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Fer Cet article concerne l'élément chimique, le corps simple et les composés correspondants. Pour les autres significations, voir Fer (homonymie).
Le fer est l'élément chimique de numéro atomique 26, de symbole Fe. Le corps simple est le métal et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, le plus souvent sous forme d'alliages divers. Le fer pur est un métal de transition ductile, mais l'adjonction de très faibles quantités d'éléments additionnels modifie considérablement ses propriétés mécaniques. Allié au carbone et avec d'autres éléments d'addition il forme les aciers, dont la sensibilité aux traitements thermomécaniques permet de diversifier encore plus les propriétés du matériau. GénéralitésLe fer fait partie du groupe des éléments à l'origine des métaux de transition, il montre des analogies caractéristiques avec le ruthénium, l'osmium, le cobalt et le nickel. ÉtymologieLe mot français « fer » est issu du latin ferrum, de même sens[9]. Il est "indénombrable"[10] (au sens où, quand il désigne le métal, il ne s'utilise pas au pluriel ni directement avec un numéral[Note 1]). Le mot latin ferrum était traditionnellement rattaché à la famille de sens de firmus (« ferme, solide »)[12]. Mais aujourd'hui on voit dans l’espagnol hierro et l’anglais iron (même sens) un emprunt celtique et on le rattache plutôt au radical de aes (« airin » et autres métaux) et sa racine indo-européenne reconstruite : *ḫeṷis ou encore *ai̯os- [« métal »,(cuivre, bronze ou fer)][13]. Physico-chimie nucléaire, isotopes, fréquenceLe fer 56 est le nucléide stable le plus lourd issu de la fusion du silicium par réactions α lors de la nucléosynthèse stellaire, qui produit en fait du 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 supernovas. Propriétés nucléairesLe noyau de fer 56 possède la masse par nucléon la plus faible de tous les nucléides mais pas l'énergie de liaison la plus élevée, en raison d'une proportion de protons un peu plus élevée que le nickel 62 qui, lui, a l'énergie de liaison la plus élevée par nucléon[14]. 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 précisément 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. IsotopesLe fer possède 28 isotopes connus, de nombre de masse variant de 45 à 72, ainsi que six isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, quatre sont stables, 54Fe, 56Fe, 57Fe et 58Fe. 56Fe est largement le plus abondant (91,754 %), suivi de 54Fe (5,845 % possiblement légèrement radioactif avec une demi-vie supérieure à 3,1 × 1022 années), 57Fe (2,119 %) et 58Fe (0,282 %). La masse atomique standard du fer est de 55,845(2) u. Le plus stable des radioisotopes du fer est 60Fe avec une demi-vie de 1,5 million d'années, suivi de 55Fe (2,7 années), 59Fe (un peu moins de 44,5 jours) et de 52Fe (8,5 heures). Occurrence et abondance naturelleLe fer est le métal le plus abondant dans les météorites ainsi que dans le noyau des planètes, comme celui de la Terre. Le fer minéral est présent dans la nature sous forme pure ou plus rarement sous forme d'alliage avec du nickel (5 à 18 %) d'origine météoritique mais aussi sous forme de fer terrestre dit « tellurique ». Trop rare et surtout disséminé, il est fabriqué artificiellement par l'Homme forgeron et sidérurgiste et massivement dans certaines civilisations caucasiennes depuis plus de trois millénaires à partir de ses principaux minerais. Les combinaisons chimiques et minérales impliquant le fer sont pléthoriques, mais les véritables minerais relativement purs à forte teneur en fer sont beaucoup moins communs et souvent très localisés dans des mines de fer la plupart connues de haute antiquité. Le fer est le 6e élément le plus abondant dans l'Univers, il est formé comme « élément final » de fusion nucléaire, par fusion du silicium dans les étoiles massives. Tandis qu'il compose environ 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 comparable (en juste 2e position) en masse à l'oxygène, mais seulement le 4e élément le plus abondant dans la croûte terrestre. Des courants de convection dans la couche externe du noyau terrestre (noyau externe), de « l'alliage » liquide principalement fer-nickel, sont supposés être à l'origine du champ magnétique terrestre. Fonctions dans la biosphèreLe fer joue un rôle majeur en tant qu'oligoélément ou micronutriment pour de nombreuses espèces, et comme élément régulant l'amplitude et la dynamique de la productivité primaire océanique, ce qui en fait une composante essentielle des cycles biogéochimiques marins et des puits de carbone marins[15]. Les données récentes montrent que le cycle du fer océanique d'abord supposé lié aux apports de poussières riches en fer est en réalité bien plus complexe, et étroitement couplé biogéochimiquement avec des nutriments majeurs (carbonés, azotés)[15]. On a montré en 2017 que dans les zones pauvres en fer de l'Antarctique, le fer particulaire issu du rabotage des roches par les glaciers est une source alternative de fer que le phytoplancton sait exploiter[16]. Des études ont montré que certains phytoplanctons semblent effectivement bénéficier d'un taux élevé de CO2, mais pour assimiler ce CO2 il leur faut aussi du fer ; il est spéculé depuis la fin du XXe siècle que l'ensemencement de l'océan avec du fer pourrait aider à limiter le changement climatique. Or on découvre que chez la plupart des espèces phytoplanctoniques, ce fer n’est assimilable qu’en présence de carbonates. Problème : ces derniers sont détruits par l’acidification induite par la solubilisation du CO2 dans l’eau[17]. Corps simpleLe fer dévoile un polymorphisme métallique. L'allotropie n'en applique pas moins un changement basique du cortège des propriétés physiques (dilatation, résistivité, chaleur spécifique liée à la structure cristallochimique, etc.). Propriétés physiques C'est un métal qui, en fonction de la température, présente un évident polymorphisme métallique. L'allotropie distingue :
Le corps pur fond à 1 538 °C avec une chaleur latente de fusion qui est de l'ordre de 3,7 kcal/atome-gramme. L'ébullition du fer, caractérisée par une chaleur latente d'ébullition de l'ordre de 84,18 kcal/atome-gramme apparaît vers 2 860 °C, en pratique pour un corps simple plus ou moins impur entre 2 750 °C et 3 000 °C. Propriétés chimiquesLe fer est insoluble dans l'eau et les bases. Il est attaqué par les acides. Chimie du ferLe fer présente essentiellement trois degrés d'oxydation :
Dans les carbures, le degré d'oxydation du fer n'est pas définissable de façon univoque. On en connaît trois, de formules Fe3C, Fe5C2 et Fe7C3. À très haute température, le fer peut être présent dans des états d'ionisation bien plus élevés, dont on peut observer plusieurs raies d'émission dans l'atmosphère du Soleil et des autres étoiles. Les ions Fe9+ et Fe10+ notamment, également notés FeX et FeXI, sont détectés dans les zones de la couronne solaire portées à des températures de l'ordre de 1–1,5 × 106 K[20]. L'ion Fe16+, noté FeXVII, a la même configuration électronique que le néon, ce qui le rend stable dans une large gamme de températures (environ 2–10 × 106 K) ; on le détecte dans les éruptions solaires[21],[22]. Oxydation du métalLe fer, combiné à l'oxygène, s'oxyde, suivant les conditions en trois oxydes de fer :
À l'air libre en présence d'humidité, il se corrode en formant de la rouille, constituée d'oxydes et d'oxyhydroxydes ferriques hydratés, qu'on peut écrire Fe2O3·nH2O et FeO(OH)·nH2O respectivement. 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. La spectroscopie Mössbauer fournit un outil puissant pour la distinction des différents degrés d'oxydation du fer. Avec cette technique, il est possible de faire une analyse quantitative en présence de mélange de phases de fer. Les ions du fer en solution aqueuse En solution aqueuse, l’élément chimique fer est présent sous forme ionique avec deux valences principales :
PrécipitationUn certain nombre d'ions conduisent à la précipitation des ions du fer en solution. L'ion hydroxyde HO− est de ceux-là (voir ci-dessus). L'ion sulfure S2− permet de former le sulfure de fer(II) FeS, le sulfure de fer(III) et Fe2S3 pour des pH pas trop acides. Il faut en effet qu'une quantité raisonnable d'ions sulfure soit présents, ce qui n'est pas le cas à pH acide puisque l'ion sulfure est alors sous sa forme diacide, le sulfure d'hydrogène H2S. Oxydoréduction des ions du fer Les potentiels de référence des couples du fer sont[réf. nécessaire] :
Cela indique que le fer métallique n'est pas stable en milieu aqueux. Il s'oxyde d'autant plus vite que le pH est bas. Cela indique également qu'en présence de dioxygène dissous (E°(O2 / H2O) = 1,3 V[réf. nécessaire]), les ions fer(II) ne sont pas stables non plus. Ces potentiels de référence changent en fonction des ions présents en solution, surtout si les constantes de stabilité des complexes correspondant en Fe(II) et Fe(III) sont notablement différentes. L'oxydoréduction est une manière de titrer les ions fer(II), par exemple par les ions cérium(IV) (couple Ce4+/Ce3+) ou par les ions permanganate MnO4− (couple MnO4− / Mn2+ en milieu acide sulfurique). Bien que la réduction en fer métallique des ions du fer soit possible, elle est rarement pratiquée à partir de solution aqueuse. Complexation des ions ferDe nombreux complexes du fer en solution aqueuse se forment facilement, par simple addition du ligand (au bon pH). Parmi les complexes les plus courants se trouvent ceux impliquant les ligands :
Ces complexes permettent de préparer le bleu de Prusse ;
En chimie analytique, ce complexe permet de marquer la couleur des ions fer(III) ;
Le couple redox constitué de ces deux complexes est utilisé comme indicateur de titrage d'oxydoréduction ;
Ce complexe permet de mettre en évidence de petite quantité d'ion fer(III) en solution grâce à sa couleur caractéristique. Chimie organométalliqueLe premier complexe organométallique isolé comme tel, en 1951, fut un complexe du fer : le ferrocène. Il est constitué d'un ion fer(II) avec deux ions cyclopentadiényles C5H5−. De nombreux autres complexes ont été produits depuis, soit dérivés du ferrocène, soit de nature toute différente. Gisements 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 particulièrement riche en ce minéral. Environ une météorite sur vingt comprend de la taénite, unique alliage de minéral de fer-nickel (fer 35-80 %), et de la kamacite (fer 90-95 %). Bien que rares, les météorites de fer sont une source de fer nickelé, ce fer météorique arrivé sur la surface terrestre étant à l'origine de la sidérurgie au sens étymologique ; l'autre source naturelle de fer métal légèrement nickelé sont les gisements de fer tellurique ou fer natif des minéralogistes qui sont plus rares. La couleur rouge de la surface de Mars est due à un régolithe riche en hématite amorphe ; la planète rouge est en quelque sorte une « planète rouillée ». 90 % des gisements de minerai de fer dans le monde sont retenus dans une couche de faible épaisseur et très riche en Fe(II), la couche de fer rubané. Aux premiers temps de la vie, à l'éon Archéen vers −2 à −4 Ga, les cyanobactéries vivent dans des océans de Fe(II). Lorsqu'elles commencent à faire de la photosynthèse, l'oxygène produit est dissous et réagit avec Fe(II) pour former des oxydes de Fe(III) qui précipitent au fond des océans. Après consommation de Fe(II), l'oxygène se concentre dans les océans puis dans l'atmosphère, il constitue alors un poison pour la proto-vie. Ainsi, les gisements de fer rubané se trouvent systématiquement entre les couches géologiques des massifs cristallins (schistes, gneiss, etc.) et les couches calcaires dolomitiques (coraux) constituant les massifs préalpins. Histoire de la métallurgie du ferLe fer était connu dès le chalcolithique à travers les sites de fer telluriques et surtout les météorites de fer au fer souvent déjà allié de grande qualité, et il n'est pas assuré que sa métallurgie soit demeurée confidentielle comme on l'estime souvent jusqu'au XIIe siècle av. J.-C., époque qui marque, précisément, le début de « l'Âge du fer » : autour du XVe siècle av. J.-C. les Hittites, en Anatolie, avaient développé une assez bonne maîtrise du travail du fer, leur tradition déterminant son origine dans la région du Caucase, et cette technique semble également avoir été connue assez tôt en Inde du nord, notamment dans l'Uttar Pradesh. L'âge du fer débute au XIIIe siècle av. J.-C. en Anatolie, à la fin du XIe siècle av. J.-C. en Grèce, à la fin du Xe siècle av. J.-C. en Italie, vers le IXe siècle av. J.-C. dans le reste de l'Europe et au VIe siècle av. J.-C. en Asie orientale. Dans le monde hellénistique le fer est l'attribut d'Héphaïstos, dieu grec de la métallurgie et des volcans[23]. Chez les Romains, toujours forgé par Vulcain, avatar italique de Héphaïstos, il est un attribut princier de Mars. Les alchimistes donnèrent au fer le nom de Mars, dieu de la guerre dans la mythologie romaine. Jusqu'au milieu du 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.. Elle est courante en Europe occidentale dès le milieu du XVe siècle. L’Occident réinvente indépendamment la technique plus d'un millier d'années après la Chine. Selon le doxographe antique Théophraste, c'est Délas, un Phrygien, qui inventa le fer[24]. Les infimes changements dans les pièces de métal solide obtenues par le labeur physique du forgeron (martelage, réchauffement, alliages superficiels, etc.) sont très peu importants pour le chimiste. La chimie du fer oublie en grande partie l'appréciation extrêmement fine des forgerons ou des maitres de forges au cours de la longue histoire technique du fer. Industrie du ferExtraction de minerais de ferLes principaux pays producteurs de minerais de fer en 2013 sont[25] :
Les principales sociétés productrices de minerais de fer dans le monde sont, en 2008[26] :
En 2007, la Chine produit un tiers de l'acier mondial et 50 % des exportations de minerai de fer[27]. Recyclage La plupart des métaux à base de fer sont magnétiques. Cette propriété simplifie leur tri. Dans la deuxième moitié du XXe siècle, le faible coût des ferrailles rend les aciéries électriques plus compétitives que les hauts fourneaux. SidérurgieLe 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, d'acier, voire de fonte, mélangés avec des scories, appelée « loupe », « massiot » ou « éponge de fer ». Afin de 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. 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 au détriment de 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 sous forme de fonte qui a absorbé une partie du carbone du coke et qui fond plus facilement que le fer (température de fusion plus basse d'au moins 200 °C). Mais la fonte devra ensuite être transformée en fer. C'est aussi en ajoutant de la silice au minerai à gangue calcaire, ou du calcaire au minerai à gangue siliceuse, que l'on est passé au haut fourneau : une proportion précise de silice et de calcaire donne un laitier facilement fusible qui se sépare naturellement de la fonte liquide. Pendant longtemps les hauts fourneaux ont fonctionné au charbon de bois. Le coke, plus dur et plus abondant, a permis de faire des hauts fourneaux beaucoup 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 essentiellement 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 ou dans 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 également :
Dans certains cas, l'abondance de gaz naturel ou la difficulté d'adapter le minerai de fer au haut fourneau, ont mené à l'adoption de la filière dite de « réduction directe ». Le principe consiste à réduire le fer présent dans les minerais sans passer par l'étape de fusion (comme au bas fourneau), en utilisant des gaz réducteurs obtenus à partir d'hydrocarbures ou de charbon. Un grand nombre de procédés a été développé. En 2010, 5 % de l'acier produit sont issus de fer obtenu par réduction directe. Alliages Le fer n'est pratiquement pas utilisé à l'état pur (hormis pour résoudre certains problèmes de soudabilité, notamment sur aciers inoxydables). 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, mais 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 à la présence de chrome qui, en s'oxydant, va former une fine pellicule protectrice. ProduitsL'appellation « fil de fer » ne signifie en rien fil en fer pur, les fils de fer sont en fait fabriqués en acier doux, très 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. Utilisation biochimiqueLe fer est un élément indispensable au corps humain. Dans les toutes premières années de la vie d'un enfant, les besoins en fer alimentaire sont très importants, sous peine de carence alimentaire (anémie ferriprive). Par ailleurs, un surdosage en fer est également nocif pour la santé. En effet, une quantité trop importante de fer augmenterait le risque d'hépatite, de cancer, et pourrait être impliquée dans la maladie de Parkinson[28]. Complexe bioinorganiqueL'hémoglobine du sang est une métalloprotéine constituée d'un complexe du fer(II). Ce complexe permet aux globules rouges de transporter le dioxygène des poumons aux cellules du corps. La solubilité du dioxygène dans le sang est en effet insuffisante pour alimenter efficacement les cellules. Ce complexe est constitué d'un cation Fe(II) complexé par les quatre atomes d'azote[réf. nécessaire] d'une porphyrine et par l'azote d'un résidu histidine appartenant à la chaîne protéique. Le sixième site de complexation du fer est soit vacant, soit occupé par une molécule de dioxygène. Il est notable que le fer(II) fixe une molécule de dioxygène sans être oxydé. Cela est dû à l'encombrement du fer par la protéine. Dans l'alimentationLe 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-émotionnel du cerveau de l'enfant[29] ou exacerber les effets de certaines intoxications (saturnisme par exemple). Le fer est essentiel au transport de l'oxygène et à la formation des globules rouges dans le sang. Il est un constituant essentiel des mitochondries, puisqu'il entre dans la composition de l'hème du cytochrome c. Il joue aussi un rôle dans la fabrication de nouvelles cellules, d'hormones et de neurotransmetteurs. Comme le bœuf, les insectes sont une bonne source de fer[30]. 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. L'absorption du fer est favorisée si on le consomme avec certains nutriments, comme la vitamine C (présente par exemple dans les agrumes, le chou-fleur ou les poivrons rouges). Mettre du jus de citron sur ses aliments est donc une excellente habitude culinaire si l'on manque de fer ; par contre, un complément en vitamine C est inutile si l'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 donc son surplus s'élimine par la sudation et la voie urinaire). De même, cuisiner avec de l'ail et de l'oignon augmente la biodisponibilité du fer et du zinc présents dans le bol alimentaire[31]. En revanche son absorption est inhibée par la consommation de thé et/ou de café[32] car les tanins (polyphénols) sont des chélateurs de fer. C'est pourquoi il est recommandé aux personnes à risques (adolescentes, femmes enceintes, femmes en âge de procréer, végétariens) et buveuses de thé ou de café d'en boire plutôt une heure avant le repas ou deux heures après[33]. 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[34]. Pour la femme en ménopause et l’homme adulte, les apports journaliers recommandés de fer sont de 10 mg ; ce besoin nutritionnel est de 16 à 18 mg pour la femme de sa puberté à la ménopause[réf. souhaitée]. En pharmacieLe fer est utilisé en tant que médicament. Il est utilisé dans les cas de carences en fer (dites « carence martiale ») pouvant provoquer une asthénie, voire une anémie ferriprive. Il peut être donné par voie orale ou en injection. Production mondialeLa production mondiale de minerai de fer s'est élevée à 2,4 milliards de tonnes en 2010[35], assurée en grande partie par la Chine (37,5 %), devant l'Australie (17,5 %), le Brésil (15,4 %), l'Inde (10,8 %), la Russie (4,2 %) et l'Ukraine (3,0 %) ; les réserves mondiales de minerai de fer sont estimées à 180 milliards de tonnes, contenant 87 milliards de tonnes de fer, et sont détenues essentiellement par l'Ukraine (16,7 %), le Brésil (16,1 %) et la Russie (13,9 %). La Chine a produit 60 % du fer métallique mondial en 2010[36] (environ 600 millions sur 1 milliard de tonnes) et 45 % de l'acier mondial (environ 630 millions sur 1,4 milliard de tonnes), devant le Japon (8,2 % du fer et 7,9 % de l'acier produits dans le monde). Notes
Références
Voir aussiBibliographie
Articles connexes
Liens externes
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