FER (ÉLÉMENT): CARACTÉRISTIQUES, STRUCTURE CHIMIQUE, UTILISATIONS - CHIMIE - 2025

Le fer est un métal de transition appartenant au groupe 8 ou VIIIB du tableau périodique et représenté par le symbole chimique Fe. Est un métal gris, ductile, malléable et de haute résistance, utilisé dans de nombreuses applications utiles pour l'homme et la société.

Il constitue 5% de la croûte terrestre et c'est aussi le deuxième métal le plus abondant après l'aluminium. De plus, son abondance est dépassée par l'oxygène et le silicium. Cependant, en ce qui concerne le noyau terrestre, 35% de celui-ci est composé de fer métallique et liquide.

Alchimiste-hp (discussion) (www.pse-mendelejew.de)

En dehors du noyau terrestre, le fer ne se trouve pas sous forme métallique, car il est rapidement oxydé lorsqu'il est exposé à l'air humide. Il est situé dans les roches basaltiques, les sédiments carbonifères et les météorites; généralement allié au nickel, comme dans la kamacite minérale.

Les principaux minéraux de fer utilisés pour l'exploitation minière sont les suivants: l'hématite (oxyde ferrique, Fe ₂ O ₃), la magnétite (oxyde ferrosomère, Fe ₃ O ₄), la limonite (hydroxyde d'oxyde ferreux hydraté), et sidérite (carbonate de fer, FeCO ₃).

En moyenne, l'homme a une teneur de 4,5 g de fer, dont 65% sous forme d'hémoglobine. Cette protéine est impliquée dans le transport de l'oxygène dans le sang et dans sa distribution dans les différents tissus, pour son absorption ultérieure par la myoglobine et la neuroglobine.

Malgré les nombreux bienfaits du fer pour l'homme, un excès de métal peut avoir des actions toxiques très graves, notamment sur le foie, le système cardiovasculaire et le pancréas; tel est le cas de l'hémochromatosie, maladie héréditaire.

Le fer est synonyme de construction, de force et de guerres. En revanche, en raison de son abondance, c'est toujours une alternative à considérer lorsqu'il s'agit de développer de nouveaux matériaux, catalyseurs, médicaments ou polymères; et malgré la couleur rouge de ses rouilles, c'est un métal écologique.

L'histoire

Antiquité

Le fer est transformé depuis des millénaires. Cependant, il est difficile de trouver des objets en fer de ces âges anciens en raison de leur susceptibilité à la corrosion, ce qui provoque leur destruction. Les objets en fer les plus anciens connus ont été fabriqués à partir de ceux trouvés dans les météorites.

C'est le cas d'une sorte de perles fabriquées en 3500 avant JC, trouvées à Gerzah, en Egypte, et d'un poignard retrouvé dans la tombe de Toutankhamon. Les météorites ferreuses sont caractérisées par une forte teneur en nickel, leur provenance pourrait donc être identifiée dans ces objets.

Des preuves de la fonte ont également été trouvées à Asmar, en Mésopotamie et au Tail Chagar Bazaar, en Syrie, de 3000 à 2700 avant JC Bien que la fonte ait commencé à l'âge du bronze, il a fallu des siècles pour qu'elle remplace le bronze.

En outre, des artefacts en fonte ont été découverts en Inde, de 1800 à 1200 avant JC et au Levant, vers 1500 avant JC On pense que l'âge du fer a commencé en l'an 1000 avant JC, car le coût de leur production a été réduit.

Il apparaît en Chine entre 700 et 500 avant JC, probablement transporté à travers l'Asie centrale. Les premiers objets en fer ont été trouvés à Luhe Jiangsu, en Chine.

L'Europe 

Le fer forgé était produit en Europe grâce à l'utilisation de forges dites de gala. Le processus exigeait l'utilisation du charbon comme combustible.

Les hauts fourneaux médiévaux mesuraient 3,0 m de haut, étaient faits de briques ignifuges et l'air était fourni par des soufflets manuels. En 1709, Abraham Darby a établi un haut fourneau à coke pour produire du fer fondu, remplaçant le charbon de bois.

La disponibilité de fer bon marché a été l'un des facteurs qui ont conduit à la révolution industrielle. Dans cette période a commencé le raffinage de la fonte brute en fer forgé, qui a été utilisé pour construire des ponts, des navires, des entrepôts, etc.

Acier

L'acier utilise une concentration de carbone plus élevée que le fer forgé. L'acier a été produit au Luristan, en Perse, en 1000 avant JC. De nouvelles méthodes de production de barres de fer sans carbone ont été conçues lors de la révolution industrielle, qui ont ensuite été utilisées pour produire de l'acier.

À la fin des années 1850, Henry Bessemer a conçu le soufflage d'air dans la fonte en fusion pour produire de l'acier doux, ce qui a rendu la production d'acier plus économique. Cela a entraîné une diminution de la production de fer forgé.

Propriétés

Apparence

Éclat métallique avec une teinte grisâtre.

Poids atomique

55 845 unités

Numéro atomique (Z)

26

Point de fusion

1 533 ºC

Point d'ébullition

2 862 ºC

Densité

-Température ambiante: 7,874 g / mL.

-Point de fusion (liquide): 6,980 g / mL.

Température de fusion

13,81 kJ / mol

Chaleur de vaporisation

340 kJ / mol

Capacité calorique molaire

25,10 J / (mol K)

Énergie d'ionisation

-Premier niveau d'ionisation: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gazeux)

-Deuxième niveau d'ionisation: 1561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ gazeux)

-Troisième niveau d'ionisation: 2,957, kJ / mol (Fe ³⁺ gazeux)

Electronégativité

1,83 sur l'échelle de Pauling

Radio atomique

Empirique 126 pm

Conductivité thermique

80,4 W / (mK)

Résistivité électrique

96,1 Ω · m (à 20 ºC)

Point de Curie

770 ° C, environ. A cette température, le fer n'est plus ferromagnétique.

Les isotopes

Isotopes stables: ⁵⁴ Fe, avec une abondance de 5,85%; ⁵⁶ Fe, avec une abondance de 91,75%; ⁵⁷ Fe, avec une abondance de 2,12%; et ⁵⁷ Fe, avec une abondance de 0,28%. Le ⁵⁶ Fe étant l'isotope le plus stable et le plus abondant, il n'est pas surprenant que le poids atomique du fer soit très proche de 56 u.

Alors que les isotopes radioactifs sont: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe et ⁶⁰ Fe.

Structure et configuration électronique

-Allropes

Le fer à température ambiante cristallise dans la structure cubique centrée sur le corps (bcc), également connue sous le nom de α-Fe ou ferrite (dans le jargon métallurgique). Puisqu'il peut adopter différentes structures cristallines en fonction de la température et de la pression, le fer est considéré comme un métal allotrope.

L'allotrope bcc est le fer commun (ferromagnétique), celui que les gens connaissent si bien et est attiré par les aimants. Lorsqu'il est chauffé au-dessus de 771 ºC, il devient paramagnétique, et bien que son cristal ne fait que se dilater, cette «nouvelle phase» était auparavant considérée comme du β-Fe. Les autres allotropes du fer sont également paramagnétiques.

Entre 910 ° C et 1 394 ° C, le fer se trouve sous forme d'allotrope d'austénite ou γ-Fe, dont la structure est cubique à faces centrées, fcc. La conversion entre l'austénite et la ferrite a un impact majeur sur la fabrication de l'acier; puisque les atomes de carbone sont plus solubles dans l'austénite que dans la ferrite.

Et puis, au-dessus de 1394 ºC jusqu'à son point de fusion (1538 ºC), le fer revient pour adopter la structure bcc, δ-Fe; mais contrairement à la ferrite, cet allotrope est paramagnétique.

Fer d'Epsilon

En augmentant la pression à 10 GPa, à une température de quelques centaines de degrés centigrades, l'allotrope α ou ferrite évolue vers l'allotrope ε, epsilon, caractérisé par cristallisation dans une structure hexagonale compacte; c'est-à-dire avec les atomes de Fe les plus compacts. C'est la quatrième forme allotropique de fer.

Certaines études théorisent l'existence possible d'autres allotropes de fer sous de telles pressions, mais à des températures encore plus élevées.

-Lien métallique

Indépendamment de l'allotrope de fer et de la température qui «secoue» ses atomes de Fe, ou de la pression qui les compacte, ils interagissent les uns avec les autres avec les mêmes électrons de valence; Ce sont, ceux représentés dans leur configuration électronique:

3d ⁶ 4s ²

Par conséquent, huit électrons participent à la liaison métallique, qu'elle soit affaiblie ou renforcée lors des transitions allotropiques. De même, ce sont ces huit électrons qui définissent les propriétés du fer telles que sa conductivité thermique ou électrique.

-Numéros d'oxydation

Les indices d'oxydation les plus importants (et courants) du fer sont +2 (Fe ²⁺) et +3 (Fe ³⁺). En fait, la nomenclature conventionnelle ne considère que ces deux nombres ou états. Cependant, il existe des composés dans lesquels le fer peut gagner ou perdre un autre nombre d'électrons; c'est-à-dire que l'existence d'autres cations est supposée.

Par exemple, le fer peut également avoir des indices d'oxydation de +1 (Fe ⁺), +4 (Fe ⁴⁺), +5 (Fe ⁵⁺), +6 (Fe ⁶⁺) et +7 (Fe ^{7 +}). L'espèce ferrate anionique, FeO ₄ ^2-, a du fer avec un indice d'oxydation de +6, puisque les quatre atomes d'oxygène l'ont oxydé à un tel point.

De même, le fer peut avoir des indices d'oxydation négatifs; tels que: -4 (Fe ^4-), -2 (Fe ^2-) et -1 (Fe ^-). Cependant, les composés avec des centres de fer avec ces gains d'électrons sont très rares. C'est pourquoi, bien qu'il surpasse le manganèse à cet égard, ce dernier forme des composés beaucoup plus stables avec sa gamme d'états d'oxydation.

Le résultat, pour des raisons pratiques, il suffit de considérer Fe ²⁺ ou Fe ³⁺; les autres cations sont réservés à des ions ou composés quelque peu spécifiques.

Comment est-il obtenu?

Ornements en acier, le plus important alliage de fer. Source: Pxhere.

Collecte de matières premières

Il faut procéder à la localisation des minerais des minéraux les plus appropriés pour l'extraction du fer. Les minéraux les plus utilisés pour l'obtenir sont les suivants: l'hématite (Fe ₂ O ₃), la magnétite (Fe ₃ O ₄), la limonite (FeO · OH · nH ₂ O) et la sidérite (FeCO ₃).

Ensuite, la première étape de l'extraction consiste à collecter les roches avec les minerais de fer. Ces roches sont écrasées pour les briser en petits morceaux. Par la suite, il y a une phase de sélection des fragments de roches avec du minerai de fer.

Deux stratégies sont suivies dans la sélection: l'utilisation d'un champ magnétique et la sédimentation dans l'eau. Les fragments de roche sont soumis à un champ magnétique et les fragments minéraux y sont orientés, pouvant ainsi être séparés.

Dans la deuxième méthode, les fragments rocheux sont jetés dans l'eau et ceux qui contiennent du fer, car ils sont plus lourds, se déposent au fond de l'eau, laissant la gangue dans la partie supérieure de l'eau car elle est plus légère.

Haut fourneau

Haut fourneau où est produit l'acier. Source: Pixabay.

Les minerais de fer sont transportés vers les hauts fourneaux, où ils sont déversés avec le charbon à coke, qui joue le rôle de fournisseur de combustible et de carbone. De plus, du calcaire ou du calcaire est ajouté, qui remplit la fonction de flux.

Le haut fourneau, avec le mélange précédent, est injecté de l'air chaud à une température de 1 000 ºC. Le fer est fondu par la combustion du charbon qui porte la température à 1 800 ºC. Une fois liquide, elle est appelée fonte brute, qui s'accumule au fond du four.

La fonte brute est retirée du four et versée dans des conteneurs pour être transportée vers une nouvelle fonderie; tandis que le laitier, une impureté située à la surface de la fonte, est rejeté.

La fonte brute est versée à l'aide de poches dans un four de conversion, avec du calcaire comme fondant, et de l'oxygène est introduit à des températures élevées. Ainsi, la teneur en carbone est réduite, affinant la fonte pour la transformer en acier.

Ensuite, l'acier passe dans des fours électriques pour la production d'aciers spéciaux.

Applications

-Fer métallique

Pont de fer en Angleterre, l'une des nombreuses constructions en fer ou en ses alliages. Source: Aucun auteur lisible par machine fourni. Jasonjsmith supposé (sur la base des revendications de droits d'auteur).

Parce qu'il s'agit d'un métal malléable et ductile peu coûteux devenu résistant à la corrosion, il est devenu le métal le plus utile pour l'homme, sous ses différentes formes: forgé, coulé et acier de différents types.

Le fer est utilisé pour la construction de:

-Des ponts

-Les bases pour les bâtiments

-Portes et fenêtres

-Coques de bateau

-Différents outils

-Tuyauterie pour eau potable

-Tubes de collecte des eaux usées

-Mobilier pour les jardins

-Grille pour la sécurité à domicile

Il est également utilisé dans la production d'ustensiles ménagers, tels que casseroles, poêles, couteaux, fourchettes. De plus, il est utilisé dans la fabrication de réfrigérateurs, cuisinières, machines à laver, lave-vaisselle, mixeurs, fours, grille-pain.

Bref, le fer est présent dans tous les objets qui entourent l'homme.

Nanoparticules

Le fer métallique est également préparé sous forme de nanoparticules, qui sont hautement réactives et conservent les propriétés magnétiques du solide macroscopique.

Ces sphères de Fe (et leurs multiples morphologies supplémentaires) sont utilisées pour purifier les eaux de composés organochlorés et comme vecteurs de médicaments délivrés à certaines régions du corps grâce à l'application d'un champ magnétique.

Ils peuvent également servir de supports catalytiques dans des réactions où les liaisons carbone, CC, sont rompues.

-Composés de fer

Oxydes

L'oxyde ferreux, FeO, est utilisé comme pigment pour les cristaux. L'oxyde ferrique, Fe ₂ O ₃, est la base d'un certain nombre de pigments allant du jaune au rouge, connus sous le nom de rouge vénitien. La forme rouge, appelée rouge, est utilisée pour polir les métaux précieux et les diamants.

L'oxyde ferro-ferrique, Fe ₃ O ₄, est utilisé dans les ferrites, substances à haute accessibilité magnétique et résistivité électrique, utilisables dans certaines mémoires informatiques et dans le revêtement de bandes magnétiques. Il a également été utilisé comme pigment et agent de polissage.

Les sulfates

Le sulfate ferreux heptahydraté, FeSO ₄ · 7H ₂ O, est la forme la plus courante de sulfate ferreux, connue sous le nom de vitriol vert ou de cuivre. Il est utilisé comme agent réducteur et dans la fabrication d'encres, d'engrais et de pesticides. Il trouve également une utilisation dans la galvanoplastie du fer.

Le sulfate ferrique, Fe ₂ (SO ₄) ₃, est utilisé pour obtenir de l'alun de fer et d'autres composés ferriques. Il sert de coagulant dans la purification des eaux usées et de mordant dans la teinture des textiles.

Chlorures

Le chlorure ferreux, FeCl ₂, est utilisé comme mordant et réducteur. Pendant ce temps, le chlorure ferrique, FeCl ₃, est utilisé comme agent de chloration pour les métaux (argent et cuivre) et certains composés organiques.

Le traitement du Fe ³⁺ avec l'ion hexocyanoferrate ^-4 produit un précipité bleu, appelé bleu de Prusse, utilisé dans les peintures et les laques.

Aliments à base de fer

Les palourdes sont une riche source de fer. Source: Pxhere.

En général, un apport en fer de 18 mg / jour est recommandé. Parmi les aliments qui en fournissent dans l'alimentation quotidienne, on trouve les suivants:

Les crustacés fournissent du fer sous forme d'hème, il n'y a donc pas d'inhibition de l'absorption intestinale de celui-ci. La palourde fournit jusqu'à 28 mg de fer pour 100 g de celui-ci; par conséquent, cette quantité de palourdes suffirait à fournir les besoins quotidiens en fer.

Les épinards contiennent 3,6 mg de fer pour 100 g. La viande d'organe de boeuf, par exemple le foie de veau, contient 6,5 mg de fer pour 100 g. La contribution du boudin est probablement un peu plus élevée. Le boudin se compose de portions de l'intestin grêle, farcies de sang de bœuf.

Les légumineuses, comme les lentilles, contiennent 6,6 mg de fer pour 198 g. La viande rouge contient 2,7 mg de fer pour 100 g. Les graines de citrouille contiennent 4,2 mg par 28 g. Le quinoa contient 2,8 mg de fer pour 185 g. La viande brune de dinde contient 2,3 mg pour 100 g. Le brocoli contient 2,3 mg par 156 mg.

Le tofu contient 3,6 mg pour 126 g. Pendant ce temps, le chocolat noir contient 3,3 mg par 28 g.

Rôle biologique

Les fonctions que remplit le fer, en particulier chez les êtres vivants vertébrés, sont innombrables. On estime que plus de 300 enzymes ont besoin de fer pour fonctionner. Parmi les enzymes et protéines qui l'utilisent, les suivantes sont nommées:

-Protéines qui ont le groupe hème et n'ont pas d'activité enzymatique: hémoglobine, myoglobine et neuroglobine.

-Enzymes avec le groupe hème impliqué dans le transport d'électrons: cytochromes a, b et f, et cytochromes oxydases et / ou activité oxydase; sulfite oxydase, cytochrome P450 oxydase, myéloperoxydase, peroxydase, catalase, etc.

-Protéines contenant du fer-soufre, liées aux activités oxyréductase, impliquées dans la production d'énergie: succinate déshydrogénase, isocitrate déshydrogénase et aconitase, ou enzymes impliquées dans la réplication et la réparation de l'ADN: ADN-polymérase et ADN-héliclases.

-Enzymes non héminiques utilisant le fer comme cofacteur pour leur activité catalytique: phénylalanine hydrolase, tyrosine hydrolase, tryptophane hydrolase et lysine hydrolase.

-Protéines non héminiques responsables du transport et du stockage du fer: ferritine, transferrine, haptoglobine, etc.

Des risques

Toxicité

Les risques d'exposition à un excès de fer peuvent être aigus ou chroniques. Une cause d'intoxication aiguë par le fer peut être une consommation excessive de comprimés de fer, sous forme de gluconate, de fumarate, etc.

Le fer peut provoquer une irritation de la muqueuse intestinale, dont l'inconfort se manifeste immédiatement après l'ingestion et disparaît après 6 à 12 heures. Le fer absorbé se dépose dans différents organes. Cette accumulation peut provoquer des perturbations métaboliques.

Si la quantité de fer ingérée est toxique, elle peut provoquer une perforation intestinale avec péritonite.

Dans le système cardiovasculaire, il produit une hypovolémie qui peut être causée par des saignements gastro-intestinaux et la libération par le fer de substances vasoactives, telles que la sérotonine et l'histamine. En fin de compte, une nécrose massive du foie et une insuffisance hépatique peuvent survenir.

Hémochromatosie

L'hémochromatosie est une maladie héréditaire qui présente une altération du mécanisme de régulation du fer du corps, qui se manifeste par une augmentation de la concentration sanguine de fer et son accumulation dans différents organes; y compris le foie, le cœur et le pancréas.

Les premiers symptômes de la maladie sont les suivants: douleurs articulaires, douleurs abdominales, fatigue et faiblesse. Avec les symptômes suivants et les signes ultérieurs de la maladie: diabète, perte du désir sexuel, impuissance, insuffisance cardiaque et insuffisance hépatique.

Hémosidérose

L'hémosidérose est caractérisée, comme son nom l'indique, par l'accumulation d'hémosidérine dans les tissus. Cela ne cause pas de lésions tissulaires, mais peut évoluer vers des lésions similaires à celles observées dans l'hémochromatosie.

L'hémosidérose peut être causée par les causes suivantes: augmentation de l'absorption du fer provenant de l'alimentation, anémie hémolytique qui libère le fer des globules rouges et transfusions sanguines excessives.

L'hémosidérose et l'hémochromatosie pourraient être dues à un fonctionnement inadéquat de l'hormone hepcidine, une hormone sécrétée par le foie et impliquée dans la régulation du fer corporel.

Références

1. Shiver et Atkins. (2008). Chimie inorganique. (Quatrième édition). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Allotropes de fer: types, densité, utilisations et faits. Étude. Récupéré de: study.com
3. Jayanti S. (nd). Allotropie du fer: thermodynamique et structures cristallines. Métallurgie. Récupéré de: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Nano puissance de fer. Récupéré de: nanoshel.com
5. Wikipédia. (2019). Le fer. Récupéré de: en.wikipedia.org
6. Histoire du Shropshire. (sf). Propriétés du fer. Récupéré de: shropshirehistory.com
7. Dr Dough Stewart. (2019). Faits sur les éléments de fer. Récupéré de: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18 juillet). 11 aliments sains riches en fer. Récupéré de: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Tableau périodique: fer. Récupéré de: lenntech.com
10. Les rédacteurs de l'Encyclopaedia Britannica. (13 juin 2019). Le fer. Encyclopædia Britannica. Récupéré de: britannica.com