Fer

Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26.



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Élément chimique - Métal de transition - Minéral alimentaire

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Définitions :

  • (Astronomie) Météorite de type sidérite, constituée principalement de fer et de nickel; Objet en fer; Partie en fer d'une arme ou d'un outil... (source : fr.wiktionary)
  • club à tête métallique anguleuse. Le fer 1 a la trajectoire la plus longue, le fer 9 la plus courte.... (source : pacainfoeco)
  • 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
 
 
26
Fe
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Fe
Ru
Table complèteTable étendue
Informations générales
Nom, Symbole, Numéro Fer, Fe, 26
Série chimique Métaux de transition
Groupe, Période, Bloc 8, 4, d
Masse volumique 7874 kg/m3
Couleur Blanc argenté ; reflets gris
N° CAS 7439-89-6
N° EINECS 231-096-4
Propriétés atomiques
Masse atomique 55, 845 u
Rayon atomique (calc) 140 (156) pm
Rayon de covalence 125 pm
Rayon de van der Waals  ? pm
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
Température de fusion 1 534, 9 °C ; 1 808 K
Température d'ébullition 2 749, 9 °C ; 3 023 K
Énergie de fusion 13, 8 kJ/mol
Énergie de vaporisation 349, 6 kJ/mol
Volume molaire 7, 09×10−6 m3/mol
Pression de vapeur 7, 05 Pa à ? K
Vitesse du son 4910 m/s à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling) 1, 83
Chaleur massique 440 J/ (kg·K)
Conductivité électrique 9, 93×106 S/m
Conductivité thermique 80, 2 W/ (m·K)
1e Énergie d'ionisation 762, 5 kJ/mol
2e Énergie d'ionisation 1561, 9 kJ/mol
3e Énergie d'ionisation 2957 kJ/mol
4e Énergie d'ionisation 5290 kJ/mol
5e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation5}}} kJ/mol
6e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation6}}} kJ/mol
7e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation7}}} kJ/mol
8e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation8}}} kJ/mol
9e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation9}}} kJ/mol
10e Énergie d'ionisation {{{potentiel_ionisation10}}} kJ/mol
Isotopes les plus stables
iso AN Période MD Ed PD
MeV
54Fe 5, 8 % stable avec 28 neutrons
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 d β- 0, 231 59Co
60Fe {syn. } 1, 5×106 a β- 3, 978 60Co
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26.

Le nom du fer vient du latin classique ferrum : fer.

Les premières preuves de l'utilisation du fer remontent à à peu près 1700 av. J. -C., chez les Égyptiens et les Sumériens.

Quelques objets, comme des pointes de lances, des dagues et des ornements, étaient forgés en fer provenant de météorites.

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. Dans les conditions normales de pression et de température, c'est un solide cristallin de structure cubique centré (fer α ou ferrite)  ; à partir de 912 °C, il devient cubique à faces centrées (fer γ ou austénite). Au-delà de 1 394 °C, il redevient cubique centré (fer δ). Il fond à 1 535 °C.

La transformation en Feε (structure hexagonale compacte) ne se rencontre qu'à des pressions supérieures à 110 kilobars.


Capacité calorifique = 0, 5 kJ/kg/°C

Conductivité thermique de l'acier noir = 47 à 58 W/m/°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 riches en fer liquide dans la couche externe du noyau terrestre (noyau externe) 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.

Laissé à 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 :

  • Fe2+ (le fer ferreux) qui présente une faible couleur verte ;
  • Fe3+ (le fer ferrique) qui possède une couleur rouille caractéristique. Fe3+ peut être réduit par du cuivre métallique, par exemple, réaction à l'origine du procédé de gravure des circuits imprimés par le trichlorure de fer, FeCl3.

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

Le noyau de l'atome de fer 56 est l'isotope — qui est toujours fréquemment — reconnu comme le plus "stable" de l'ensemble des isotopes des éléments chimiques, car il possèderait l'énergie de liaison par nucléon la plus élevée. En réalité, il se situe en 3e position sur cette échelle, particulièrement près du fer 58, et du nickel 62, dont ce dernier a ses nucléons les plus liés de tous[1].
Néanmoins l'isotope du fer 56 a la plus faible masse par nucléons (liés) , notion plus subtile, car son rapport protons/neutrons est plus élevé (26/30) que pour le nickel 62 (28/34) [2]. Même s'il n'a pas (de peu) le plus grand défaut de masse par nucléon.
Ce qui fait qu'un nucléon (dans le noyau de fer 56) a la plus faible masse que dans l'ensemble des autres noyaux : 930, 174 MeV[3].

Le fer est le dernier élément pouvant être produit par les réactions de fusion au cœur des étoiles (si celles-ci pèsent au moins 5 masses solaires)  ; et par conséquent l'élément le plus "lourd" dont la formation ne nécessite pas un évènement cataclysmique comme une supernova.
Il faut préciser que si les éléments plus "lourds" requièrent bien à l'origine l'explosion d'une supernova, c'est bien dans ces explosions que l'immense majorité du fer est aussi constitué !

Le fer 56 est l'isotope le plus produit (le plus abondant) dans ce groupe des isotopes les plus liés, même s'il n'est pas, en toute rigueur le plus lié de tous. Il apparait plus aisément en fin des chaines de fusion, expliquant son abondance relative.

Dans la nature, les minerais de fer exploitables sont principalement des oxydes : surtout l'hématite Fe2O3, la magnétite Fe3O4 et la limonite HFeO2.

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.

Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone (CO) provenant du carbone, les oxydes 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 la réduction des oxydes de fer à une température supérieur au point de fusion du fer. Le métal est produit en phase liquide, formant la fonte. Dans ce cas, les déchets minéraux, nommés laitiers, sont scindés du métal.

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 : ce fondant permet la formation de laitier, et permet au fer d'absorber du carbone pour faire de la fonte bien liquide, car sa température de fusion est 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 moins pure.

Pour obtenir un métal forgeable, il faut affiner la fonte. Cette étape consiste à décarburer la fonte pour obtenir un alliage plus faible en carbone : fer ou acier. Ici encore, les techniques d'élaboration du métal en haut-fourneau fluctuent suivant les régions, des cultures techniques et des produits qu'on veut obtenir.

Actuellement : les oxydes de fer (minerais) sont réduits par le monoxyde de carbone obtenu par la réaction du coke et de l'air dans un haut fourneau. On obtient de la fonte liquide et du laitier liquide.

La fonte est transformée en acier au convertisseur. Dans cette cuve, on souffle de l'oxygène sur la fonte pour en éliminer le carbone.

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

L'acier et la fonte sont des alliages de fer contenant une faible proportion de carbone en masse, mais une proportion énormément plus importante en nombre d'atomes (55, 845 ÷ 12 = 4, 65 fois plus)  :

  • la fonte contient de 2, 1 % à 6, 67 % de carbone ;
  • l'acier contient de 0, 025 % à 2, 1 % de carbone ;
  • en-dessous de 0, 025 % de carbone, on parle de fers industriels ; selon la température, les atomes de fer «pur» adoptent une organisation différente :

Le fer comme tel n'existe que dans des usages particulièrement spécifiques (bandes magnétiques par exemple)  : l'ensemble des pièces qu'on dénomme habituellement par "fer" ou "ferraille" sont en fait des aciers ou des fontes.

Diverses additions permettent d'obtenir des aciers spéciaux :

Le carbone et les différents éléments d'alliage peuvent faciliter la structure α (éléments alphagènes) ou γ (éléments gammagènes).

Les aciers inoxydables sont des alliages contenant de fortes proportions de chrome. On peut aussi y ajouter du nickel et quelquefois du molybdène ou du vanadium. A titre d'exemple, les couverts possèdent une inscription «18/8» ou «18/10», cela veut dire qu'ils contiennent 18 % de chrome et 8 ou 10 % de nickel.

Il existe d'autres alliages moins connus :

Industrie de l'extraction de minerais de fer

Les principaux producteurs de minerais de fer dans le monde sont , en 2008[4] :

En 2007, la Chine produit un tiers de l'acier mondial et attire 50 % des exportations du minerai de fer[5].

Le fer est beaucoup utilisé sous forme d'acier dans la construction métallique

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.

Le fer est aussi employé dans le fil de fer.

Icône de détail Article détaillé : Teneur en fer des aliments.

Le fer est un des sels minéraux qu'on retrouve dans les aliments.

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 d'origine animale (fer "héminique") Fe2+ ou fer ferreux. Cependant, l'absorption du fer des végétaux est favorisée si on le consomme avec certains nutriments, comme la vitamine C. En revanche son absorption est inhibée par la consommation de thé et/ou de café.

L'accumulation de fer dans l'organisme entraine 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[6].

  • Le fer symbolise la solidité (ex.  : Le pot de terre et le pot de fer, la fable de Jean de La Fontaine).
  • Dans la mythologie le fer symbolise la corruption ou la déchéance, par opposition à l'or, métal plus noble. Le mythe des races, d'Hésiode, où le dernier et le pire de l'ensemble des âges est l'âge de fer, forme une des illustration de cette valeur symbolique du fer dans les récits mythologiques.
  • Les noces de fer symbolisent les 41 ans de mariage dans le folklore français.

  1. (en) The Most Tightly Bound Nuclei Les nucléides les plus solidement liés.
  2. Voir article : (en) Iron-56
  3. Voir article : (en) Nickel-62
  4. Bernstein Resærch, in Les Echos du 5 février 2008, page 35
  5. 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]
  6. Communiqué du 28 octobre 2008 en ligne

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