Nickel (Ni, Z = 28): Un Métal Résistant aux Propriétés Magnétiques

Modèle de l'atome de nickel — Modèle atomique simplifié de l'atome de nickel. L'isotope le plus abondant est le \(\,^{58}\mathrm{Ni}\,\) avec ses 28 protons, ses 28 électrons et ses 30 neutrons.
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Histoire de la découverte du nickel

Le nickel fut isolé pour la première fois en 1751 par le chimiste et minéralogiste suédois Axel Fredrik Cronstedt (1722-1765). Cronstedt extrait ce nouveau métal d'un minerai rouge-brun appelé kupfernickel (littéralement "cuivre du diable" en allemand), ainsi nommé par les mineurs qui le confondaient avec un minerai de cuivre mais n'en obtenaient aucun cuivre. Le nom nickel provient de Nickel, diminutif de Nikolaus, faisant référence à un esprit malicieux du folklore germanique qui aurait ensorcelé le minerai. Bien que des alliages contenant du nickel aient été utilisés en Chine dès 200 avant J.-C. pour fabriquer des pièces de monnaie blanches appelées paitung, la nature élémentaire du nickel n'était pas comprise avant les travaux de Cronstedt. Le symbole chimique Ni a été adopté internationalement au XIXe siècle.

Structure et propriétés fondamentales

Le nickel (symbole Ni, numéro atomique 28) est un métal de transition du groupe 10 du tableau périodique. Son atome possède 28 protons, généralement 30 neutrons (pour l'isotope le plus abondant \(\,^{58}\mathrm{Ni}\)) et 28 électrons avec la configuration électronique [Ar] 3d⁸ 4s².
À température ambiante, le nickel est un métal solide blanc argenté avec un léger reflet doré, dense (densité ≈ 8.908 g/cm³) et dur. C'est l'un des quatre éléments ferromagnétiques naturels (avec le fer, le cobalt et le gadolinium), capable d'être aimanté de façon permanente. Le nickel possède une excellente résistance à la corrosion et à l'oxydation, même à des températures élevées, ce qui le rend précieux pour les alliages haute performance. Il est également ductile et malléable, permettant de le travailler facilement. Le point de fusion (état liquide) du nickel: 1 728 K (1 455 °C). Le point d'ébullition (état gazeux) du nickel: 3 186 K (2 913 °C).

Tableau des isotopes du nickel

Isotopes du nickel (propriétés physiques clés)
Isotope / Notation	Protons (Z)	Neutrons (N)	Masse atomique (u)	Abondance naturelle	Demi-vie / Stabilité	Décroissance / Remarques
Nickel-58 — \(\,^{58}\mathrm{Ni}\,\)	28	30	57.935343 u	≈ 68.08 %	Stable	Isotope dominant du nickel naturel, le plus abondant.
Nickel-60 — \(\,^{60}\mathrm{Ni}\,\)	28	32	59.930786 u	≈ 26.22 %	Stable	Second isotope le plus abondant du nickel.
Nickel-61 — \(\,^{61}\mathrm{Ni}\,\)	28	33	60.931056 u	≈ 1.14 %	Stable	Seul isotope stable impair-impair du nickel.
Nickel-62 — \(\,^{62}\mathrm{Ni}\,\)	28	34	61.928345 u	≈ 3.63 %	Stable	Possède l'énergie de liaison par nucléon la plus élevée de tous les noyaux atomiques.
Nickel-64 — \(\,^{64}\mathrm{Ni}\,\)	28	36	63.927966 u	≈ 0.93 %	Stable	Isotope stable le plus lourd et le moins abondant du nickel naturel.
Nickel-56 — \(\,^{56}\mathrm{Ni}\,\)	28	28	55.942132 u	Synthétique	≈ 6.08 jours	Radioactif, produit en grande quantité dans les supernovae de type Ia. Sa désintégration en \(\,^{56}\mathrm{Co}\) puis en \(\,^{56}\mathrm{Fe}\) alimente la luminosité des supernovae.
Nickel-59 — \(\,^{59}\mathrm{Ni}\,\)	28	31	58.934347 u	Trace cosmique	≈ 76 000 ans	Radioactif à longue période, utilisé pour dater les météorites et étudier l'histoire du système solaire.
Nickel-63 — \(\,^{63}\mathrm{Ni}\,\)	28	35	62.929669 u	Synthétique	≈ 100 ans	Radioactif, utilisé dans les détecteurs d'explosifs et certains dispositifs électroniques.

Configuration électronique et couches électroniques du nickel

N.B. :

Les couches électroniques: Comment les électrons s'organisent autour du noyau (nouvelle fenêtre).

Le nickel possède 28 électrons répartis sur quatre couches électroniques. Sa configuration électronique complète est: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸ 4s², ou de manière simplifiée: [Ar] 3d⁸ 4s². Cette configuration peut aussi s'écrire: K(2) L(8) M(16) N(2).

Structure détaillée des couches

Couche K (n=1): contient 2 électrons dans la sous-couche 1s. Cette couche interne est complète et très stable.
Couche L (n=2): contient 8 électrons répartis en 2s² 2p⁶. Cette couche est également complète, formant une configuration de gaz noble (néon).
Couche M (n=3): contient 16 électrons répartis en 3s² 3p⁶ 3d⁸. Les orbitales 3s et 3p sont complètes, tandis que les orbitales 3d contiennent 8 électrons sur 10 possibles.
Couche N (n=4): contient 2 électrons dans la sous-couche 4s. Ces électrons sont les premiers à être impliqués dans les liaisons chimiques.

Électrons de valence et états d'oxydation

Les 10 électrons des couches externes (3d⁸ 4s²) constituent les électrons de valence du nickel. Cette configuration explique ses propriétés chimiques:
En perdant les 2 électrons 4s, le nickel forme l'ion Ni²⁺ (degré d'oxydation +2), l'état le plus courant et le plus stable en solution aqueuse.
En perdant les 2 électrons 4s et 1 électron 3d, il forme l'ion Ni³⁺ (degré d'oxydation +3), moins courant mais présent dans certains composés.
Des états d'oxydation 0, +1 et +4 existent dans des composés spécifiques mais sont rares.

La configuration électronique du nickel, avec ses orbitales 3d partiellement remplies (8 électrons sur 10), lui confère ses propriétés magnétiques caractéristiques. Les électrons non appariés dans les orbitales 3d sont responsables du ferromagnétisme du nickel, lui permettant d'être aimanté de façon permanente. Cette structure en fait un métal de transition typique, capable de former des complexes de coordination colorés et d'agir comme catalyseur dans de nombreuses réactions chimiques.

Réactivité chimique

Le nickel est un métal relativement peu réactif à température ambiante. Il se recouvre rapidement d'une fine couche d'oxyde de nickel (NiO) qui le protège de l'oxydation ultérieure et de la corrosion. Cette passivation naturelle confère au nickel sa remarquable résistance à la corrosion dans l'air, l'eau douce et l'eau de mer. Le nickel ne réagit pas avec les bases et résiste à de nombreux acides dilués, mais il se dissout lentement dans l'acide nitrique dilué et plus rapidement dans les acides oxydants concentrés. À haute température, le nickel réagit avec l'oxygène pour former NiO, avec le soufre pour former des sulfures, et avec les halogènes pour former des halogénures. Le nickel forme principalement des composés au degré d'oxydation +2, dont les sels sont généralement verts en solution aqueuse. Le nickel peut former des complexes de coordination avec de nombreux ligands, une propriété importante en catalyse.

Applications industrielles et technologiques où le nickel est utilisé

dans les aciers inoxydables (environ 70% de la production mondiale de nickel), apportant résistance à la corrosion et à la chaleur ;
pour les superalliages utilisés dans les turbines d'avions, de centrales électriques et de moteurs de fusées ;
dans les batteries rechargeables (Ni-Cd, Ni-MH, et batteries lithium-ion contenant du nickel) ;
pour le placage électrolytique (nickelage) protégeant d'autres métaux de la corrosion ;
dans la fabrication de pièces de monnaie en alliage avec le cuivre ;
comme catalyseur dans l'hydrogénation des huiles végétales et de nombreuses réactions chimiques ;
pour les aimants permanents en alliage avec d'autres métaux (Alnico, SmCo) ;
dans les alliages à mémoire de forme (Nitinol: nickel-titane) utilisés en médecine et en ingénierie ;
pour les résistances électriques chauffantes en alliage nickel-chrome (Nichrome) ;
dans les équipements de l'industrie chimique résistant aux environnements corrosifs ;
pour les électrodes dans les piles à combustible et l'électrolyse de l'eau ;
comme composant dans les alliages dentaires et les prothèses médicales ;
dans l'industrie verrière pour colorer le verre en vert et améliorer ses propriétés ;
pour les fils et câbles électriques nécessitant une résistance thermique élevée ;
dans les applications marines (hélices, vannes) grâce à sa résistance à l'eau de mer.

Rôle en astrophysique et cosmologie

Le nickel occupe une place particulière en astrophysique. L'isotope \(\,^{62}\mathrm{Ni}\) possède l'énergie de liaison par nucléon la plus élevée de tous les noyaux atomiques, ce qui en fait le noyau le plus stable énergétiquement. Cependant, c'est le fer-56 qui est le produit final le plus abondant de la fusion stellaire, car les réactions nucléaires stellaires favorisent sa formation. Le nickel est synthétisé principalement lors de la combustion du silicium dans les étoiles massives en fin de vie et lors des explosions de supernovae.

L'isotope radioactif \(\,^{56}\mathrm{Ni}\) joue un rôle crucial dans les supernovae de type Ia. Produit en grandes quantités lors de l'explosion, sa désintégration radioactive en cobalt-56 puis en fer-56 génère l'énergie qui alimente la luminosité caractéristique de ces supernovae pendant des semaines. L'observation de cette courbe de lumière permet aux astronomes de mesurer les distances cosmologiques et d'étudier l'expansion de l'univers.

L'isotope \(\,^{59}\mathrm{Ni}\) à longue période (76 000 ans) sert de traceur pour dater les événements de nucléosynthèse dans le système solaire primitif. Sa présence dans les météorites anciennes fournit des informations sur les processus nucléaires qui ont enrichi le nuage de gaz et de poussière dont est né notre système solaire. Les raies spectrales du nickel dans les étoiles aident à déterminer leur composition chimique et leur évolution.

N.B. :

Le nickel est le 24ème élément le plus abondant dans la croûte terrestre (environ 0,0089 % en masse). Cependant, il est beaucoup plus abondant dans le noyau terrestre, où il constitue environ 5% de la composition aux côtés du fer. Le nickel se trouve principalement dans des minerais comme la pentlandite ((Fe,Ni)₉S₈), la garniérite (silicate de nickel et de magnésium) et la latérite nickélifère. Les météorites ferreuses contiennent des proportions importantes de nickel (5-20%), témoin de la composition du noyau des planètes différenciées. L'extraction du nickel se fait principalement par des procédés pyrométallurgiques ou hydrométallurgiques selon le type de minerai, et le métal peut être raffiné à haute pureté par le procédé Mond utilisant le nickel carbonyle gazeux Ni(CO)₄.