Nickel

Le nickel est l'élément chimique de numéro atomique 28, de symbole Ni. Le corps simple nickel est un métal ; à l'état solide, il est ferromagnétique.

Nickel
Nodule de nickel pur (99,9 %), raffiné par électrolyse, à côté d'un cube d'1 cm³
Cobalt ← Nickel → Cuivre —     28 Ni                                                                                                                                                                                                                                                                                           ↑ Ni ↓ Pd Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole	Ni
Nom	Nickel
Numéro atomique	28
Groupe	10
Période	4e période
Bloc	Bloc d
Famille d'éléments	Métal de transition
Configuration électronique	[Ar] 3d8 4s2 ou [Ar] 3d9 4s1
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 16, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique	58,693 4 ± 0,000 2 u
Rayon atomique (calc)	135 pm (149 pm)
Rayon de covalence	124 ± 4 pm
Rayon de van der Waals	163 pm
État d’oxydation	2, 3
Électronégativité (Pauling)	1,91
Oxyde	faiblement basique
Énergies d’ionisation
1re : 7,639 8 eV	2e : 18,168 84 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 68,076 9 % stable avec 30 neutrons 59Ni {syn.} trace 76 000 a ε 1,072 59Co 60Ni 26,10 % stable avec 32 neutrons 61Ni 1,13 % stable avec 33 neutrons 62Ni 3,59 % stable avec 34 neutrons 63Ni {syn.} 100,1 a β- 2,137 63Cu 64Ni 0,91 % stable avec 36 neutrons
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire	solide (ferromagnétique)
Masse volumique	8,902 g·cm-3 (25 °C)
Système cristallin	Cubique à faces centrées
Dureté (Mohs)	4
Couleur	Blanc argenté, reflet gris
Point de fusion	1 455 °C
Point d’ébullition	2 913 °C
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
Chaleur massique	440 J·kg-1·K-1 à 20 °C
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), HCl + H2O2
Divers
No CAS	7440-02-0
No ECHA	100.028.283
No CE	231-111-4
Précautions
SGH
Attention H317, H351, H372, P280 et 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.
SIMDUT
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
NFPA 704
4 2 1
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Propriétés atomiques

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. Les manuels de chimie indiquent la configuration électronique du nickel comme étant [Ar] 4s² 3d⁸, ou bien de façon équivalente comme étant [Ar] 3d⁸ 4s². 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.

Cependant, chacune de ces deux configurations correspond à un ensemble d'états quantiques d'énergies différentes. 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.

Généralités, découverte du corps simple et de l'élément

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, 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 ». 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. Au XII^e siècle, ce 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.^{[réf. nécessaire]}

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. L'adjectif nickélifère, déjà attesté en 1818 mais beaucoup plus commun en 1900, qualifie une matière ou un corps contenant du nickel. Le nickelage désigne avant le milieu du XIX^e 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. L'adjectif nickelé qualifie un métal ou un alliage recouvert d'une couche de nickel. En 1857, la nickelure désigne une technique particulière, à préciser, par laquelle les métaux peuvent être nickelés et de manière générale, l'art de nickeler et le travail fait par nickelage. Le chimiste Adolphe Wurtz popularise en 1873 l'adjectif nickélique pour qualifier certains composés de nickel. L'alliage NiCr ou nickelchrome est mentionné dans le Grand Larousse encyclopédique en 1932.

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 %). On lui attribue une masse atomique standard de 58,6934(2) u. Vingt-six radioisotopes ont été caractérisés, le plus stable étant ⁵⁹Ni avec une demi-vie de 76 000 ans, suivi de ⁶³Ni (100,1 ans) et de ⁵⁶Ni (6 077 j). Tous les autres radioisotopes ont une demi-vie inférieure à 60 h, et la plupart inférieure à 30 s.

Occurrences de l'élément, extraction minière et purification

Le nickel est le 5^e élément le plus abondant dans la Terre (2,4 %), mais loin derrière les quatre premiers (fer : 35 %, oxygène : 30 %, silicium : 15 %, magnésium : 13 %). C'est le 24^e dans la croûte terrestre, avec un clarke de 75 à 80 g/t (75–80 ppm) selon les estimations, et le 9^e dans le manteau avec 1 860 ppm. C'est en revanche un élément majeur du noyau, le 2^e (après le fer) dans le noyau interne (environ 20 %) et le 2^e ou le 3^e dans le noyau externe (environ 5 %).

Le nickel métallique existe à l'état naturel, c'est le nickel natif, qui contient souvent divers autres métaux comme impuretés. Les météorites métalliques, dites météorites de fer, sont constituées d'un alliage fer-nickel (comme le noyau terrestre, et c'est aussi le cas des astéroïdes de type M. Les nodules polymétalliques des profondeurs océaniques sont à base de Mn, Ni, Co, Fe, Cr, etc.

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 se substitue facilement au fer ou au magnésium dans divers silicates de la croûte et du manteau, 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/t. 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. 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, etc.

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), etc. Tous ces minéraux sont liés à des gîtes associés à des roches magmatiques, parfois ayant constitués des filons excentrés.

Minerais et extraction minière

Nodules de nickel obtenu par électrolyse.

Les minerais de nickel sont connus en France au XIX^e siècle 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 volatil 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'affinage.

Le nickel, ou plutôt le silicate de magnésie et de nickel préalablement décrit, a longtemps constitué la principale richesse de la Nouvelle-Calédonie, découverte par l'ingénieur Jules Garnier en 1864. Le minerai est 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, estimées alors à plus de 174 millions de tonnes.

Dans les années 1990, les autres pays producteurs sont la Russie, le Canada, l'Australie et Cuba, les États-Unis. Des 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 d'une énorme météorite dite de Sudbury il y a 1,8 milliard d'années.

Au début du XXI^e siècle, le nickel est extrait de deux types de minerais : les latérites et les sulfures de nickel, ces derniers exploités dans de nombreux gisements dans le monde, en association avec des roches mafiques et ultramafiques. Deux principaux contextes géologiques sont caractérisés :

• les complexes ignés lités, vastes ensembles magmatiques issus du manteau, exploité notamment dans l'Oural (Norilsk), le bouclier canadien (Sudbury), et la province de Gansu en Chine (Jinchuan) ;
• le volcanisme mantellique primitif riche en magnésium de l'Archéen, ou komatiite, formant des gisements par exemple en Australie (Kambalda), au Québec (Raglan) ou au Brésil. Tous ces gisements associent le nickel avec le cuivre, souvent le cobalt et les éléments du groupe du platine. Certains gisements sont associés à des niveaux de shales noirs, notamment à Sotkamo en Finlande.

Mais bien que 70 % des réserves de nickel soient 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 destinés à la production de nickel très pur. Le grillage des sulfures s'opère au moins entre 500 °C et 700 °C. 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. 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.

Propriétés physiques et chimiques du corps simple métal, préparation et alliages

Propriétés physiques

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 Ni_α hexagonal instable et le Ni_β cubique à faces centrées, 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. 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 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 (paramagnétique) au-dessus de cette température. En pratique, le champ magnétique s'atténue dès 250 °C..

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.

Propriétés chimiques, stabilité de la surface métal et nickelage

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 pyrophorique.

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} + H_{2 gaz}

Mis en contact avec l'acide nitrique concentré, la surface du métal devient passive, au même titre que la passivité du fer. 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 intact en solution neutre ou alcaline, en présence d'eau de mer, ou exposé à des conditions atmosphériques clémentes.

Le nickel résiste bien à l'action des bases, même à chaud. Les conditions réductrices retardent 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

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 + H_{2 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.

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 t/an de ferronickel à partir de latérite, coûte environ quatre 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.

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

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, etc., et les non-métaux comme le Si. Le nickel renforce notamment la résistance de l'acier à la rupture et à l'attaque chimique.

Les propriétés mécaniques et thermiques 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 Ni_0,43Fe_0,54Si_0,03 et permalloy aux aimants Alnico, des alliages résistants à la corrosion type hastelloy (par exemple hastelloy C résistant à la corrosion ou hastelloy D à grande résistance mécanique Ni_0,84Cu_0,03Fe_0,02Si_0,075Mn_0,02Co_0,015, parfois au molybdène) 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 Ni_0,65Cu_0,27Fe_0,02Si_0,03Mn_0,03 ou aux divers cupronickels, par exemple pour les pièces de monnaie 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 inoxydable austénitique 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 % et 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 Cu_0,5Ni_0,25Zn_0,25 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, etc. Des bijoux de faible prix sont ainsi fabriqués en alliage de nickel dit argenté. L'alliage nickel molybdène Ni_0,80Mo_0,20 est vendu en poudre, ces alliages à partir de Ni_0,5Mo_0,5 jusqu'à Ni_0,875Mo_0,125 ont été des modèles précoces pour l'étude de l'oxydation jusqu'à 800 °C.

Les propriétés thermiques et électriques justifient les alliages dénommés : invar à 64 % de Fe et 36 % de Ni, constantan (résistance de précision) de formule Cu_0,54Ni_0,44Mn_0,01Fe_0,005Zn_εSn_έ, kovar, platinite, alumel, nimonic NiCrTiCoAl à environ 75 % Ni, cunife, inconel ou incoloy DS, NiCrSi à l'origine des alliages intermétalliques, etc. Le coefficient de dilatation thermique de l'alliage Fe_0,53Ni_0,29Co_0,28 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 élevée. L'alliage karma Ni_0,74Cr_0,20Cu_0,03Fe_0,03 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 thermique (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 0,9 mg/cm³.

Chimie du nickel, corps composés et complexes à base de nickel

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

À noter la valence 0 du complexe K₄[Ni(CN)₄] et du composé volatil tétracarbonyle de nickel Ni(CO)₄.

Poudre d'oxyde de nickel III.

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

Il existe les degrés d'oxydation -II, -I, I, III, IV. Le degré d'oxydation III, caractérisé par de nombreux complexes avec des ligands donneurs pour la liaison σ, comme les familles des thiols et des phosphines, est minoritaire, tout comme le degré I, présent dans les alliages avec le sodium, les complexes tétraédriques bien stabilisés, 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(NH₂CH₂CH₂NH₂)]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, etc., 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. Les complexes de Ni(II) peuvent être facilement réduits 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 liées, étaient captées 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} + C_{charbon de bois après chauffage} → Ni_1-xC_{x « 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} + C_{charbon de bois après chauffage} → NiC _{« métal nickel carburé fondu »} + CO_gaz

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.

Principaux composés

Parmi les principaux composés, on peut citer :

• 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 Ni_1-xZn_xFe₂O₄

• Oxyhydroxydes de nickel

Oxyhydroxyde de nickel NiOOH

Autres oxyhydroxydes de Ni(III) Ni₂O₃. n H₂O

Autres oxyhydroxydes 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

• 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

Sulfate de nickel hexahydraté.

• Sulfo-antimoniures de nickel
• Sulfo-arséniures de nickel
• 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

• Urano-sulfates de nickel

Nickel-zippeite, minéral de formule chimique Ni₂(UO₂)₆(SO₄)₃(OH)₁₀,16 H₂O

• Carbonates de nickel

Carbonate de nickel basique.

NiCO₃

Hydroxycarbonates 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

• 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 tétracarbonyle de nickel Ni(CO)₄
• Nitroso-carbonyle de nickel Ni(CO)₂(NO)₂

Il existe aussi des composés organo-nickéliques mieux stabilisés :

• bis(cyclopentadiényl)nickel (II)) ou nickelocène ;
• bis(1,5-cyclooctadiène)nickel.

Analyse

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

L'analyse quantitative peut utiliser la diméthylglyoxime, ou « réactif de Tschugaeff » : le cation nickel divalent réagit avec la diméthylglyoxime pour donner un composé électriquement neutre, chélate rouge ou écarlate, le bis(diméthylglyoxime) de nickel. Ce complexe important, en analyse qualitative et quantitative du nickel, précipite dans des solutions légèrement ammoniacales.

Utilisations

Le nickel extrait est utilisé pour produire des aciers inoxydables (à hauteur de 68 % du tonnage) des alliages non ferreux (10 %), nickelage électrolytique (9 %), alliages d'acier (7 %), en fonderie (3 %) et enfin pour d'autres usages dont les accumulateurs (4 %). Environ 27 % de toute la production de nickel est utilisée pour l'ingénierie, 10 % pour la construction, 14 % pour les produits tubulaires, 20 % pour les produits métalliques, 14 % pour le transport, 11 % pour les produits électroniques et 5 % pour d'autres usages.

Alliages

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 (cupro-nickels) : 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 d'élasticité 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. 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 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, etc. Le nickel-chrome est utilisé comme résistance chauffante Ni_{60 à 80 %}Cr_{10 à 25 %}Fe_εMn_έ, mais aussi en particulier pour les soins dentaires et comme matériau de soudure.

Catalyseur NiO/TiO₂-SiO₂.

En bijouterie, on associe le nickel à 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 retrouvent 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, pointe 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.

Autres usages

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 débouché « historique » du nickel sont 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.

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 combustion et 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 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 pur est utilisé pour certains types de cordes de guitare électrique.

Accumulateurs

Le nickel est aussi utilisé dans divers accumulateurs alcalins, type fer-nickel, nickel-cadmium, etc., 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

Ni de Raney, poudre grise, sur une coupelle, dans une « chambre à gants » dûment inertée.

Surface de Ni Raney en microscopie électronique.

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 nickel sont utilisés pour hydrogéner les corps gras insaturés, pour fabriquer de la margarine ou certains savons par exemple.

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. Insérés dans les parties chromophores d'un polymère, ces centres jouent un rôle dans le stockage de l'énergie, qui peut être ensuite libérée 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.

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

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

Biochimie

Colonne chromatographique en billes de Ni-agarose.

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.

Remarques

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. Au niveau mondial, ce sont plus de 50 % du nickel en fin de vie qui est recyclé.

Production et économie

Évolution de la production mondiale de nickel.

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

En 2018 (octobre), une étude McKinsey, du CRU et du BRGM, a ré-évalué la disponibilité du nickel et d'une cinquantaine d'autres éléments (dans les conditions techniques et économiques du moment, et en tenant mieux compte du besoin de minerai de « qualité », du temps d'épuisement des réserves connues, mais aussi du risque géopolitique et du faible nombre d’acteurs de la chaine d’approvisionnement, etc.). Ce travail réalisé dans le cadre du « World Materials Forum » voulait inciter à réfléchir aux « impacts de l'exploitation de nouvelles matières premières en amont du développement des filières », plutôt qu’aux seuls « critères uniques de prix/performance ». Il conclut qu’un risque de pénurie existe pour des métaux stratégiques moyennement rares : cobalt, nickel, tungstène (demandé par l’aéronautique, le secteur des munitions), l’étain et trois terres rares nécessaires ou utiles à l’électronique/informatique (dysprosium, néodyme et praséodyme), à la transition énergétique (pour le stockage d'énergie et la mobilité notamment). Pour l’étain, il s’agit de la conséquence croisée de l’épuisement des mines faciles à exploiter et d’un déficit d’exploitation, l’industrie en ayant sous-estimé la demande.

Le président indonésien Joko Widodo a réussi à développer une importante activité locale de transformation du nickel. En 2020, l'Indonésie a mis en place un embargo sur l'exportation de minerai brut de nickel, avec pour objectif d'inciter les entreprises étrangères à investir dans des capacités de transformation locale. Les investissements n'ont alors pas tardé à affluer. La Chine a été extrêmement active pour sécuriser son approvisionnement en métaux. Le groupe français Eramet exploite depuis 2020 à Weda Bay la plus grande mine de nickel au monde en partenariat avec le numéro un mondial du nickel, le chinois Tsingshan. En 2022, l'Indonésie a vu son PIB croître de plus de 5 %.

Par pays

Evolution de la production annuelle de nickel, par type de minerai

évolution de la richesse des minerais exploités selon les régions de production

L'Indonésie a connu une croissance très importante depuis le début du XXI^e siècle, en multipliant par 10 sa production entre 2013 et 2023, prenant la première place pour représenter en 2023 plus de la moitié de la production mondiale.

Production par pays (kt)	2014	2020	2022	2023	Réserves
Indonésie	244	771	1 600	2 013	21 000
Philippines	440	334	330	393	4 800
Nouvelle-Calédonie (France)	165	200	190	234	7 100
Russie	260	283	220	210	7 500
Australie	220	169	160	151	21 000
Canada	233	167	130	112	2 000
Monde	2 430	2 510	3 300	3 674	130 000

Par entreprise

En 2010, les principaux producteurs sont :

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

Commerce

Nickel obtenu par électrolyse d'un tuyau.

Section de l'accrétion de nickel 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 €.

Histoire

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 XVIII^e 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.

Les premières pièces connues de cupronickel blanc-argent, contenant environ 20 % de nickel, ont été frappées en Bactriane pendant le règne d'Euthydemus II, d'Agathocles et de Pantaleon, aux environs de 190 av. J.-C.

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) en Grande-Bretagne, à Clydach, près de Swansea.

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.

En bijouterie, le nickel était auparavant utilisé pur. Le journal L'Avenir des Colonies et de la Marine du 31 décembre 1884 offrait ainsi à ses abonnés la possibilité d'acquérir « un assortiment varié de bijoux en nickel pur de la Nouvelle-Calédonie, du meilleur goût et du modèle le plus nouveau ».

Vers 1880, les pièces de monnaie de 5, 10 et 25 centimes de la République française sont soit en cuivre pur, soit en cupronickel Cu_75 %Ni_25 %. 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 (en), créée en septembre 1900 et autorisée 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 1920, 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.

Toxicité

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 : 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.

Imprégnation des populations humaines

Elle est a priori plus élevée dans les régions industrielles minières respectivement concernées par l'extraction et le travail de ce métal.

En 2018 en France, le « Volet périnatal » du programme national de biosurveillance a publié une évaluation de l'imprégnation des femmes enceintes dont pour le nickel (et douze autres métaux ou métalloïdes ainsi que quelques polluants organiques).

Le dosage du nickel a été fait dans les urines de 990 femmes enceintes au moment de leur arrivée à la maternité. Elles faisaient toutes partie de la « Cohorte Elfe », un pannel ne comprenant que des femmes ayant accouché en France en 2011 hors Corse et TOM).

Le dosage urinaire de ces 990 femmes a donné une moyenne géométrique de 1,38 μg de nickel par litre d'urine (1,89 μg/g de créatinine). Ces taux sont tels (voire légèrement moindres) que ceux précédemment décrits en France et à l’étranger chez les femmes enceintes ou chez les femmes adultes. Ici l'imprégnation par le nickel augmentait « avec le tabagisme et la consommation de thé ». Un lien avec le bilan martial pourrait éventuellement expliquer cette association avec le thé, mais faute de données « sur le statut ferrique des femmes enceintes au sein de la cohorte Elfe ceci reste une hypothèse ».

Toxicité pour l'homme

Le corps humain contiendrait moins de 500 µg de nickel. 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, 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. 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).

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

Contamination environnementale

Dans le monde, le rejet annuel dans l'atmosphère serait de 24 000 à 87 000 t/an (selon les évaluations), et il faut y ajouter les 26 000 t annuellement émises par les volcans ou issues de l'érosion éolienne.

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

En France, les émissions dans l'air étaient estimées à 218 t 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.

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

Aux États-Unis, le Mussel Watch donne un taux moyen dans les moules de 1,9 mg/kg (p.s.) avec un maximum de 3,5 mg/kg (p.s.). Pour les huîtres, la moyenne serait de 1,8 mg/kg (p.s.) avec un maximum de 3,4 mg/kg (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 (p.s.) pour les huîtres.

Écotoxicité

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

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 qui le bioconcentrent (de 1 à quelques dizaines de mg/kg). 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 trois 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 chez la moule qui y semble donc moins sensible. Les moules d'eau douce (ex. : moule zébrée) peuvent aussi en accumuler une quantité considérable dans leur coquille.

Notes et références

Bibliographie

• Nnamdi Anyadike, Nickel. An industry on the brink of expansion, Woodhead Publishing, 2002, 132 p. (ISBN 9781855735941) (présentation des marchés en 2001).
• Simon Clow, The International Nickel Trade, International Trade Series, Woodhead Publishing, Cambridge (Angleterre), 1992, 140 p. (ISBN 9781855730496) (industrie du Ni et commerce international en 1990).
• Joseph R. Davis, Nickel, cobalt and their alloys, ASM International/Handbook Committee, 2000, 442 p. (ISBN 9780871706850).
• Jacques Grilliat (ingénieur CNAM), Jacques Salbaing (directeur technique et commercial International Nickel France), Michel Rabinovitch (géologue), Bernard Pire (physicien CNRS), Jacques Gilliat (ingénieur CNAM), article « Nickel », Encyclopædia Universalis, 2004 (première rédaction avant 1986), début en ligne.
• (fr + en) Alain Foucault, Jean-François Raoult, Fabrizio Cecca et Bernard Platevoet, Dictionnaire de Géologie, 8^e éd., édition Dunod, 2014, 416 p. Avec la simple entrée « nickel » p. 237.
• Jean Meunier, Cobalt et nickel, 12^e cahier du t. 3, « Métaux » dans Edmond Frémy (dir.), Encyclopédie Chimique, Dunod, Paris, 1889.
• Paul Pascal, Nouveau traité de chimie minérale, Paris, Masson, 1956 (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) »
  (BNF 37229023).

Voir aussi

Articles connexes

• Accumulateur nickel-cadmium
• Accumulateur nickel-fer
• Accumulateur nickel-hydrogène
• Accumulateur nickel-hydrure métallique, à faible auto-décharge
• Accumulateur nickel-zinc
• Chromel
• Couplage de Kumada
• Cubaniquel (entreprise)
• Cupronickel
• Espèces bioaccumulatrices de Ni : Dilleniidae, Rinorea niccolifera, Sebertia, Alyssum murale
• Extraction du nickel
• Ferronickel
• Inco
• Invar, Élinvar
• Isotopes :
  • Nickel 48
  • Nickel 56
  • Nickel 60
  • Nickel 62
• Nichrome
• Nickel (maladie professionnelle), Cancer provoqué par le nickel
• Nickel de Raney
• Nickel de Sabatier
• Nickel natif
• Nickelage, nickelage chimique, nickelage électrolytique
• Nigusil
• Permalloy
• Pièces de monnaie : Franc nickel Semeuse, Cinq francs Hercule, 2 euros en cupronickel, Deux livres
• Procédé Mond
• Société d'exploitation du nickel Vale Inco Nouvelle-Calédonie, russe Nornickel, chinoise Jinchuan Group
• Synthèse de complexes du nickel
• Société Le Nickel
• Tétracarbonyle de nickel

Liens externes

• Images de nickel sous différentes formes
• Le nickel, par l'UDPPC
• Le nickel, par la SCF
• Le Nickel par Henri Moissan et L. Ouvrard, en 1896 ou la même étude en wikisource
• (en) « Technical data for Nickel » (consulté le 12 août 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope
• Propriétés chimiques, et impact du nickel sur la santé et sur l'environnement
• Mini-conférences CEA sur l'origine de la matière, seconde intervention en 20 minutes de Roland Lehoucq sur le nickel après celle d'Étienne Klein
• Usages du nickel par le Groupe Eramet
• (en) Le métal Ni présenté par l'institut du nickel

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