Nickel

Malgré sa belle couleur rouge, le « Kupfernickel » (cuivre du diable), minerai des monts Métallifères, ne contient pas de cuivre comme le montra le baron Axel Frederik Cronstedt, qui en isola un métal blanc qu’il appela nickel (…). 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, mais il est surtout apprécié pour les alliages à hautes performances qu’il forme

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 % et d’anciens manuscrits chinois suggèrent que « le cuivre blanc » était utilisé en Chine entre les XVIIIe et XVe siècles av. J.-C. Il a fallu attendre le milieu du XIXe siècle pour découvrir des minerais moins rares que le cuivre du diable (niccolite), d’abord la pyrrhotite en Norvège (1848), puis la garniérite en Nouvelle Calédonie (1865) pour assurer le développement de l’emploi du nickel, fortement demandé pour l’élaboration d’alliages… et de pièces de monnaie. Métal stratégique, le nickel fait la fortune de la Nouvelle-Calédonie, le territoire possédant à lui seul environ 30 % des réserves mondiales.

D’autres gisements importants sont exploités en Russie, dans la région de Norilsk et au Canada, dans l’Ontario. Les minerais de nickel renferme souvent du cobalt, voire des métaux précieux, notamment le palladium. Les réserves mondiales sont de l’ordre de 70 Mt (de métal).

Avec une production annuelle d’environ 1,5 Mt, et une demande en constante augmentation, ces réserves sont donc limitées, même si le noyau terrestre est constitué de fer et de nickel !

Différents procédés d’obtention du métal sont mis en œuvre selon que l’on vise la préparation de ferronickel pour les alliages ou du métal pur. Les techniques d’hydrométallurgie et de pyrométallurgie sont généralement combinées pour obtenir ces produits.

Il faut toutefois citer le procédé Mond qui fut pratiqué dès la fin du XIXe siècle pour l’obtention de nickel ultra-pur. Il met en œuvre le monoxyde de carbone qui, à basse température, forme avec le nickel le complexe Ni(CO)4, liquide très volatil (et extrêmement toxique !) que l’on peut distiller puis décomposer en présence de particules de nickel pour conduire à des granulés qui sont ensuite fondus.

Plus exotique est la technique « bio » d’extraction du nickel par des plantes capables d’accumuler au sein même de leurs tissus des quantités importantes de métaux lourds. C’est notamment le cas d’espèces endémiques de la Nouvelle-Calédonie comme Sebertia acuminata dont la sève -verte- contient 25 % de nickel !

De numéro atomique 28, de symbole chimique Ni, le nickel est un métal brillant blanc-argenté qui explique l’une de ses utilisations pour les pièces de monnaie. Il présente deux configurations électroniques très proches en énergie : [Ar]4s23d8 et [Ar]4s13d9. Il est l’un des quatre éléments qui sont ferromagnétiques au voisinage de la température ambiante, les trois autres étant le fer, le cobalt et le gadolinium.

Le nickel est composé de cinq isotopes stables :

  • 58Ni,
  • 60Ni,
  • 61Ni,
  • 62Ni
  • 64Ni

L’isotope 58Ni étant le plus abondant (68 %). 62Ni est le nucléide le plus stable de tous les éléments existants.

Le nickel pur possède une réelle activité chimique mais elle est masquée par la formation d’une surface protectrice d’oxyde, semblable à celle d’autres métaux comme l’aluminium (cf. Aluminium), le chrome (cf. Chrome) et le titane (cf. Titane). L’état d’oxydation le plus usuel est +2, mais des composés de Ni(0), Ni(I), Ni(III) et même Ni(IV) sont connus. Dans cet état, l’ion nickel présente généralement une belle couleur verte qui est toujours employée pour teinter le verre… en vert.

La chimie de coordination du nickel est extrêmement riche tant au niveau des états d’oxydation que des structures rencontrées. Pour ne citer que la famille plus exotique, celle du nickel(0) où un atome de nickel est uniquement stabilisé par des ligands carbonyle ou d’oléfines (le 1,3,5-cyclododécatriène et le 1,5-cyclooctadiène), on obtient des structures étonnantes libérant sous certaines conditions des précurseurs de catalyseurs extrêmement actifs et sélectifs de formation de liaisons C–C à partir d’oléfines. La formation intermédiaire de « nickel nu » a valu à son découvreur, Günther Wilke, la réputation d’« avoir introduit le sexe dans la chimie » !

Le nickel est employé à hauteur de 60% dans les aciers inoxydables, 14 % pour les alliages de nickel, de 6% pour l’électrodéposition, 3 % pour les fontes de nickel, 3 % pour les alliages de résistances tels que le nichrome. En dehors des aciers inoxydables (qui n’appartiennent pas à la famille des alliages de nickel mais à celle des aciers, cf. Fiche Aciers inoxydables à venir), les alliages de nickel peuvent être classés en trois catégories :

    • les alliages fer-nickel, utilisés pour leurs propriétés physiques, parfois étonnantes. Par exemple, l’invar, alliage contenant 36 % de nickel (FeNi36), est quasiment non dilatable en dessous de 200 °C et de ce fait utilisé en cryogénie (cuve des navires méthaniers), dans les écrans de téléviseurs cathodiques (shadow mask)… et pour les ressorts de montres, leur premier emploi,
    • les alliages cuivre-nickel (cupronickels) qui 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, famille d’alliages de composition complexe, à base de nickel (ou de cobalt), présentant une excellente résistance à la corrosion sèche à haute température et de très bonnes propriétés mécaniques (limite élastique élevée, résistance au fluage). Le développement de ces alliages a accompagné celui des moteurs d’avion depuis le milieu du XXe siècle.

Malgré les effets allergènes connus du nickel, il est employé pour la frappe de monnaies. Les pièces d’un et de deux euros comportent des alliages de nickel (cf. Cuivre), mais l’exemple le plus célèbre est la pièce américaine de 5 cents, baptisée « nickel », qui contient 1,25 g de nickel et 3,75 g de cuivre. Les spéculations récentes sur les cours de ces deux métaux (le cours du nickel a atteint 40 000 €/t en 2007 !) avaient amené le coût de revient du « nickel » à plus de 9 cents, et conduit à un trafic de récupération du nickel et du cuivre par fonte des pièces ! Actuellement, ce coût n’est plus que de 3,6 cents…

Les sels de nickel sont utilisés dans différentes industries telles que l’électronique, l’industrie chimique, la galvanoplastie. Le nickel est aussi utilisé pour la cathode des piles alcalines Ni-MnO, et des accumulateurs alcalins Ni-Cd, Ni-MH, et Ni-Zn. Le nickel de Raney, forme finement divisée du métal, obtenue par attaque alcaline d’un alliage Al-Ni est un catalyseur industriel d’hydrogénation : l’hexaméthylènediamine employée pour la préparation du nylon-6,6 est obtenu par hydrogénation catalytique de l’adiponitile (cf. Nylon).

Enfin, bien que non reconnu jusqu’aux années 70, le nickel joue un rôle important en biologie des micro-organismes et des plantes. L’uréase (une enzyme qui catalyse l’hydrolyse de l’urée) contient du nickel ; la NiFe-hydrogénase contient du nickel en plus des agrégats fer-soufre. Le coenzyme F430 qui comporte du nickel est présent dans la méthyl-coenzyme M réductase des archéobactéries méthanogènes (cf.Dioxygène).

La pensée du jour
« Métallurgie et catalyse : le pied c’est le nickel !  »

Sources

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