Fer

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

Fer
Manganèse ← Fer → Cobalt —     26 Fe                                                                                                                                                                                                                                                                                           ↑ Fe ↓ Ru Tableau complet • Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole	Fe
Nom	Fer
Numéro atomique	26
Groupe	8
Période	4e période
Bloc	Bloc d
Famille d'éléments	Métal de transition
Configuration électronique	[Ar] 4s2 3d6
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 14, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique	55,845 ± 0,002 u
Rayon atomique (calc)	140 pm (156 pm)
Rayon de covalence	132 ± 3 pm (bas spin) 152 ± 6 pm (haut spin)
État d’oxydation	+2, +3, +4, +6
Électronégativité (Pauling)	1,83
Oxyde	Amphotère
Énergies d’ionisation
1re : 7,902 4 eV	2e : 16,187 7 eV
3e : 30,652 eV	4e : 54,8 eV
5e : 75,0 eV	6e : 99,1 eV
7e : 124,98 eV	8e : 151,06 eV
9e : 233,6 eV	10e : 262,1 eV
11e : 290,2 eV	12e : 330,8 eV
13e : 361,0 eV	14e : 392,2 eV
15e : 457 eV	16e : 489,256 eV
17e : 1 266 eV	18e : 1 358 eV
19e : 1 456 eV	20e : 1 582 eV
21e : 1 689 eV	22e : 1 799 eV
23e : 1 950 eV	24e : 2 023 eV
25e : 8 828 eV	26e : 9 277,69 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD MeV 54Fe 5,845 % stable avec 28 neutrons 55Fe {syn.} 2,73 a ε 0,231 55Mn 56Fe 91,72 % stable avec 30 neutrons 57Fe 2,2 % stable avec 31 neutrons 58Fe 0,28 % stable avec 32 neutrons 59Fe {syn.} 44,503 j β- 0,231 59Co 60Fe {syn.} 1,5×106 a β- 3,978 60Co
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire	Solide ferromagnétique
Allotrope à l'état standard	Fer α (cubique centré)
Autres allotropes	Fer γ (cubique à faces centrées), fer δ (cubique centré)
Masse volumique	7,874 g·cm-3 à (20 °C)
Système cristallin	Cubique centré
Dureté (Mohs)	4
Couleur	Blanc argenté ; reflets gris
Point de fusion	1 538 °C
Point d’ébullition	2 861 °C
Énergie de fusion	13,8 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation	349,6 kJ·mol-1
Volume molaire	7,09×10−6 m3·mol-1
Pression de vapeur	7,05 Pa
Vitesse du son	4 910 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique	440 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique	9,93×106 S·m-1
Conductivité thermique	80,2 W·m-1·K-1
Solubilité	sol. dans H2SO4 dilué, HCl
Divers
No CAS	7439-89-6
No ECHA	100.028.270
No CE	231-096-4
Précautions
SGH
État pulvérulent : Danger H228 et P210 H228 : Matière solide inflammable P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer.
SIMDUT
Produit non contrôlé Ce produit n'est pas contrôlé selon les critères de classification du SIMDUT.
Transport
-    3178    Numéro ONU : 3178 : SOLIDE INORGANIQUE INFLAMMABLE, N.S.A. Classe : 4.1 Étiquette : 4.1 : Matières solides inflammables, matières autoréactives, matières solides explosibles désensibilisées et matières qui polymérisent
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le corps simple est le métal et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, le plus souvent sous forme d'alliages divers. Le fer pur est un métal de transition ductile, mais l'adjonction de très faibles quantités d'éléments additionnels modifie considérablement ses propriétés mécaniques. Allié au carbone et avec d'autres éléments d'addition il forme les aciers, dont la sensibilité aux traitements thermomécaniques permet de diversifier encore plus les propriétés du matériau.

Généralités

Le fer fait partie du groupe des éléments à l'origine des métaux de transition, il montre des analogies caractéristiques avec le ruthénium, l'osmium, le cobalt et le nickel.

Étymologie

Le mot français « fer » est issu du latin ferrum, de même sens. Il est "indénombrable" (au sens où, quand il désigne le métal, il ne s'utilise pas au pluriel ni directement avec un numéral).

Le mot latin ferrum était traditionnellement rattaché à la famille de sens de firmus (« ferme, solide »). Mais aujourd'hui on voit dans l’espagnol hierro et l’anglais iron (même sens) un emprunt celtique et on le rattache plutôt au radical de aes (« airin » et autres métaux) et sa racine indo-européenne reconstruite : *ḫeṷis ou encore *ai̯os- [« métal »,(cuivre, bronze ou fer)].

Physico-chimie nucléaire, isotopes, fréquence

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

Propriétés nucléaires

Le noyau de fer 56 possède la masse par nucléon la plus faible de tous les nucléides mais pas l'énergie de liaison la plus élevée, en raison d'une proportion de protons un peu plus élevée que le nickel 62 qui, lui, a l'énergie de liaison la plus élevée par nucléon.

Le fer 56 résulte de la désintégration naturelle du nickel 56, isotope instable produit au cœur d'étoiles massives par fusion du silicium 28 au cours de réactions alpha en cascade qui s'arrêtent au nickel précisément parce que ce dernier possède l'énergie de liaison nucléaire par nucléon la plus élevée : poursuivre la fusion, pour produire par exemple du zinc 60, consommerait de l'énergie au lieu d'en libérer.

Isotopes

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

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

Occurrence et abondance naturelle

Le fer est le métal le plus abondant dans les météorites ainsi que dans le noyau des planètes, comme celui de la Terre.

Le fer minéral est présent dans la nature sous forme pure ou plus rarement sous forme d'alliage avec du nickel (5 à 18 %) d'origine météoritique mais aussi sous forme de fer terrestre dit « tellurique ». Trop rare et surtout disséminé, il est fabriqué artificiellement par l'Homme forgeron et sidérurgiste et massivement dans certaines civilisations caucasiennes depuis plus de trois millénaires à partir de ses principaux minerais. Les combinaisons chimiques et minérales impliquant le fer sont pléthoriques, mais les véritables minerais relativement purs à forte teneur en fer sont beaucoup moins communs et souvent très localisés dans des mines de fer la plupart connues de haute antiquité.

Le fer est le 6^e élément le plus abondant dans l'Univers, il est formé comme « élément final » de fusion nucléaire, par fusion du silicium dans les étoiles massives. Tandis qu'il compose environ 5 % (en masse) de la croûte terrestre, le noyau terrestre est censé être en grande partie un alliage de fer-nickel, constituant ainsi 35 % de la masse de la Terre dans son ensemble. Le fer est peut-être, en fait, l'élément le plus abondant sur Terre ou du moins comparable (en juste 2^e position) en masse à l'oxygène, mais seulement le 4^e élément le plus abondant dans la croûte terrestre.

Des courants de convection dans la couche externe du noyau terrestre (noyau externe), de « l'alliage » liquide principalement fer-nickel, sont supposés être à l'origine du champ magnétique terrestre.

Fonctions dans la biosphère

Le fer joue un rôle majeur en tant qu'oligoélément ou micronutriment pour de nombreuses espèces, et comme élément régulant l'amplitude et la dynamique de la productivité primaire océanique, ce qui en fait une composante essentielle des cycles biogéochimiques marins et des puits de carbone marins.

Les données récentes montrent que le cycle du fer océanique d'abord supposé lié aux apports de poussières riches en fer est en réalité bien plus complexe, et étroitement couplé biogéochimiquement avec des nutriments majeurs (carbonés, azotés). On a montré en 2017 que dans les zones pauvres en fer de l'Antarctique, le fer particulaire issu du rabotage des roches par les glaciers est une source alternative de fer que le phytoplancton sait exploiter. Des études ont montré que certains phytoplanctons semblent effectivement bénéficier d'un taux élevé de CO₂, mais pour assimiler ce CO₂ il leur faut aussi du fer ; il est spéculé depuis la fin du XX^e siècle que l'ensemencement de l'océan avec du fer pourrait aider à limiter le changement climatique. Or on découvre que chez la plupart des espèces phytoplanctoniques, ce fer n’est assimilable qu’en présence de carbonates. Problème : ces derniers sont détruits par l’acidification induite par la solubilisation du CO₂ dans l’eau.

Corps simple

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

Propriétés physiques

Phases solides du fer en fonction de la pression et de la température.

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

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

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

Propriétés chimiques

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

Chimie du fer

Le fer présente essentiellement trois degrés d'oxydation :

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

Dans les carbures, le degré d'oxydation du fer n'est pas définissable de façon univoque. On en connaît trois, de formules Fe₃C, Fe₅C₂ et Fe₇C₃.

À très haute température, le fer peut être présent dans des états d'ionisation bien plus élevés, dont on peut observer plusieurs raies d'émission dans l'atmosphère du Soleil et des autres étoiles. Les ions Fe⁹⁺ et Fe¹⁰⁺ notamment, également notés Fe^X et Fe^XI, sont détectés dans les zones de la couronne solaire portées à des températures de l'ordre de 1–1,5 × 10⁶ K. L'ion Fe¹⁶⁺, noté Fe^XVII, a la même configuration électronique que le néon, ce qui le rend stable dans une large gamme de températures (environ 2–10 × 10⁶ K) ; on le détecte dans les éruptions solaires.

Oxydation du métal

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

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

À l'air libre en présence d'humidité, il se corrode en formant de la rouille, constituée d'oxydes et d'oxyhydroxydes ferriques hydratés, qu'on peut écrire Fe₂O₃·nH₂O et FeO(OH)·nH₂O respectivement. La rouille étant un matériau poreux, la réaction d'oxydation peut se propager jusqu'au cœur du métal, contrairement, par exemple, à l'aluminium, qui forme une couche fine d'oxyde imperméable.

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

Les ions du fer en solution aqueuse

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

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

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

Précipitation

Un certain nombre d'ions conduisent à la précipitation des ions du fer en solution. L'ion hydroxyde HO⁻ est de ceux-là (voir ci-dessus). L'ion sulfure S²⁻ permet de former le sulfure de fer(II) FeS, le sulfure de fer(III) et Fe₂S₃ pour des pH pas trop acides. Il faut en effet qu'une quantité raisonnable d'ions sulfure soit présents, ce qui n'est pas le cas à pH acide puisque l'ion sulfure est alors sous sa forme diacide, le sulfure d'hydrogène H₂S.

Oxydoréduction des ions du fer

Le diagramme de Pourbaix du fer fournit des informations sur le degré d'oxydation attendu du fer en solution aqueuse en fonction du potentiel Ԑ et du pH.

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

Fe²⁺ / Fe : E° = −0,44 V

Fe³⁺ / Fe²⁺ : E° = +0,77 V

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

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

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

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

Bien que la réduction en fer métallique des ions du fer soit possible, elle est rarement pratiquée à partir de solution aqueuse.

Complexation des ions fer

De nombreux complexes du fer en solution aqueuse se forment facilement, par simple addition du ligand (au bon pH). Parmi les complexes les plus courants se trouvent ceux impliquant les ligands :

• ion cyanure CN⁻

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

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

Ces complexes permettent de préparer le bleu de Prusse ;

• ion fluorure F⁻

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

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

• 1,10-phénantroline (o-phen en abrégé)

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

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

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

• ions thiocyanate SCN⁻

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

Ce complexe permet de mettre en évidence de petite quantité d'ion fer(III) en solution grâce à sa couleur caractéristique.

Chimie organométallique

Le premier complexe organométallique isolé comme tel, en 1951, fut un complexe du fer : le ferrocène. Il est constitué d'un ion fer(II) avec deux ions cyclopentadiényles C₅H₅⁻. De nombreux autres complexes ont été produits depuis, soit dérivés du ferrocène, soit de nature toute différente.

Gisements

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

La majeure partie du fer dans la croûte est combinée avec l'oxygène, formant des minerais d'oxyde de fer, tels que l'hématite (Fe₂O₃), la magnétite (Fe₃O₄) et la limonite (Fe₂O₃·nH₂O). L'oxyde magnétique ou magnétite Fe₃O₄ est connu depuis l'Antiquité grecque. Il tire son nom du mont Magnetos (le grand mont), une montagne grecque particulièrement riche en ce minéral.

Environ une météorite sur vingt comprend de la taénite, unique alliage de minéral de fer-nickel (fer 35-80 %), et de la kamacite (fer 90-95 %). Bien que rares, les météorites de fer sont une source de fer nickelé, ce fer météorique arrivé sur la surface terrestre étant à l'origine de la sidérurgie au sens étymologique ; l'autre source naturelle de fer métal légèrement nickelé sont les gisements de fer tellurique ou fer natif des minéralogistes qui sont plus rares.

La couleur rouge de la surface de Mars est due à un régolithe riche en hématite amorphe ; la planète rouge est en quelque sorte une « planète rouillée ».

90 % des gisements de minerai de fer dans le monde sont retenus dans une couche de faible épaisseur et très riche en Fe(II), la couche de fer rubané. Aux premiers temps de la vie, à l'éon Archéen vers −2 à −4 Ga, les cyanobactéries vivent dans des océans de Fe(II). Lorsqu'elles commencent à faire de la photosynthèse, l'oxygène produit est dissous et réagit avec Fe(II) pour former des oxydes de Fe(III) qui précipitent au fond des océans. Après consommation de Fe(II), l'oxygène se concentre dans les océans puis dans l'atmosphère, il constitue alors un poison pour la proto-vie. Ainsi, les gisements de fer rubané se trouvent systématiquement entre les couches géologiques des massifs cristallins (schistes, gneiss, etc.) et les couches calcaires dolomitiques (coraux) constituant les massifs préalpins.

Histoire de la métallurgie du fer

Le fer était connu dès le chalcolithique à travers les sites de fer telluriques et surtout les météorites de fer au fer souvent déjà allié de grande qualité, et il n'est pas assuré que sa métallurgie soit demeurée confidentielle comme on l'estime souvent jusqu'au XII^e siècle av. J.-C., époque qui marque, précisément, le début de « l'Âge du fer » : autour du XV^e siècle av. J.-C. les Hittites, en Anatolie, avaient développé une assez bonne maîtrise du travail du fer, leur tradition déterminant son origine dans la région du Caucase, et cette technique semble également avoir été connue assez tôt en Inde du nord, notamment dans l'Uttar Pradesh. L'âge du fer débute au XIII^e siècle av. J.-C. en Anatolie, à la fin du XI^e siècle av. J.-C. en Grèce, à la fin du X^e siècle av. J.-C. en Italie, vers le IX^e siècle av. J.-C. dans le reste de l'Europe et au VI^e siècle av. J.-C. en Asie orientale.

Dans le monde hellénistique le fer est l'attribut d'Héphaïstos, dieu grec de la métallurgie et des volcans. Chez les Romains, toujours forgé par Vulcain, avatar italique de Héphaïstos, il est un attribut princier de Mars. Les alchimistes donnèrent au fer le nom de Mars, dieu de la guerre dans la mythologie romaine.

Jusqu'au milieu du Moyen Âge, l'Europe raffina le fer au moyen de bas fourneaux, qui ne produisent pas de fonte ; la technique du haut fourneau, qui, elle, produit de la fonte brute à partir de charbon de bois et de minerai de fer, a été mise au point en Chine au milieu du V^e siècle av. J.-C.. Elle est courante en Europe occidentale dès le milieu du XV^e siècle.

L’Occident réinvente indépendamment la technique plus d'un millier d'années après la Chine. Selon le doxographe antique Théophraste, c'est Délas, un Phrygien, qui inventa le fer.

Les infimes changements dans les pièces de métal solide obtenues par le labeur physique du forgeron (martelage, réchauffement, alliages superficiels, etc.) sont très peu importants pour le chimiste. La chimie du fer oublie en grande partie l'appréciation extrêmement fine des forgerons ou des maitres de forges au cours de la longue histoire technique du fer.

Industrie du fer

Extraction de minerais de fer

Les principaux pays producteurs de minerais de fer en 2013 sont :

	Pays	Minerai (millions tonnes)	% monde minerai fer	Fer contenu (millions tonnes)	% monde fer contenu
1	Chine	1 450,0	45,9	436,0	29,5
2	Australie	609,0	19,3	377,0	25,5
3	Brésil	386,27	12,2	245,67	16,6
4	Inde	150,0	4,7	96,0	6,5
5	Russie	105,0	3,3	60,7	4,1
6	Afrique du Sud	71,53	2,3	45,7	3,1
7	Ukraine	81,97	2,6	45,1	3,0
8	États-Unis	53,0	1,7	32,8	2,2
9	Canada	42,8	1,4	26,0	1,8
10	Iran	50,0	1,6	24,0	1,6
11	Suède	26,04	0,8	17,19	1,2
12	Kazakhstan	25,5	0,8	14,5	1,0
13	Chili	17,11	0,5	9,09	0,6
14	Mauritanie	13,0	0,4	7,8	0,5
15	Mexique	14,5	0,5	7,53	0,5
16	Venezuela	10,58	0,3	6,58	0,4
17	Malaisie	10,0	0,3	5,7	0,4
18	Pérou	6,79	0,2	4,55	0,3
19	Mongolie	6,01	0,2	3,79	0,3
20	Turquie	4,45	0,1	2,98	0,2
Total mondial		3 160	100	1 480	100

Les principales sociétés productrices de minerais de fer dans le monde sont, en 2008 :

• 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 50 % des exportations de minerai de fer.

Recyclage

Schéma simplifié de l'approvisionnement de la sidérurgie mondiale en millions de tonnes de fer contenu en 2012.

La plupart des métaux à base de fer sont magnétiques. Cette propriété simplifie leur tri. Dans la deuxième moitié du XX^e siècle, le faible coût des ferrailles rend les aciéries électriques plus compétitives que les hauts fourneaux.

Sidérurgie

Le fer s'obtient industriellement en réduisant par le monoxyde de carbone (CO) provenant du carbone les oxydes de fer contenus dans le minerai ; ceci peut être réalisé depuis l'Âge du fer, et jusqu'au XIX^e 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, d'acier, voire de fonte, mélangés avec des scories, appelée « loupe », « massiot » ou « éponge de fer ». 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.

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 au détriment de celle du bas fourneau. La principale différence dans ce procédé est que la réduction des oxydes de fer se fait en même temps que la fusion. Le métal est produit en phase liquide sous forme de fonte qui a absorbé une partie du carbone du coke et qui fond plus facilement que le fer (température de fusion plus basse d'au moins 200 °C). Mais la fonte devra ensuite être transformée en fer.

C'est aussi 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 : une proportion précise de silice et de calcaire donne un laitier facilement fusible qui se sépare naturellement de la fonte liquide. Pendant longtemps les hauts fourneaux ont fonctionné au charbon de bois. Le coke, plus dur et plus abondant, a permis de faire des hauts fourneaux beaucoup plus hauts mais produisant une fonte chargée en soufre.

Pour obtenir un métal forgeable, il faut affiner la fonte. Cette étape, réalisée dans une aciérie, consiste essentiellement à décarburer la fonte pour obtenir un alliage plus faible en carbone : fer ou acier. La fonte est transformée en acier au convertisseur. Dans cette cuve, on souffle de l'oxygène sur ou dans la fonte pour en éliminer le carbone.

Si l'élimination du carbone par combustion avec l'oxygène est l'étape principale dans l'affinage de la fonte, l'aciérie va également :

• éliminer le soufre venant du coke chargé dans le haut-fourneau ; en injectant du carbure de calcium, du magnésium et/ou de la soude, le soufre forme des sulfures qui viennent flotter parmi le laitier de la fonte ; ce laitier sera alors enlevé à l'aide d'un racloir ;
• brûler le silicium dissous dans la fonte ; cette combustion est la première réaction chimique qui se produit dans un convertisseur ; elle est suivie immédiatement par la combustion du carbone ;
• éliminer le phosphore venant du minerai ; comme le soufre, cet autre élément fragilisant, on procède par réaction avec de la chaux dans le convertisseur, pour former du P₂O₅ qui, en allant dans le laitier, sera éliminé par séparation d'avec le fer liquide ; la réaction de déphosphoration est la troisième et dernière réaction chimique recherchée dans le convertisseur.

Dans certains cas, l'abondance de gaz naturel ou la difficulté d'adapter le minerai de fer au haut fourneau, ont mené à l'adoption de la filière dite de « réduction directe ». Le principe consiste à réduire le fer présent dans les minerais sans passer par l'étape de fusion (comme au bas fourneau), en utilisant des gaz réducteurs obtenus à partir d'hydrocarbures ou de charbon. Un grand nombre de procédés a été développé. En 2010, 5 % de l'acier produit sont issus de fer obtenu par réduction directe.

Alliages

Fragments purs (à plus de 99,97 %) de fer, raffinés par électrolyse, à côté d’un cube d’1 cm³ de fer de haute pureté (99,9999 %), pour comparaison (celle-ci est faussée du fait du polissage du cube seul).

Le fer n'est pratiquement pas utilisé à l'état pur (hormis pour résoudre certains problèmes de soudabilité, notamment sur aciers inoxydables). La fonte et l'acier (1 000 Mt) sont les principaux alliages :

• la fonte contient de 2,1 % à 6,67 % de carbone ;
• l'acier contient de 0,025 % à 2,1 % de carbone, le fer étant le principal élément entrant dans sa composition ;
• en dessous de 0,025 % de carbone, on parle de « fers industriels ».

L'ajout de divers éléments d'additions permet d'obtenir des fontes et des aciers spéciaux, mais l'élément ayant la plus forte incidence sur les propriétés de ces alliages reste le carbone.

Les aciers inoxydables doivent leurs propriétés de résistance à la corrosion à la présence de chrome qui, en s'oxydant, va former une fine pellicule protectrice.

Produits

L'appellation « fil de fer » ne signifie en rien fil en fer pur, les fils de fer sont en fait fabriqués en acier doux, très malléable.

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.

Utilisation biochimique

Le fer est un élément indispensable au corps humain. Dans les toutes premières années de la vie d'un enfant, les besoins en fer alimentaire sont très importants, sous peine de carence alimentaire (anémie ferriprive). Par ailleurs, un surdosage en fer est également nocif pour la santé. En effet, une quantité trop importante de fer augmenterait le risque d'hépatite, de cancer, et pourrait être impliquée dans la maladie de Parkinson.

Complexe bioinorganique

L'hémoglobine du sang est une métalloprotéine constituée d'un complexe du fer(II). Ce complexe permet aux globules rouges de transporter le dioxygène des poumons aux cellules du corps. La solubilité du dioxygène dans le sang est en effet insuffisante pour alimenter efficacement les cellules. Ce complexe est constitué d'un cation Fe(II) complexé par les quatre atomes d'azote^{[réf. nécessaire]} d'une porphyrine et par l'azote d'un résidu histidine appartenant à la chaîne protéique. Le sixième site de complexation du fer est soit vacant, soit occupé par une molécule de dioxygène.

Il est notable que le fer(II) fixe une molécule de dioxygène sans être oxydé. Cela est dû à l'encombrement du fer par la protéine.

Dans l'alimentation

Le fer est un oligo-élément et fait partie des sels minéraux indispensables qu'on retrouve dans les aliments, mais peut être toxique sous certaines formes. Une carence en fer est source d'anémie et peut affecter le développement cognitif et socio-émotionnel du cerveau de l'enfant ou exacerber les effets de certaines intoxications (saturnisme par exemple).

Le fer est essentiel au transport de l'oxygène et à la formation des globules rouges dans le sang. Il est un constituant essentiel des mitochondries, puisqu'il entre dans la composition de l'hème du cytochrome c. Il joue aussi un rôle dans la fabrication de nouvelles cellules, d'hormones et de neurotransmetteurs. Comme le bœuf, les insectes sont une bonne source de fer. Le fer contenu dans les végétaux (fer dit « non héminique ») Fe³⁺ ou fer ferrique est moins bien absorbé par l'organisme que celui contenu dans les aliments crus d'origine animale (fer « héminique ») Fe²⁺ ou fer ferreux. La cuisson des viandes transforme une partie du fer héminique en fer non héminique, moins biodisponible.

L'absorption du fer est favorisée si on le consomme avec certains nutriments, comme la vitamine C (présente par exemple dans les agrumes, le chou-fleur ou les poivrons rouges). Mettre du jus de citron sur ses aliments est donc une excellente habitude culinaire si l'on manque de fer ; par contre, un complément en vitamine C est inutile si l'on ne souffre pas de carence en vitamine C (la carence extrême est le scorbut), même si cela ne peut pas mener à une hypervitaminose puisque la vitamine C est hydrosoluble (et donc son surplus s'élimine par la sudation et la voie urinaire).

De même, cuisiner avec de l'ail et de l'oignon augmente la biodisponibilité du fer et du zinc présents dans le bol alimentaire.

En revanche son absorption est inhibée par la consommation de thé et/ou de café car les tanins (polyphénols) sont des chélateurs de fer. C'est pourquoi il est recommandé aux personnes à risques (adolescentes, femmes enceintes, femmes en âge de procréer, végétariens) et buveuses de thé ou de café d'en boire plutôt une heure avant le repas ou deux heures après.

L'accumulation de fer dans l'organisme entraîne la mort cellulaire. Des chercheurs de l'Inserm suspectent, à cause de cela, que l'excès de fer pourrait être impliqué dans la dégénérescence des neurones chez les patients atteints de la maladie de Parkinson.

Pour la femme en ménopause et l’homme adulte, les apports journaliers recommandés de fer sont de 10 mg ; ce besoin nutritionnel est de 16 à 18 mg pour la femme de sa puberté à la ménopause^{[réf. souhaitée]}.

En pharmacie

Le fer est utilisé en tant que médicament. Il est utilisé dans les cas de carences en fer (dites « carence martiale ») pouvant provoquer une asthénie, voire une anémie ferriprive. Il peut être donné par voie orale ou en injection.

Production mondiale

La production mondiale de minerai de fer s'est élevée à 2,4 milliards de tonnes en 2010, assurée en grande partie par la Chine (37,5 %), devant l'Australie (17,5 %), le Brésil (15,4 %), l'Inde (10,8 %), la Russie (4,2 %) et l'Ukraine (3,0 %) ; les réserves mondiales de minerai de fer sont estimées à 180 milliards de tonnes, contenant 87 milliards de tonnes de fer, et sont détenues essentiellement par l'Ukraine (16,7 %), le Brésil (16,1 %) et la Russie (13,9 %). La Chine a produit 60 % du fer métallique mondial en 2010 (environ 600 millions sur 1 milliard de tonnes) et 45 % de l'acier mondial (environ 630 millions sur 1,4 milliard de tonnes), devant le Japon (8,2 % du fer et 7,9 % de l'acier produits dans le monde).

Voir aussi

Bibliographie

• Élie Bertrand, Dictionnaire universel des fossiles propres, et des fossiles accidentels contenant une description des terres, des sables, des sels…, chez Louis Chambeau, Avignon, 1763, 606 p., en particulier l'entrée fer p. 239-256.
• Robert Luft, Dictionnaire des corps purs simples de la chimie, Nantes, Association Cultures et Techniques, 1997, 392 p. (ISBN 978-2-9510168-3-5), en particulier le chap. 26 fer p. 132-134.
• Bruce Herbert Mahan, Chimie, InterEdition, Paris, 1977, 832 p. (trad.  de University Chemistry, 2^e éd., Addison-Wesley Publishing Company, Massachusetts, 1969 (ISBN 978-2-7296-0065-5)), en particulier p. 673-676.
• Paul Pascal, P. Bothorel, Adolphe Pacault, Guy Pannetier (dir.), Nouveau traité de chimie minérale : Fer et complexes du fer, vol. 17-18, Masson, 1958.

Articles connexes

• Accumulateur nickel-fer
• Âge du fer
• Chlorose
• Déferrisation
• Fer 56
• Fer à cheval
• Fer forgé
• Ferraille
• Ferroalliage
• Forge
• Hémochromatose
• Hydroxyde de fer(II)
• Hydroxyde de fer(III)
• Mine de fer, Minerai de fer
• Oxyhydroxyde de fer(III)
• Oxyde de fer
• Teneur en fer dans les aliments
• Sulfure de fer(II)
• Sept métaux
• Sidérurgie
• Empoisonnement au fer

Liens externes

• Résumé de chimie descriptive du fer, faculté des sciences de l'université du Maine
• Dossier sur le fer : Le fer tombe le masque, Futura-Sciences
• (en) Minéralogie de l'élément fer : Sur Mindat
• (en) « Technical data for Iron » (consulté le 12 août 2016), avec en sous-pages les données connues pour chaque isotope

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