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Fer
Pour les articles homonymes, voir Fer (homonymie).Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26.
Sommaire
Histoire du fer
Les premières preuves de l'utilisation du fer remontent à l'âge de pierre, à partir de la découverte de petites boîtes dont les parties furent assemblées par chauffage et martelage. Il a été estimé que ces boîtes ont été fabriquées il y a plus de 2000 ans. Pendant l'âge du bronze, les Égyptiens et les peuples de l'est méditerranéen ont appris à assembler par soudage des pièces en fer. Plusieurs outils datant approximativement de 3000 ans ont été retrouvés.
Quelques objets, comme des pointes de lances, des dagues et des ornements, étaient forgés en fer provenant de météorites.
Propriétés
Propriétés physiques
Phases solides du fer en fonction de la pression et de la température.
C'est un métal qui, en fonction de 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)[réf. souhaitée] 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 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.
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 dereté entre 4 et 5 sur l'échelle de mohs.
Propriétés chimiques
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 :
- 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.
Propriétés nucléaires
Le 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[1].
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.
Occurrence et gisements
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 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 particulièrement riche en ce minéral.Environ 1 météorite sur 20 comprennent de la taenite unique alliage de minéral de fer-nickel (fer 35-80 %) et la kamacite (fer 90-95 %). Bien que 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 appelée « 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. 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. Ce travail, dit d'épuration, varie en fonction des régions et des cultures techniques. Globalement, son principe consiste à évacuer la scorie et 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, que l'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 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 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 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 :- éliminer le soufre venant du coke chargé dans le haut-fourneau. En injectant du carbure de calcium, du magnésium et/ou de la soude, le soufre va former des oxydes qui vont flotter vers le laitier de la fonte. Ce laitier sera alors enlevé à l'aide d'un racloir.
- brûler le silicium dissous dans la fonte. Cette combustion est la première réaction chimique qui se produit dans un convertisseur. Elle est suivie immédiatement par la combustion du carbone.
- éliminer le phosphore venant du minerai. Comme le soufre, cet autre élément fragilisant, on procède par réaction avec de la chaux dans le convertisseur, pour former du P2O5 qui, en allant dans le laitier, sera éliminé par séparation d'avec le fer liquide. La réaction de déphosphoration est la troisième et dernière réaction chimique recherchée dans le convertisseur
Acier et fonte
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 bien 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 :
- cubique centré en dessous de 721 °C, c'est le fer α (alpha), il est ferromanétique,
- cubique à faces centrées au-dessus de 721 °C, c'est le fer γ (gamma), il est paramagnétique.
Le fer en tant que tel n'existe que dans des usages très particuliers (bandes magnétiques par exemple) : toutes les pièces que l'on dénomme usuellement par "fer" ou "ferraille" sont en fait des aciers ou des fontes.
Diverses additions permettent d'obtenir des aciers spéciaux :
- manganèse pour améliorer la résistance à l'usure ;
- tungstène pour la dureté à haute température ;
- silicium pour améliorer l'élasticité (utilisé pour les ressorts).
Le carbone et les différents éléments d'alliage peuvent favoriser 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 parfois du molybdène ou du vanadium. Par exemple, les couverts possèdent une inscription « 18/8 » ou « 18/10 », cela signifie qu'ils contiennent 18 % de chrome et 8 ou 10 % de nickel.
Autres alliages
Il existe d'autres alliages moins connus :
- les intermétalliques Fe-Al ;
- 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[2]:
- BHP Billiton et Rio Tinto (39,6 % du marché mondial estimé en 2008, en cas de fusion)
- Vale (ex-CVRD) (Brésil) (35,7 %)
- Rio Tinto (24 % seul)
- BHP Billiton (16 % seul)
- Fortescue (5,4 %)
- Kumba (5,2 %)
- Autres (LKAB, SNIM, CVG Ferrominera, Hierro Peru, Kudremukh, CAP) (13,7%)
En 2007, la Chine produit un tiers de l'acier mondial et attire 50 % des exportations du minerai de fer[3].
Utilisation
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 également employé dans le fil de fer.
Dans l'alimentation
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 et à la formation des globules rouges dans le sang. Il est un constituant essentiel des mitochondries, puisqu'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. Toutefois, 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 son poisson 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 scorbut, et peut mener à une hypervitaminose.
En revanche son absorption est inhibée par la consommation de thé et/ou de café[4] car les tanins (polyphénols) sont des chélateurs de Fer. Les buveurs de thé en très grande quantité ont donc parfois des anémies ferriprives[5].
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[6].
Symbolique
- 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 tous les âges est l'âge de fer, constitue une des illustrations de cette valeur symbolique du fer dans les récits mythologiques.
- Les noces de fer symbolisent les 41 ans de mariage dans le folklore français.
Notes et références
- ↑ (en) The Most Tightly Bound Nuclei Les nucléides les plus solidement liés.
- ↑ Bernstein Resaerch, in Les Echos du 5 février 2008, page 35
- ↑ 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]
- ↑ voir par exemple la notice du Ferrostrane (férédétate de sodium) de Teofarma ou du Timoferol (vitamine C + Fe) d'Elerte
- ↑ http://www.passeportsante.net/fr/Maux/Problemes/Fiche.aspx?doc=anemie_ferriprive_pm#P88_7104
- ↑ Communiqué du 28 octobre 2008 en ligne
Voir aussi
Articles connexes
Lien externe
- Dossier sur le fer : Le fer tombe le masque, Futura-sciences
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