Histoire du nickel, propriétés, structure, utilisations, risques

1505
Alexander Pearson

le nickel C'est un métal de transition blanc dont le symbole chimique est Ni. Sa dureté est supérieure à celle du fer, en plus d'être un bon conducteur de chaleur et d'électricité, et en général, il est considéré comme un métal peu réactif et très résistant à la corrosion. À l'état pur, il est argenté avec des nuances dorées.

En 1751, Axel Fredrik Cronsted, un chimiste suédois, réussit à l'isoler d'un minéral connu sous le nom de Kupfernickel (cuivre du diable), extrait d'une mine de cobalt dans un village suédois. Au début, Cronsted pensait que le minéral était du cuivre, mais l'élément isolé s'est avéré être de couleur blanche, distincte du cuivre..

Des sphères de nickel dans lesquelles brillent ses tons dorés. Source: René Rausch [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]

Cronsted a nommé l'élément nickel et il a été établi plus tard que le minéral appelé kupfernickel était la nicolite (arséniure de nickel).

Le nickel est extrait principalement de deux gisements: les roches ignées et d'autres ségrégations du magma terrestre. Les minéraux sont de nature sulfureuse, comme la pentladite. La deuxième source de nickel est la latérite, avec des minéraux riches en nickel comme la garniérite.

La principale application du nickel est la formation d'alliages avec de nombreux métaux; par exemple, il est impliqué dans la production d'acier inoxydable, une activité industrielle qui consomme environ 70% de la production mondiale de nickel.

De plus, le nickel est utilisé dans des alliages tels que l'alnico, un alliage de nature magnétique destiné à la fabrication de moteurs électriques, de haut-parleurs et de microphones..

Le nickel a commencé à être utilisé dans la fabrication de pièces de monnaie au milieu du 19e siècle. Cependant, son utilisation a maintenant été remplacée par celle de métaux moins chers; bien qu'il continue d'être utilisé dans certains pays.

Le nickel est un élément essentiel pour les plantes, car il active l'enzyme uréase qui intervient dans la dégradation de l'urée en ammoniac, qui peut être utilisée par les plantes comme source d'azote. De plus, l'urée est un composé toxique qui cause de graves dommages aux plantes..

Le nickel est un élément de grande toxicité pour les êtres humains, il existe des preuves d'être un agent cancérigène. De plus, le nickel provoque une dermatite de contact et le développement d'allergies..

Index des articles

  • 1 Histoire
    • 1.1 Antiquité
    • 1.2 Découverte et production
  • 2 propriétés
    • 2.1 Apparence
    • 2.2 Poids atomique
    • 2.3 Numéro atomique (Z)
    • 2.4 Point de fusion
    • 2.5 Point d'ébullition
    • 2.6 Densité
    • 2.7 Chaleur de fusion
    • 2.8 Chaleur de vaporisation
    • 2.9 Capacité thermique molaire
    • 2.10 Electronégativité
    • 2.11 Énergie d'ionisation
    • 2.12 Rayon atomique
    • 2.13 Rayon covalent
    • 2.14 Conductivité thermique
    • 2.15 Résistivité électrique
    • 2.16 Dureté
    • 2.17 Caractéristiques
    • 2.18 Isotopes
  • 3 Structure et configuration électronique
    • 3.1 nombres d'oxydation
  • 4 Où trouve-t-on le nickel?
    • 4.1 Minéraux et mer
    • 4.2 Latérites
    • 4.3 Météorites et pétrole
  • 5 utilisations
    • 5.1 -Nickel élémentaire
    • 5.2 -Composites
  • 6 Rôle biologique
  • 7 risques
  • 8 Références

Histoire

Antiquité

L'homme connaissait depuis l'Antiquité l'existence du nickel. Par exemple, un pourcentage de nickel de 2% a été trouvé dans des objets en bronze (3500 avant JC), présents sur des terres appartenant actuellement à la Syrie..

En outre, des manuscrits chinois suggèrent que le "cuivre blanc", connu sous le nom de baitong, a été utilisé entre 1700 et 1400 avant JC. Le minerai a été exporté vers la Grande-Bretagne au 17ème siècle; mais la teneur en nickel de cet alliage (Cu-Ni) n'a été découverte qu'en 1822.

Dans l'Allemagne médiévale, un minéral rougeâtre a été trouvé, semblable au cuivre, et qui avait des taches vertes. Les mineurs ont essayé d'isoler le cuivre du minerai, mais ont échoué dans leur tentative. De plus, le contact avec le minéral produit des problèmes de santé.

Pour ces raisons, les mineurs ont attribué au minéral une condition maligne et lui ont attribué des noms différents qui illustrent cette condition; comme "Old Nick", également kupfernickel (cuivre du diable). On sait maintenant que le minéral en question était la nicolite: arséniure de nickel, NiAs.

Découverte et production

En 1751, Axel Fredrik Cronsted a tenté d'isoler le cuivre du kupfernickel, obtenu à partir d'une mine de cobalt située près de Los Halsinglandt, un village suédois. Mais il n'a réussi qu'à obtenir un métal blanc, jusqu'alors inconnu et qui l'appelait nickel..

À partir de 1824, le nickel est obtenu comme sous-produit de la production de bleu de cobalt. En 1848, une fonderie a été établie en Norvège pour traiter le nickel présent dans la pyrrhotite minérale..

En 1889, le nickel est introduit dans la production d'acier et les gisements découverts en Nouvelle-Calédonie fournissent le nickel pour la consommation mondiale..

Propriétés

Apparence

Blanc argenté, lustré et avec une légère teinte dorée.

Poids atomique

58,9344 u

Numéro atomique (Z)

28

Point de fusion

1 455 ºC

Point d'ébullition

2 730 ºC

Densité

-À température ambiante: 8,908 g / mL

-Au point de fusion (liquide): 7,81 g / mL

Température de fusion

17,48 kJ / mol

Chaleur de vaporisation

379 kJ / mol

Capacité thermique molaire

26,07 J / mol

Électronégativité

1,91 sur l'échelle de Pauling

Énergie d'ionisation

Premier niveau d'ionisation: 737,1 kJ / mol

Deuxième niveau d'ionisation: 1753 kJ / mol

Troisième niveau d'ionisation: 3395 kJ / mol

Radio atomique

Empirique 124 h

Rayon covalent

124,4 ± 16 heures

Conductivité thermique

90,9 W / (m K)

Résistivité électrique

69,3 nΩ · m à 20 ºC

Dureté

4,0 sur l'échelle de Mohs.

Caractéristiques

Le nickel est un métal ductile et malléable et a une plus grande dureté que le fer, étant un bon conducteur électrique et thermique. C'est un métal ferromagnétique aux températures normales, sa température de Curie étant de 358 ºC. À des températures plus élevées, le nickel n'est plus ferromagnétique.

Le nickel est l'un des quatre éléments ferromagnétiques, les trois autres étant: le fer, le cobalt et le gadolinium.

Les isotopes

Il existe 31 isotopes du nickel, limités par le 48Ni l'un ni l'autre et 78Ni.

Il existe cinq isotopes naturels: 58Ni, avec une abondance de 68,27%; 60Ni, avec une abondance de 26,10%; 61Ni, avec une abondance de 1,13%; 62Ni, avec une abondance de 3,59%; Oui 64Ni, avec une abondance de 0,9%.

Le poids atomique d'environ 59 u pour le nickel montre qu'il n'y a pas de prédominance marquée dans aucun des isotopes (même si le 58Ce n'est pas non plus le plus abondant).

Structure et configuration électronique

Le nickel métallique cristallise en une structure cubique à faces centrées (fcc). Cette phase fcc est extrêmement stable, et reste inchangée jusqu'à des pressions proches de 70 GPa; il existe peu d'informations bibliographiques concernant les phases de nickel ou les polymorphes sous haute pression.

La morphologie des cristaux de nickel est variable, car ils peuvent être disposés de manière à définir un nanotube. En tant que nanoparticule ou solide macroscopique, la liaison métallique reste la même (en théorie); c'est-à-dire que ce sont les mêmes électrons de valence qui maintiennent les atomes de Ni ensemble.

Selon les deux configurations électroniques possibles pour le nickel:

[Ar] 3d8 4 sdeux

[Ar] 3d9 4 s1

Dix électrons sont impliqués dans la liaison métallique; soit huit ou neuf dans l'orbitale 3d, avec deux ou un dans l'orbitale 4s. A noter que la bande de valence est pratiquement pleine, proche de transporter ses électrons vers la bande de conduction; fait qui explique sa conductivité électrique relativement élevée.

La structure fcc du nickel est si stable qu'elle est même adoptée par l'acier une fois ajoutée. Ainsi, le fer inoxydable à haute teneur en nickel est également fcc.

Numéros d'oxydation

Le nickel, bien que cela puisse ne pas en avoir l'air, a également des nombres abondants ou des états d'oxydation. Les négatifs sont évidents sachant qu'il ne lui manque que deux électrons pour compléter les dix de son orbitale 3d; ainsi, il peut gagner un ou deux électrons, ayant des nombres d'oxydation -1 (Ni-) ou -2 (Nideux-), respectivement.

L'indice d'oxydation le plus stable pour le nickel est +2, en supposant l'existence du cation Nideux+, qui a perdu des électrons de l'orbitale 4s et a huit électrons dans l'orbitale 3d (3d8).

En outre, il existe deux autres nombres d'oxydation positifs: +3 (Ni3+) et le +4 (Ni4+). À l'école ou au lycée, on apprend que le nickel n'existe que sous forme de Ni (II) ou Ni (III), car ce sont les nombres d'oxydation les plus courants trouvés dans des composés très stables..

Et quand c'est le nickel métallique qui fait partie d'un composé, c'est-à-dire avec son atome neutre Ni, alors on dit qu'il participe ou se lie avec un indice d'oxydation de 0 (Ni0).

Où trouve-t-on du nickel?

Minéraux et mer

Le nickel constitue 0,007% de la croûte terrestre, son abondance est donc faible. Mais, c'est toujours le deuxième métal le plus abondant après le fer dans le noyau fondu de la terre, connu sous le nom de Nife. L'eau de mer a une concentration moyenne de nickel de 5,6 · 10-4 mg / L.

Il se trouve normalement dans les roches ignées, étant la pentlandite, un minéral formé à partir de sulfure de fer et de nickel [(Ni, Fe)9S8], l'une des principales sources de nickel:

Roche composée de minéraux pentlandite et pyrrhotite. Source: John Sobolewski (JSS) [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

La pentlandite minérale est présente à Sudbury, Ontario, Canada; l'un des principaux gisements de ce métal au monde.

La pentlandite a une concentration en nickel comprise entre 3 et 5%, étant associée à la pyrrhotite, un sulfure de fer riche en nickel. Ces minéraux se trouvent dans les roches, produits des ségrégations du magma terrestre.

Latérites

L'autre source importante de nickel est la latérite, constituée de sols arides dans les régions chaudes. Ils sont pauvres en silice et contiennent plusieurs minéraux, dont: la garniérite, un silicate de magnésium et de nickel; et la limonite, un minerai de fer [(Fe, Ni) O (OH) avec une teneur entre 1 et 2% de nickel.

On estime que 60% du nickel est extrait des latérites et les 40% restants des dépôts magmatiques sulfureux..

Météorites et pétrole

Le nickel se trouve également dans les météorites de fer avec des alliages de kamacite et de taenite. Kamacita est un alliage de fer et de nickel, avec un pourcentage de 7% de celui-ci; tandis que la taenite est le même alliage, mais avec un pourcentage de nickel entre 20 et 65%.

Le nickel se lie aux composés organiques, c'est pourquoi il se trouve en forte concentration dans le charbon et le pétrole.

La Chine est le premier producteur mondial de nickel, suivie de la Russie, du Japon, de l'Australie et du Canada.

Applications

-Nickel élémentaire

Alliages

Valve en alliage monel. Source: Heather Smith [CC BY 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

Il est utilisé en alliage avec du fer principalement pour la production d'acier inoxydable, puisque 68% de la production de nickel est utilisé à cet effet.

Il forme également un alliage avec du cuivre, résistant à la corrosion. Cet alliage est composé de 60% de nickel, 30% de cuivre et de petites quantités d'autres métaux, en particulier du fer..

Le nickel est utilisé dans les alliages résistifs, magnétiques et autres tels que le nickel-argent; et un alliage constitué de nickel et de cuivre, mais ne contient pas d'argent. Les tubes Ni-Cu sont utilisés dans les usines de dessalement, le blindage et la fabrication de pièces de monnaie.

Le nickel confère aux alliages une ténacité et une résistance à la traction qui renforcent la résistance à la corrosion. En plus des alliages avec du cuivre, du fer et du chrome, il est utilisé dans des alliages avec du bronze, de l'aluminium, du plomb, du cobalt, de l'argent et de l'or..

L'alliage Monel est composé de 17% de nickel, 30% de cuivre et de traces de fer, manganèse et silicium. Il est résistant à l'eau de mer, ce qui le rend idéal pour une utilisation sur les hélices de bateau.

Action de protection

Le nickel réagissant avec le fluor forme une couche protectrice de l'élément fluor, permettant d'utiliser du nickel métallique ou un alliage de Monel dans les conduites de gaz fluor.

Le nickel résiste à l'action des alcalis. Pour cette raison, il est utilisé dans des récipients contenant de l'hydroxyde de sodium concentré. Il est également utilisé en galvanoplastie pour créer une surface protectrice pour d'autres métaux..

Autres utilisations

Le nickel est utilisé comme agent réducteur pour six métaux du groupe des minéraux du platine dans lequel il est combiné; principalement le platine et le palladium. La mousse ou la maille de nickel est utilisée dans la fabrication d'électrodes pour piles à combustible alcalin.

Le nickel est utilisé comme catalyseur pour l'hydrogénation d'acides gras végétaux insaturés, utilisé dans le processus de fabrication de la margarine. Le cuivre et l'alliage Cu-Ni ont une action antibactérienne sur E. coli.

Nanoparticules

Les nanoparticules de nickel (NPs-Ni) trouvent une grande variété d'utilisation en raison de leur plus grande surface par rapport à un échantillon macroscopique. Lorsque ces NPs-Ni sont synthétisés à partir d'extraits de plantes, ils développent des activités antimicrobiennes et antibactériennes.

La raison de ce qui précède est due à sa plus grande tendance à s'oxyder au contact de l'eau, formant des cations Ni.deux+ et les espèces oxygénées hautement réactives, qui dénaturent les cellules microbiennes.

D'autre part, les NPs-Ni sont utilisés comme matériau d'électrode dans les piles à combustible solide, les fibres, les aimants, les fluides magnétiques, les pièces électroniques, les capteurs de gaz, etc. Ce sont également des supports catalytiques, des adsorbants, des agents de blanchiment et des épurateurs d'eaux usées..

-Composés

Le chlorure de nickel, le nitrate et le sulfate sont utilisés dans les bains de nickel en galvanoplastie. De plus, son sel sulfate est utilisé dans la préparation de catalyseurs et de mordants pour la teinture des textiles..

Le peroxyde de nickel est utilisé dans les batteries de stockage. Les ferrites de nickel sont utilisés comme noyaux magnétiques dans les antennes de divers équipements électriques.

Le nickel tertracarbonyle fournit du monoxyde de carbone pour la synthèse d'acrylates, à partir d'acétylène et d'alcools. Oxyde combiné de baryum et de nickel (BaNiO3) sert de matière première pour la fabrication de cathodes de nombreuses batteries rechargeables, telles que Ni-Cd, Ni-Fe et Ni-H.

Rôle biologique

Les plantes ont besoin de la présence de nickel pour leur croissance. Il est connu pour être utilisé comme cofacteur par diverses enzymes végétales, y compris l'uréase; enzyme qui convertit l'urée en ammoniac, pouvant utiliser ce composé dans le fonctionnement des plantes.

De plus, l'accumulation d'urée produit une altération des feuilles des plantes. Le nickel agit comme un catalyseur pour favoriser la fixation de l'azote par les légumineuses.

Les cultures les plus sensibles à la carence en nickel sont les légumineuses (haricots et luzerne), l'orge, le blé, les prunes et les pêches. Sa carence se manifeste chez les plantes par la chlorose, la chute des feuilles et des déficits de croissance.

Chez certaines bactéries, l'enzyme uréase est dépendante du nickel, mais on considère que celles-ci peuvent avoir une action virulente dans les organismes qui y habitent.

D'autres enzymes bactériennes, comme la superoxyde dismutase, ainsi que la glyxidase présente dans les bactéries et certains parasites, par exemple dans les trypanosomes, dépendent du nickel. Cependant, les mêmes enzymes dans les espèces supérieures ne dépendent pas du nickel mais du zinc.

Des risques

L'ingestion de grandes quantités de nickel est associée à la génération et au développement de cancers du poumon, du nez, du larynx et de la prostate. De plus, il provoque des problèmes respiratoires, une insuffisance respiratoire, de l'asthme et une bronchite. Les vapeurs de nickel peuvent provoquer une irritation des poumons.

Le contact du nickel avec la peau peut provoquer une sensibilisation, qui produit par la suite une allergie, se manifestant par une éruption cutanée.

L'exposition cutanée au nickel peut provoquer une dermatite connue sous le nom de «démangeaison du nickel» chez les personnes préalablement sensibilisées. Lors de la sensibilisation au nickel, il persiste indéfiniment.

Le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) a placé les composés du nickel dans le groupe 1 (il existe des preuves suffisantes de cancérogénicité chez l'homme). Cependant, l'OSHA ne réglemente pas le nickel comme cancérigène..

Il est recommandé que l'exposition au nickel métallique et à ses composés ne puisse pas être supérieure à 1 mg / m3 pour huit heures de travail par semaine de travail de quarante heures. Le nickel carbonyle et le sulfure de nickel sont des composés hautement toxiques ou cancérigènes.

Les références

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