Le fer est un métal gris portant le numéro atomique 26 et le symbole « Fe ». On le rencontre sous diverses formes de minerais dans la nature. À l’état pur, cet élément constitue un métal de transition ductile. Cependant, l’adjonction de très faibles quantités d’éléments additionnels bouleverse ses propriétés mécaniques. Le Fe forme des aciers lorsqu’il est allié au carbone ainsi qu’à d’autres composants d’addition. Tout ce qui concerne cet élément chimique se trouve dans cet article.
Le Fe est inclus dans le groupe des éléments à l’origine des métaux de transition. Il présente des analogies caractéristiques avec l’osmium, le ruthénium, le nickel et le cobalt. Voici davantage de détails.
Le mot « fer » est issu du latin « ferrum ». Lorsqu’il désigne le métal, il ne peut se mettre au pluriel ni encore moins directement avec un numéral. On ne peut donc le dénombrer. Le mot latin « ferrum » fait partie de la famille de sens de « firmus » signifiant « ferme » ou « solide ».
Le nom de l’élément en espagnol (hierro) et sa traduction anglaise (iron) partagent le même sens que celui du latin, inspirés tous deux d’une origine celtique. Rattachés au radical « aes » (« airin » et autres métaux) et à une origine indo-européenne revisitée « heuis » ou « aios », signifiant « métal » dans le cadre du cuivre, du bronze ou du fer.
Le 56Fe constitue le nucléide stable le plus lourd provenant de la fusion du silicium grâce à des réactions alpha. Cela se passe durant la nucléosynthèse stellaire du 56Ni instable qui donne du 56Fe suite à deux désintégrations β+ successives. Des réactions plus énergétiques synthétisent les éléments avec un numéro atomique plus élevé. Elles interviennent notamment dans l’explosion des supernovas.
Le noyau du fer 56 dispose de la masse par nucléon la moins élevée parmi tous les nucléides. Cependant, il ne possède pas l’énergie de liaison la plus accrue. Cela est dû à la proportion de protons un peu plus grande que le nickel 62, dont l’énergie de liaison par nucléon est la plus importante.
Le 56Fe est issu de la désintégration naturelle du 56Ni. Il s’agit d’un isotope stable produit au sein d’étoiles massives grâce à la fusion du silicium. Cela se fait durant les réactions α en cascade qui s’arrêtent au nickel. En effet, comme mentionné auparavant, ce dernier dispose de l’énergie de liaison nucléaire par nucléon la plus élevée. Si l’on fait poursuivre la fusion, il est possible de produire du 60Zn. Cependant, cela consomme de l’énergie au lieu d’en libérer.
Le fer possède 28 isotopes connus et six isomères nucléaires. Leur nombre de masse se situe entre 45 et 72. Seuls quatre de ses isotopes sont stables : le 54Fe, le 56Fe, le 57Fe et le 58Fe. Le second est notamment le plus abondant (91,754 %). Le premier est le suivant, avec un pourcentage de 5,845 %. Il est légèrement radioactif avec une demi-vie allant au-delà de 3,1 × 1022 années. Le 57Fe est le troisième avec une abondance de 2,119 %, tandis que le 58Fe se place en dernier avec 0,282 %. La masse atomique standard du fer est de 55,845. Le radio-isotope le plus stable de l’élément est le 60Fe. Il dispose d’une demi-vie de 1,5 million d’années. Le 55Fe est le suivant avec 2,7 ans. Vient ensuite le 59Fe disposant d’un peu moins de 44,5 j de demi-vie, suivi du 52Fe avec 8,5 h.
Le Fe est le métal le plus abondant dans les météorites et dans le noyau des planètes. À l’évidence, cela s’applique aussi à la Terre.
Le Fe minéral se présente souvent à l’état pur dans la nature. Il l’est rarement sous forme d’alliage avec du nickel (5 % à 18 %) d’origine météoritique et de Fe terrestre dit « tellurique ». Il est relativement rare et, notamment, disséminé. Ainsi, les forgerons et les sidérurgistes préféraient le fabriquer artificiellement et massivement dans certaines civilisations anciennes. Ils le faisaient il y a près de trois millénaires grâce à ses principaux minerais et cela continue jusqu’à nos jours. Les combinaisons chimiques et minérales incluant le Fe sont pléthoriques. Cependant, les véritables minerais purs avec une forte teneur en Fe sont difficiles à trouver et se trouvent dans les mines de fer souvent de haute antiquité.
Le Fe est le sixième élément le plus abondant de l’Univers. Il est formé comme « élément final » de fusion nucléaire grâce à la fusion du silicium dans les étoiles massives. En termes de masse, il occupe 5 % de la croûte terrestre. En effet, le noyau de la planète est supposé se composer majoritairement d’un alliage de fer-nickel. Cet élément remplit également les 35 % du poids du globe dans sa totalité. Il s’agit aussi du deuxième élément le plus abondant du monde si on le compare à l’oxygène du point de vue de la masse. Le Fe est aussi le quatrième élément le plus répandu dans la croûte terrestre. Le champ magnétique de la planète est issu de l’alliage liquide fer-nickel des courants de convection. Ceux-ci se trouvent notamment dans la couche externe du noyau de la Terre.
Le rôle de cet élément chimique en tant qu’oligoélément et micronutriment est majeur pour une multitude d’espèces vivantes. Il s’agit d’une substance qui régule l’amplitude et la dynamique de la productivité primaire océanique. Il représente ainsi une composante incontournable des cycles biogéochimiques marins et des puits de carbone marins.
Selon les études réalisées, le cycle du Fe océanique lié aux apports de poussières riches en cet élément est bien plus complexe. Ainsi, il se trouve étroitement couplé biogéochimiquement avec des nutriments majeurs (carbonés, azotés).
En 2017, une théorie a pu être démontrée grâce à des recherches menées dans les régions pauvres en fer de l’Antarctique. L’élément issu du rabotage des roches par les glaciers constitue une source alternative de Fe que les phytoplanctons savent exploiter. Certains de ces derniers peuvent notamment bénéficier d’un taux élevé de CO2. Cependant, pour l’assimiler, le fer leur est indispensable. De nombreux chercheurs ont pensé depuis la fin du XXe siècle que l’ensemencement de l’océan avec l’élément contribue à réduire le changement climatique. Chez la plupart des espèces phytoplanctoniques, ce Fe n’est assimilable qu’en présence de carbonates. Néanmoins, le problème est que l’acidification induite par la solubilisation du CO2 dans l’eau anéantit ces derniers.
Le fer est sujet au polymorphisme métallique. Cela dépend de certaines conditions. Il peut aussi s’oxyder. Voici quelques détails.
Les propriétés physiques du Fe dépendent de la température et de la pression. À cet effet, il peut présenter un polymorphisme en fonction de la chaleur. L’allotropie distingue que dans les conditions normales de température et de pression, on obtient un solide cristallin de structure cubique centrée. On parle notamment de fer α, une structure dénommée ferrite dans l’acier. Celui-ci est relativement ferromagnétique. Sous l’influence d’un champ magnétique externe, les moments magnétiques des atomes s’alignent. Après disparition de ce champ, ils conservent l’orientation issue du procédé. La température de Curie de ce type de Fe est de 770 °C, avec une capacité calorifique de 0,5 kJ.kg-1 °C-1. À température ambiante, la dureté de l’élément se situe entre quatre et cinq sur l’échelle de Mohs. Sa masse volumique est de 7,86 g/cm-3 à 20 °C. Le fer α dispose d’une chaleur de sublimation atomique de 99,6 kcal/atome-gramme à température ambiante (298 K).
Quant au ferromagnétisme du Fe α, il disparaît sans réarrangement atomique. De structure cubique face centrée, le fer bêta est acquis au-delà du point de Curie, soit vers 770 ºC ou 1 042 K.
Sous de hautes températures et à pression ambiante, soit à compter de 912 °C, le fer alpha se transforme en Fe cubique à faces centrées. Il s’agit du fer γ (sa solution, additionnée à du carbone dissous, s’appelle « austénite »). La transformation requiert une variation d’énergie interne de près de 0,22 kcal/atome-gramme à 1 184 K. Il faut noter que le Fe γ est paramagnétique.
Au-delà de 1 394 °C ou de 1 665 K, le Fe α redevient un minéral de maille cubique centrée, sous forme de Fe δ. La variation d’énergie interne est estimée à 0,27 kcal/atome-gramme.
Pour aboutir à une transformation en fer ε, une structure hexagonale compacte, la température doit atteindre les 130 kbar.
Le corps pur de l’élément fond à 1 538 °C. La chaleur latente de fusion, quant à elle, est de 3,7 kcal/atome-gramme. L’ébullition du Fe se caractérise par une chaleur latente de 84,18 kcal/atome-gramme. Elle arrive une fois que l’élément est exposé à une température de 2 860 °C. Pour un corps simple relativement impur, cela se situe entre 2 750 °C et 3 000 °C.
Le fer est insoluble dans l’eau ainsi que dans les bases. Par contre, les acides peuvent l’attaquer. Voici plus de détails sur ses propriétés chimiques.
Cet élément présente trois degrés d’oxydation :
Il n’est pas possible de définir de manière univoque le degré d’oxydation du fer dans les carbures. Cependant, trois sont connues. Leurs formules sont : Fe3C, Fe5C2 et Fe7C3.
Une fois exposé à une température très élevée, le Fe est éventuellement présent dans des états d’ionisation bien plus élevés. Il est possible de constater une multitude de raies d’émission dans l’atmosphère du Soleil et des autres étoiles.
Les ions Fe9+ et Fe10+ (respectivement notés FeX et FeXI) se trouvent notamment dans les zones à la couronne solaire portées à des températures de 1-1,5 × 106 K.
Le Fe16+ (noté FeXVII) dispose de la même configuration électronique que le néon. Il est stable dans un large éventail de températures (aux alentours de 2-10 × 106 K). On peut notamment le trouver dans les éruptions solaires.
Associé à l’oxygène, le Fe s’oxyde selon les conditions en trois oxydes de fer. Il s’agit tout d’abord d’oxyde ferreux (FeO). Ensuite, on a l’oxyde ferrique (Fe2O3) et l’oxyde magnétique (Fe3O4).
À l’air libre et en présence d’humidité, le Fe présente une corrosion et forme de la rouille. Celle-ci se compose d’oxydes et d’oxyhydroxydes ferriques hydratés. Les formules de ces derniers sont respectivement Fe2O3 nH2O et FeO
(OH) nH2O. La rouille est un matériau poreux. À cet effet, l’oxydation peut atteindre le cœur du métal à l’inverse de l’aluminium. Ce dernier forme une couche fine qui sert de tampon imperméable entre l’air et le métal.
Il est possible d’utiliser un outil puissant tel que la spectroscopie Mössbauer pour distinguer les différents degrés d’oxydation du Fe. Cette technique permet de réaliser une analyse quantitative en présence de mélange de phases de Fe.
La raison de la coloration orangé-rougeâtre d’une rivière est la présence d’ion ferrique Fe(III) ou Fe3+ dans les roches.
En solution aqueuse, le fer est présent sous forme ionique avec deux valences principales. Tout d’abord, on a le Fe2+ ou l’ion Fe(II) connu anciennement sous l’appellation « ferreux ». Selon le milieu chimique en solution dans lequel il se trouve, il peut prendre différentes couleurs. Ainsi, par la dissolution de sel de Mohr on obtient par exemple une couleur vert pâle. La solution est stable pour les pH inférieurs à six. Pour ceux qui sont supérieurs, l’hydroxyde de Fe(II) Fe(OH)2 précipite.
Ensuite, on a le Fe3+ anciennement connu sous le nom de « ferrique ». Les solutions de chlorure de Fe(III) sont orange. En revanche, celles de nitrate de Fe(III) sont incolores. Elles doivent notamment avoir un pH inférieur à deux, vu que le Fe(OH)3 est peu soluble.
Il existe plusieurs ions qui peuvent mener Ă la prĂ©cipitation de ceux du fer en solution. On peut par exemple citer l’hydroxyde HO–. Il est possible de former du sulfure de Fe(II) et (III), respectivement FeS et Fe2S3, avec l’ion sulfure S2-. Cela est valable pour des pH pas trop acides. Ă€ l’évidence, il faut une quantitĂ© raisonnable de S2-, alors que ce n’est pas le cas Ă pH acide. En effet, l’ion est sous sa forme diacide en tant que sulfure d’hydrogène (H2S).
Les potentiels de référence des couples du fer sont les suivants :
Fe2+/Fe : E° = -0,44 V
Fe3+/Fe2+ : E° = +0,77 V
Grâce à cela, on peut conclure que le Fe métallique n’est pas stable en milieu aqueux. Plus le pH est bas, plus il s’oxyde vite.
En outre, on sait qu’en présence de dioxygène dissous, E°(O2/H2O) = 1,3 V. Les ions Fe(II) ne sont pas non plus stables. Les potentiels de référence varient selon les ions présents dans la solution. Cela arrive surtout lorsque les constantes de stabilité complexes correspondant en Fe(II) et en Fe(III) sont relativement différentes.
L’oxydoréduction aide à tirer les ions Fe(II) par des ions cérium(IV) (couple Ce4+/Ce3+). Cela peut aussi se faire avec des ions permanganate MnO4- (couple MnO4-/Mn2+ en milieu acide sulfurique). On pratique rarement la réduction en Fe métallique des ions du Fe à partir de solutions aqueuses.
Toujours concernant le fer, une multitude de complexes en solution aqueuse se forment aisément juste par addition du ligand. Cela doit, cependant, se faire au bon pH.
Les complexes les plus courants sont ceux qui impliquent des ligands. On a par exemple l’ion cyanure CN–. Pour le Fe(II), on a du Fe(CN)64-, un ion hexacyanoferrate(II) et diamagnĂ©tique jaune. Pour le Fe(III), on a du Fe(CN)63-, un ion hexacyanoferrate(III) et paramagnĂ©tique orange. Ces complexes servent notamment Ă prĂ©parer le bleu de Prusse.
Avec l’ion fluorure F–, pour le Fe(III), on a du FeF2+, un ion fluorofer(III) incolore. En chimie analytique, il est possible de marquer la couleur des ions Fe(III) avec ce complexe.
Ensuite, avec 1,10-phénantroline (o-phen en abrégé), on a, pour le Fe(II), du Fe(ophen)32+ rouge et des ions triorphophénantrolinefer(II). Pour le Fe(III), on a du Fe(ophen)33+ vert et des ions triorphophénantrolinefer(III). Le couple redox avec ces deux complexes agit comme un indicateur de titrage d’oxydoréduction.
Enfin, avec les ions thiocyanate SCN–, pour le Fe(III), on a du Fe(SCN)2+ rouge sang et un ion thiocyanatofer(III). Ce complexe aide Ă mettre en Ă©vidence une quantitĂ© minime d’ions de Fe(III) en solution grâce Ă une couleur spĂ©cifique.
Le premier complexe organométallique, isolé en 1951, est celui du fer appelé « ferrocène ». Il se compose d’un ion Fe(II) et de deux ions cyclopentadiényles C5H5-. Les autres complexes produits plus tard sont dérivés du ferrocène ou de toute autre nature.
Une grande partie du Fe présent sur Terre est combiné à l’oxygène dans les minerais d’oxyde de fer. Cela donne de l’hématite (Fe2O3), de la magnétite (Fe3O4) et de la limonite (Fe2O3•nH2O). On connaît l’oxyde magnétique ou la magnétite (Fe3O4) depuis l’Antiquité grecque. Il doit son nom au mont Magnetos, une montagne grecque très riche en ce minéral.
Selon les recherches menées, environ une météorite sur vingt présente de la kamacite (Fe 90 à 95 %) et de la taénite. Cette dernière est le seul alliage de minéral de fer-nickel (Fe 35 à 80 %). Toutes deux sont rares, mais les météorites de Fe existent. Elles sont notamment des sources de Fe nickelé. Le Fe météoritique, arrivé sur Terre, est à l’origine de la sidérurgie au sens étymologique. Les gisements de Fe tellurique ou de Fe natif des minéralogistes plus rares sont une autre source de Fe métal légèrement nickelé.
Un régolithe riche en hématite amorphe explique notamment la couleur rouge de la surface de Mars. Cette planète rouge est donc en quelque sorte une « planète rouillée ».
La quasi-totalité (90 %) des gisements de minerai de Fe du monde se trouve dans une couche de faible épaisseur. Celle-ci est très riche en Fe(II). Il s’agit de la couche de fer rubané. Aux premiers temps de la vie, à l’éon Archéen entre -2 et -4 Ga, des cyanobactéries vivaient dans des océans de Fe(II). Ils ont commencé à faire de la photosynthèse et l’oxygène produit était dissous et réagissait avec le Fe(II). Il a ensuite formé des oxydes de Fe(III) pour finir par précipiter au fond des océans. Suite à la consommation de Fe(II), l’oxygène s’est concentré dans les eaux puis dans l’atmosphère. Cela a constitué un véritable poison pour la proto vie de l’époque. Ainsi, on trouve systématiquement les gisements de fer rubané entre les couches géologiques des massifs cristallins et les couches calcaires dolomitiques. Ces derniers constituent notamment les massifs préalpins.
L’élément est connu depuis le chalcolithique. Cela s’est fait à travers les sites de Fe telluriques et notamment les météorites de Fe au Fe habituellement déjà allié de grande qualité. On ne peut pas affirmer que sa métallurgie est restée confidentielle même si l’on a pu l’estimer jusqu’au XIIe siècle av. J.-C. Cette époque marque notamment le début de l’Âge du fer vers le XVe siècle av. J.-C. Les Hittites, situés en Anatolie, ont développé une maîtrise assez bonne du travail de l’élément. L’origine de la tradition se trouve dans la région Caucase. Cependant, cette technique est également connue assez tôt dans l’Inde du Nord (dans l’Uttar Pradesh).
Dans le monde hellénistique, cet élément est un cadeau d’Héphaïstos. Ce dernier est le dieu grec de la métallurgie et des volcans. Par contre, selon les Romains, Vulcain, avatar italique d’Héphaïstos, est celui qui l’a forgé. Il constituerait également un attribut princier de Mars. Dans la mythologie romaine, il s’agit du dieu de la guerre. Les alchimistes ont alors donné son nom au fer.
Jusqu’au milieu du Moyen Âge, l’Europe raffina la substance par le biais de bas fourneaux qui ne produisent pas de fonte. La technique inverse (de hauts fourneaux) produit, quant à elle, de la fonte brute grâce à du charbon de bois et du minerai de Fe. Le peuple chinois a notamment mis au point cette dernière technique au milieu du Ve siècle av. J.-C. Elle est ensuite devenue courante en Europe occidentale à partir du milieu du XVe siècle.
Plus d’un millier d’annĂ©es après les Chinois, les Occidentaux rĂ©inventent indĂ©pendamment la technique. D’après le doxographe antique ThĂ©ophraste, DĂ©las, un Phrygien, est celui qui a inventĂ© le fer.
Les chimistes ont tendance à négliger les infimes changements dans les pièces de métal solide obtenues par le labeur physique du forgeron. Cela concerne notamment le martelage, le réchauffement, les alliages superficiels, etc. La chimie du Fe oublie souvent l’appréciation relativement fine des forgerons ou des mares de forges durant la longue histoire de l’élément.
Le Fe est recyclable. En revanche, son extraction agit grandement sur l’environnement. Voici davantage de détails sur l’industrie de cet élément.
Le tableau suivant énonce la production minière mondiale de minerai de fer, par pays, aux dernières nouvelles (en 2021).
à partir de 49€
Made in France
Ă€ l’Ă©coute, disponible 7j/7
Sous 14 jours, satisfait ou remboursé
PayPal, CB, Visa, Mastercard, Virement bancaire
4x sans frais dès 30€ d’achat avec PayPal