Fer

Iso	AN	Période	MD	Ed	PD
Iso	AN	Période	MD	MeV	PD
⁵⁴Fe	5,845 %	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 j	β^–	0,231	⁵⁹Co
⁶⁰Fe	{syn.}	1,5×10⁶ a	β^–	3,978	⁶⁰Co

Propriétés physiques du corps simple

État ordinaire

Solide ferromagnétique

Allotrope à l’état standard

Fer α (cubique centré)

Autres allotropes

Fer γ (cubique à faces centrées), fer δ (cubique centré)

Masse volumique

7,874 g·cm^-3^{1 à (20 °C)}

4

Blanc argenté ; reflets gris

Point de fusion

1 538 °C¹

Point d’ébullition

2 861 °C¹

Énergie de fusion

13,8 kJ·mol^-1

Énergie de vaporisation

349,6 kJ·mol^-1

7,09×10⁻⁶ m³·mol^-1

7,05 Pa

4 910 m·s^-1 à 20 °C

440 J·kg^-1·K^-1

Conductivité électrique

9,93×10⁶ S·m^-1

Conductivité thermique

80,2 W·m^-1·K^-1

Solubilité

sol. dans H₂SO₄ dilué^{4, HCl⁵}

Divers

7439-89-6⁶

231-096-4

Précautions

SGH⁷

Le fer est l’élément chimique de numéro atomique 26, de symbole Fe.

Le corps simple 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 additionels modifie considérablement ses propriétés mécaniques. 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, il montre des analogies caractéristiques avec le ruthénium, l’osmium, le cobalt et le nickel.

Physico-chimie nucléaire, isotopes, fréquence

Le fer 56 est le nucléide stable le plus lourd issu de la fusion du silicium par réactions α lors de la nucléosynthèse stellaire, qui aboutit en fait au nickel 56, lequel est instable et donne du ⁵⁶Fe par deux désintégrations β⁺ successives ; les éléments de numéro atomique plus élevé sont synthétisés par des réactions plus énergétiques intervenant plutôt lors de l’explosion de supernovas.

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^9.

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.

Isotopes

Article détaillé : Isotopes du fer.

Le fer possède 28 isotopes connus, de nombre de masse variant de 45 à 72, ainsi que six isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, quatre sont stables, ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe et ⁵⁸Fe, ⁵⁶Fe étant largement le plus abondant (91,754 %), suivi de ⁵⁴Fe (5,845 % possiblement légèrement radioactif avec une demi-vie supérieure à 3,1 × 10²² années), ⁵⁷Fe (2,119 %) et ⁵⁸Fe (0,282 %). La masse atomique standard du fer est de 55,845(2) u.

Le plus stable des radioisotopes du fer est ⁶⁰Fe avec une demi-vie de 1,5 million d’années, suivi de ⁵⁵Fe (2,7 années), ⁵⁹Fe (un peu moins de 44,5 jours) et de ⁵²Fe (8,5 heures).

Occurrence et abondance naturelle

Le fer est 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 plus rarement sous forme d’alliage avec du nickel (5 à 18 %) 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. 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 est le 6^e 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 2^e position) en masse à l’oxygène, mais seulement le 4^e 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^10.

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 (carbonés, azotés)10. On a montré en 2017 que dans les zones pauvres 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^{11. Des études ont montré que certains phytoplanctons semblent effectivement bénéficier d’un taux élevé de CO₂, mais pour assimiler ce CO₂il leur faut aussi du fer ; il est spéculé depuis la fin du xx^e 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 : ces derniers sont détruits par l’acidification induite par la solubilisation du CO₂ dans l’eau12.}

Corps simple

Le fer dévoile un polymorphisme métallique. L’allotropie n’en applique pas moins un changement basique du cortège des propriétés physiques (dilatation, résistivité, chaleur spécifique liée à la structure cristallochimique, etc.).

C’est un métal qui, en fonction de la température, présente un évident polymorphisme métallique. L’allotropie distingue :

dans les conditions normales de température et de pression, c’est-à-dire aux basses températures ou « à basse température », un solide cristallinde structure cubique centré (fer α, structure appelée ferrite dans l’acier). Le fer α est fortement 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. Sa température de Curie est de 770 °C. Sa capacité calorifique est de 0,5 kJ kg⁻¹ °C⁻¹. À température ambiante, il a une dureté entre 4 et 5 sur l’échelle de Mohs. Sa masse volumique avoisine 7,86 g cm⁻³ à 20 °C. Le fer alpha est caractérisé par une chaleur de sublimation atomique équivalent à 99,6 kcal/atome-gramme à température ambiante (298 K) ;
le fer β bêta est une structure cubique face centrée obtenue au-dessus du point de Curie, vers 770 °C ou 1 042 K. Le ferromagnétisme du fer α disparaît sans réarrangement atomique ;
dès les hautes températures à pression ambiante, à partir de 912 °C, le fer α devient un fer cubique à faces centrées (fer γ, structure appelée ou austénite dans l’acier), la transformation implique une variation d’énergie interne d’environ 0,22 kcal/atome-gramme à 1 184 K. Le fer γ est paramagnétique ;
au-delà de 1 394 °C ou 1 665 K, il redevient un minéral de maille cubique centré (fer δ) ; cette transformation implique une variation d’énergie interne d’environ 0,27 kcal/atome-gramme ;
la transformation en fer ε (structure hexagonale compacte) se produit à température ambiante à 130 kilobars^{13^,14.}

Le corps pur fond à 1 538 °C avec une chaleur latente de fusion qui est de l’ordre de 3,7 kcal/atome-gramme. L’ébullition du fer, caractérisée par une chaleur latente d’ébullition de l’ordre de 84,18 kcal/atome-gramme apparaît vers 2 860 °C, en pratique pour un corps simple plus ou moins impur entre 2 750 °C et 3 000 °C.

Propriétés chimiques

Le fer est insoluble dans l’eau et les bases. Il est attaqué par les acides.

Chimie du fer

Le fer présente essentiellement trois degrés d’oxydation :

0 dans le corps simple fer et ses alliages ;
+II dans les composés ferreux (ion ferreux Fe²⁺ dans les composés ioniques) ;
+III dans les composés ferriques (ion ferrique Fe³⁺ dans les composés ioniques).

Oxydation du métal

Le fer, combiné à l’oxygène, s’oxyde, suivant les conditions en trois oxydes de fer :

l’oxyde de fer(II) FeO (« oxyde ferreux ») ;
l’oxyde de fer(III) Fe₂O₃ (« oxyde ferrique ») ;
l’oxyde de fer(II,III) Fe₃O₄ (« oxyde magnétique »).

À l’air libre en présence d’humidité, il se corrode en formant de la rouille, constituée d’oxydes et d’oxyhydroxydes ferriques hydratés, qu’on peut écrire Fe₂O₃·nH₂O et FeO(OH)·nH₂O respectivement. 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.

La spectroscopie Mössbauer fournit un outil puissant pour la distinction des différents degrés d’oxydation du fer. Avec cette technique, il est possible de faire une analyse quantitative en présence de mélange de phases de fer.

Les ions du fer en solution aqueuse

La coloration orangée rougeâtre de cette rivière est due à l’ion ferrique, Fe(III) ou Fe³⁺, dans les roches.

En solution aqueuse, l’élément chimique fer est présent sous forme ionique avec deux valences principales :

Fe²⁺ (l’ion fer(II), anciennement appelé ferreux). Suivant l’environnement chimique en solution, il peut prendre différentes couleurs. La solution obtenue par dissolution de sel de Mohr, par exemple, présente une couleur vert pâle. Une telle solution est stable pour les pH inférieurs à 6. Pour un pH supérieur à cette valeur, l’hydroxyde de fer(II) Fe(OH)₂ précipite ;
Fe³⁺ (l’ion fer(III), anciennement appelé ferrique). Les solutions de chlorure de fer(III) sont orange, et celle de nitrate de fer(III) sont incolores. Ces solutions doivent avoir un pH inférieur à 2 car l’hydroxyde de fer(III) Fe(OH)₃ est peu soluble.

Précipitation

Un certain nombre d’ions conduisent à la précipitation des ions du fer en solution. L’ion hydroxydeHO⁻ est de ceux-là (voir ci-dessus). L’ion sulfure S²⁻ permet de former le sulfure de fer(II) FeS, le sulfure de fer(III) et Fe₂S₃ pour des pH pas trop acides. 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 H₂S.

Oxydoréduction des ions du fer

Les potentiels de référence des couples du fer sont^{[réf. nécessaire]} :

Fe²⁺ / Fe : E° = −0,44 V

Fe³⁺ / Fe²⁺ : E° = +0,77 V

Cela indique que le fer métallique n’est pas stable en milieu aqueux. Il s’oxyde d’autant plus vite que le pH est bas.

Cela indique également qu’en présence de dioxygène dissous (E°(O₂ / H₂O) = 1,3 V^{[réf. nécessaire]}), les ions fer(II) ne sont pas stables non plus.

Ces potentiels de référence changent en fonction des ions présents en solution, surtout si les constantes de stabilité des complexes correspondant en Fe(II) et Fe(III) sont notablement différentes.

L’oxydoréduction est une manière de titrer les ions fer(II), par exemple par les ions cérium(IV) (couple Ce⁴⁺/Ce³⁺) ou par les ions permanganate MnO₄⁻(couple MnO₄⁻ / Mn²⁺ en milieu acide sulfurique).

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 (au bon pH). Parmi les complexes les plus courant se trouvent ceux impliquant les ligands :

ion cyanure CN⁻

pour Fe(II) : Fe(CN)₆⁴⁻, ion hexacyanoferrate(II), diamagnétique, jaune ;

pour Fe(III) : Fe(CN)₆³⁻, ion hexacyanoferrate(III), paramagnétique, orange ;

Ces complexes permettent de préparer le bleu de Prusse ;

ion fluorure F⁻

pour Fe(III) : FeF²⁺, ion fluorofer(III) incolore

En chimie analytique, ce complexe permet de marquer la couleur des ions fer(III) ;

1,10-phénantroline (o-phen en abrégé)

pour Fe(II) : Fe(ophen)₃²⁺, rouge, ions triorphophénantrolinefer(II)

pour Fe(III) : Fe(ophen)₃³⁺, vert, ions triorphophénantrolinefer(III)

Le couple redox constitué de ces deux complexes est utilisé comme indicateur de titrage d’oxydoréduction ;

ions thiocyanate SCN⁻

pour Fe(III) : Fe(SCN)²⁺, rouge sang, ion thiocyanatofer(III)

Ce complexe permet de mettre en évidence de petite quantité d’ion fer(III) 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. Il est constitué d’un ions fer(II) avec deux ions cyclopentadiényles C₅H₅⁻. De nombreux autres complexes ont été produits depuis, soit dérivés du ferrocène, soit de nature toute différente.

Gisements

Le fer est recyclable, mais son extraction n’est pas dénuée d’impact environnemental et énergétique (Mine de Erzberg, Styrie).

Article détaillé : Minerai de fer.

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 une météorite sur vingt comprend de la taénite, unique alliage de minéral de fer-nickel (fer 35-80 %), et de la kamacite (fer 90-95 %). 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 en Fe(II), la couche de fer rubané. Aux premiers temps de la vie, à l’éon Archéen vers −2 à −4 Ga, les cyanobactéries vivent dans des océans de Fe(II). Lorsqu’elles commencent à faire de la photosynthèse, l’oxygène produit est dissous et réagit avec Fe(II) pour former des oxydes de Fe(III) qui précipitent au fond des océans. Après consommation de Fe(II), 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 (schistes, gneiss, etc.) et les couches calcaires dolomitiques (coraux) constituant les massifs préalpins.

Histoire de la métallurgie du fer

Article détaillé : Histoire de la production de l’acier.

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 demeurée confidentielle comme on l’estime souvent jusqu’au xii^e siècle av. J.-C., époque qui marque, précisément, le début de « l’Âge du fer » : autour du xv^e siècle av. J.-C. les Hittites, en Anatolie, avaient développé une assez bonne maîtrise du travail du fer, leur tradition déterminant son 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^{15. Chez les Romains, toujours forgé par Vulcain, avatar italique de Héphaïstos, il est un attribut princier de Mars. 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 v^e siècle av. J.-C.. Elle est courante en Europe occidentale dès le milieu du xv^e 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^16.

Les infimes changements dans les pièces de métal solide obtenues par le labeur physique du forgeron (martelage, réchauffement, alliages superficiels, etc.) 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.

1

2

3

4,

HCl

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11. Des études ont montré que certains phytoplanctons semblent effectivement bénéficier d’un taux élevé de CO₂, mais pour assimiler ce CO₂il leur faut aussi du fer ; il est spéculé depuis la fin du xx^e 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 : ces derniers sont détruits par l’acidification induite par la solubilisation du CO₂ dans l’eau

12.

13^,

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15. Chez les Romains, toujours forgé par Vulcain, avatar italique de Héphaïstos, il est un attribut princier de Mars. Les

alchimistes

dieu de la guerre dans la mythologie romaine

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PALEO-ART – Quand les pierres nous parlent –