Le nickel

Présentation

Le nickel est un élément chimique qui porte le numéro 28 dans la classification périodique des éléments.

Informations générales
SymboleNi
Numéro atomique28
FamilleMétal de transition
Groupe10
Période4
Blocd
Masse volumique8,902 g.cm-3
Dureté4
CouleurBlanc argenté
Propriétés atomiques
Masse atomique58 u
Rayon atomique135 pm
Configuration électronique[Ar] 4s2 3d8
Électrons par niveau d'énergie2 | 8 | 16 | 2
OxydeBase faible
Propriétés physiques
État ordinaireSolide
Point de fusion1455 °C
Point d'ébullition2935 °C

Définitions

  • Numéro atomique : Le numéro atomique d'un atome représente le nombre de protons de ce dernier
  • Famille : L'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée) a regroupé en 10 familles les éléments chimiques qui présentent des propriétés physiques et chimiques semblables
  • Groupe : Chaque groupe correspond aux éléments chimiques présents dans une même colonne du tableau périodique des éléments
  • Période : Chaque période correspond aux éléments chimiques présents dans une même ligne du tableau périodique des éléments. Ils partagent également le même nombre de couches électroniques. On en compte 7 au maximum
  • Bloc : Les éléments périodiques sont classés par bloc selon leurs propriétés et selon les couches électroniques jusqu’auxquelles elles sont remplies
  • Dureté : La dureté d'un matériau représente la résistance qu'il oppose à la pénétration. On peut la mesurer selon plusieurs méthodes : la méthode par pénétration, la méthode par rayage ou encore la méthode par rebondissement
  • Point de fusion : Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l'élément chimique fond, passant ainsi de l'état solide à l'état liquide
  • Point d'ébullition : Le point d'ébullition correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l'élément chimique bout, passant ainsi de l'état liquide à l'état gazeux

La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C'est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque.

Sa dernière révision date de 2016 par l'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l'évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.
L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.

Histoire

De quelle couleur est le nickel ?
Cette petite statue en nickel illustre bien la brillance du métal. Il est aussi à l'origine de l'expression "C'est nickel" pour dire de quelque chose qu'il est propre ou bien réalisé.

Le nickel a été isolé et différencié du fer pour la première fois en 1751 à partir d'arséniures de nickel. C'est un chimiste suédois, Axel Frederik von Cronstedt, qui le nomma au départ Kupfernickel, soit nickeline en français. On lui doit aussi la découverte du cobalt.

Propriétés et caractéristiques

Le nickel a pour particularité d'être paramagnétique.

On définit le paramagnétisme par un élément qui ne possède pas d’aimantation spontanée dans un milieu mais qui obtient une aimantation lorsqu’il est traversé par un champ magnétique. Son aimantation sera par ailleurs dirigée dans le même sens que le champ magnétique qui lui donne ces caractéristiques

Il s'agit d'un métal très dur, brillant et qui possèdes des propriétés ferromagnétiques. Il est également un bon conducteur d'électricité et de chaleur.

Un élément est dit ferromagnétique quand il possède des propriétés de ferromagnétisme.
Le ferromagnétisme est le mécanisme par lequel des matériaux forment des aimants permanents ou sont attirés par d’autres aimants. Le cobalt, le nickel ou encore le fer sont des éléments ferromagnétiques

La présence du nickel a l'état naturel est souvent associée à celle du cobalt. Il prend la forme d'un métal blanc aux reflets gris et argentés.

Il s'agit de l'élément le plus présent sur Terre derrière le fer, l'oxygène, le silicium et le magnésium. Il représente ainsi 2,4 % des éléments présents sur la surface de la Terre.
Son clarke est de 80 grammes par tonne.

Le clarke d’un élément chimique définit sa présence moyenne dans la croûte terrestre . Il s’exprime sous la forme d’une fraction massique en pourcentage, ppm (partie par million), ou ppb (partie par milliard)

De plus, le nickel est avec le fer le constituant du noyau terrestre.

Dans la nature, le nickel est présent tel quel, associé à d'autres métaux comme le fer. On peut aussi le trouver dans des météorites et les astéroïdes.

On a extrait de la Terre du nickel dans divers pays du monde, notamment en France, dans les massifs montagneux des Pyrénées et des Alpes.

Utilisation du nickel

De par sa stabilité face à l'air et à l'eau et sa résistance à l'oxydation, le nickel est utilisé dans l'industrie, notamment avec des alliages fer-nickel.

On retrouve aussi le nickel en temps qu'absorbant pour des gaz, comme le monoxyde de carbone ou encore l'hydrogène.

On retrouve enfin le nickel dans le procédé de nickelage, afin de protéger d'autres métaux. Nous reviendrons plus en détail sur ce procédé plus bas.

A quoi sert le nickelage ?
Le nickelage de certains métaux leur confère une robustesse et une résistance aux intempéries comme dans le cas de ce boulon.
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Le nickelage

Le nickelage est une technique de galvanoplastie qui consiste en un revêtement d'une couche de nickel sur un autre métal, afin de le protéger notamment de la corrosion ou d'autres agressions, voir lui donner un autre aspect.

Utilités

Amélioration de l'aspect

Afin de donner du brillant à un objet métallisé, le nickelage est une technique simple et efficace. En effet, le nickel a un aspect brillant et ce sans polissage. Vous retrouverez donc des couches de nickel dans plusieurs domaines, l'automobile, la plomberie ou encore certains bijoux.

Protection contre les agressions et le vieillissement

La grande résistance du nickel face à la corrosion et l'oxydation est un atout majeur pour protéger des pièces métalliques fragiles ou en proie aux agressions.

Dans les domaines de l'électronique et de la connectique, un plaquage de nickel peut intervenir tel quel ou en sous couche d'un plaquage or.

Le nickelage est aussi présent dans la fabrication de pièces mécaniques. Pour cause, il améliore la lubrification des pièces d'acier des moteurs ou des pièces fortement sollicitées comme des pistons, des engrenages ou encore des roulements.

Méthodes de nickelage

Afin de pouvoir recevoir un dépôt de nickel, la pièce à traiter demande une préparation préalable bien précise. La surface doit être dégraissée pour y retirer toute trace éventuelle d'huile ou d'autre lubrifiant. Ensuite, s'il s'agit d'une pièce ayant déjà servi, elle doit être décapée pour enlever l'oxydation et pour finir un rinçage qui viendra enlever tous les éléments précédemment retirés.

Deux techniques existent : le nickelage chimique et le nickelage électrolytique.

Si le nickelage électrolytique se réalise avec un bain à électrolyse, le nickelage chimique utilise quand à lui du phosphore et du bore. Il est cependant de meilleure qualité et plus résistant.

Exercices

Exercice 1 : Le dépôt de nickel

Le dépôt électrochimique de nickel métallique est largement utilisé industriellement. Ce procédé consiste à immerger une pièce en fer à revêtir dans une solution de sulfate de nickel(II) et à effectuer une électrolyse, la pièce en fer étant placée à la cathode ; l’anode est inerte. L’épaisseur de nickel déposé n’est alors pas limitée ; elle est fonction de de la densité de courant, de la durée de l’opération et de l’intervention éventuelle de réactions cathodiques parasites.

Comment fixer le nickel sur les métaux ?
L'électrolyse est une des techniques afin de fixer le nickel sur les métaux.

Compte rendu d’expérience ;

- Pièce traitée : disque de fer, diamètre 10 cm, épaisseur 0,5 mm (épaisseur négligée pour le calcul de l’aire totale), dépôt sur les deux faces.

- Masse initiale : 30,866 g

- Intensité du courant : 2,4 A

- Durée de l’électrolyse : 65 min

- Masse finale : 32,051 g

1- Quelle est la quantité d’électricité mise en jeu au cours de cette expérience ?

2- Quelle masse de nickel aurait-on dû obtenir si le rendement de l’opération avait été 100% ?

3- Déterminer le rendement effectif de cette opération de nickelage.

4-  Quelle est l’épaisseur du dépôt de nickel obtenu ?

5- Quelle autre demi-réaction a pu se produire à la cathode en parallèle avec la réduction de Ni2+ conduisant à la baisse du rendement ?

Le procédé de nickelage chimique autocatalytique repose sur la réduction d’un sel de nickel, non par la polarisation électrique cathodique, mais par un réducteur chimique ajouté à la solution aqueuse. L’agent réducteur est une forme protonée de l’hydrazine : N2H5+, mise en jeu dans le couple N2(g)/N2H5+ ;

6- Le diagramme intensité-potentiel ci-dessus, tracé à pH = 4, présente la courbe (1) de réduction de Ni2+(aq). Cette courbe n’est pas modifiée quand on la trace sur diverses électrodes n(Ni, Fe, Pb). La courbe d’oxydation de N2H5+ est, elle, fortement dépendante de la nature de l’électrode. Cette oxydation est lente sur la plupart des électrodes métalliques, mais rapide sur l’électrode de nickel (ce qui a fait appeler le procédé autocatalytique). Tracer sur ce diagramme, de façon schématique, la courbe d’oxydation de N2H5+ dans les deux situations suivantes :

  • Courbe (2) : oxydation rapide, pas de surtension, réduction rapide de Ni2+;
  • Courbe (3) : oxydation très lente, surtension très élevée, pas de réduction possible de Ni2+.

Données à 298 K :

Constante de FARADAY : F = 96 490 C.mol-1.

Masse molaire : MNi = 58,71.10-3 Kg.mol-1.

Masse volumique du nickel métallique : ρNi = 8,90.103 Kg.m-3.

Exercice 2 : La brillance du nickel

Le nickel est un métal gris argenté qui possède une très bonne résistance à la corrosion. La majorité des utilisations du nickel découle de cette propriété. On peut ainsi fabriquer des alliages métalliques ayant une faible sensibilité à la corrosion ou recouvrir d'une couche protectrice d'autres métaux ou alliages sensibles à l'oxydation comme le fer ou le laiton.

La première partie de cet exercice traite de l'électrolyse d'une solution pour recouvrir une pièce métallique d'une couche de nickel. Dans la seconde partie, on contrôle par dosage la concentration des ions nickel Ni2+ dans la solution électrolytique.

Données :

  • Masse molaire du nickel : M(Ni) = 59 g.mol−1 ;
  • Charge électrique élémentaire : e = 1,6 ×10−19 C ;
  • Constante d'Avogadro : NA= 6,0 × 1023 mol−1.

1. Électrolyse d'une solution contenant des ions nickel Ni2+

Pour réaliser le nickelage électrolytique d'un objet métallique, la solution à utiliser est choisie en fonction du résultat souhaité (aspect plus ou moins brillant, …) mais elle contient toujours des ions nickel de concentration habituellement de l'ordre de 1 mol.L−1 ; il est préférable de maintenir cette concentration à peu près constante.

1.1. Généralités

En pratique, la pièce à nickeler, immergée dans le bain d’électrolyse, est reliée au pôle négatif d’un générateur, alors que le pôle positif est relié à une électrode constituée de nickel pur comme le montre le schéma de la figure 12 ci-dessous.

Figure 12. Schéma de l’électrolyse

1.1.1. Pourquoi la pièce à recouvrir est-elle reliée au pôle négatif du générateur ?

Justifier en écrivant la réaction qui a lieu sur cette pièce.

1.1.2. Constitue-t-elle l’anode ou la cathode ? Justifier.

1.1.3. Pourquoi l’électrode reliée au pôle positif du générateur est-elle en nickel ?

1.2. Durée de l'électrolyse

1.2.1. La masse de nickel à déposer sur la pièce est m = 1,0 g. Déterminer la quantité de matière de nickel n(Ni) correspondante puis en déduire la quantité de matière d'électrons n(e) qui doivent circuler pour permettre ce dépôt.

1.2.2. Déterminer la quantité d'électricité Q nécessaire pour cette électrolyse, c’est-à-dire la charge électrique qui doit circuler dans le circuit.

1.2.3. L'intensité du courant utilisé est I = 6,0 A. Calculer la durée Δt nécessaire à l'électrolyse (en supposant que son rendement est de 100%).

2. Titrage des ions nickel dans la solution d'électrolyse

Afin de contrôler le bain d’électrolyse utilisé et de maintenir la qualité du dépôt protecteur de nickel, un dosage des ions nickel peut être réalisé. Il permet d’obtenir la concentration de la solution en ions nickel et de vérifier qu’elle se situe bien à la valeur souhaitée.

Présentation du titrage

Les ions éthylènediaminetétracétate (EDTA) réagissent avec de nombreux cations métalliques pour former des ions complexes dans lesquels le cation métallique se retrouve "entouré" par l'EDTA.

Par souci de simplification, on note Y4 (aq) les ions EDTA.

On travaille en présence de solution tampon qui stabilise le pH à une valeur adaptée. Les équilibres acido-basiques de l’EDTA ne seront pas pris en compte.

On peut réaliser un titrage direct ou indirect selon le cation dosé et les indicateurs colorés disponibles au laboratoire.

Protocole du titrage des ions nickel dans le bain d'électrolyse :

Première étape :

on dilue vingt fois un prélèvement S1 de la solution d'électrolyse de concentration [Ni2+]1 pour obtenir une solution S2 de concentration [Ni2+]2 ;

Deuxième étape :

on prélève un volume V2 = 10,0 mL de solution S2 que l'on introduit dans un erlenmeyer avec une solution d'EDTA telle que la quantité de matière d’EDTA introduite soit n0(Y4 ) = 8,6 ´ 10 −4 mol ;

l'équation de la réaction de la transformation qui a alors lieu s'écrit :

Ni2+(aq) + Y4 (aq) = NiY2 (aq)                      équation de la réaction (1)

Cette transformation sera considérée comme totale.

Troisième étape :

On ajoute une petite quantité d'indicateur coloré NET et un volume suffisant de solution tampon adaptée ;

Quatrième étape :

On réalise alors le titrage de l'EDTA en excès dans l'erlenmeyer par une solution étalon d'ions zinc de concentration [Zn2+] = 6,45 × 10−2 mol.L−1 ; la transformation ayant lieu est modélisée par la réaction d'équation :

Zn2+(aq) + Y4 (aq) = ZnY2 (aq) ;                  équation de la réaction (2)

Cette transformation sera également considérée comme totale.

Le volume de la solution étalon à ajouter pour atteindre l'équivalence est VE = 6,1 mL.

2.1. Le titrage est-il direct ou indirect ? Justifier.

2.2. Parmi les ions Zn2+, Y4 et Ni2+,

Quels sont les ions présents dans l'erlenmeyer avant l'équivalence ?

Quels sont les ions présents dans l'erlenmeyer après l'équivalence ?

2.3. À partir des données ci-dessous, en déduire alors la couleur de la solution avant et après l'équivalence.

Données :

Couleurs de l’indicateur coloré NET dans les conditions du dosage de la partie 2 :

  • En présence d'ions zinc Zn2+ ou nickel Ni2+ libres (c'est-à-dire non-complexés) : rose ;
  • En l'absence de ces ions : bleu.

2.4. Déterminer, à l’aide de l’équation de la réaction 2, la quantité de matière nrest(Y4 ) d'ions Y4 restant dans l'erlenmeyer à l'issue de la deuxième étape du protocole.

2.5. Écrire une relation entre n0(Y4 ), nrest(Y4 ) et la quantité d’ions ayant réagi nréagi(Y4 ).

2.6. A l’aide de l’équation de la réaction (1), en déduire la quantité de matière d’ions nickel n(Ni2+) ayant réagi avec les ions Y4 .

Calculer la concentration [Ni2+]2 de la solution diluée S2.

2.7. Vérifier que la concentration [Ni2+]1 de la solution d’électrolyse vaut environ 9,4 ´ 10−1 mol.L−1.

En s'aidant des informations données à la question 1, déduire que la solution S1 peut être utilisée pour réaliser l’électrolyse.

Exercice 3 : La pile au nickel

Comment fonctionne une pile ?
Les piles fonctionnent toutes de la même façon : deux métaux et un bain salin entre les deux afin que les électrons aillent d'un pôle à l'autre.

On réalise une pile formée à partir des couples Ni2+/Ni et Zn2+/Zn.

Chaque solution a pour volume V = 100 mL et la concentration initiale des ions positifs est
C = 5,0.10-2 mol.L-1.

Données :

M(Zn) = 65,4 g.mol-1

M(Ni) = 58,7 g.mol-1

Charge élémentaire de l'électron: e = 1,6.10-19 C

Constante d'Avogadro: N = 6,02.1023 mol-1 .

Charge d'une mole d'électrons: F = 96500 C

Pour la réaction suivante: Ni2+ + Zn = Zn2+ + Ni, la constante d'équilibre vaut K = 1018.

1.Réalisation de la pile

1.1.L’électrode positive de cette pile est l'électrode de nickel.

Légender le schéma de la figure 1 en annexe (à rendre avec la copie) avec les termes suivants :

  • Electrode de zinc ;
  • Electrode de nickel ;
  • Pont salin ;
  • Solution contenant des ions Zn2+ ;
  • Solution contenant des ions Ni2+.

1.2.Équation des réactions.

Écrire les demi-équations des réactions se produisant aux électrodes.

Préciser à chaque électrode s'il s'agit d'une oxydation ou d'une réduction.

Écrire l'équation de la réaction globale qui intervient quand la pile débite.

Calculer la valeur du quotient réactionnel initial Qr,i. Cette valeur est-elle cohérente avec la polarité proposée ?

2.Étude de la pile

2.1.On fait débiter la pile dans un conducteur ohmique.

2.1.1.Compléter le schéma de la figure 1.

2.1.2.Préciser sur ce schéma le sens du courant et le sens de déplacement des électrons dans le         circuit extérieur.

2.2.Comment varie la concentration des ions positifs dans chacun des béchers ?

En déduire l'évolution du quotient réactionnel Qr.

2.3.Sachant que la masse des électrodes ne limite pas la réaction, pour quelle raison la pile
s'arrêtera-t-elle de débiter? Quelle est alors la valeur numérique de Qr ?

2.4.La réaction étant considérée comme totale, calculer l'avancement maximal xmax de la réaction.

2.5.Quelle relation existe-t-il entre xmax et la quantité de matière d'électrons qui ont circulé ?

En déduire la quantité totale d'électricité fournie par cette pile.

3.Décharge partielle de la pile

On prend une deuxième pile identique et on la laisse fonctionner pendant une heure. On supposera que l'intensité reste constante.

On constate une augmentation de masse de l'électrode de nickel de Dm = 100 mg.

3.1.

3.1.1.Calculer la quantité de matière d'ions Ni2+ disparus notée ndisp(Ni2+) pendant cette durée.

3.1.2.Déterminer la quantité d'électricité correspondante notée Q.

En déduire la valeur de l'intensité du courant.

3.2.On donne les valeurs de l'absorbance, pour des solutions de sulfate de nickel de concentrations C différentes, mesurées à une longueur d'onde égale à 390 nm.

C (mol.L–1)00,0100,0200,0300,0400,050
A0,200,410,410,610,821,02

Tracer la courbe de l'absorbance sur la figure 2 en annexe (à rendre avec la copie) en fonction de la concentration C.

3.3.On mesure l'absorbance de la solution dans laquelle plonge l'électrode de nickel. La valeur mesurée est A = 0,67.

En déduire graphiquement la concentration des ions Ni2+ restant en solution.

Quelle est la quantité d'ions Ni2+ disparus ?

Ce résultat est-il conforme avec le calcul du 3.1.1. ?

Figure 1
Figure 2
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Clément

Freelancer et pilote, j'espère atteindre la sagesse en partageant le savoir que j'ai acquis lors de mes voyages au volant de ma berline. Curieux scientifique, ma soif de découverte n'a d'égale que la durée de demie-vie du bismuth 209.