Le fer est un élément chimique ; son symbole est Fe (du latin ferrum, « fer ») et son numéro atomique est 26. C’est un métal appartenant à la première série de transition et au groupe 8 du tableau périodique. En masse, c’est l’élément le plus abondant sur Terre et il constitue une grande partie du noyau externe et interne de la Terre. C’est le quatrième élément le plus abondant de la croûte terrestre, où il a principalement été apporté par des météorites sous forme métallique.

L’extraction de métal utilisable à partir de minerais de fer nécessite des fours capables d’atteindre 1 500 °C (2 730 °F), soit environ 500 °C (932 °F) de plus que la température nécessaire à la fusion du cuivre. Les humains ont commencé à maîtriser ce procédé en Eurasie au cours du IIe millénaire av. J.-C., et l’utilisation des outils et des armes en fer a commencé à supplanter celle des alliages de cuivre — dans certaines régions, seulement vers 1200 av. J.-C. Cet événement est considéré comme le passage 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. L’industrie du fer et de l’acier revêt donc une grande importance économique, et le fer est le métal le moins cher, à quelques dollars le kilogramme ou la livre.

Les surfaces de fer pur, lisses et impeccables, présentent un aspect gris argenté miroir. Le fer réagit facilement avec l'oxygène et l'eau pour former des oxydes de fer hydratés, de couleur brune à noire, communément appelés rouille. Contrairement aux oxydes de certains autres métaux qui forment des couches passivantes, la rouille occupe un volume supérieur à celui du métal et s'écaille donc, exposant ainsi davantage de surfaces à la corrosion. Chimiquement, les états d'oxydation les plus courants du fer sont le fer(II) et le fer(III). Le fer partage de nombreuses propriétés avec d'autres métaux de transition, notamment les autres éléments du groupe 8, le ruthénium et l'osmium. Le fer forme des composés dans une large gamme d'états d'oxydation, de -4 à 7. Il forme également de nombreux complexes 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.

Le corps d’un adulte contient environ 4 grammes de fer (0,005 % du poids corporel), principalement dans l’hémoglobine et la myoglobine. Ces deux protéines jouent un rôle essentiel dans le transport de l’oxygène par le sang et son stockage dans les muscles. Pour maintenir les niveaux nécessaires, le métabolisme du fer humain exige un apport alimentaire minimal en fer. Le fer est également présent dans le site actif de nombreuses enzymes rédox importantes, impliquées dans la respiration cellulaire ainsi que dans les processus d’oxydation et de réduction chez les plantes et les animaux.[10]

Allotropes

On connaît au moins quatre allotropes du fer (différents arrangements atomiques dans le solide), désignés conventionnellement par α, γ, δ et ε.

Les trois premières formes sont observées à des pressions ordinaires. Lorsque le fer en fusion refroidit en dessous de son point de solidification, à 1538 °C, il cristallise sous sa forme allotropique δ, dont la structure cristalline est cubique centrée (cc). En poursuivant son refroidissement jusqu’à 1394 °C, il se transforme en fer γ, une forme allotropique à structure cristalline cubique à faces centrées (cfc), ou austénite. À 912 °C et en dessous, la structure cristalline redevient celle du fer α, forme allotropique cubique centrée (cc).[11]

Les propriétés physiques du fer à très hautes pressions et températures ont également été largement étudiées,[12][13] en raison de leur pertinence pour les théories concernant le noyau de la Terre et celui d’autres planètes. Au-delà 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 appelée fer ε. La phase γ, stable à des températures plus élevées, se transforme elle aussi en fer ε,[13] mais à une pression plus élevée.

Certaines preuves expérimentales controversées font état d'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 une structure hexagonale compacte double.[14] (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.[11])

On considère généralement que le noyau interne de la Terre est constitué d’un alliage de fer et de nickel de structure ε (ou β).[15]

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 précédents, du scandium au chrome. Cela montre que les électrons 3d contribuent moins aux liaisons métalliques, car le noyau les attire de plus en plus vers le cœur inerte ;[16] toutefois, ces valeurs restent supérieures à celles de l’élément précédent, le manganèse, car celui-ci possède une sous-couche 3d à moitié remplie et ses électrons d ne sont donc pas facilement délocalisés. La même tendance s’observe pour le ruthénium, mais pas pour l’osmium.[17]

Le point de fusion du fer est bien défini expérimentalement pour des pressions inférieures à 50 GPa. Pour des pressions plus élevées, les données publiées (en date de 2007) varient encore de plusieurs dizaines de gigapascals et de plus de mille kelvins.[18]

propriétés magnétiques

En dessous de son point de Curie, à 770 °C (1,420 °F; 1,040 K), le fer α passe de l’état paramagnétique à l’état ferromagnétique : les spins des deux électrons non appariés de chaque atome s’alignent généralement sur ceux de leurs voisins, créant un champ magnétique global.[20] Cela se produit parce que les orbitales de ces deux électrons (dz2 et dx2 − y2) ne sont pas orientées vers les atomes voisins du réseau et ne participent donc pas à la liaison métallique.[11]

En l'absence de champ magnétique externe, les atomes se répartissent spontanément en domaines magnétiques d'environ 10 micromètres de diamètre[21], de sorte que les atomes de chaque domaine possèdent des spins parallèles, certains domaines présentant toutefois des orientations différentes. Ainsi, un morceau de fer macroscopique aura un champ magnétique global quasi nul.

L'application d'un champ magnétique externe provoque la croissance des domaines magnétiques orientés dans la même direction générale, au détriment des domaines adjacents orientés dans d'autres directions, renforçant ainsi le champ externe. Cet effet est exploité dans les dispositifs nécessitant la canalisation de champs magnétiques pour leur fonctionnement, tels que les transformateurs électriques, les têtes d'enregistrement magnétique et les moteurs électriques. Les impuretés, les défauts du réseau cristallin ou les joints de grains et de particules peuvent « ancrer » les domaines dans leurs 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).[20]

Certains composés du fer présentent un comportement similaire, notamment les ferrites, dont la magnétite, une forme cristalline de l’oxyde mixte de fer(II,III) Fe3O4 (bien que le mécanisme à l’échelle atomique, le ferrimagnétisme, soit quelque peu différent). Les morceaux de magnétite naturellement aimantés (pierres d’aimant) ont servi de premiers compas de navigation. Les particules de magnétite ont été largement utilisées dans les supports d’enregistrement magnétique tels que les mémoires à tores, les bandes magnétiques, les disquettes et les disques, jusqu’à leur remplacement par des matériaux à base de cobalt.

Isotopes

Le fer possède quatre isotopes stables : le ⁵⁴Fe (5,845 % du fer naturel), le ⁵⁶Fe (91,754 %), le ⁵⁷Fe (2,119 %) et le ⁵⁸Fe (0,282 %). Vingt-quatre isotopes artificiels ont également été créés. Parmi ces isotopes stables, seul le ⁵⁷Fe possède un spin nucléaire de −1/2. Le nucléide ⁵⁴Fe peut théoriquement subir une double capture électronique pour former le ⁵⁴Cr, mais ce processus n’a jamais été observé et seule une limite inférieure de 4,4 × 10²⁰ ans a été établie pour sa demi-vie.[22]

Le fer-60 (⁶⁰Fe) est un radionucléide éteint à longue période radioactive (2,6 millions d'années) [23]. On ne le trouve pas sur Terre, mais son produit de désintégration ultime est son descendant, le nickel-60 (⁶⁰Ni) [9]. La plupart des travaux antérieurs sur la composition isotopique du fer se sont concentrés sur la nucléosynthèse du fer-60 à travers l'étude des météorites et de la formation des minerais. Au cours de la dernière décennie, les progrès de la spectrométrie de masse ont permis la détection et la quantification de variations naturelles infimes dans les rapports des isotopes stables du fer. Ces travaux sont principalement menés par les communautés des sciences de la Terre et des planètes, bien que des applications aux systèmes biologiques et industriels commencent à émerger [24].

Dans les météorites Semarkona et Chervony Kut, une corrélation entre la concentration de ⁶⁰Ni, petit-fils de ⁶⁰Fe, et l'abondance des isotopes stables du fer a apporté la preuve de l'existence de ⁶⁰Fe lors de la formation du Système solaire. Il est possible que l'énergie libérée par la désintégration de ⁶⁰Fe, ainsi que celle libérée par ²⁶Al, 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 ⁶⁰Ni présente dans les matériaux extraterrestres pourrait apporter un éclairage nouveau sur l'origine et l'histoire primitive du Système solaire.[25]

L’isotope du fer le plus abondant, le 56Fe, intéresse particulièrement les spécialistes de physique nucléaire, car il constitue le produit final le plus courant de la nucléosynthèse.[26] Puisque le 56Ni (14 particules alpha) est facilement produit à partir de noyaux plus légers lors du processus alpha dans les réactions nucléaires des supernovæ (voir le processus de combustion du silicium), il marque le terme des chaînes de fusion au cœur des étoiles extrêmement massives.

Bien qu'il soit possible d'ajouter davantage de particules alpha, la séquence s'arrête effectivement au ⁵⁶Ni car les conditions régnant à l'intérieur des étoiles font que la photodésintégration, face au processus alpha, favorise la photodésintégration autour du ⁵⁶Ni.[27][28] Ce ⁵⁶Ni, dont la demi-vie est d'environ six jours, est produit en grande quantité dans ces étoiles, mais se désintègre rapidement par deux émissions successives de positrons au sein des produits de désintégration de la supernova, dans le nuage de gaz du rémanent, d'abord en ⁵⁶Co radioactif, puis en ⁵⁶Fe stable. Ainsi, le fer est l'élément le plus abondant dans le cœur des géantes rouges et le métal le plus abondant dans les météorites de fer et dans les noyaux métalliques denses de planètes comme la Terre.[29] Il est également très répandu dans l'univers, comparativement aux autres métaux stables de masse atomique similaire.[29][30] Le fer est le sixième élément le plus abondant de l'univers et l'élément réfractaire le plus courant.[31]

Bien qu'un gain d'énergie minime puisse être obtenu par la synthèse de ⁶²Ni, dont l'énergie de liaison est légèrement supérieure à celle de ⁵⁶Fe, les conditions stellaires ne s'y prêtent pas. La production d'éléments dans les supernovas favorise largement le fer par rapport au nickel, et de toute façon, ⁵⁶Fe possède une masse par nucléon inférieure à celle de ⁶²Ni en raison de sa proportion plus élevée de protons légers [32]. Par conséquent, la formation d'éléments plus lourds que le fer nécessite une supernova, impliquant une capture rapide de neutrons par des noyaux de ⁵⁶Fe en formation [29].

Dans un futur lointain de l'univers, en supposant que la désintégration du proton ne se produise pas, la fusion froide par effet tunnel quantique entraînerait la fusion des noyaux légers de la matière ordinaire en noyaux de ⁵⁶Fe. La fission et l'émission de particules alpha provoqueraient alors la désintégration des noyaux lourds en fer, convertissant tous les objets de masse stellaire en sphères froides de fer pur.[33]

Pour en savoir plus sur le fer /
https://en.wikipedia.org/wiki/Iron

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Références

1. « Poids atomiques standard : Fer ». CIAAW. 1993.
2. ^ Prohaska, Thomas ; Irrgeher, Johanna ; Benefield, Jacqueline ; Böhlke, John K. ; Chesson, Lesley A. ; Coplen, Tyler B. ; Ding, Tiping ; Dunn, Philip J. H. ; Gröning, Manfred ; Holden, Norman E. ; Meijer, Harro A. J. (4 mai 2022). « Masses atomiques standard des éléments 2021 (rapport technique de l’IUPAC) ». Pure and Applied Chemistry. doi:10.1515/pac-2019-0603. ISSN 1365-3075.
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4. a b c Arblaster, John W. (2018). Valeurs sélectionnées des propriétés cristallographiques des éléments. Materials Park, Ohio : ASM International. ISBN 978-1-62708-155-9.
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