo Metal Mining : 58 000 tonnes
• Eramet : 52 000 tonnes
• Pacific Metals : 40 000 tonnes
• Anglo American : 38 000 tonnes
• Sherritt International : 34 000 tonnes

Extraction et purification

Principales filières métallurgiques pour l'extraction du nickel.

Au début du XXI^e siècle, le nickel est extrait de deux types de minerais : les latérites et les sulfures. 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 étant généralement dédiés à la production de nickel très pur^[27].

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.

Tous les procédés d'extraction combinent 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].

Utilisations

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 XX^e siècle.

En dehors de son rôle d'élément d'alliage, le nickel est également utilisé comme :

• sels de nickel (hydroxycarbonate, chlorure, sulfate, hypophosphite...) sont utilisés dans différentes industries telles que l'électronique, la catalyse, la galvanoplastie.
• Certaines enzymes utilisent du nickel comme centre catalytique.
• Le nickel de Raney catalyse l'hydrogénation.
• Le nickel est aussi utilisé dans la cathode des piles alcalines nickel-dioxyde de manganèse, et des accumulateurs alcalins nickel-cadmium, nickel-métal hydrure et nickel-zinc.
• Le nickel pur est utilisé pour certains types de cordes de guitare électrique. Il entre également dans la composition du fil dentaire.
• 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.
• Un autre débouché « historique » du nickel reste les pièces de monnaie, où les qualités de malléabilité et de résistance du produit sont particulièrement appréciées. Ainsi, on trouve du nickel dans les pièces américaines, canadiennes et dans les pièces d'un et de deux euros.
• Comme résistance chauffante (grille pain, radiateur ou encore sèche-cheveux) grâce à son coefficient de conductibilité thermique très faible.
• Comme revêtement sur les casques F1 des sapeurs pompiers.

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.

Toxicité

Toxicité pour l'homme

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^[28], 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^[29]. 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 ce fait incontestable de sa 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)^[30].

Il y a des polémiques sur l'utilisation du nickel dans les amalgames dentaires^[29].

Contamination environnementale

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^[31].

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^[31].

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^[32].

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)^[31].

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^[31].

Écotoxicité

Les mollusques le concentrent (de 1 à quelques dizaines de mg⋅kg^-1)^[31].

Ses effets écotoxiques sont peu étudiés, bien que ce métal présente une forte affinité pour les ligands organiques comportant une fonction thiol (SH-)^[31]. 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^[31]. Les moules d'eau douce (p. ex. : moule zébrée) peuvent aussi en accumuler une quantité considérable dans leur coquille.

Usages symboliques du mot

La pièce de monnaie

Le « nickel » désigne la pièce de cinq cents aux États-Unis et au Canada.

Depuis un siècle, de nombreuses pièces françaises sont en nickel ou contiennent du nickel. Par exemple, la pièce de 5 francs - Tour Eiffel (dessinée par Joaquin Jimenez et Frédéric Joubert) contenait du nickel.

Les noces de nickel

Les noces de nickel symbolisent les 28 ans de mariage dans le folklore français.

L'expression populaire

L'expression française « nickel », qui vient de « nickel chrome » est une connotation de la propreté. Le nickel-chrome est un alliage utilisé pour les soins dentaires et comme matériau de soudure^[33].

Dans une autre expression, de l'argot du début XX^e siècle, « avoir les pieds nickelés » signifiait être paresseux (ce qui a donné leur nom aux Pieds Nickelés). Petit à petit, l'expression populaire s'est amplifiée, et désigne au XXI^e siècle des personnages peu recommandables, comploteurs, filous, à la fois malhonnêtes et manquant de sérieux.

Commerce

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 €^[34].

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Isotopes :
  • Nickel 48
  • Nickel 56
  • Nickel 60
  • Nickel 62

Liens externes

• Images de nickel sous différentes formes

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