Fer

admin 0 Comments Articles

Fer

Occurrence, utilisations et propriétés

Le fer constitue 5 pour cent de la croûte terrestre et est deuxième en abondance après l’aluminium parmi les métaux et quatrième en abondance derrière l’oxygène, le silicium et l’aluminium parmi les éléments. Le fer, qui est le principal constituant du noyau terrestre, est l’élément le plus abondant de la Terre dans son ensemble (environ 35 %) et est relativement abondant dans le Soleil et les autres étoiles. Dans la croûte, le métal libre est rare. On le trouve sous forme de fer terrestre (allié à 2 ou 3 % de nickel) dans les roches basaltiques du Groenland et les sédiments carbonés des États-Unis (Missouri) et sous forme de fer météorique à faible teneur en nickel (5 à 7 % de nickel), la kamacite. Le nickel-fer, un alliage natif, est présent dans les dépôts terrestres (21 à 64 % de fer, 77 à 34 % de nickel) et dans les météorites sous forme de taenite (62 à 75 % de fer, 37 à 24 % de nickel). (Pour les propriétés minéralogiques du fer natif et du nickel-fer, voir éléments natifs .) Les météorites sont classées comme étant ferreuses, ferro-pierreuses ou pierreuses selon la proportion relative de leur contenu en fer et en minéraux silicatés. On trouve également du fer combiné à d’autres éléments dans des centaines de minéraux ; les plus importants en tant que minerai de fer sont l’hématite (oxyde ferrique, Fe2O3), la magnétite (tétroxyde de trifer, Fe3O4), la limonite (hydroxyde d’oxyde ferrique hydraté, FeO(OH)∙nH2O) et la sidérite (carbonate ferreux, FeCO3). Les roches ignées contiennent en moyenne environ 5 % de fer. Le métal est extrait par fusion avec du carbone (coke) et du calcaire. (Pour des informations spécifiques sur l’extraction et la production du fer, voir le traitement du fer.)

La quantité moyenne de fer dans le corps humain est d’environ 4,5 grammes (environ 0.004 pour cent), dont environ 65 pour cent sont sous forme d’hémoglobine, qui transporte l’oxygène moléculaire des poumons dans tout le corps ; 1 pour cent dans les diverses enzymes qui contrôlent l’oxydation intracellulaire ; et la plupart du reste est stocké dans le corps (foie, rate, moelle osseuse) pour une conversion future en hémoglobine. La viande rouge, le jaune d’œuf, les carottes, les fruits, le blé complet et les légumes verts fournissent la majeure partie des 10 à 20 milligrammes de fer dont un adulte moyen a besoin chaque jour. Pour le traitement des anémies hypochromiques (causées par une carence en fer), on utilise n’importe lequel d’un grand nombre de composés de fer organiques ou inorganiques (généralement ferreux).

Le fer, tel qu’on le trouve couramment, contient presque toujours de petites quantités de carbone, qui sont captées dans le coke pendant la fusion. Ceux-ci modifient ses propriétés, des fontes dures et cassantes contenant jusqu’à 4 % de carbone aux aciers à faible teneur en carbone plus malléables contenant moins de 0,1 % de carbone.

Trois véritables allotropes du fer sous sa forme pure existent. Le fer delta, caractérisé par une structure cristalline cubique centrée sur le corps, est stable au-dessus d’une température de 1 390 °C (2 534 °F). En dessous de cette température, il y a une transition vers le fer gamma, qui a une structure cubique à faces centrées (ou cubique en paquet serré) et qui est paramagnétique (capable d’être seulement faiblement magnétisé et seulement tant que le champ magnétisant est présent) ; sa capacité à former des solutions solides avec le carbone est importante dans la fabrication de l’acier. À 910 °C (1 670 °F), on observe une transition vers le fer alpha paramagnétique, dont la structure est également cubique centrée. En dessous de 773 °C (1 423 °F), le fer alpha devient ferromagnétique (c’est-à-dire qu’il peut être magnétisé en permanence), ce qui indique un changement de structure électronique mais pas de structure cristalline. Au-dessus de 773 °C (son point de Curie), il perd complètement son ferromagnétisme. Le fer alpha est un métal gris-blanc, doux, ductile et lustré, présentant une résistance élevée à la traction.

Le fer pur est assez réactif. Dans un état très finement divisé, le fer métallique est pyrophorique (c’est-à-dire qu’il s’enflamme spontanément). Il se combine vigoureusement avec le chlore lors d’un chauffage doux et également avec une variété d’autres non-métaux, y compris tous les halogènes, le soufre, le phosphore, le bore, le carbone et le silicium (les phases de carbure et de siliciure jouent un rôle majeur dans la métallurgie technique du fer). Le fer métallique se dissout facilement dans les acides minéraux dilués. Avec des acides non oxydants et en l’absence d’air, on obtient du fer au degré d’oxydation +2. En présence d’air ou lorsqu’on utilise de l’acide nitrique dilué chaud, une partie du fer passe en solution sous forme d’ion Fe3+. Les milieux très fortement oxydants, par exemple l’acide nitrique concentré ou les acides contenant du bichromate, dépassivent le fer (c’est-à-dire lui font perdre son activité chimique normale), tout comme le chrome. L’eau sans air et les hydroxydes dilués sans air ont peu d’effet sur le métal, mais il est attaqué par l’hydroxyde de sodium concentré et chaud.

Le fer naturel est un mélange de quatre isotopes stables : le fer-56 (91,66 pour cent), le fer-54 (5,82 pour cent), le fer-57 (2.

Les composés du fer peuvent être étudiés en tirant parti d’un phénomène connu sous le nom d’effet Mössbauer (phénomène d’absorption et de réémission d’un rayon gamma par un noyau sans recul). Bien que l’effet Mössbauer ait été observé pour environ un tiers des éléments, c’est surtout pour le fer (et dans une moindre mesure pour l’étain) que cet effet a été un outil de recherche majeur pour le chimiste. Dans le cas du fer, l’effet dépend du fait que le noyau du fer 57 peut être excité à un état de haute énergie par l’absorption d’un rayonnement gamma de fréquence très précise qui est influencé par l’état d’oxydation, la configuration électronique et l’environnement chimique de l’atome de fer et peut donc être utilisé comme une sonde de son comportement chimique. L’effet Mössbauer marqué du fer-57 a été utilisé dans l’étude du magnétisme et des dérivés de l’hémoglobine et pour réaliser une horloge nucléaire très précise.