Fer
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Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26.
Le noyau de l'atome de fer 56 est l'isotope le plus stable de tous les éléments chimiques, car il possède l'énergie de liaison par nucléon la plus élevée.
Le fer est le dernier élément pouvant être produit par les réactions de fusion au cœur des étoiles (si celles-ci pèsent au moins 5 masses solaires) et donc l'élément le plus lourd dont la formation ne nécessite pas un évènement cataclysmique comme une supernova.
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[modifier] Histoire et étymologie
Le nom du fer vient du latin classique ferrum: fer ; objet en fer ; épée ; chaînes.
Les premières preuves de l'utilisation du fer remontent à environ 4000 av. J.-C., chez les Égyptiens et Sumériens. Quelques objets comme des pointes de lances, des dagues et des ornements étaient forgés de fer provenant de météorites....
[modifier] Propriétés
[modifier] Propriétés physiques
C'est un métal qui, en fonction de la température, se présente sous plusieurs formes allotropiques. Dans les conditions normales de pression et de température, c'est un solide cristallin de structure cubique centré (fer α ou ferrite) ; à partir de 912 °C, il devient cubique à faces centrées (fer γ ou austénite). Au-delà de 1 394 °C, il redevient cubique centré (fer δ).
Le fer est ferromagnétique : les moments magnétiques des atomes s'alignent sous l'influence d'un champ magnétique extérieur et conservent leur nouvelle orientation après la disparition de ce champ.
Des courants de convection riches en fer liquide dans la couche externe du noyau terrestre (noyau externe) sont supposés être à l'origine du champ magnétique terrestre.
[modifier] Propriétés chimiques
Laissé à l'air libre en présence d'humidité, il se corrode en formant de la rouille Fe2O3. La rouille étant un matériau poreux, la réaction d'oxydation peut se propager jusqu'au cœur du métal, contrairement, par exemple, à l'aluminium, qui forme une couche fine d'oxyde imperméable.
En solution, il présente deux valences principales :
- Fe2+ (le fer ferreux) qui présente une faible couleur verte ;
- Fe3+ (le fer ferrique) qui possède une couleur rouille caractéristique. Fe3+ peut être réduit par du cuivre métallique, par exemple, réaction à l'origine du procédé de gravure des circuits imprimés par le perchlorure de fer, FeCl3.
L'hémoglobine du sang, qui permet aux globules rouges de transporter le dioxygène, contient du fer.
[modifier] Gisements
Dans la nature, les minerais de fer exploitables sont essentiellement des oxydes : notamment l'hématite Fe2O3, la magnétite Fe3O4 et la limonite HFeO2.
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.
[modifier] Métallurgie
[modifier] Extraction
Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone (CO) provenant du carbone, les oxydes contenus dans le minerai ; ceci peut être réalisé :
Depuis l'Âge du fer et jusqu'au XIXe siècle dans certaines régions du monde : par réduction du minerai avec du charbon de bois dans un bas fourneau ou bas-foyer : on obtient, sans passer par une phase liquide, une masse hétérogène de fer et d'acier appelée "loupe", "massiot" ou "éponge de fer". Cette masse de métal brute se forme en incorporant plus ou moins de scories (déchet minéral de la réduction) et de porosités. Afin de rendre le métal propre à l'élaboration d'objets, la "loupe" peut être brisée et triée par type de teneur en carbone ou plus simplement être directement compactée à la forge. Ce travail, dit d'épuration, varie en fonction des régions et des cultures techniques. Globalement, son principe consiste à évacuer la scorie et à souder les différentes parties de la masse de métal. On parle de cinglage pour l'étape consistant à marteler le métal à chaud pour évacuer la scorie et de corroyage pour désigner la fin de l'opération d'épuration, consistant à réaliser plusieurs passes à la forge en repliant et en soudant le métal sur lui-même.
C'est avec le développement des moulins et de la force hydraulique, que la lignée technique du haut-fourneau a pu se développer et s'est globalement imposée sur celle du bas-fourneau. La principale différence dans ce procédé est la réduction des oxydes de fer à une température supérieur au point de fusion du fer. Le métal est produit en phase liquide, formant la fonte. Dans ce cas, les déchets minéraux, appelés laitiers, sont séparés du métal.
C'est en ajoutant de la silice au minerai à gangue calcaire ou du calcaire au minerai à gangue siliceuse que l'on est passé au haut fourneau : ce fondant permet la formation de laitier, et permet au fer d'absorber du carbone pour faire de la fonte bien liquide, car sa température de fusion est plus basse que le fer. Pendant longtemps les haut fourneaux ont fonctionné au charbon de bois. Le coke plus dur a permis de faire des hauts fourneaux beaucoup plus hauts mais produisant une fonte moins pure .
Pour obtenir un métal forgeable, il faut affiner la fonte. Cette étape consiste à décarburer la fonte pour obtenir un alliage plus faible en carbone: fer ou acier. Là encore, les techniques d'élaboration du métal en haut-fourneau varient en fonction des régions, des cultures techniques et des produits qu'on veut obtenir.
Actuellement : les oxydes de fer (minerais) sont réduits par le monoxyde de carbone obtenu par la réaction du coke et de l'air dans un haut fourneau. On obtient de la fonte liquide et du laitier liquide.
La fonte est transformée en acier au convertisseur. Dans cette cuve, on souffle de l'oxygène sur la fonte pour en éliminer le carbone.
[modifier] Acier et fonte
L'acier et la fonte sont des alliages de fer contenant une faible proportion de carbone en masse, mais une proportion bien plus importante en nombre d'atomes (55,845 ÷ 12 = 4,65 fois plus) :
- la fonte contient de 2.1 % à 6,67 % de carbone ;
- l'acier contient de 0,025 % à 2.1 % de carbone ;
- en-dessous de 0,025 % de carbone, on parle de fers industriels (ou fer alpha).
Diverses additions permettent d'obtenir des aciers spéciaux :
- manganèse pour améliorer la résistance à l'usure ;
- tungstène pour la dureté à haute température ;
- silicium pour améliorer l'élasticité (utilisé pour les ressorts).
Les aciers inoxydables sont des alliages contenant de fortes proportions de chrome. On peut aussi y ajouter du nickel et parfois du molybdène ou du vanadium. Par exemple, les couverts possèdent une inscription « 18/8 » ou « 18/10 », cela signifie qu'ils contiennent 18 % de chrome et 8 ou 10 % de nickel.
[modifier] Autres alliages
Il existe d'autres alliages moins connus :
- les intermétalliques Fe-Al ;
- les Fe-Cr-Al.
[modifier] Industrie de l'extraction de minerais de fer
Les principaux producteurs de minerais de fer dans le monde sont, en 2008[1] :
- BHP Billiton et Rio Tinto (39,6% du marché mondial estimé en 2008, en cas de fusion)
- Vale (ex-CVRD) (Brésil) (35,7%)
- Rio Tinto (24% seul)
- BHP Billiton (16% seul)
- Fortescue (5,4%)
- Kumba (5,2%)
- Autres (LKAB, SNIM, CVG Ferrominera, Hierro Peru, Kudremukh, CAP) (13,7%)
En 2007, la Chine produit un tiers de l'acier mondial et attire 50 % des exportations du minerai de fer[2].
[modifier] Utilisation
Le fer est largement utilisé sous forme d'acier dans la construction métallique.
Le fer métallique et ses oxydes sont utilisés depuis des décennies pour fixer des informations analogiques ou numériques sur des supports appropriés (bandes magnétiques, cassettes audio et vidéo, disquettes). L'usage de ces matériaux est cependant désormais supplanté par des composés possédant une meilleure permittivité, par exemple dans les disques durs.
Le fer est également employé dans le fil de fer.
[modifier] Dans l'alimentation
Le fer est un des sels minéraux qu'on retrouve dans les aliments.
Le fer est essentiel au transport de l'oxygène et à la formation des globules rouges dans le sang. Il joue aussi un rôle dans la fabrication de nouvelles cellules, d'hormones et de neurotransmetteurs. Le fer contenu dans les végétaux (fer dit "non héminique") est moins bien absorbé par l'organisme que celui contenu dans les aliments d'origine animale (fer "héminique"). Toutefois, l'absorption du fer des végétaux est favorisée si on le consomme avec certains nutriments, comme la vitamine C. En revanche son absorption est inhibée par la consommation de thé et/ou de café.[réf. nécessaire]
[modifier] Symbolique
- Le fer symbolise la solidité (ex. : Le pot de terre et le pot de fer, la fable de Jean de La Fontaine).
- Les noces de fer symbolisent les 41 ans de mariage dans le folklore français.
[modifier] Notes et références
- ↑ Bernstein Resaerch, in Les Echos du 5 février 2008, page 35
- ↑ Alain Faujas, « Le minerai de fer augmentera d'au moins 65 % en 2008 », dans Le Monde du 20-02-2008, mis en ligne le 19-02-2008, [lire en ligne]
[modifier] Voir aussi
[modifier] Lien externe
- Dossier sur le fer : Le fer tombe le masque, dossier Futura-sciences
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