Fer

    

Le fer 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 d’additions modifie considérablement ses propriétés mécaniques et, allié au carbone et avec d’autres éléments d’additions, il forme les aciers dont la sensibilité aux traitements thermomécaniques permet de diversifier encore plus les propriétés du matériau.

Généralités

Le fer fait partie du groupe des éléments à l’origine des métaux de transition et montre des analogies caractéristiques avec le ruthénium, l’osmium, le cobalt et le nickel.

Physico-chimie nucléaire, isotopes, fréquence

Le fer est le nucléide stable le plus lourd issu de la fusion du silicium par réactions lors de la nucléosynthèse stellaire, qui aboutit en fait au nickel, lequel est instable et donne du Fer par deux désintégrations et les éléments plus élevé sont synthétisés par des réactions plus énergétiques intervenant plutôt lors de l’explosion de supernovas.

Propriétés nucléaires

Le noyau de fer 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 qui, lui, a l’énergie de liaison la plus élevée par nucléon.

Le fer résulte de la désintégration naturelle du nickel, isotope instable produit au cœur d’étoiles massives par fusion du silicium 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, consommerait de l’énergie au lieu d’en libérer.

Isotopes

Le fer possède 28 isotopes connus ainsi que six isomères nucléaires et parmi ces isotopes, quatre sont stables, et la masse atomique standard du fer est de 55,845 u.

Occurrence et abondance naturelle

Le fer est l’élément le plus abondant au cœur des étoiles géantes rouges, c’est également 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 d’alliages à base de nickel, le plus souvent 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 et 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, le 6éme élément le plus abondant dans l’Univers, est formé comme « élément final » de fusion nucléaire, par fusion du silicium dans les étoiles massives. tandis qu’il compose environ 5 % 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 et est peut-être, en fait, l’élément le plus abondant sur Terre ou du moins comparable ( en juste 2éme position ) en masse à l’oxygène mais seulement le 4éme 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 biosphère

Le 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.

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, on a montré en 2017 que dans les zones pauvre 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, 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 feril, est spéculé depuis la fin du XXème 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 : les carbonates sont détruits par l’acidification induites par la solubilisation du CO2 dans l’eau.

Corps simple

Le fer dévoile un polymorphisme métallique, l ‘allotropie n’en applique pas moins un changement basique du cortège des propriétés physiques.

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 1538 °C avec une chaleur latente de fusion qui est de l’ordre de 3,7 kcal/atome-gramme et l ‘ébullition du fer, caractérisée par une chaleur latente d’ébullition de l’ordre de 84,18 kcal/atome-gramme, apparaît vers 2860 °C, en pratique pour un corps simple plus ou moins impur entre 2750 °C et 3000 °C.

Propriétés chimiques

Le fer est insoluble dans l’eau et les bases et est soluble dans les acides.

Alliages

Dans la nature, le fer est présent assez souvent sous forme d’alliage à faible ou forte teneur de nickel mais l’homme de l’art, à commencer par le forgeron, a multiplié les alliages.

Chimie du fer

Oxydation du métal

Le fer, combiné à l’oxygène, s’oxyde, à l’air libre en présence d’humidité, il se corrode en formant de la rouille, constituée d’oxydes et d’oxyhydroxydes ferriques hydratés, 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.

Les ions du fer en solution aqueuse


En solution aqueuse, l’élément chimique fer est présent sous forme ionique

Précipitation

Un certain nombre d’ions conduisent à la précipitation des ions du fer en solution. L’ion hydroxyde est de ceux-là, l’ion sulfure permet de former le sulfure de fer pour des pH pas trop acides et 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 .

Oxydoréduction des ions du fer

Les potentiels de référence indique que le fer métallique n’est pas stable en milieu aqueux, s’oxyde d’autant plus vite que le pH est bas, cela indique également qu’en présence de dioxygène dissous, les ions fer ne sont pas stables non plus et ces potentiels de référence changent en fonction des ions présents en solution, surtout si les constantes de stabilité des complexes correspondant sont notablement différentes et, 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 fer

De nombreux complexes du fer en solution aqueuse se forment facilement, par simple addition du ligand , ces complexes permettent de préparer le bleu de Prusse, en chimie analytique, ce complexe permet de marquer la couleur des ions fer, le couple redox constitué de ces deux complexes est utilisé comme indicateur de titrage d’oxydoréduction et ce complexe permet de mettre en évidence de petite quantité d’ion fer en solution grâce à sa couleur caractéristique.

Chimie organométallique

Le premier complexe organométallique isolé comme tel, en 1951, fut un complexe du fer : le ferrocène constitué d’un ions fer avec deux ions cyclopentadiényles et 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, la magnétite et la limonite, l‘oxyde magnétique ou magnétite est connu depuis l’Antiquité grecque et tire son nom du mont Magnetos, une montagne grecque particulièrement riche en ce minéral.

Environ une météorite sur vingt comprend de la taénite, unique alliage de minéral de fer-nickel, et de la kamacite, 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 et aux premiers temps de la vie, les cyanobactéries vivent dans des océans lorsqu’elles commencent à faire de la photosynthèse, l’oxygène produit est dissous et réagit avec pour former des oxydes de Fer qui précipitent au fond des océans, 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 et les couches calcaires dolomitiques constituant les massifs préalpins.

Histoire de la métallurgie du fer

Le 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 demeuré confidentielle comme on l’estime souvent jusqu’au XIIe siècle av. J.-C., époque qui marque, précisément, le début de « l’Âge du fer » : les Hittites, en Anatolie, avaient développé une assez bonne maîtrise du travail du fer autour du XVe siècle av. J.-C., dont leur tradition attribuait l’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.

Dans le monde hellénistique le fer est l’attribut d’Héphaïstos, dieu grec de la métallurgie et des volcans, chez les Romains, toujours forgé par Vulcain, avatar italique de Héphaïstos, il est un attribut princier de Mars et 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 Véme siècle av. J.-C., est courante en Europe occidentale dès le milieu du XVéme 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.

Les infimes changements dans les pièces de métal solide obtenues par le labeur physique du forgeron sont très peu importants pour le chimiste, la chimie du fer oublie en grande partie l’appréciation extrêmement fine des forgerons ou des mares de forges au cours de la longue histoire technique du fer.

Industrie du fer

Extraction de minerais de fer

Les principaux pays producteurs de minerais de fer en 2013 sont :

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

Recyclage

 

La plupart des métaux à base de fer sont magnétiques qui simplifie leur tri et dans la deuxième moitié du XXéme siècle, le faible coût des ferrailles rend les aciéries électriques plus compétitives que les hauts fourneaux.

Sidérurgie

Le fer s’obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone 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 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 sous forme de fonte qui a absorbé une partie du carbone du coke et qui fond plus facilement que le fer 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 et 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 réalisée dans une aciérie consiste essentiellement à décarburer la fonte pour obtenir un alliage plus faible en carbone : fer ou acier et 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 :

  • éliminer le soufre venant du coke chargé dans le haut-fourneau et en injectant du carbure de calcium, du magnésium et/ou de la soude, le soufre forme des sulfures qui viennent flotter parmi le laitier de la fonte qui sera alors enlevé à l’aide d’un racloir 
  • brûler le silicium dissous dans la fonte est la première réaction chimique qui se produit dans un convertisseur, est suivie immédiatement par la combustion du carbone 
  • éliminer le phosphore venant du minerai et 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 et la réaction de déphosphoration est la troisième et dernière réaction chimique recherchée dans le convertisseur.

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 » dont le principe consiste à réduire le fer présent dans les minerais sans passer par l’étape de fusion en utilisant des gaz réducteurs obtenus à partir d’hydrocarbures ou de charbon, un grand nombre de procédés a été développé et en 2010, 5 % de l’acier produit est issu de fer obtenu par réduction directe.

Alliages

Le fer n’est pratiquement pas utilisé à l’état pur, la fonte et l’acier (1 000 Mt) sont les principaux alliages :

  • la fonte contient de 2,1 % à 6,67 % de carbone 
  • l’acier contient de 0,025 % à 2,1 % de carbone, le fer étant le principal élément entrant dans sa composition 
  • en dessous de 0,025 % de carbone, on parle de « fers industriels ».

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.

Produits

L’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, l‘usage de ces matériaux est cependant désormais supplanté par des composés possédant une meilleure permittivité, par exemple dans les disques durs.

Utilisation biochimique

Le 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 et 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 impliqué dans la maladie de Parkinson.

Complexe bioinorganique

L’hémoglobine du sang est une métalloprotéine constituée d’un complexe du fer, 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 complexé par les quatre atomes d’azote 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 et il est notable que le fer fixe une molécule de dioxygène sans être oxydé, cela est dû à l’encombrement du fer par la protéine.

Dans l’alimentation

Le 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 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, 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, le fer contenu dans les végétaux est moins bien absorbé par l’organisme que celui contenu dans les aliments crus d’origine animale, 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 et 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 , même si cela ne peut pas mener à une hypervitaminose puisque la vitamine C est hydrosoluble et comme le bœuf, les insectes sont une bonne source de fer.

En revanche son absorption est inhibée par la consommation de thé et/ou de café car les tanins sont des chélateurs de fer et c’est pourquoi il est recommandé aux personnes à risques et buveuses de thé ou de café d’en boire plutôt une heure avant le repas ou deux heures après.

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.

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.

En pharmacie

Le fer est utilisé en tant que médicament et est utilisé dans les cas de carences en fer pouvant provoquer une asthénie, voire une anémie ferriprive et peut être donné par voie orale ou en injection.

Production mondiale et commerce en France

La production mondiale de minerai de fer s’est élevée toutefois à 2,4 milliards de tonnes en 2010, 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 ( 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 ), la France est nette exportatrice de fer, d’après les douanes françaises et, en 2014, le prix moyen à la tonne à l’export était de 55 €.