Fer

Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages.


Catégories :

Élément chimique - Produit chimique - Matériau - Métal de transition - Métal - Oligo-élément

Définitions :

  • Le fer est un minéral essentiel à la croissance des plantes. Des plantes au feuillage jaune sont le signe d'une carence en fer, il est alors envisageable d'ajouter des produits du commerce. La teneur en fer doit être comprise entre 0.25 mg/l et 1.5 mg/l. (source : aquafish.free)
Fer
ManganèseFerCobalt
  Structure cristalline cubique à corps centré

26
Fe
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Fe
Ru
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Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Fer, Fe, 26
Série chimique Métaux de transition
Groupe, Période, Bloc 8, 4, d
Masse volumique 7, 874 g·cm-3 (20 °C) [1]
Dureté 4
Couleur Blanc argenté ; reflets gris
N° CAS 7439-89-6 [2]
N° EINECS 231-096-4
Propriétés atomiques
Masse atomique 55, 845 ± 0, 002 u [1]
Rayon atomique (calc) 140 pm (156 pm)
Rayon de covalence 1, 32 ± 0, 03 Å
(low spin) [3]
1, 52 ± 0, 06 Å
(high spin) [3]
Configuration électronique [Ar] 3d6 4s2
Électrons par niveau d'énergie 2, 8, 14, 2
État (s) d'oxydation +2, +3, +4, +6
Oxyde Amphotère
Structure cristalline Cubique centré
Propriétés physiques
État ordinaire Solide ferromagnétique
Point de fusion 1 538 °C [1]
Point d'ébullition 2 861 °C [1]
Énergie de fusion 13, 8 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation 349, 6 kJ·mol-1
Volume molaire 7, 09×10−6 m3·mol-1
Pression de vapeur 7, 05 Pa
Vitesse du son 4 910 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1, 83
Chaleur massique 440 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique 9, 93×106 S·m-1
Conductivité thermique 80, 2 W·m-1·K-1
Solubilité sol. dans H2SO4 dilué[4], HCl [5]
Énergies d'ionisation[6]
1re : 7, 9024 eV 2e : 16, 1877 eV
3e : 30, 652 eV 4e : 54, 8 eV
5e : 75, 0 eV 6e : 99, 1 eV
7e : 124, 98 eV 8e : 151, 06 eV
9e : 233, 6 eV 10e : 262, 1 eV
11e : 290, 2 eV 12e : 330, 8 eV
13e : 361, 0 eV 14e : 392, 2 eV
15e : 457 eV 16e : 489, 256 eV
17e : 1 266 eV 18e : 1 358 eV
19e : 1 456 eV 20e : 1 582 eV
21e : 1 689 eV 22e : 1 799 eV
23e : 1 950 eV 24e : 2 023 eV
25e : 8 828 eV 26e : 9 277, 69 eV
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
54Fe 5, 845 % >3, 1×1022 a ε
55Fe {syn. } 2, 73 a ε 0, 231 55Mn
56Fe 91, 72 % stable avec 30 neutrons
57Fe 2, 2 % stable avec 31 neutrons
58Fe 0, 28 % stable avec 32 neutrons
59Fe {syn. } 44, 503 j β- 0, 231 59Co
60Fe {syn. } 1, 5×106 a β- 3, 978 60Co
Précautions
SIMDUT[7]
Produit non contrôlé
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le fer pur est un métal mou (davantage toujours que l'aluminium), mais l'adjonction de faibles quantités d'impuretés (quelques pourcents) le rend beaucoup plus dur : l'alliage avec d'autres éléments métalliques ou du carbone apporte des aciers qui peuvent être mille fois plus durs que le fer pur.

Le fer 56 est le nucléide stable le plus lourd issu de la combustion du silicium par réactions α lors de la nucléosynthèse stellaire, qui aboutit en fait au nickel 56, lequel est instable et donne du 56Fe par deux désintégrations β+ successives ; les éléments de numéro atomique plus élevé sont synthétisés par des réactions plus énergétiques intervenant plutôt lors de l'explosion de supernovæ. Le fer est ainsi l'élément le plus abondant au cœur des étoiles géantes rouges ; c'est aussi le métal le plus abondant dans les météorites mais aussi dans le noyau des planètes, comme celui de la Terre.

Histoire de la métallurgie du fer

Article détaillé : histoire de la production de l'acier.

Le fer était connu dès le chalcolithique à travers les météorites ferreuses, et sa métallurgie demeura particulièrement confidentielle jusqu'au XIIe siècle av. J. -C. , époque qui marque, exactement, le début de «l'Âge du fer» : les Hittites, en Anatolie, avaient développé une assez bonne maîtrise du travail du fer autour du XVe siècle av. J. -C. , dont leur tradition attribuait l'origine dans la région du Caucase, et cette technique semble aussi avoir été connue assez tôt en Inde du nord, surtout dans l'Uttar Pradesh. Jusqu'au Moyen Âge, l'Europe raffina le fer au moyen de bas fourneaux, qui ne produisent pas de fonte ; la technique du haut fourneau, qui, elle , produit de la fonte brute à partir de charbon de bois et de minerai de fer, a été mise au point en Chine au milieu du Ve siècle av. J. -C. et a par conséquent mis plus d'un millier d'années à diffuser jusqu'en Occident.

Propriétés

Propriétés physiques

Phases solides du fer selon la pression et de la température.

C'est un métal qui, selon la température, se présente sous plusieurs formes allotropiques :

Sa capacité calorifique est de 0, 5 kJ/kg/°C.

Le fer est ferromagnétique : les moments magnétiques des atomes s'alignent sous l'influence d'un champ magnétique extérieur et conservent leur nouvelle orientation après la disparition de ce champ.

Des courants de convection dans la couche externe du noyau terrestre (noyau externe), de «l'alliage» liquide essentiellement fer-nickel, sont supposés être à l'origine du champ magnétique terrestre.

S'il est exposé à l'air libre ou mis dans l'eau salée, il rouille et s'il n'est pas entretenu, il va progressivement se dégrader jusqu'à ce que plus rien ne reste de son état solide naturel.

Il a une dureté entre 4 et 5 sur l'échelle de mohs.

Propriétés chimiques

Fragments purs (à plus de 99, 97 %) de fer, raffinés par électrolyse, à coté d'un cube d'1 cm³ de fer de haute pureté (99, 9999 %), pour comparaison. Attention : la comparaison est faussée du fait du polissage du cube seul.
Métallographie de fer pur prise sur microscope optique avec un grossissement de 100x.

Le fer, combiné à l'oxygène, forme trois oxydes : FeO (oxyde ferreux), Fe2O3 (oxyde ferrique), Fe3O4 (oxyde magnétique).

A l'air libre en présence d'humidité, il se corrode en formant de la rouille Fe2O3, n (H2O). La rouille étant un matériau poreux, la réaction d'oxydation peut se propager jusqu'au cœur du métal, contrairement, par exemple, à l'aluminium, qui forme une couche fine d'oxyde imperméable.

En solution, il présente deux valences principales :

L'hémoglobine du sang, qui permet aux globules rouges de transporter le dioxygène, contient du fer.

Propriétés nucléaires

Le noyau de fer 56 possède la masse par nucléon la plus faible de l'ensemble des nucléides mais pas l'énergie de liaison la plus élevée, en raison d'une proportion de protons légèrement plus élevée que le nickel 62 qui, lui, a l'énergie de liaison la plus élevée par nucléon[8].

Le fer 56 résulte de la désintégration naturelle du nickel 56, isotope instable produit au cœur d'étoiles massives par fusion du silicium 28 au cours de réactions alpha en cascade qui s'arrêtent au nickel exactement parce que ce dernier possède l'énergie de liaison nucléaire par nucléon la plus élevée : poursuivre la fusion, pour produire par exemple du zinc 60, consommerait de l'énergie au lieu d'en libérer.

Occurrence et gisements

Le fer est le 6e élément le plus abondant dans l'Univers, il est constitué comme «élément final» de fusion nucléaire, par fusion du silicium dans les étoiles massives. Tandis qu'il compose à peu près 5 % (en masse) de la croûte terrestre, le noyau terrestre est censé être en grande partie un alliage de fer-nickel, constituant ainsi 35 % de la masse de la Terre dans son ensemble ! Le fer est peut-être, en fait, l'élément le plus abondant sur Terre ou du moins identique (en juste 2e position) en masse à l'oxygène, mais uniquement le 4e le plus abondant dans la croûte terrestre.

La coloration orangée rougeâtre de cette rivière est due à l'ion ferrique, Fer (III) ou Fe3+, dans les roches.

La majeure partie du fer dans la croûte est combinée avec l'oxygène, formant des minerais d'oxyde de fer, tels que l'hématite (Fe2O3), la magnétite (Fe3O4) et la limonite (Fe2O3. nH2O).
L'oxyde magnétique ou magnétite Fe3O4 est connu depuis l'Antiquité grecque. Il tire son nom du mont Magnetos (le grand mont), une montagne grecque spécifiquement riche en ce minéral.

Environ 1 météorite sur 20 comprennent de la tænite unique alliage de minéral de fer-nickel (fer 35-80 %) et la kamacite (fer 90-95 %). Quoique rares, les météorites de fer sont la forme principale de fer natif (métallique) sur la surface terrestre.

La couleur rouge de la surface de Mars est due à un régolithe riche en oxyde de fer. la «planète rouge» est en quelque sorte une «planète rouillée».

Métallurgie

Extraction

Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone (CO) provenant du carbone, les oxydes de fer contenus dans le minerai ; ceci peut être réalisé :

Depuis l'Âge du fer et jusqu'au XIXe siècle dans certaines régions du monde : par réduction du minerai avec du charbon de bois dans un bas fourneau ou bas-foyer : on obtient, sans passer par une phase liquide, une masse hétérogène de fer et d'acier nommée «loupe», «massiot» ou «éponge de fer». Cette masse de métal brute se forme en incorporant plus ou moins de scories (déchet minéral de la réduction) et de porosités. Pour rendre le métal propre à l'élaboration d'objets, la «loupe» peut être brisée et triée par type de teneur en carbone ou plus simplement être directement compactée à la forge. Ce travail, dit d'épuration, fluctue suivant les régions et des cultures techniques. Globalement, son principe consiste à évacuer la scorie ainsi qu'à souder les différentes parties de la masse de métal. On parle de cinglage pour l'étape consistant à marteler le métal à chaud pour évacuer la scorie et de corroyage pour désigner la fin de l'opération d'épuration, consistant à réaliser plusieurs passes à la forge en repliant et en soudant le métal sur lui-même.

C'est avec le développement des moulins et de la force hydraulique, que la lignée technique du haut-fourneau a pu se développer et s'est globalement imposée sur celle du bas-fourneau. La principale différence dans ce procédé est que la réduction des oxydes de fer se fait en même temps que la fusion. Le métal est produit en phase liquide, formant la fonte.

C'est en ajoutant de la silice au minerai à gangue calcaire, ou du calcaire au minerai à gangue siliceuse, qu'on est passé au haut fourneau : une proportion précise de silice et de calcaire donne un laitier fusible qui se sépare naturellement de la fonte liquide. L'absorption de carbone par le fer donne de la fonte liquide, dont sa température de fusion est au moins 200 °C plus basse que le fer.
Pendant longtemps les haut fourneaux ont fonctionné au charbon de bois. Le coke plus dur a permis de faire des hauts fourneaux bien plus hauts mais produisant une fonte chargée en soufre.

Pour obtenir un métal forgeable, il faut affiner la fonte. Cette étape, réalisée dans une aciérie consiste principalement à décarburer la fonte pour obtenir un alliage plus faible en carbone : fer ou acier. La fonte est transformée en acier au convertisseur. Dans cette cuve, on souffle de l'oxygène sur la fonte pour en éliminer le carbone.
Si l'élimination du carbone par combustion avec l'oxygène est l'étape principale dans l'affinage de la fonte, l'aciérie va aussi :

Le fer et ses alliages

Le fer est recyclable, mais son extraction n'est pas dénuée d'impact environnemental et énergétique (Mine de Erzberg, Styrie).
Dépôt de minerai de fer d'une usine sidérurgique.

la fonte et l'acier (1.000 Mt) sont les principaux alliages :

L'ajout de divers éléments d'additions permet d'obtenir des fontes et des aciers spéciaux, maisd l'élément ayant la plus forte incidence sur les propriétés de ces alliages reste le carbone.

Les aciers inoxydables doivent leurs propriétés de résistance à la corrosion par l'apport de chrome.

D'autres alliages ont été mis au point à des fins civiles ou militaires comme, par exemple, les ferro-manganèses, les ferro-nickels, le ferro-chromes, les intermétalliques Fe-Al ou encore les Fe-Cr-Al.

Industrie de l'extraction de minerais de fer

Les principaux producteurs de minerais de fer dans le monde sont , en 2008[9] :

En 2007, la Chine produit un tiers de l'acier mondial et attire 50 % des exportations du minerai de fer[10].

Utilisation

Le fer n'est quasiment pas utilisé à l'état pur (il est utilisé à l'état pur pour résoudre certains problèmes de soudabilité, surtout sur aciers inoxydables).

C'est le principal élément entrant dans la composition de l'acier.

L'appellation "fil de fer" ne veut dire en rien fil en fer pur, les fils de fer sont en fait fabriqués en acier doux, particulièrement malléable.

Le fer métallique et ses oxydes sont utilisés depuis des décennies pour fixer des informations analogiques ou numériques sur des supports appropriés (bandes magnétiques, cassettes audio et vidéo, disquettes). L'usage de ces matériaux est cependant désormais supplanté par des composés possédant une meilleure permittivité, par exemple dans les disques durs.

Dans l'alimentation

Article détaillé : Teneur en fer des aliments.

Le fer est un oligo élément et fait partie des sels minéraux indispensables qu'on retrouve dans les aliments, mais peut être toxique sous certaines formes. Une carence en fer est source d'anémie et peut affecter le développement cognitif et socio-émotionionnel du cerveau de l'enfant [11] ou exacerber les effets de certaines intoxications (saturnisme par exemple).

Le fer est essentiel au transport de l'oxygène ainsi qu'à la formation des globules rouges dans le sang. Il est un constituant essentiel des mitochondries, dans la mesure où il entre dans la composition du hème du cytochrome C. Il joue aussi un rôle dans la fabrication de nouvelles cellules, d'hormones et de neurotransmetteurs. Le fer contenu dans les végétaux (fer dit «non héminique») Fe3+ ou fer ferrique est moins bien absorbé par l'organisme que celui contenu dans les aliments crus d'origine animale (fer «héminique») Fe2+ ou fer ferreux. La cuisson des viandes transforme une partie du fer héminique en fer non héminique, moins biodisponible. Cependant, l'absorption du fer est favorisée si on le consomme avec certains nutriments, comme la vitamine C ou le jus de citron. Mettre du jus de citron sur ses aliments est par conséquent une excellente habitude culinaire si on manque de fer ; par contre, un complément en vitamine C est inutile si on ne souffre pas de carence en vitamine C (la carence extrême est le scorbut), même si cela ne peut pas mener à une hypervitaminose puisque la Vitamine C est hydrosoluble (et par conséquent son surplus s'élimine par la sudation, la voie urinaire).

En revanche son absorption est inhibée par la consommation de thé et/ou de café[12] car les tanins (polyphénols) sont des chélateurs de fer. Les buveurs de thé en particulièrement grande quantité ont par conséquent quelquefois des anémies ferriprives[13].

L'accumulation de fer dans l'organisme entraîne la mort cellulaire. Des chercheurs de l'Inserm suspectent, à cause de cela, que l'excès de fer pourrait être impliqué dans la dégénérescence des neurones chez les patients atteints de la maladie de Parkinson[14].

En pharmacie

Le fer est utilisé pour la préparation de médicaments. Du XVIIe siècle au début du XXe siècle, il était l'un des principaux composants des boules d'acier vulnéraires, boules de Nancy, boules de Molsheim, boules minérales des Chartreux, qu'on faisait tremper dans de l'eau pour la charger en substances connues bénéfiques[15].

Symbolique

Notes et références

  1. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90e éd. , Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)  
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, «Covalent radii revisited», dans Dalton Transactions, 2008, p.  2832 - 2838 lien DOI ] 
  4. (en) Metals handbook, vol.  10 : Materials characterization, ASM International, 1986, 1310 p. (ISBN 0-87170-007-7) , p.  343 
  5. (en) Thomas R. Dulski, A manual for the chemical analysis of metals, vol.  25, ASTM International, 1996, 251 p. (ISBN 0803120664) [lire en ligne], p.  71 
  6. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, TF-CRC, 2006, 87e éd. (ISBN 0849304873) , p.  10-202 
  7. «Fer» dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  8. (en) The Most Tightly Bound Nuclei Les nucléides les plus solidement liés.
  9. Bernstein Resærch, in Les Echos du 5 février 2008, page 35
  10. Alain Faujas, «Le minerai de fer augmentera d'au moins 65 % en 2008», dans Le Monde du 20-02-2008, mis en ligne le 19-02-2008, [lire en ligne]
  11. Iron Deficiency Anemia and Cognitive Function in Infancy R. Colin Carter, Joseph L. Jacobson, Matthew J. Burden, Rinat Armony-Sivan, Neil C. Dodge, Mary Lu Angelilli, Betsy Lozoff, and Sandra W. Jacobson Pediatrics 2010; 126 : e427-e434. Abstract
  12. voir par exemple la notice du Ferrostrane (férédétate de sodium) de Teofarma ou du Timoferol (vitamine C + Fe) d'Elerte
  13. http ://www. passeportsante. net/fr/Maux/Problemes/Fiche. aspx?doc=anemie_ferriprive_pm#P88_7104
  14. Communiqué du 28 octobre 2008 en ligne
  15. (fr) Ordre des pharmaciens – 15 mars 2002 Colette Keller-Didier «Les boules d'acier vulnéraires, dites boules de Nancy

Voir aussi

Lien externe


  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


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Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
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