Fer

Le fer ( / ˈ aɪ ər n / ) est un élément chimique avec le symbole Fe (du latin : ferrum ) et le numéro atomique 26. C’est un métal qui appartient à la Première série de transition et au groupe 8 du tableau périodique . C’est, en masse, l’élément le plus courant sur Terre , juste devant l’oxygène (32,1% et 30,1%, respectivement), formant une grande partie du Noyau externe et interne de la Terre.. C’est le quatrième élément le plus commun de la croûte terrestre .

Fer, ₂₆ Fe

Fer
Allotropes	voir Allotropes de fer
Apparence	métallique brillant avec une teinte grisâtre
Masse atomique standard A r, std (Fe)	55.845(2) [1]
Fer dans le tableau périodique
Hydrogène Hélium Lithium Béryllium Bore Carbone Azote Oxygène Fluor Néon Sodium Magnésium Aluminium Silicium Phosphore Soufre Chlore Argon Potassium Calcium Scandium Titane Vanadium Chrome Manganèse Fer Cobalt Nickel Cuivre Zinc Gallium Germanium Arsenic Sélénium Brome Krypton Rubidium Strontium Yttrium Zirconium Niobium Molybdène Technétium Ruthénium Rhodié Palladium Argent Cadmium Indium Étain Antimoine Tellure Iode Xénon Césium Baryum Lanthane Cérium Praséodyme Néodyme Prométhium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutétium Hafnium Tantale Tungstène Rhénium Osmium Iridium Platine Or Mercure (élément) Thallium Mener Bismuth Polonium astate Radon francium Radium Actinium Thorium Protactinium Uranium Neptunium Plutonium Américium Curium Berkélium Californie Einsteinium fermium Mendélévium nobélium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Roentgenium copernic nihonium Flerovium Moscovium Livermorium Tennessee Oganesson – ↑ Fe ↓ Ru manganèse ← fer → cobalt
Numéro atomique ( Z )	26
Grouper	groupe 8
Période	période 4
Bloc	d-bloc
Configuration électronique	[ Ar ] 3d 6 4s 2
Électrons par coquille	2, 8, 14, 2
Propriétés physiques
Phase à STP	solide
Point de fusion	1811 K ​(1538 °C, ​2800 °F)
Point d’ébullition	3134 K ​(2862 °C, ​5182 °F)
Densité (près de rt )	7,874 g/cm 3
lorsqu’il est liquide (à mp )	6,98 g/cm 3
Température de fusion	13,81 kJ/mole
Chaleur de vaporisation	340 kJ/mole
Capacité calorifique molaire	25,10 J/(mol·K)
La pression de vapeur P (Pa) 1 dix 100 1 k 10k 100k à T (K) 1728 1890 2091 2346 2679 3132
Propriétés atomiques
États d’oxydation	−4, −2, −1, 0, +1, [2] +2 , +3 , +4, +5, [3] +6, +7 [4] (un oxyde amphotère )
Électronégativité	Échelle de Pauling : 1,83
Énergies d’ionisation	1er : 762,5 kJ/mol 2ème : 1561,9 kJ/mol 3ème : 2957 kJ/mol ( plus )
Rayon atomique	empirique : 126 h
Rayon covalent	Essorage faible : 132 ± 15 h Essorage élevé : 152 ± 18 h
Rayon de Van der Waals	194 [1] h
Lignes spectrales de fer
Autres propriétés
Occurrence naturelle	primordial
Structure en cristal	​cubique centré sur le corps (bcc) un = 286,65 h
Structure en cristal	​cubique à faces (fcc) entre 1185 et 1667 K ; un =364.680 pm
Vitesse du son tige mince	5120 m/s (à ta ) (électrolytique)
Dilatation thermique	11,8 μm/(m⋅K) (à 25 °C)
Conductivité thermique	80,4 W/(m⋅K)
Résistivité électrique	96,1 nΩ⋅m (à 20 °C)
Point de Curie	1043 K
Commande magnétique	ferromagnétique
Module d’Young	211 GPa
Module de cisaillement	82 GPa
Module de masse	170 GPa
Coefficient de Poisson	0,29
Dureté de Mohs	4
Dureté Vickers	608 MPa
Dureté Brinell	200–1180 MPa
Numero CAS	7439-89-6
Histoire
Découverte	avant 5000 avant JC
Symbole	« Fe » : du latin ferrum
Principaux isotopes du fer
Isotope Abondance Demi-vie ( t 1/2 ) Mode de déclin Produit 54 Fe 5,85 % écurie 55 Fe syn 2,73 ans ε 55 Mn 56 Fe 91,75 % écurie 57 Fe 2,12 % écurie 58 Fe 0,28 % écurie 59 Fe syn 44,6 j β- _ 59 Co 60 Fe trace 2,6×10 6 ans β- _ 60 Co
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Dans son état métallique, le fer est rare dans la croûte terrestre , limité principalement au dépôt par les Météorites . Les minerais de fer , en revanche, sont parmi les plus abondants de la croûte terrestre, bien que leur extraction de métal utilisable nécessite des fours ou des fours capables d’atteindre 1 500 °C (2 730 °F) ou plus, soit environ 500 °C (932 °F) de plus. que celle requise pour fondre le cuivre . Les humains ont commencé à maîtriser ce processus en Eurasie au cours du 2e millénaire avant notre ère et l’utilisation d’ outils et d’armes en fer a commencé à déplacer les alliages de cuivre ., dans certaines régions, seulement vers 1200 avant notre ère. Cet événement est considéré comme la transition de l’ âge du bronze à l’ âge du fer . Dans le Monde moderne , les alliages de fer, tels que l’ acier , l’ acier inoxydable , la fonte et les aciers spéciaux , sont de loin les métaux industriels les plus courants, en raison de leurs propriétés mécaniques et de leur faible coût. La sidérurgie est donc très importante économiquement, et le fer est le métal le moins cher, avec un prix de quelques dollars le kilogramme ou la livre (voir Métaux#usages ).

Les surfaces en fer pur immaculées et lisses sont gris argenté comme un miroir. Cependant, le fer réagit facilement avec l’oxygène et l’eau pour donner des oxydes de fer hydratés bruns à noirs , communément appelés rouille . Contrairement aux oxydes de certains autres métaux, qui forment des couches de passivation , la rouille occupe plus de volume que le métal et s’écaille donc, exposant les surfaces fraîches à la corrosion. Bien que le fer réagisse facilement, le fer de haute pureté, appelé fer électrolytique , a une meilleure résistance à la corrosion.

Le corps d’un être humain adulte contient environ 4 grammes (0,005 % du poids corporel) de fer, principalement sous forme d’ hémoglobine et de myoglobine . Ces deux protéines jouent des rôles essentiels dans le métabolisme des vertébrés , respectivement le transport de l’oxygène par le sang et le stockage de l’oxygène dans les muscles . Pour maintenir les niveaux nécessaires, le métabolisme du fer humain nécessite un minimum de fer dans l’alimentation. Le fer est également le métal sur le site actif de nombreuses Enzymes redox importantes traitant de la respiration cellulaire et de l’oxydation et de la réduction chez les plantes et les animaux. ^[5]

Chimiquement, les états d’oxydation du fer les plus courants sont le fer(II) et le fer(III) . Le fer partage de nombreuses propriétés avec d’autres métaux de transition , y compris les autres éléments du groupe 8 , le ruthénium et l’osmium . Le fer forme des composés dans une large gamme d’ états d’oxydation , -2 à +7. Le fer forme également de nombreux composés de coordination ; certains d’entre eux, comme le ferrocène , le ferrioxalate et le bleu de Prusse , ont d’importantes applications industrielles, médicales ou de recherche.

Les caractéristiques

Allotropes

Volume molaire en fonction de la pression pour le fer α à température ambiante

Au moins quatre allotropes du fer (dispositions atomiques différentes dans le solide) sont connus, notés classiquement α , γ , δ et ε .

Diagramme de phase basse pression du fer pur

Les trois premières formes s’observent aux pressions ordinaires. Lorsque le fer fondu refroidit au-delà de son point de congélation de 1538 ° C, il cristallise en son allotrope δ, qui a une structure cristalline cubique centrée (bcc) . Au fur et à mesure qu’il se refroidit à 1394 ° C, il se transforme en son allotrope de fer γ, une structure cristalline cubique à faces centrées (fcc) ou austénite . À 912 ° C et en dessous, la structure cristalline redevient l’ allotrope bcc α-fer. ^[6]

Les propriétés physiques du fer à des pressions et des températures très élevées ont également été étudiées de manière approfondie, ^{[7] [8]} en raison de leur pertinence pour les théories sur les noyaux de la Terre et d’autres planètes. Au-dessus d’environ 10 GPa et à des températures de quelques centaines de kelvins ou moins, le fer α se transforme en une autre structure hexagonale compacte (hcp), également connue sous le nom de fer ε . La phase γ à température plus élevée se transforme également en fer ε, mais le fait à une pression plus élevée.

Certaines preuves expérimentales controversées existent pour une phase β stable à des pressions supérieures à 50 GPa et à des températures d’au moins 1500 K. Elle est supposée avoir une structure orthorhombique ou double hcp. ^[9] (De manière confuse, le terme “fer β” est parfois également utilisé pour désigner le fer α au-dessus de son point de Curie, lorsqu’il passe de ferromagnétique à paramagnétique, même si sa structure cristalline n’a pas changé. ^[6] )

Le noyau interne de la Terre est généralement supposé être constitué d’un alliage fer- nickel de structure ε (ou β). ^[dix]

Points de fusion et d’ébullition

Les points de fusion et d’ébullition du fer, ainsi que son enthalpie d’atomisation , sont inférieurs à ceux des éléments 3d antérieurs du scandium au chrome , montrant la contribution moindre des électrons 3d à la liaison métallique car ils sont de plus en plus attirés dans l’inerte. noyau par le noyau; ^[11] cependant, elles sont supérieures aux valeurs de l’élément manganèse précédent car cet élément a une sous-couche 3d à moitié remplie et par conséquent ses électrons d ne sont pas facilement délocalisés. Cette même tendance apparaît pour le ruthénium mais pas pour l’osmium. ^[12]

Le point de fusion du fer est expérimentalement bien défini pour des pressions inférieures à 50 GPa. Pour des pressions plus importantes, les données publiées (à partir de 2007) varient encore de dizaines de gigapascals et de plus de mille kelvins. ^[13]

Propriétés magnétiques

Courbes d’aimantation de 9 matériaux ferromagnétiques, montrant la saturation. 1. Tôle d’acier, 2. Acier au silicium, 3. Acier moulé, 4. Acier au tungstène, 5. Acier magnétique, 6. Fonte, 7. Nickel, 8. Cobalt, 9. Magnétite ^[14]

En dessous de son point de Curie de 770 ° C (1 420 ° F; 1 040 K), le fer α passe du paramagnétique au ferromagnétique : les spins des deux électrons non appariés de chaque atome s’alignent généralement sur les spins de ses voisins, créant un champ magnétique global . ^[15] Cela se produit parce que les orbitales de ces deux électrons (d _{z ²} et d _{x ² − y ²} ) ne pointent pas vers des atomes voisins dans le réseau et ne sont donc pas impliquées dans la liaison métallique. ^[6]

En l’absence d’une source externe de champ magnétique, les atomes se répartissent spontanément en domaines magnétiques , d’environ 10 micromètres de diamètre, ^[16] de sorte que les atomes de chaque domaine ont des spins parallèles, mais certains domaines ont d’autres orientations. Ainsi, un morceau de fer macroscopique aura un champ magnétique global presque nul.

L’application d’un champ magnétique externe fait croître les domaines qui sont magnétisés dans la même direction générale au détriment des domaines adjacents qui pointent dans d’autres directions, renforçant le champ externe. Cet effet est exploité dans les appareils qui doivent canaliser les champs magnétiques pour remplir la fonction de conception, tels que les transformateurs électriques , les têtes d’enregistrement magnétiques et les moteurs électriques . Les impuretés, les défauts de réseau ou les joints de grains et de particules peuvent “épingler” les domaines dans les nouvelles positions, de sorte que l’effet persiste même après la suppression du champ externe – transformant ainsi l’objet en fer en un aimant (permanent) . ^[15]

Un comportement similaire est présenté par certains composés de fer, tels que les ferrites , y compris la magnétite minérale , une forme cristalline de l’oxyde de fer mixte (II, III) Fe ₃ O ₄ (bien que le mécanisme à l’échelle atomique, le ferrimagnétisme , soit quelque peu différent). Des morceaux de magnétite à aimantation permanente naturelle ( aimants ) ont fourni les premières boussoles pour la navigation. Les particules de magnétite étaient largement utilisées dans les supports d’enregistrement magnétiques tels que les mémoires centrales , les bandes magnétiques , les disquettes et les disques , jusqu’à ce qu’elles soient remplacées par du cobalt .-matériaux à base.

Isotopes

Le fer possède quatre isotopes stables : ⁵⁴ Fe (5,845 % du fer naturel), ⁵⁶ Fe (91,754 %), ⁵⁷ Fe (2,119 %) et ⁵⁸ Fe (0,282 %). 20 à 30 isotopes artificiels ont également été créés. Parmi ces isotopes stables, seul le ⁵⁷ Fe a un spin nucléaire (− 1 ⁄ 2 ). Le nucléide ⁵⁴ Fe peut théoriquement subir une double capture d’électrons vers ⁵⁴ Cr, mais le processus n’a jamais été observé et seule une limite inférieure de demi-vie de 3,1 × 10 ²² ans a été établie. ^[17]

^{Le 60} Fe est un radionucléide éteint à longue demi-vie (2,6 millions d’années). ^[18] Il ne se trouve pas sur Terre, mais son produit de désintégration ultime est sa petite-fille, le nucléide stable ⁶⁰ Ni . ^[17] Une grande partie des travaux passés sur la composition isotopique du fer s’est concentrée sur la nucléosynthèse du ⁶⁰ Fe à travers des études de Météorites et de formation de minerai. Au cours de la dernière décennie, les progrès de la spectrométrie de masse ont permis la détection et la quantification d’infimes variations naturelles dans les rapports des isotopes stables du fer. Une grande partie de ce travail est motivée par laCommunautés des sciences de la Terre et des planètes , bien que des applications aux systèmes biologiques et industriels émergent. ^[19]

Dans les phases des Météorites Semarkona et Chervony Kut, une corrélation entre la concentration de ⁶⁰ Ni, la petite -fille de ⁶⁰ Fe, et l’abondance des isotopes stables du fer a fourni la preuve de l’existence de ⁶⁰ Fe au moment de la formation du système solaire . Il est possible que l’énergie libérée par la désintégration du ⁶⁰ Fe, ainsi que celle libérée par le ²⁶ Al , ait contribué à la refusion et à la différenciation des astéroïdes après leur formation il y a 4,6 milliards d’années. L’abondance de ⁶⁰ Ni présent dans les extraterrestresLe matériel peut apporter un aperçu supplémentaire de l’origine et de l’histoire des débuts du système solaire . ^[20]

L’ isotope de fer le plus abondant , le ⁵⁶ Fe , intéresse particulièrement les scientifiques nucléaires car il représente le critère d’ évaluation le plus courant de la nucléosynthèse . ^[21] Puisque ⁵⁶ Ni (14 particules alpha ) est facilement produit à partir de noyaux plus légers dans le processus alpha dans les réactions nucléaires dans les supernovae (voir processus de combustion du silicium ), c’est le point final des chaînes de fusion à l’intérieur des étoiles extrêmement massives , depuis l’ajout d’un autre alpha particule, résultant en ⁶⁰ Zn, nécessite beaucoup plus d’énergie. Ce ⁵⁶Ni, qui a une demi-vie d’environ 6 jours, est créé en quantité dans ces étoiles, mais se désintègre rapidement par deux émissions successives de positrons dans les produits de désintégration de la supernova dans le nuage de gaz résiduel de la supernova, d’abord en ⁵⁶ Co radioactif, puis en stable ⁵⁶ Fe. En tant que tel, le fer est l’élément le plus abondant dans le noyau des géantes rouges , et est le métal le plus abondant dans les Météorites de fer et dans les noyaux métalliques denses de planètes telles que la Terre . ^[22] Il est également très courant dans l’univers, par rapport à d’autres métaux stables d’environ le même poids atomique . ^{[22] [23]}Le fer est le sixième élément le plus abondant dans l’ univers et l’ élément réfractaire le plus courant. ^[24]

Bien qu’un petit gain d’énergie supplémentaire puisse être extrait en synthétisant du ⁶² Ni , qui a une énergie de liaison légèrement supérieure à celle du ⁵⁶ Fe, les conditions dans les étoiles ne conviennent pas à ce processus. La production d’éléments dans les supernovas et leur distribution sur Terre favorisent grandement le fer par rapport au nickel, et dans tous les cas, le ⁵⁶ Fe a toujours une masse par nucléon inférieure à celle du ⁶² Ni en raison de sa fraction plus élevée de protons plus légers. ^[25] Par conséquent, les éléments plus lourds que le fer nécessitent une supernova pour leur formation, impliquant une capture rapide de neutrons en démarrant des noyaux de ⁵⁶ Fe. ^[22]

Dans le futur lointain de l’univers, en supposant que la désintégration des protons ne se produise pas, la fusion froide se produisant via l’effet tunnel quantique entraînerait la fusion des noyaux légers de la matière ordinaire en noyaux de ⁵⁶ Fe. La fission et l’émission de particules alpha feraient alors se désintégrer les noyaux lourds en fer, convertissant tous les objets de masse stellaire en sphères froides de fer pur. ^[26]

Origine et occurrence dans la nature

Cosmogenèse

L’abondance de fer dans les planètes rocheuses comme la Terre est due à sa production abondante lors de la fusion et de l’explosion de supernovae de type Ia , qui disperse le fer dans l’espace. ^{[27] [28]}

Fer métallique

Un morceau poli et gravé chimiquement d’une météorite de fer, dont on pense qu’il est de composition similaire au noyau métallique de la Terre, montrant des cristaux individuels de l’alliage fer-nickel ( motif Widmanstatten )

Le fer métallique ou natif se trouve rarement à la surface de la Terre car il a tendance à s’oxyder. Cependant, on pense que les noyaux interne et externe de la Terre , qui représentent 35% de la masse de la Terre entière, sont constitués en grande partie d’un alliage de fer, éventuellement avec du nickel . On pense que les courants électriques dans le Noyau externe liquide sont à l’origine du champ magnétique terrestre . On pense que les autres planètes terrestres ( Mercure , Vénus et Mars ) ainsi que la Lune ont un noyau métallique composé principalement de fer. Les astéroïdes de type Msont également censés être partiellement ou principalement en alliage de fer métallique.

Les Météorites ferreuses rares sont la principale forme de fer métallique naturel à la surface de la Terre. Des objets en fer météoritique travaillé à froid ont été trouvés dans divers sites archéologiques datant d’une époque où la fonte du fer n’était pas encore développée; et les Inuits du Groenland auraient utilisé le fer de la météorite du cap York pour les outils et les armes de chasse. ^[29] Environ 1 météorite sur 20 est constituée des minéraux fer-nickel uniques taenite (35 à 80 % de fer) et kamacite (90 à 95 % de fer). ^[30]Le fer natif est également rarement trouvé dans les basaltes qui se sont formés à partir de magmas qui sont entrés en contact avec des roches sédimentaires riches en carbone, qui ont suffisamment réduit la fugacité de l’oxygène pour que le fer se cristallise. Ceci est connu sous le nom de fer tellurique et est décrit dans quelques localités, telles que l’île de Disko dans l’ouest du Groenland, la Yakoutie en Russie et Bühl en Allemagne. ^[31]

Minéraux du manteau

La ferropériclase (Mg,Fe)O , une solution solide de périclase (MgO) et de wüstite (FeO), représente environ 20 % du volume du manteau inférieur de la Terre, ce qui en fait la deuxième phase minérale la plus abondante dans cette région après pérovskite silicate (Mg,Fe)SiO ₃ ; c’est aussi le principal hôte du fer dans le manteau inférieur. ^[32] Au bas de la zone de transition du manteau, la réaction γ- (Mg,Fe) ₂ [SiO ₄ ] ↔ (Mg,Fe)[SiO ₃ ] + (Mg,Fe)O transforme la γ-olivine dans un mélange de pérovskite de silicate et de ferropériclase et vice versa. Dans la littérature, cette phase minérale du manteau inférieur est aussi souvent appelée magnesiowüstite. ^[33] La pérovskite silicatée peut former jusqu’à 93 % du manteau inférieur, ^[34] et la forme de fer et de magnésium, (Mg,Fe)SiO ₃ , est considérée comme le minéral le plus abondant sur Terre, représentant 38 % de son volume. ^[35]

la croûte terrestre

Chemin des Ocres en Roussillon .

Bien que le fer soit l’élément le plus abondant sur Terre, la majeure partie de ce fer est concentrée dans les noyaux interne et externe . ^{[36] [37]} La ​​fraction de fer qui se trouve dans la croûte terrestre ne représente qu’environ 5 % de la masse totale de la croûte et n’est donc que le quatrième élément le plus abondant dans cette couche (après l’oxygène , le silicium et l’aluminium ). ^[38]

La majeure partie du fer de la croûte est combinée à divers autres éléments pour former de nombreux minéraux de fer . Une classe importante est celle des minéraux d’oxyde de fer tels que l’hématite (Fe ₂ O ₃ ), la magnétite (Fe ₃ O ₄ ) et la sidérite (FeCO ₃ ), qui sont les principaux minerais de fer . De nombreuses roches ignées contiennent également les minéraux sulfurés pyrrhotite et pentlandite . ^{[39] [40]} Pendant les intempéries, le fer a tendance à s’échapper des dépôts de sulfure sous forme de sulfate et des dépôts de silicate sous forme de bicarbonate. Ces deux éléments sont oxydés en solution aqueuse et précipitent même à un pH légèrement élevé sous forme d’oxyde de fer (III) . ^[41]

Formation de fer en bandes à McKinley Park, Minnesota.

Les grands gisements de fer sont des formations de fer en bandes , un type de roche constitué de fines couches répétées d’oxydes de fer alternant avec des bandes de schiste et de chert pauvres en fer . Les formations de fer rubanées se sont formées entre 3 700 millions d’années et 1 800 millions d’années . ^{[42] [43]}

Les matériaux contenant des oxydes ou des oxydes-hydroxydes de fer (III) finement broyés, tels que l’ ocre , sont utilisés comme pigments jaunes, rouges et bruns depuis la préhistoire. Ils contribuent ainsi à la couleur de diverses roches et argiles , y compris des formations géologiques entières comme les Painted Hills dans l’Oregon et le Buntsandstein (« grès coloré », British Bunter ). ^[44] À travers Eisensandstein (un « grès de fer » du Jurassique, par exemple de Donzdorf en Allemagne) ^[45] et la pierre de Bathau Royaume-Uni, les composés de fer sont responsables de la couleur jaunâtre de nombreux bâtiments et sculptures historiques. ^[46] La couleur rouge proverbiale de la surface de Mars est dérivée d’un régolithe riche en oxyde de fer . ^[47]

Des quantités importantes de fer sont présentes dans la pyrite minérale sulfurée de fer (FeS ₂ ), mais il est difficile d’en extraire le fer et elle n’est donc pas exploitée. En fait, le fer est si courant que la production se concentre généralement uniquement sur des minerais en très grande quantité.

Selon le rapport de l’ International Resource Panel sur les stocks de métaux dans la société , le stock mondial de fer utilisé dans la société est de 2 200 kg par habitant. Les pays plus développés diffèrent à cet égard des pays moins développés (7 000 à 14 000 contre 2 000 kg par habitant). ^[48]

Océans

Les sciences océaniques ont démontré le rôle du fer dans les mers anciennes à la fois dans le biote marin et le climat. ^[49]

Chimie et composés

Voir aussi: Catégorie: Composés de fer

État d’ oxydation	Composé représentatif
−2 (d 10 )	Tétracarbonylferrate disodique (réactif de Collman)
−1 (j 9 )	Fe2(CO)2− 8
0 (j 8 )	Fer pentacarbonyle
1 (j 7 )	Dimère de cyclopentadiénylfer dicarbonyle (“Fp 2 “)
2 (j 6 )	Sulfate ferreux , ferrocène
3 (j 5 )	Chlorure ferrique , tétrafluoroborate de ferrocénium
4 (d 4 )	Fe(diars)2CL2+ 2, tétrafluoroborate de ferryle
5 (d 3 )	Fe O3− 4
6 (j 2 )	Ferrate de potassium
7 (d 1 )	[FeO 4 ] – (isolation matricielle, 4K)

Le fer présente les propriétés chimiques caractéristiques des métaux de transition , à savoir la capacité à former des états d’oxydation variables différant par pas de un et une très grande chimie de coordination et organométallique : en effet, c’est la découverte d’un composé du fer, le ferrocène , qui a révolutionné cette dernière. domaine dans les années 1950. ^[50] Le fer est parfois considéré comme un prototype pour l’ensemble du bloc des métaux de transition, en raison de son abondance et du rôle immense qu’il a joué dans le progrès technologique de l’humanité. ^[51] Ses 26 électrons sont disposés dans la configuration [Ar]3d ⁶ 4s ², dont les électrons 3d et 4s sont relativement proches en énergie, et donc il peut perdre un nombre variable d’électrons et il n’y a pas de point clair où une ionisation supplémentaire devient non rentable. ^[12]

Le fer forme des composés principalement aux états d’oxydation +2 ( fer(II) , “ferreux”) et +3 ( fer(III) , “ferrique”). Le fer est également présent dans des états d’oxydation plus élevés , par exemple le ferrate de potassium violet (K ₂ FeO ₄ ), qui contient du fer dans son état d’oxydation +6. Bien que l’oxyde de fer (VIII) (FeO ₄ ) ait été revendiqué, le rapport n’a pas pu être reproduit et une telle espèce de l’élimination de tous les électrons de l’élément au-delà de la configuration de gaz inerte précédente (au moins avec du fer dans son état d’oxydation +8 ) s’est révélée improbable en termes de calcul. ^[52] Cependant, une forme de [FeO ₄ ] anionique^– avec du fer à son état d’oxydation +7, ainsi qu’un isomère fer(V)-peroxo, a été détecté par spectroscopie infrarouge à 4 K après cocondensation d’atomes de Fe ablatés par laser avec un mélange O ₂ /Ar. ^[53] Le fer(IV) est un intermédiaire courant dans de nombreuses réactions d’oxydation biochimique. ^{[54] [55]} De nombreux composés organoirs contiennent des états d’oxydation formels de +1, 0, -1 ou même -2. Les états d’oxydation et autres propriétés de liaison sont souvent évalués à l’aide de la technique de spectroscopie Mössbauer . ^[56] De nombreux composés à valence mixte contiennent à la fois des centres de fer (II) et de fer (III), tels que la magnétite etBleu de Prusse ( Fe ₄ (Fe[CN] ₆ ) ₃ ). ^[55] Ce dernier est utilisé comme le “bleu” traditionnel dans les plans . ^[57]

Le fer est le premier des métaux de transition qui ne peut pas atteindre son état d’oxydation de groupe de +8, bien que ses congénères plus lourds, le ruthénium et l’osmium, le puissent, le ruthénium ayant plus de difficulté que l’osmium. ^[6] Le ruthénium présente une chimie cationique aqueuse dans ses faibles états d’oxydation similaires à celle du fer, mais pas l’osmium, favorisant les états d’oxydation élevés dans lesquels il forme des complexes anioniques. ^[6] Dans la seconde moitié de la série de transition 3d, les similitudes verticales dans les groupes entrent en concurrence avec les similitudes horizontales du fer avec ses voisins cobalt et nickel dans le tableau périodique, qui sont également ferromagnétiques à température ambianteet partagent une chimie similaire. Ainsi, le fer, le cobalt et le nickel sont parfois regroupés dans la triade du fer . ^[51]

Contrairement à de nombreux autres métaux, le fer ne forme pas d’amalgame avec le mercure . En conséquence, le mercure est commercialisé dans des flacons standardisés de 76 livres (34 kg) en fer. ^[58]

Le fer est de loin l’élément le plus réactif de son groupe ; il est pyrophorique lorsqu’il est finement divisé et se dissout facilement dans les acides dilués, donnant Fe ²⁺ . Cependant, il ne réagit pas avec l’acide nitrique concentré et les autres acides oxydants en raison de la formation d’une couche d’oxyde imperméable, qui peut néanmoins réagir avec l’acide chlorhydrique . ^[6] Le fer de haute pureté, appelé fer électrolytique , est considéré comme résistant à la rouille, en raison de sa couche d’oxyde.

Composés binaires

Oxydes et hydroxydes Oxyde ferreux ou fer(II), FeO Oxyde ferrique ou fer(III) Fe ₂ O ₃ Ferrosoferrique ou oxyde de fer(II,III) Fe ₃ O ₄

Le fer forme divers composés d’oxydes et d’hydroxydes ; les plus courants sont l’oxyde de fer(II,III) (Fe ₃ O ₄ ) et l’oxyde de fer(III) (Fe ₂ O ₃ ). L’oxyde de fer (II) existe également, bien qu’il soit instable à température ambiante. Malgré leurs noms, ce sont en fait tous des composés non stoechiométriques dont les compositions peuvent varier. ^[59] Ces oxydes sont les principaux minerais pour la production de fer (voir bloomerie et haut fourneau). Ils sont également utilisés dans la production de ferrites , stockage magnétique utileles médias dans les ordinateurs et les pigments. Le sulfure le plus connu est la pyrite de fer (FeS ₂ ), également appelée or des fous en raison de son éclat doré. ^[55] Ce n’est pas un composé de fer(IV), mais c’est en fait un polysulfure de fer(II) contenant Fe ²⁺ et S²⁻
₂ions dans une structure distordue de chlorure de sodium . ^[59]

Diagramme de Pourbaix du fer Halogénures Chlorure de fer(III) hydraté (chlorure ferrique)

Les halogénures ferreux et ferriques binaires sont bien connus. Les halogénures ferreux proviennent généralement du traitement du fer métallique avec l’ acide halohydrique correspondant pour donner les sels hydratés correspondants. ^[55]

Fe + 2 HX → FeX ₂ + H ₂ (X = F, Cl, Br, I)

Le fer réagit avec le fluor, le chlore et le brome pour donner les halogénures ferriques correspondants, le chlorure ferrique étant le plus courant. ^[60]

2 Fe + 3 X ₂ → 2 FeX ₃ (X = F, Cl, Br)

L’iodure ferrique est une exception, étant thermodynamiquement instable en raison du pouvoir oxydant de Fe ³⁺ et du pouvoir réducteur élevé de I ⁻ : ^[60]

2 je ⁻ + 2 Fe ³⁺ → je ₂ + 2 Fe ²⁺ (E ⁰ = +0,23 V)

L’iodure ferrique , un solide noir, n’est pas stable dans des conditions ordinaires, mais peut être préparé par réaction de fer pentacarbonyle avec de l’ iode et du monoxyde de carbone en présence d’ hexane et de lumière à la température de -20 ° C, à l’exclusion de l’oxygène et de l’eau . ^[60] Les complexes d’iodure ferrique avec certaines bases molles sont connus pour être des composés stables. ^{[61] [62]}

Chimie en solution

Comparaison des couleurs des solutions de ferrate (à gauche) et de permanganate (à droite)

Les potentiels de réduction standard en solution aqueuse acide pour certains ions de fer courants sont donnés ci-dessous : ^[6]

Fe 2+ + 2e −	⇌ Fe	E 0 = −0,447 V
Fe 3+ + 3e −	⇌ Fe	E 0 = −0,037 V
Fe O2− 4+ 8 H + + 3 e −	⇌ Fe 3+ + 4 H 2 O	E0 = +2,20 V

L’anion ferrate tétraédrique rouge-violet (VI) est un agent oxydant si puissant qu’il oxyde l’azote et l’ammoniac à température ambiante, et même l’eau elle-même dans des solutions acides ou neutres : ^[60]

4 Fe O²⁻
₄+ 10H₂O → 4Fe³⁺
+ 20 OH⁻
+ 3 O ₂

L’ion Fe ³⁺ a une grande chimie cationique simple, bien que l’ion hexaquo violet pâle [Fe(H ₂ O) ₆ ] ³⁺ soit très facilement hydrolysé lorsque le pH augmente au-dessus de 0 comme suit : ^[63]

[Fe(H 2 O) 6 ] 3+	⇌ [Fe(H 2 O) 5 (OH)] 2+ + H +	K = 10 −3,05 mol dm −3
[Fe(H 2 O) 5 (OH)] 2+	⇌ [Fe(H 2 O) 4 (OH) 2 ] + + H +	K = 10 −3,26 mol dm −3
2[Fe(H 2 O) 6 ] 3+	⇌ [Fe(H 2 O) 4 (OH)]4+2+ 2H + + 2H 2 O	K = 10 −2,91 mol dm −3

Sulfate de fer (II) bleu-vert heptahydraté

Lorsque le pH dépasse 0, les espèces hydrolysées jaunes ci-dessus se forment et lorsqu’il dépasse 2–3, de l’ oxyde de fer (III) hydraté brun rougeâtre précipite hors de la solution. Bien que Fe ³⁺ ait une configuration ad ⁵ , son spectre d’absorption n’est pas comme celui de Mn ²⁺ avec ses faibles bandes d–d à spin interdit, car Fe ³⁺ a une charge positive plus élevée et est plus polarisant, abaissant l’énergie de son absorptions de transfert de charge ligand-métal . Ainsi, tous les complexes ci-dessus sont assez fortement colorés, à la seule exception de l’ion hexaquo – et même celui-ci a un spectre dominé par le transfert de charge dans le proche ultraviolet. ^[63]Par contre, l’ion hexaquo fer(II) vert pâle [Fe(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ ne subit pas d’hydrolyse appréciable. Le dioxyde de carbone ne se dégage pas lorsque des anions carbonate sont ajoutés, ce qui entraîne à la place une précipitation du carbonate de fer (II) blanc. En excès de dioxyde de carbone, cela forme le bicarbonate légèrement soluble, qui se produit couramment dans les eaux souterraines, mais il s’oxyde rapidement dans l’air pour former de l’oxyde de fer (III) qui représente les dépôts bruns présents dans un nombre important de cours d’eau. ^[64]

Composés de coordination

En raison de sa structure électronique, le fer a une très grande coordination et une chimie organométallique.

Les deux énantiomorphes de l’ion ferrioxalate

De nombreux composés de coordination du fer sont connus. Un anion typique à six coordonnées est l’hexachloroferrate(III), [FeCl ₆ ] ^{3− , présent dans le chlorure} de sel mixte de tétrakis(méthylammonium) hexachloroferrate(III) . ^{[65] [66]} Les complexes avec de multiples ligands bidentés ont des isomères géométriques . Par exemple, le complexe trans – chlorohydridobis(bis-1,2-(diphénylphosphino)éthane)fer(II) est utilisé comme matière de départ pour les composés avec le fragment Fe( dppe ) ₂ . ^{[67] [68]} L’ion ferrioxalate avec trois oxalates ligands (illustrés à droite) affiche une chiralité hélicoïdale avec ses deux géométries non superposables marquées Λ (lambda) pour l’axe de vis gauche et Δ (delta) pour l’axe de vis droit, conformément aux conventions IUPAC. ^[63] Le ferrioxalate de potassium est utilisé en actinométrie chimique et, avec son sel de sodium, subit une photoréduction appliquée dans les processus photographiques à l’ancienne. Le dihydrate d’ oxalate de fer(II) a un polymèrestructure avec des ions oxalate coplanaires faisant le pont entre les centres de fer avec l’eau de cristallisation située formant les coiffes de chaque octaèdre, comme illustré ci-dessous. ^[69]

Structure cristalline de l’oxalate de fer (II) dihydraté, montrant des atomes de fer (gris), d’oxygène (rouge), de carbone (noir) et d’hydrogène (blanc). Test au thiocyanate positif au rouge sang pour le fer(III)

Les complexes de fer (III) sont assez similaires à ceux du chrome (III) à l’exception de la préférence du fer (III) pour les ligands donneurs O au lieu de donneurs N. Ces derniers ont tendance à être plutôt plus instables que les complexes de fer (II) et se dissocient souvent dans l’eau. De nombreux complexes Fe-O présentent des couleurs intenses et sont utilisés comme tests pour les phénols ou les énols . Par exemple, dans le test au chlorure ferrique , utilisé pour déterminer la présence de phénols, le chlorure de fer(III) réagit avec un phénol pour former un complexe violet foncé : ^[63]

3 ArOH + FeCl ₃ → Fe(OAr) ₃ + 3 HCl (Ar = aryle )

Parmi les complexes halogénures et pseudohalogénures, les complexes fluorés du fer(III) sont les plus stables, le [FeF ₅ (H ₂ O)] ²⁻ incolore étant le plus stable en solution aqueuse. Les complexes chloro sont moins stables et favorisent la coordination tétraédrique comme dans [FeCl ₄ ] ⁻ ; [FeBr ₄ ] ⁻ et [FeI ₄ ] ⁻ se réduisent facilement en fer(II). Le thiocyanate est un test courant pour la présence de fer(III) car il forme le rouge sang [Fe(SCN)(H ₂ O) ₅ ] ²⁺. Comme le manganèse (II), la plupart des complexes de fer (III) sont à spin élevé, les exceptions étant ceux avec des ligands qui sont élevés dans la série spectrochimique comme le cyanure . Un exemple de complexe de fer(III) à faible spin est [Fe(CN) ₆ ] ³⁻ . Les ligands cyanures se détachent facilement dans [Fe(CN) ₆ ] ³⁻ , ce complexe est donc toxique contrairement au complexe de fer(II) [Fe(CN) ₆ ] ⁴⁻ présent dans le bleu de Prusse ^[63] qui ne dégage pas de cyanure d’hydrogène sauf en cas d’ajout d’acides dilués. ^[64] Le fer montre une grande variété d’ états de spin électronique, y compris chaque valeur de nombre quantique de spin possible pour un élément de bloc d de 0 (diamagnétique) à 5 ⁄ 2 (5 électrons non appariés). Cette valeur est toujours la moitié du nombre d’électrons non appariés. Les complexes avec zéro à deux électrons non appariés sont considérés comme à faible spin et ceux avec quatre ou cinq sont considérés comme à haut spin. ^[59]

Les complexes de fer(II) sont moins stables que les complexes de fer(III) mais la préférence pour les ligands O -donneurs est moins marquée, de sorte que par exemple [Fe(NH ₃ ) ₆ ] ²⁺ est connu tandis que [Fe(NH ₃ ) ₆ ] ³⁺ ne l’est pas. Ils ont tendance à s’oxyder en fer (III) mais cela peut être modéré par un pH bas et les ligands spécifiques utilisés. ^[64]

Composés organométalliques

Penta-
carbonyle de fer

La chimie organoiriron est l’étude des composés organométalliques du fer, où les atomes de carbone sont liés de manière covalente à l’atome de métal. Ils sont nombreux et variés, comprenant des complexes de cyanure , des complexes de carbonyle , des composés sandwich et demi-sandwich .

bleu de Prusse

Le bleu de Prusse ou “ferrocyanure ferrique”, Fe ₄ [Fe(CN) ₆ ] ₃ , est un complexe fer-cyanure ancien et bien connu, largement utilisé comme pigment et dans plusieurs autres applications. Sa formation peut être utilisée comme un simple test de chimie humide pour distinguer les solutions aqueuses de Fe ²⁺ et Fe ³⁺ lorsqu’elles réagissent (respectivement) avec le ferricyanure de potassium et le ferrocyanure de potassium pour former du bleu de Prusse. ^[55]

Un autre vieil exemple d’un composé organoiriron est le pentacarbonyle de fer , Fe(CO) ₅ , dans lequel un atome de fer neutre est lié aux atomes de carbone de cinq molécules de monoxyde de carbone . Le composé peut être utilisé pour fabriquer de la poudre de fer carbonyle , une forme hautement réactive de fer métallique. La thermolyse du fer pentacarbonyle donne le trifer dodécacarbonyle , Fe ₃ (CO) ₁₂ , un complexe avec un groupe de trois atomes de fer en son cœur. Le réactif de Collman, le tétracarbonylferrate disodique , est un réactif utile pour la chimie organique ; il contient du fer à l’état d’oxydation -2. Dimère de cyclopentadiénylfer dicarbonylecontient du fer à l’état d’oxydation rare +1. ^[70]

Formule structurelle du ferrocène et un échantillon en poudre

Un jalon dans ce domaine a été la découverte en 1951 du composé sandwich ferrocène remarquablement stable Fe(C ₅ H ₅ ) ₂ , par Paulson et Kealy ^[71] et indépendamment par Miller et autres, ^[72] dont la structure moléculaire surprenante n’a été déterminée que un an plus tard par Woodward et Wilkinson ^[73] et Fischer . ^[74] Le ferrocène est toujours l’un des outils et modèles les plus importants de cette classe. ^[75]

Des espèces organométalliques à centre de fer sont utilisées comme catalyseurs . Le complexe de Knölker , par exemple, est un catalyseur d’hydrogénation par transfert pour les cétones . ^[76]

Utilisations industrielles

Les composés de fer produits à plus grande échelle dans l’industrie sont le sulfate de fer(II) (FeSO ₄ ·7 H ₂ O ) et le chlorure de fer(III) (FeCl ₃ ). Le premier est l’une des sources de fer(II) les plus facilement disponibles, mais il est moins stable à l’oxydation aérienne que le sel de Mohr ( (NH ₄ ) ₂ Fe(SO ₄ ) ₂ ·6H ₂ O ). Les composés de fer(II) ont tendance à s’oxyder en composés de fer(III) dans l’air. ^[55]

Histoire

Développement de la métallurgie du fer

Le fer est l’un des éléments sans doute connus du monde antique. ^[77] Il a été travaillé, ou forgé , pendant des millénaires. Cependant, les objets en fer très anciens sont beaucoup plus rares que les objets en or ou en argent en raison de la facilité avec laquelle le fer se corrode. ^[78] La technologie s’est développée lentement, et même après la découverte de la fonte, il a fallu plusieurs siècles pour que le fer remplace le bronze comme métal de choix pour les outils et les armes.

Fer météoritique Tête de harpon en fer du Groenland . Le bord de fer recouvre un harpon de défense de narval utilisant du fer de météorite de la météorite de Cape York , l’une des plus grandes Météorites de fer connues.

Des perles fabriquées à partir de fer météorique en 3500 avant JC ou plus tôt ont été trouvées à Gerzeh , en Égypte, par GA Wainwright. ^[79] Les perles contiennent 7,5 % de nickel, ce qui est une signature d’origine météorique puisque le fer trouvé dans la croûte terrestre ne contient généralement que de minuscules impuretés de nickel.

Le fer météorique était très apprécié en raison de son origine dans les cieux et était souvent utilisé pour forger des armes et des outils. ^[79] Par exemple, un poignard en fer météorique a été trouvé dans la tombe de Toutankhamon , contenant des proportions similaires de fer, de cobalt et de nickel à une météorite découverte dans la région, déposée par une ancienne pluie de Météorites. ^{[80] [81] [82]} Les articles qui étaient probablement faits de fer par les Égyptiens datent de 3000 à 2500 av. ^[78]

Le fer météoritique est relativement doux et ductile et facilement forgé à froid , mais peut devenir cassant lorsqu’il est chauffé en raison de la teneur en nickel . ^[83]

Fer forgé Le symbole de Mars est utilisé depuis l’Antiquité pour représenter le fer. Le pilier de fer de Delhi est un exemple des méthodologies d’extraction et de traitement du fer de l’Inde ancienne.

La première production de fer a commencé à l’ âge du bronze moyen , mais il a fallu plusieurs siècles avant que le fer ne remplace le bronze. Des échantillons de fer fondu d’ Asmar , de Mésopotamie et de Tall Chagar Bazaar dans le nord de la Syrie ont été fabriqués entre 3000 et 2700 av. ^[84] Les Hittites ont établi un empire dans le centre-nord de l’ Anatolie vers 1600 av. Ils semblent être les premiers à comprendre la production de fer à partir de ses minerais et à la considérer hautement dans leur société. ^[85] Les Hittites ont commencé à fondre le fer entre 1500 et 1200 avant JC et la pratique s’est étendue au reste du Proche-Orient après la chute de leur empire en 1180 avant JC. ^[84]La période suivante s’appelle l’ âge du fer .

Des artefacts de fer fondu se trouvent en Inde datant de 1800 à 1200 avant JC, ^[86] et dans le Levant à partir d’environ 1500 avant JC (suggérant une fusion en Anatolie ou dans le Caucase ). ^{[87] [88]} Les références alléguées (comparez l’histoire de la métallurgie en Asie du Sud ) au fer dans les Vedas indiens ont été utilisées pour des revendications d’une utilisation très précoce du fer en Inde respectivement pour dater les textes en tant que tels. Le terme rigveda ayas (métal) fait référence au cuivre, tandis que le fer qui est appelé śyāma ayas , littéralement “cuivre noir”, est d’abord mentionné dans le post-rigvédique.Atharvavéda . ^[89]

Certaines preuves archéologiques suggèrent que le fer a été fondu au Zimbabwe et en Afrique du Sud-Est dès le VIIIe siècle av. ^[90] Le travail du fer a été introduit en Grèce à la fin du 11ème siècle avant JC, à partir duquel il s’est répandu rapidement dans toute l’Europe. ^[91]

Faucille en fer de la Grèce antique.

La diffusion de la ferronnerie en Europe centrale et occidentale est associée à l’ expansion celtique . Selon Pline l’Ancien , l’utilisation du fer était courante à l’ époque romaine . ^[79] Dans les terres de ce qui est maintenant considéré comme la Chine, le fer apparaît environ 700-500 av. ^[92] La fonte du fer peut avoir été introduite en Chine via l’Asie centrale. ^[93] La première preuve de l’utilisation d’un haut fourneau en Chine remonte au 1er siècle après JC, ^[94] et des fours à coupole ont été utilisés dès la période des Royaumes combattants (403–221 avant JC). ^[95] L’utilisation du haut-fourneau et du cubilot est restée répandue pendant laDynasties Song et Tang . ^[96]

Pendant la révolution industrielle en Grande-Bretagne, Henry Cort a commencé à raffiner le fer de la fonte brute au fer forgé (ou fer à barres) en utilisant des systèmes de production innovants. En 1783, il fait breveter le procédé de puddlage pour le raffinage du minerai de fer. Il a ensuite été amélioré par d’autres, dont Joseph Hall . ^[97]

Fonte

La fonte a été produite pour la première fois en Chine au 5ème siècle avant JC, ^[98] mais n’était guère en Europe jusqu’à la période médiévale. ^{[99] [100]} Les premiers artefacts en fonte ont été découverts par des archéologues dans ce qui est maintenant le comté moderne de Luhe , Jiangsu en Chine. La fonte était utilisée dans la Chine ancienne pour la guerre, l’agriculture et l’architecture. ^[101] Au cours de la période médiévale , des moyens ont été trouvés en Europe pour produire du fer forgé à partir de fonte (dans ce contexte connu sous le nom de fonte brute ) à l’aide de forges de parure . Pour tous ces processus, le charbon de boisétait nécessaire comme combustible. ^[102]

Coalbrookdale by Night , 1801. Les hauts fourneaux éclairent la ville sidérurgique de Coalbrookdale .

Les hauts fourneaux médiévaux mesuraient environ 10 pieds (3,0 m) de haut et étaient faits de briques réfractaires; l’air forcé était généralement fourni par des soufflets manuels. ^[100] Les hauts fourneaux modernes sont devenus beaucoup plus gros, avec des foyers de quatorze mètres de diamètre qui leur permettent de produire des milliers de tonnes de fer chaque jour, mais fonctionnent essentiellement de la même manière qu’à l’époque médiévale. ^[102]

En 1709, Abraham Darby I a établi un haut fourneau à coke pour produire de la fonte, remplaçant le charbon de bois, tout en continuant à utiliser des hauts fourneaux. La disponibilité de fer bon marché qui en a résulté a été l’un des facteurs qui ont conduit à la révolution industrielle . Vers la fin du XVIIIe siècle, la fonte a commencé à remplacer le fer forgé à certaines fins, car elle était moins chère. La teneur en carbone du fer n’a pas été impliquée comme raison des différences de propriétés du fer forgé, de la fonte et de l’acier jusqu’au 18e siècle. ^[84]

Comme le fer devenait moins cher et plus abondant, il est également devenu un matériau structurel majeur après la construction du premier pont en fer innovant en 1778. Ce pont est encore aujourd’hui un monument du rôle joué par le fer dans la révolution industrielle. Par la suite, le fer a été utilisé dans les rails, les bateaux, les navires, les aqueducs et les bâtiments, ainsi que dans les cylindres de fer des machines à vapeur . ^[102] Les chemins de fer ont joué un rôle central dans la formation de la modernité et des idées de progrès ^[103] et diverses langues (par exemple, le français, l’espagnol, l’italien et l’allemand) désignent les chemins de fer comme une route de fer .

Acier

L’acier (avec une teneur en carbone plus faible que la fonte brute mais plus que le fer forgé) a été produit pour la première fois dans l’Antiquité à l’aide d’un bloomery . Les forgerons du Luristan , dans l’ouest de la Perse, fabriquaient du bon acier vers 1000 av. ^[84] Puis des versions améliorées, l’ acier Wootz par l’Inde et l’acier Damas ont été développées vers 300 avant JC et 500 après JC respectivement. Ces méthodes étaient spécialisées et l’acier n’est donc devenu une denrée majeure que dans les années 1850. ^[104]

De nouvelles méthodes de production en cémentant des barres de fer dans le processus de cémentation ont été conçues au 17ème siècle. Lors de la révolution industrielle , de nouvelles méthodes de production de barres de fer sans charbon de bois ont été conçues et celles-ci ont ensuite été appliquées pour produire de l’acier. À la fin des années 1850, Henry Bessemer a inventé un nouveau procédé de fabrication de l’acier, consistant à souffler de l’air à travers de la fonte en fusion, pour produire de l’acier doux. Cela a rendu l’acier beaucoup plus économique, ce qui a conduit à ne plus produire de fer forgé en grande quantité. ^[105]

Fondements de la chimie moderne

En 1774, Antoine Lavoisier a utilisé la réaction de la vapeur d’eau avec du fer métallique à l’intérieur d’un tube de fer incandescent pour produire de l’hydrogène dans ses expériences menant à la démonstration de la conservation de la masse , qui a contribué à faire passer la chimie d’une science qualitative à une science quantitative. ^[106]

Rôle symbolique

” Gold gab ich für Eisen ” – “J’ai donné de l’or pour du fer”. Broche germano-américaine de la Première Guerre mondiale.

Le fer joue un certain rôle dans la mythologie et a trouvé divers usages comme métaphore et dans le folklore . Les travaux et les jours du poète grec Hésiode (lignes 109-201) énumèrent différents âges de l’homme nommés d’après des métaux comme l’or, l’argent, le bronze et le fer pour rendre compte des âges successifs de l’humanité. ^[107] L’âge du fer était étroitement lié à Rome, et dans les Métamorphoses d’ Ovide

Les vertus, désespérées, quittent la terre ; et la dépravation de l’homme devient universelle et complète. L’acier dur réussit alors.

— Ovide, Métamorphoses , Livre I, Age du fer, vers 160 et suiv.

Un exemple de l’importance du rôle symbolique du fer peut être trouvé dans la campagne allemande de 1813 . Frédéric-Guillaume III commanda alors la première croix de fer comme décoration militaire. Les bijoux en fer de Berlin ont atteint leur apogée entre 1813 et 1815, lorsque la famille royale prussienne a exhorté les citoyens à faire don de bijoux en or et en argent pour le financement militaire. L’inscription Gold gab ich für Eisen (j’ai donné de l’or pour le fer) a également été utilisée dans les efforts de guerre ultérieurs. ^[108]

Production de fer métallique

Poudre de fer Four à fer à Columbus, Ohio, 1922

Itinéraires de laboratoire

Pour quelques usages limités lorsque cela est nécessaire, le fer pur est produit en laboratoire en petites quantités en réduisant l’oxyde ou l’hydroxyde pur avec de l’hydrogène, ou en formant du fer pentacarbonyle et en le chauffant à 250 ° C afin qu’il se décompose pour former de la poudre de fer pur . ^[41] Une autre méthode est l’électrolyse du chlorure ferreux sur une cathode de fer. ^[109]

Route industrielle principale

Production de fer 2009 (millions de tonnes ) ^[110]

Pays	Minerai de fer	Fonte brute	Repassage direct	Acier
Chine	1 114,9	549.4	573.6
Australie	393,9	4.4	5.2
Brésil	305.0	25.1	0,011	26,5
Japon	66,9	87,5
Inde	257.4	38.2	23.4	63,5
Russie	92.1	43,9	4.7	60,0
Ukraine	65,8	25,7	29,9
Corée du Sud	0,1	27.3	48,6
Allemagne	0,4	20.1	0,38	32,7
Monde	1 594,9	914.0	64,5	1 232,4

De nos jours, la production industrielle de fer ou d’acier se compose de deux étapes principales. Dans la première étape, le minerai de fer est réduit avec du coke dans un haut fourneau et le métal en fusion est séparé des impuretés brutes telles que les minéraux silicatés . Cette étape donne un alliage , la fonte brute , qui contient des quantités relativement importantes de carbone. Dans la deuxième étape, la quantité de carbone dans la fonte brute est abaissée par oxydation pour donner du fer forgé, de l’acier ou de la fonte. ^[111] D’autres métaux peuvent être ajoutés à ce stade pour former des aciers alliés .

Illustration chinoise du XVIIe siècle d’ouvriers d’un haut fourneau, fabriquant du fer forgé à partir de fonte brute ^[112] Comment le fer était extrait au XIXe siècle Traitement des hauts fourneaux

Le haut fourneau est chargé de minerais de fer, généralement de l’hématite Fe ₂ O ₃ ou de la magnétite Fe ₃ O ₄ , ainsi que du coke ( charbon qui a été cuit séparément pour éliminer les composants volatils). De l’air préchauffé à 900 °C est soufflé à travers le mélange, en quantité suffisante pour transformer le carbone en monoxyde de carbone : ^[111]

2 C + O ₂ → 2 CO

Cette réaction élève la température à environ 2000 °C. Le monoxyde de carbone réduit le minerai de fer en fer métallique ^[111]

Fe ₂ O ₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO ₂

Une partie du fer dans la région inférieure à haute température du four réagit directement avec le coke : ^[111]

2 Fe ₂ O ₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO ₂

Un fondant tel que du calcaire ( carbonate de calcium ) ou de la dolomie (carbonate de calcium-magnésium) est également ajouté à la charge du four. Son but est d’éliminer les minéraux siliceux du minerai, qui autrement obstrueraient le four. La chaleur du four décompose les carbonates en oxyde de calcium , qui réagit avec tout excès de silice pour former un laitier composé de silicate de calcium CaSiO ₃ ou d’autres produits. A la température du four, le métal et le laitier sont tous deux fondus. Ils se rassemblent au fond sous forme de deux couches liquides non miscibles (avec le laitier au-dessus), qui se séparent ensuite facilement. ^[111]Le laitier peut être utilisé comme matériau dans la construction de routes ou pour améliorer les sols pauvres en minéraux pour l’agriculture . ^[100]

Ce tas de boulettes de minerai de fer sera utilisé dans la production d’acier. Fabrication de l’acier Un pot de fer fondu utilisé pour fabriquer de l’acier

La fonte brute produite par le procédé de haut fourneau contient jusqu’à 4 à 5 % de carbone (en masse), avec de petites quantités d’autres impuretés comme le soufre, le magnésium, le phosphore et le manganèse. Ce niveau élevé de carbone le rend relativement faible et cassant. La réduction de la quantité de carbone à 0,002-2,1% produit de l’acier , qui peut être jusqu’à 1000 fois plus dur que le fer pur. Une grande variété d’articles en acier peut alors être fabriquée par travail à froid , laminage à chaud , forgeage , usinage , etc. L’élimination des impuretés de la fonte brute, mais en laissant 2 à 4 % de carbone, donne de la fonte , qui est coulée par les fonderies en articles comme les poêles, les tuyaux, les radiateurs, les lampadaires et les rails. ^[111]

Les produits en acier subissent souvent divers traitements thermiques après leur forgeage. Le recuit consiste à les chauffer à 700-800 °C pendant plusieurs heures puis à les refroidir progressivement. Il rend l’acier plus doux et plus maniable. ^[113]

Réduction directe du fer

En raison de préoccupations environnementales, des méthodes alternatives de traitement du fer ont été développées. La ” réduction directe du fer ” réduit le minerai de fer en un bloc ferreux appelé fer “spongieux” ou fer “direct” qui convient à la fabrication de l’acier. ^[100] Deux réactions principales composent le processus de réduction directe :

Le gaz naturel est partiellement oxydé (avec de la chaleur et un catalyseur) : ^[100]

2 CH ₄ + O ₂ → 2 CO + 4 H ₂

Le minerai de fer est ensuite traité avec ces gaz dans un four, produisant de l’éponge de fer solide : ^[100]

Fe ₂ O ₃ + CO + 2 H ₂ → 2 Fe + CO ₂ + 2 H ₂ O

La silice est éliminée en ajoutant un flux de calcaire comme décrit ci-dessus. ^[100]

Procédé aluminothermique

L’inflammation d’un mélange de poudre d’aluminium et d’oxyde de fer donne du fer métallique via la réaction aluminothermique :

Fe ₂ O ₃ + 2 Al → 2 Fe + Al ₂ O ₃

Alternativement, la fonte brute peut être transformée en acier (avec jusqu’à environ 2% de carbone) ou en fer forgé (fer commercialement pur). Divers procédés ont été utilisés pour cela, notamment des forges de parure , des fours à puddler , des convertisseurs Bessemer , des fours à foyer ouvert , des fours à oxygène basique et des fours à arc électrique . Dans tous les cas, l’objectif est d’oxyder tout ou partie du carbone, ainsi que d’autres impuretés. D’autre part, d’autres métaux peuvent être ajoutés pour fabriquer des aciers alliés. ^[102]

Applications

Comme matériau structurel

Le fer est le plus largement utilisé de tous les métaux, représentant plus de 90 % de la production mondiale de métaux. Son faible coût et sa haute résistance en font souvent le matériau de choix pour résister aux contraintes ou transmettre des forces, telles que la construction de machines et de machines-outils , de rails , d’ automobiles , de coques de navires , de barres d’armature en béton et de la charpente porteuse des bâtiments. . Étant donné que le fer pur est assez doux, il est le plus souvent combiné avec des éléments d’alliage pour fabriquer de l’acier. ^[114]

Propriétés mécaniques

Valeurs caractéristiques de la résistance à la traction (TS) et de la dureté Brinell (BH) de diverses formes de fer. ^{[115] [116]}

Matériel	TS (MPa)	BH ( Brinell )
Moustaches de fer	11000
Acier ausformé (durci)	2930	850–1200
Acier martensitique	2070	600
Acier bainitique	1380	400
Acier perlitique	1200	350
Fer travaillé à froid	690	200
Fer à petit grain	340	100
Fer contenant du carbone	140	40
Fer pur monocristallin	dix	3

Les propriétés mécaniques du fer et de ses alliages sont extrêmement pertinentes pour leurs applications structurelles. Ces propriétés peuvent être évaluées de différentes manières, notamment par le test Brinell , le test Rockwell et le test de dureté Vickers .

Les propriétés du fer pur sont souvent utilisées pour calibrer des mesures ou pour comparer des tests. ^{[116] [117]} Cependant, les propriétés mécaniques du fer sont considérablement affectées par la pureté de l’échantillon : les monocristaux purs de fer sont en réalité plus mous que l’aluminium, ^[115] et le fer le plus pur produit industriellement (99,99 %) a une dureté de 20–30 Brinell. ^[118] Le fer pur (99,9 %~99,999 %), notamment appelé fer électrolytique , est produit industriellement par affinage électrolytique .

Une augmentation de la teneur en carbone entraînera une augmentation significative de la dureté et de la résistance à la traction du fer. La dureté maximale de 65 R _c est obtenue avec une teneur en carbone de 0,6 %, bien que l’alliage ait une faible résistance à la traction. ^[119] En raison de la douceur du fer, il est beaucoup plus facile à travailler que ses congénères plus lourds, le ruthénium et l’osmium . ^[12]

Diagramme de phase fer-carbone Types d’aciers et alliages

Le fer α est un métal assez mou qui ne peut dissoudre qu’une petite concentration de carbone (pas plus de 0,021 % en masse à 910 °C). ^[120] L’austénite (fer γ) est également douce et métallique, mais peut dissoudre considérablement plus de carbone (jusqu’à 2,04 % en masse à 1 146 °C). Cette forme de fer est utilisée dans le type d’ acier inoxydable utilisé pour la fabrication de couverts et d’équipements hospitaliers et de restauration. ^[16]

Le fer disponible dans le commerce est classé en fonction de sa pureté et de l’abondance d’additifs. La fonte brute contient 3,5 à 4,5 % de carbone ^[121] et contient des quantités variables de contaminants tels que le soufre , le silicium et le phosphore . La fonte brute n’est pas un produit commercialisable, mais plutôt une étape intermédiaire dans la production de fonte et d’acier. La réduction des contaminants dans la fonte brute qui affectent négativement les propriétés des matériaux, tels que le soufre et le phosphore, donne de la fonte contenant 2 à 4 % de carbone, 1 à 6 % de silicium et de petites quantités de manganèse . ^[111] La fonte brute a un point de fusiondans la plage de 1420 à 1470 K, ce qui est inférieur à l’un de ses deux composants principaux, et en fait le premier produit à fondre lorsque le carbone et le fer sont chauffés ensemble. ^[6] Ses propriétés mécaniques sont très variables et dépendent de la forme que prend le carbone dans l’alliage. ^[12]

Les fontes “blanches” contiennent leur carbone sous forme de cémentite , ou carbure de fer (Fe ₃ C). ^[12] Ce composé dur et cassant domine les propriétés mécaniques des fontes blanches, les rendant dures, mais non résistantes aux chocs. La surface brisée d’une fonte blanche est pleine de fines facettes du carbure de fer brisé, une matière très pâle, argentée et brillante, d’où l’appellation. Le refroidissement d’un mélange de fer avec 0,8% de carbone lentement en dessous de 723 ° C à température ambiante entraîne des couches séparées et alternées de cémentite et de fer α, qui est doux et malléable et est appelé perlite pour son apparence. Le refroidissement rapide, en revanche, ne laisse pas le temps à cette séparation et crée une martensite dure et cassante.. L’acier peut ensuite être trempé en le réchauffant à une température intermédiaire, en modifiant les proportions de perlite et de martensite. Le produit final en dessous de 0,8 % de teneur en carbone est un mélange perlite-αFe, et celui au-dessus de 0,8 % de teneur en carbone est un mélange perlite-cémentite. ^[12]

Dans la fonte grise, le carbone existe sous forme de fines lamelles de graphite séparées et rend également le matériau cassant en raison des lamelles de graphite aux arêtes vives qui produisent des sites de concentration de contraintes dans le matériau. ^[122] Une nouvelle variante de fonte grise, appelée fonte ductile , est spécialement traitée avec des traces de magnésium pour modifier la forme du graphite en sphéroïdes ou nodules, réduisant les concentrations de contraintes et augmentant considérablement la ténacité et la résistance du matériau. . ^[122]

Le fer forgé contient moins de 0,25% de carbone mais de grandes quantités de laitier qui lui confèrent un caractère fibreux. ^[121] C’est un produit résistant et malléable, mais pas aussi fusible que la fonte brute. S’il est aiguisé jusqu’au bout, il le perd rapidement. Le fer forgé se caractérise par la présence de fines fibres de scories emprisonnées dans le métal. Le fer forgé est plus résistant à la corrosion que l’acier. Il a été presque entièrement remplacé par l’ acier doux pour les produits traditionnels en “fer forgé” et la forge .

L’acier doux se corrode plus facilement que le fer forgé, mais il est moins cher et plus largement disponible. L’acier au carbone contient 2,0% de carbone ou moins, ^[123] avec de petites quantités de manganèse , de soufre , de phosphore et de silicium. Les aciers alliés contiennent des quantités variables de carbone ainsi que d’autres métaux, tels que le chrome , le vanadium , le molybdène , le nickel, le tungstène , etc. Leur teneur en alliage augmente leur coût, et ils ne sont donc généralement utilisés que pour des usages spécialisés. Un acier allié commun, cependant, est l’ acier inoxydable. Les développements récents de la métallurgie ferreuse ont produit une gamme croissante d’aciers microalliés, également appelés « HSLA » ou aciers à haute résistance faiblement alliés, contenant de minuscules ajouts pour produire des résistances élevées et souvent une ténacité spectaculaire à un coût minimal. ^{[123] [124] [125]}

Coefficient d’atténuation massique des photons pour le fer.

Les alliages avec des compositions élémentaires de haute pureté (tels que les alliages de fer électrolytique ) ont des propriétés spécifiquement améliorées telles que la ductilité , la résistance à la traction , la ténacité , la résistance à la fatigue , la résistance à la chaleur et la résistance à la corrosion.

Outre les applications traditionnelles, le fer est également utilisé pour la protection contre les rayonnements ionisants. Bien qu’il soit plus léger qu’un autre matériau de protection traditionnel, le plomb , il est beaucoup plus résistant mécaniquement. L’atténuation du rayonnement en fonction de l’énergie est représentée sur le graphique. ^[126]

Le principal inconvénient du fer et de l’acier est que le fer pur et la plupart de ses alliages souffrent gravement de la rouille s’ils ne sont pas protégés d’une manière ou d’une autre, un coût s’élevant à plus de 1% de l’économie mondiale. ^[127] La ​​peinture , la galvanisation , la passivation , le revêtement plastique et le bleuissage sont tous utilisés pour protéger le fer de la rouille en excluant l’eau et l’oxygène ou par protection cathodique . Le mécanisme de la rouille du fer est le suivant : ^[127]

Cathode : 3 O ₂ + 6 H ₂ O + 12 e ⁻ → 12 OH ⁻ Anode : 4 Fe → 4 Fe ²⁺ + 8 e ⁻ ; 4 Fe ²⁺ → 4 Fe ³⁺ + 4 e ⁻ Total : 4 Fe + 3 O ₂ + 6 H ₂ O → 4 Fe ³⁺ + 12 OH ⁻ → 4 Fe(OH) ₃ ou 4 FeO(OH) + 4 H ₂ O

L’électrolyte est généralement du sulfate de fer (II) dans les zones urbaines (formé lorsque le dioxyde de soufre atmosphérique attaque le fer) et des particules de sel dans l’atmosphère des zones balnéaires. ^[127]

Composés de fer

Bien que l’utilisation dominante du fer soit dans la métallurgie, les composés de fer sont également omniprésents dans l’industrie. Les catalyseurs au fer sont traditionnellement utilisés dans le procédé Haber-Bosch pour la production d’ammoniac et le procédé Fischer-Tropsch pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrocarbures pour les carburants et les lubrifiants. ^[128] Le fer en poudre dans un solvant acide a été utilisé dans la réduction Bechamp la réduction du nitrobenzène en aniline . ^[129] Les catalyseurs à base de fer jouent un rôle crucial dans la conversion des matières premières biosourcées en vrac précieux ^[130] – et en produits chimiques fins, ^{[131] [132]} dans les piles à combustible^[133] ainsi que dans l’élimination des produits chimiques dangereux. ^{[134] [135] [136] [137]}

L’oxyde de fer (III) mélangé à de la poudre d’ aluminium peut être enflammé pour créer une réaction aluminothermique , utilisée pour souder de grandes pièces en fer (comme des rails ) et purifier des minerais. L’oxyde et l’oxyhidroxyde de fer (III) sont utilisés comme pigments rougeâtres et ocres .

Le chlorure de fer (III) trouve une utilisation dans la purification de l’eau et le traitement des eaux usées , dans la teinture des tissus, comme colorant dans les peintures, comme additif dans l’alimentation animale et comme décapant pour le cuivre dans la fabrication de cartes de circuits imprimés . ^[138] Il peut également être dissous dans de l’alcool pour former une teinture de fer, qui est utilisée comme médicament pour arrêter les saignements chez les canaris . ^[139]

Le sulfate de fer (II) est utilisé comme précurseur d’autres composés de fer. Il est également utilisé pour réduire le chromate dans le ciment. Il est utilisé pour fortifier les aliments et traiter l’anémie ferriprive . Le sulfate de fer (III) est utilisé pour déposer de minuscules particules d’eaux usées dans l’eau des réservoirs. Le chlorure de fer (II) est utilisé comme agent floculant réducteur, dans la formation de complexes de fer et d’oxydes de fer magnétiques, et comme agent réducteur dans la synthèse organique. ^[138]

Rôle biologique et pathologique

Le fer est nécessaire à la vie. ^{[5] [140] [141]} Les clusters fer-soufre sont omniprésents et comprennent la nitrogénase , les Enzymes responsables de la fixation biologique de l’azote . Les protéines contenant du fer participent au transport, au stockage et à l’utilisation de l’oxygène. ^[5] Les protéines de fer sont impliquées dans le transfert d’électrons . ^[142]

Structure de l’hème b ; dans la protéine, un ou des ligands supplémentaires seraient attachés à Fe.

Des exemples de protéines contenant du fer dans les organismes supérieurs comprennent l’hémoglobine, le cytochrome (voir fer à valence élevée ) et la catalase . ^{[5] [143]} L’être humain adulte moyen contient environ 0,005 % de poids corporel de fer, soit environ quatre grammes, dont les trois quarts se trouvent dans l’hémoglobine – un niveau qui reste constant malgré l’absorption d’environ un milligramme de fer chaque jour, ^{[ 142]} car le corps humain recycle son hémoglobine pour la teneur en fer. ^[144]

La croissance microbienne peut être favorisée par l’oxydation du fer(II) ou par la réduction du fer(III). ^[145]

Biochimie

L’acquisition du fer pose un problème pour les organismes aérobies car le fer ferrique est peu soluble près d’un pH neutre. Ainsi, ces organismes ont développé des moyens d’absorber le fer sous forme de complexes, absorbant parfois le fer ferreux avant de le réoxyder en fer ferrique. ^[5] En particulier, les bactéries ont développé des agents séquestrants de très haute affinité appelés sidérophores . ^{[146] [147] [148]}

Après absorption dans les cellules humaines , le stockage du fer est régulé avec précision. ^{[5] [149]} Un composant majeur de cette régulation est la protéine transferrine , qui lie les ions de fer absorbés par le duodénum et les transporte dans le sang vers les cellules. ^{[5] [150]} La transferrine contient Fe ³⁺ au milieu d’un octaèdre déformé, lié à un azote, trois oxygènes et un anion carbonate chélatant qui piège l’ ion Fe ^{3+ : elle a une} constante de stabilité si élevée qu’elle est très efficace pour absorber Fe ³⁺ions même des complexes les plus stables. Au niveau de la moelle osseuse, la transferrine est réduite de Fe ³⁺ et Fe ²⁺ et stockée sous forme de ferritine pour être incorporée dans l’hémoglobine. ^[142]

Les composés de fer bioinorganiques les plus connus et les plus étudiés (molécules de fer biologique) sont les protéines de l’hème : des exemples sont l’hémoglobine , la myoglobine et le cytochrome P450 . ^[5] Ces composés participent au transport des gaz, à la construction d’ Enzymes et au transfert d’électrons . ^[142] Les métalloprotéines sont un groupe de protéines avec des cofacteurs d’ions métalliques . Quelques exemples de métalloprotéines de fer sont la ferritine et la rubrédoxine . ^[142] De nombreuses Enzymes vitales contiennent du fer, comme la catalase, ^[151] lipoxygénases , ^[152] et IRE-BP . ^[153]

L’hémoglobine est un transporteur d’oxygène qui se produit dans les globules rouges et contribue à leur couleur, transportant l’oxygène dans les artères des poumons aux muscles où il est transféré à la myoglobine , qui le stocke jusqu’à ce qu’il soit nécessaire à l’oxydation métabolique du glucose , générant de l’énergie . ^[5] Ici, l’hémoglobine se lie au dioxyde de carbone , produit lorsque le glucose est oxydé, qui est transporté à travers les veines par l’hémoglobine (principalement sous forme d’ anions bicarbonate ) vers les poumons où il est expiré. ^[142] Dans l’hémoglobine, le fer est dans l’un des quatre hèmesgroupes et dispose de six sites de coordination possibles ; quatre sont occupés par des atomes d’azote dans un cycle porphyrine , le cinquième par un azote imidazole dans un résidu histidine de l’une des chaînes protéiques attachées au groupe hème, et le sixième est réservé à la molécule d’oxygène à laquelle il peut se lier de manière réversible. ^[142] Lorsque l’hémoglobine n’est pas attachée à l’oxygène (et est alors appelée désoxyhémoglobine), l’ion Fe ²⁺ au centre du groupe hémique (à l’intérieur de la protéine hydrophobe) est dans une configuration à haut spin . Il est donc trop grand pour tenir à l’intérieur de l’anneau de porphyrine, qui se plie à la place en un dôme avec le Fe ²⁺ion à environ 55 picomètres au-dessus. Dans cette configuration, le sixième site de coordination réservé à l’oxygène est bloqué par un autre résidu histidine. ^[142]

Lorsque la désoxyhémoglobine capte une molécule d’oxygène, ce résidu d’histidine s’éloigne et revient une fois que l’oxygène est solidement fixé pour former une liaison hydrogène avec lui. Il en résulte que l’ion Fe ²⁺ passe à une configuration à faible spin, entraînant une diminution de 20% du rayon ionique de sorte qu’il peut maintenant s’insérer dans l’anneau de porphyrine, qui devient planaire. ^[142] (De plus, cette liaison hydrogène entraîne l’inclinaison de la molécule d’oxygène, résultant en un angle de liaison Fe–O–O d’environ 120° qui évite la formation de ponts Fe–O–Fe ou Fe–O ₂ –Fe qui conduirait au transfert d’électrons, l’oxydation de Fe ²⁺ en Fe ³⁺, et la destruction de l’hémoglobine.) Il en résulte un mouvement de toutes les chaînes protéiques qui conduit les autres sous-unités de l’hémoglobine à changer de forme en une forme avec une plus grande affinité pour l’oxygène. Ainsi, lorsque la désoxyhémoglobine absorbe de l’oxygène, son affinité pour plus d’oxygène augmente, et vice versa. ^[142] La myoglobine, en revanche, ne contient qu’un seul groupe hémique et, par conséquent, cet effet coopératif ne peut pas se produire. Ainsi, alors que l’hémoglobine est presque saturée d’oxygène dans les hautes pressions partielles d’oxygène trouvées dans les poumons, son affinité pour l’oxygène est bien inférieure à celle de la myoglobine, qui s’oxygène même à de faibles pressions partielles d’oxygène trouvées dans les tissus musculaires. ^[142] Tel que décrit par l’ effet Bohr (du nom de Christian Bohr , le père deNiels Bohr ), l’affinité de l’hémoglobine pour l’oxygène diminue en présence de dioxyde de carbone. ^[142]

Une unité hème de carboxyhémoglobine humaine , montrant le ligand carbonyle en position apicale, trans vers le résidu histidine ^[154]

Le monoxyde de carbone et le trifluorure de phosphore sont toxiques pour l’homme car ils se lient à l’hémoglobine de la même manière que l’oxygène, mais avec beaucoup plus de force, de sorte que l’oxygène ne peut plus être transporté dans tout le corps. L’hémoglobine liée au monoxyde de carbone est connue sous le nom de carboxyhémoglobine . Cet effet joue également un rôle mineur dans la toxicité du cyanure , mais là l’effet majeur est de loin son interférence avec le bon fonctionnement de la protéine de transport d’électrons cytochrome a. ^[142] Les protéines du cytochrome impliquent également des groupes hémiques et sont impliquées dans l’oxydation métabolique du glucose par l’oxygène. Le sixième site de coordination est alors occupé soit par un autre azote imidazole, soit par une méthioninesoufre, de sorte que ces protéines sont en grande partie inertes à l’oxygène – à l’exception du cytochrome a, qui se lie directement à l’oxygène et est donc très facilement empoisonné par le cyanure. ^[142] Ici, le transfert d’électrons a lieu car le fer reste à faible spin mais change entre les états d’oxydation +2 et +3. Comme le potentiel de réduction de chaque étape est légèrement supérieur à la précédente, l’énergie est libérée étape par étape et peut ainsi être stockée dans l’ adénosine triphosphate . Le cytochrome a est légèrement distinct, car il se trouve au niveau de la membrane mitochondriale, se lie directement à l’oxygène et transporte des protons ainsi que des électrons, comme suit : ^[142]

4 Cytc ²⁺ + O ₂ + 8H ⁺
_{à l’intérieur}→ 4 Cytc ³⁺ + 2 H ₂ O + 4H ⁺
_extérieur

Bien que les protéines hémiques soient la classe la plus importante de protéines contenant du fer, les protéines fer-soufre sont également très importantes, étant impliquées dans le transfert d’électrons, ce qui est possible puisque le fer peut exister de manière stable dans les états d’oxydation +2 ou +3. Ceux-ci ont un, deux, quatre ou huit atomes de fer qui sont chacun approximativement coordonnés de manière tétraédrique à quatre atomes de soufre; à cause de cette coordination tétraédrique, ils ont toujours du fer à haut spin. Le plus simple de ces composés est la rubrédoxine , qui n’a qu’un seul atome de fer coordonné à quatre atomes de soufre à partir des résidus de cystéine dans les chaînes peptidiques environnantes. Une autre classe importante de protéines fer-soufre est les ferrédoxines, qui ont plusieurs atomes de fer. La transferrine n’appartient à aucune de ces classes. ^[142]

La capacité des moules de mer à maintenir leur emprise sur les roches dans l’océan est facilitée par leur utilisation de liaisons organométalliques à base de fer dans leurs cuticules riches en protéines . Sur la base de répliques synthétiques, la présence de fer dans ces structures a augmenté le module d’élasticité de 770 fois, la résistance à la traction de 58 fois et la ténacité de 92 fois. La quantité de stress nécessaire pour les endommager de façon permanente a été multipliée par 76. ^[155]

La nutrition

Régime

Le fer est omniprésent, mais les sources particulièrement riches en fer alimentaire comprennent la viande rouge , les huîtres , les lentilles , les haricots , la volaille , le poisson , les légumes-feuilles , le cresson , le tofu , les pois chiches , les pois aux yeux noirs et la mélasse noire . ^[5] Le pain et les céréales du petit- déjeuner sont parfois spécifiquement enrichis en fer. ^{[5] [156]}

Le fer fourni par les compléments alimentaires se trouve souvent sous forme de fumarate de fer(II) , bien que le sulfate de fer(II) soit moins cher et soit tout aussi bien absorbé. ^[138] Le fer élémentaire, ou fer réduit, bien qu’il soit absorbé à seulement un tiers à deux tiers de l’efficacité (par rapport au sulfate de fer), ^[157] est souvent ajouté à des aliments tels que les céréales du petit déjeuner ou la farine de blé enrichie. Le fer est le plus disponible pour le corps lorsqu’il est chélaté en acides aminés ^[158] et peut également être utilisé comme supplément de fer courant . La glycine , l’acide aminé le moins cher, est le plus souvent utilisée pour produire des suppléments de glycinate de fer. ^[159]

Recommandations diététiques

L’US Institute of Medicine (IOM) a mis à jour les besoins moyens estimés (EAR) et les apports nutritionnels recommandés (RDA) pour le fer en 2001. ^[5] L’EAR actuel pour le fer pour les femmes âgées de 14 à 18 ans est de 7,9 mg/jour, 19–50 et 5,0 par la suite (après la ménopause). Pour les hommes, le BME est de 6,0 mg/jour pour les 19 ans et plus. L’AJR est de 15,0 mg/jour pour les femmes de 15 à 18 ans, de 18,0 pour les 19 à 50 ans et de 8,0 par la suite. Pour les hommes, 8,0 mg/jour pour les 19 ans et plus. Les RDA sont plus élevés que les EAR afin d’identifier les montants qui couvriront les personnes ayant des besoins supérieurs à la moyenne. Le RDA pour la grossesse est de 27 mg/jour et, pour l’allaitement, de 9 mg/jour. ^[5] Pour les enfants de 1 à 3 ans 7 mg/jour, 10 pour les 4 à 8 ans et 8 pour les 9 à 13 ans. En ce qui concerne la sécurité, l’OIM fixe également des niveaux d’apport supérieurs tolérables(UL) pour les vitamines et les minéraux lorsque les preuves sont suffisantes. Dans le cas du fer, l’UL est fixée à 45 mg/jour. Collectivement, les BME, RDA et UL sont appelés apports nutritionnels de référence . ^[160]

L’ Autorité européenne de sécurité des aliments (EFSA) fait référence à l’ensemble collectif d’informations en tant que valeurs nutritionnelles de référence, avec apport de référence pour la population (PRI) au lieu de RDA et besoin moyen au lieu de BME. AI et UL ont défini la même chose qu’aux États-Unis. Pour les femmes, le PRI est de 13 mg/jour de 15 à 17 ans, de 16 mg/jour pour les femmes de 18 ans et plus qui sont préménopausées et de 11 mg/jour après la ménopause. Pour la grossesse et l’allaitement, 16 mg/jour. Pour les hommes, le PRI est de 11 mg/jour à partir de 15 ans. Pour les enfants de 1 à 14 ans, le PRI passe de 7 à 11 mg/jour. Les PRI sont plus élevés que les RDA américains, à l’exception de la grossesse. ^[161] L’EFSA a examiné la même question de sécurité et n’a pas établi d’UL. ^[162]

Les nourrissons peuvent avoir besoin de suppléments de fer s’ils sont nourris au biberon avec du lait de vache. ^[163] Les donneurs de sang fréquents sont exposés à un faible taux de fer et il leur est souvent conseillé de compléter leur apport en fer. ^[164]

Aux fins d’étiquetage des aliments et des compléments alimentaires aux États-Unis, la quantité dans une portion est exprimée en pourcentage de la valeur quotidienne (% VQ). Aux fins de l’étiquetage du fer, 100 % de la valeur quotidienne était de 18 mg et, au 27 mai 2016, ^[update]elle est restée inchangée à 18 mg. ^{[165] [166]} Un tableau des anciennes et nouvelles valeurs quotidiennes pour adultes est fourni à Reference Daily Intake .

Carence

La carence en fer est la carence nutritionnelle la plus répandue dans le monde. ^{[5] [167] [168] [169]} Lorsque la perte de fer n’est pas adéquatement compensée par un apport alimentaire adéquat en fer, un état de carence en fer latente se produit, qui au fil du temps conduit à une anémie ferriprive si elle n’est pas traitée, qui se caractérise par un nombre insuffisant de globules rouges et une quantité insuffisante d’hémoglobine. ^[170] Enfants, pré-ménopauseles femmes (femmes en âge de procréer) et les personnes ayant une mauvaise alimentation sont les plus sensibles à la maladie. La plupart des cas d’anémie ferriprive sont bénins, mais s’ils ne sont pas traités, ils peuvent entraîner des problèmes tels qu’un rythme cardiaque rapide ou irrégulier, des complications pendant la grossesse et un retard de croissance chez les nourrissons et les enfants. ^[171]

Excès

L’absorption du fer est étroitement régulée par le corps humain, qui n’a aucun moyen physiologique régulé d’excréter le fer. Seules de petites quantités de fer sont perdues quotidiennement en raison de la desquamation des muqueuses et des cellules épithéliales de la peau, de sorte que le contrôle des niveaux de fer est principalement réalisé en régulant l’absorption. ^[172] La régulation de l’absorption du fer est altérée chez certaines personnes en raison d’un défaut génétique qui correspond à la région du gène HLA-H sur le chromosome 6 et conduit à des niveaux anormalement bas d’ hepcidine , un régulateur clé de l’entrée du fer dans le système circulatoire chez les mammifères. ^[173] Chez ces personnes, un apport excessif en fer peut entraîner des troubles de surcharge en fer , connus médicalement sous le nom d’ hémochromatose .. ^[5] De nombreuses personnes ont une susceptibilité génétique non diagnostiquée à la surcharge en fer et ne sont pas conscientes des antécédents familiaux du problème. Pour cette raison, les gens ne devraient pas prendre de suppléments de fer à moins qu’ils ne souffrent d’ une carence en fer et qu’ils aient consulté un médecin. On estime que l’hémochromatose est la cause de 0,3 à 0,8 % de toutes les maladies métaboliques des Caucasiens. ^[174]

Des surdoses de fer ingéré peuvent entraîner des niveaux excessifs de fer libre dans le sang. Des taux sanguins élevés de fer ferreux libre réagissent avec les peroxydes pour produire des radicaux libres hautement réactifs qui peuvent endommager l’ADN , les protéines , les lipides et d’autres composants cellulaires. La toxicité ferreuse se produit lorsque la cellule contient du fer libre, ce qui se produit généralement lorsque les niveaux de fer dépassent la disponibilité de la transferrine pour lier le fer. Les dommages aux cellules du tractus gastro-intestinal peuvent également les empêcher de réguler l’absorption du fer, entraînant une augmentation supplémentaire des taux sanguins. Le fer endommage généralement les cellules du cœur , du foieet ailleurs, provoquant des effets indésirables tels que le coma , l’acidose métabolique , le choc , l’insuffisance hépatique , la coagulopathie , des lésions organiques à long terme et même la mort. ^[175] Les humains subissent une toxicité ferreuse lorsque le fer dépasse 20 milligrammes pour chaque kilogramme de masse corporelle; 60 milligrammes par kilogramme est considéré comme une dose mortelle . ^[176] La surconsommation de fer, souvent le résultat d’enfants mangeant de grandes quantités de comprimés de sulfate ferreux destinés à la consommation adulte, est l’une des causes toxicologiques les plus courantes de décès chez les enfants de moins de six ans. ^[176] L’ apport nutritionnel de référence(DRI) fixe le niveau d’apport supérieur tolérable (UL) pour les adultes à 45 mg/jour. Pour les enfants de moins de quatorze ans, l’UL est de 40 mg/jour. ^[177]

La prise en charge médicale de la toxicité ferreuse est compliquée et peut inclure l’utilisation d’un agent chélateur spécifique appelé déféroxamine pour lier et expulser l’excès de fer du corps. ^{[175] [178] [179]}

TDAH

Certaines recherches ont suggéré que de faibles niveaux de fer thalamique pourraient jouer un rôle dans la physiopathologie du TDAH. ^[180] Certains chercheurs ont découvert que la supplémentation en fer peut être efficace, en particulier dans le sous-type inattentif du trouble. ^[181] De plus, la recherche a montré que le fer a le potentiel de diminuer le risque d’événements cardiovasculaires pendant le traitement avec des médicaments pour le TDAH ou peut être utilisé comme intervention pour optimiser la réponse aux psychostimulants à une dose plus faible.

Cancer

Le rôle du fer dans la défense contre le cancer peut être décrit comme une “épée à double tranchant” en raison de sa présence omniprésente dans les processus non pathologiques. ^[182] Les personnes sous chimiothérapie peuvent développer une carence en fer et une anémie , pour lesquelles une thérapie intraveineuse au fer est utilisée pour rétablir les niveaux de fer. ^[183] ​​Une surcharge en fer, qui peut résulter d’une forte consommation de viande rouge, ^[5] peut initier la croissance tumorale et augmenter la susceptibilité à l’apparition du cancer, ^[183] ​​en particulier pour le cancer colorectal . ^[5]

Systèmes marins

Le fer joue un rôle essentiel dans les systèmes marins et peut agir comme nutriment limitant l’activité planctonique. ^[184] Pour cette raison, une diminution trop importante du fer peut entraîner une diminution des taux de croissance des organismes phytoplanctoniques tels que les diatomées. ^[185] Le fer peut également être oxydé par les microbes marins dans des conditions riches en fer et pauvres en oxygène. ^[186]

Le fer peut pénétrer dans les systèmes marins par les rivières adjacentes et directement à partir de l’atmosphère. Une fois que le fer pénètre dans l’océan, il peut être distribué dans toute la colonne d’eau par le mélange océanique et par le recyclage au niveau cellulaire. ^[187] Dans l’Arctique, la glace de mer joue un rôle majeur dans le stockage et la distribution du fer dans l’océan, appauvrissant le fer océanique lorsqu’il gèle en hiver et le relâchant dans l’eau lors du dégel en été. ^[188] Le cycle du fer peut faire fluctuer les formes de fer des formes aqueuses aux formes particulaires, modifiant ainsi la disponibilité du fer pour les producteurs primaires. ^[189] L’augmentation de la lumière et de la chaleur augmente la quantité de fer qui se trouve sous des formes utilisables par les producteurs primaires. ^[190]

Voir également

• Portail de la chimie

• El Mutún en Bolivie, où se trouvent 10% du minerai de fer accessible dans le monde
• Industrie du fer et de l’acier
• Cycle du fer
• Nanoparticule de fer
• Nanoparticule de fer-platine
• Fertilisation par le fer – proposition de fertilisation des océans pour stimuler la croissance du phytoplancton
• Bactéries oxydant le fer
• Liste des pays par production de fer
• Pelletisation – processus de création de boulettes de minerai de fer
• Fer antirouille
• Acier

Références

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2. ^ Bélier, RS; Bernath, PF (2003). “Spectroscopie d’émission à transformée de Fourier du système g ⁴ Δ – a ⁴ Δ de FeCl”. Journal de spectroscopie moléculaire . 221 (2): 261. Bibcode : 2003JMoSp.221..261R . doi : 10.1016/S0022-2852(03)00225-X .
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Bibliography

• Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 978-0-08-037941-8.
• Weeks, Mary Elvira; Leichester, Henry M. (1968). “Elements known to the ancients”. Discovery of the elements. Easton, PA: Journal of Chemical Education. pp. 29–40. ISBN 0-7661-3872-0. LCCN 68-15217.

Further reading

• H.R. Schubert, History of the British Iron and Steel Industry … to 1775 AD (Routledge, London, 1957)
• R.F. Tylecote, History of Metallurgy (Institute of Materials, London 1992).
• R.F. Tylecote, “Iron in the Industrial Revolution” in J. Day and R.F. Tylecote, The Industrial Revolution in Metals (Institute of Materials 1991), 200–60.

External links

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Wikisource has the text of the 1905 New International Encyclopedia article “Iron“.

• It’s Elemental – Iron
• Fer au tableau périodique des vidéos (Université de Nottingham)
• Métallurgie pour le non métallurgiste
• Fer par JB Calvert