Le fer

Les caractéristiques
[ Ar ] 3 j 6 4 s 2 26 Fe tableau périodique
Général
nom , symbole , numéro atomique	fer, Fe, 26
catégorie d'article	métaux de transition
groupe , période , bloc	8 , 4 , j
Regards	métallique brillant avec une teinte grisâtre
Numero CAS	7439-89-6
Numéro CE	231-096-4
Carte d'information de l' ECHA	100.028.270
Fraction massique de la coquille terrestre	4,7 % [1]
Atomique [2]
masse atomique	55.845(2) [3] et al
rayon atomique (calculé)	140 (156) h
rayon covalent	spin bas : 123 pm, spin haut : 152 pm
configuration électronique	[ Ar ] 3 j 6 4 s 2
1. Énergie d'ionisation	7 . 902 468 1(12) eV [4] ≈ 762 . 47kJ / mole [ 5]
2. Énergie d'ionisation	16 . 19920(5) eV [4] ≈ 1 562 . 98 kJ/mol [5]
3. Énergie d'ionisation	30 . 651(12) eV [4] ≈ 2 957 . 4 kJ/mol [5]
4. Énergie d'ionisation	54 . 91(4) eV [4] ≈ 5 298 kJ/mol [5]
5. Énergie d'ionisation	75 . 00(15) eV [4] ≈ 7 236 kJ/mol [5]
Physique [2]
état physique	Fête
modifications	quatre [6]
structure en cristal	fer α : cubique centré fer γ : cubique à faces centrées
densité	7,874 g/cm3 =  7874 kg/m3
Dureté de Mohs	4.0
magnétisme	ferromagnétique
point de fusion	1808K (1535°C )
point d'ébullition	3273K [7] (3000°C)
volume molaire	7.09 10 −6 m 3 mol −1
enthalpie de vaporisation	354 kJ/mol [7]
enthalpie de fusion	13,8 kJmol- 1
vitesse du son	4 910 m s −1 à 293,15 K
La capacité thermique spécifique	449 [1] J kg −1 K −1
quitter le travail	4.5eV [ 8]
Conductivité électrique	11,7 10 6 [9] A V −1 m −1
conductivité thermique	80 W m -1 K -1
Mécanique [2]
coefficient de dilatation	11.8 10-6  K- 1 [10]
Chimique [2]
états d'oxydation	2, 3 , 4, 5, 6
potentiel normal	−0,44 V (Fe 2+ + 2e − → Fe)
électronégativité	1,83 ( échelle de Pauling )
isotopes
isotope NH t 1/2 ZA ZE (M eV ) ZP 52 Fe {syn.} 8.275 heures e 2 372 52 minutes 53 Fe {syn.} 8,51 minutes e 3 743 53 minutes 54 Fe 5,8 % Écurie 55 Fe {syn.} 2.737a _ e 0,231 55 minutes 56 Fe 91,72 % Écurie 57 Fe 2,2 % Écurie 58 Fe 0,28 % Écurie 59 Fe {syn.} 44.495d _ β- _ 1 565 59 Co 60 Fe {syn.} 2,62 · 10 6 un [11] β- _ 3 978 60 co
Pour plus d'isotopes, voir Liste des isotopes
Propriétés RMN
Numéro quantique de spin I γ en rad T −1 s −1_ _ Il  ( 1 H ) f L à B = 4,7 T en MHz 57 Fe 1/2 0 +0,86806 * 10 7 3,4 × 10−5 0 6 493
consignes de sécurité
Étiquetage SGH des substances dangereuses [12] [13] forme massive pas de pictogrammes SGH plus de danger Phrases H et P H :pas de mentions H P :pas de phrases p
Dans la mesure du possible et de la coutume, les unités SI sont utilisées. Sauf indication contraire, les données indiquées s'appliquent dans des conditions standard .

Le fer est un élément chimique avec le symbole Fe ( latin ferrum 'fer' ) et le numéro atomique 26. C'est l'un des métaux de transition qui sont dans le 8ème sous-groupe (groupe fer-platine ) dans le tableau périodique , groupe 8 selon le nouveau comptage ( groupe fer ). Le fer est le quatrième élément le plus abondant en masse ( ppmw ) dans la croûte terrestre après l'oxygène , le silicium et l'aluminiumet le métal le plus courant après l'aluminium .

Les matériaux ferreux modernes avec une fraction massique de carbone allant jusqu'à 2% sont appelés acier , avec une teneur plus élevée en fonte . La distinction est basée sur le fait que la fonte n'est pas plastiquement déformable, en particulier non forgeable, tandis que l'acier est déformable, c'est-à-dire forgeable. Les matériaux plus anciens (avant 1870 environ) à faible teneur en carbone sont appelés fer forgé et ont des niveaux d'impuretés plus élevés car ils ont été fabriqués différemment de l'acier moderne.

histoire

Les preuves de l'utilisation du fer dans les différentes cultures à travers les découvertes archéologiques sont relativement rares par rapport aux découvertes de bronze . D'une part, le fer n'était utilisé qu'à petite échelle dans les périodes les plus anciennes de l'histoire, d'autre part, le fer a tendance à se corroder dans l'air humide, l'eau et la terre mouillée , laissant de nombreux objets intacts. Seules des circonstances particulières ou les grandes dimensions de l'objet ont empêché la perte de telles pièces. ^[14]

origine du mot

Dans le passé, on pensait que le mot celtique et germanique désignant le fer ( celtique * isarnon , germanique * isarna ) avait été emprunté à l'illyrien . Aussi, en raison du contraste avec le bronze plus doux , une relation de * isarnon au latin ira « colère, violence » était représentée. ^{[15] [16]} Le nouveau mot haut allemand fer (du moyen haut allemand īsen , et à īsīn "fer") devient via le vieux haut allemand īsa(r)n , du proto- germanique *īsarnan , et cela dérivé du gaulois * īsarnon ; une origine illyrienne, en revanche, est désormais considérée comme improbable. ^[17] * Outre l'allemand Eisen , l'isarnan et l' isarnon se poursuivent dans les autres langues germaniques ( fer anglais , frison septentrional joorn , frison occidental izer , néerlandais IJzer ) et dans les langues celtiques ( houarn breton , kymr. haearn , gaélique irlandais et écossais iarann ​​, manx yiarn ).

Outre son importance exceptionnelle en tant que matériau, le fer était utilisé en alchimie , où il était associé au signe « ♂ » pour la planète Mars et pour la masculinité. ^[18]

Première utilisation du fer de météorite

Avant que les peuples des différentes cultures n'apprennent à extraire le fer du minerai , ils utilisaient le fer météorique ou fer de météorite , déjà connu avant l'actuel « âge du fer » et reconnaissable à sa teneur spécifique en nickel d'environ 5 à 18 % . En raison de sa rareté, ce "fer céleste" ( ancien égyptien : bj-n-pt = "fer du ciel" ^[19] ) était d'autant plus précieux et était principalement transformé en objets de culte et en bijoux. Dans l'Égypte ancienne , par exemple, des perles de joaillerie en fer météorique avec une teneur en nickel d'environ 7,5 % ont été trouvées dans deux tombes de la période pré-dynastique ^[20].datant d'environ 3200 av. sont datés. ^[21] Il a également été possible de confirmer la première hypothèse selon laquelle un poignard trouvé sur la momie du pharaon Toutankhamon était en fer météorique. ^[22] Les plus anciennes découvertes connues de fer météorique proviennent cependant de Mésopotamie , que les Sumériens qui y vivaient appelaient « urudu-an-bar » (=  cuivre du ciel ). Entre autres, un poignard avec une lame en fer météorique (10,8% Ni) et un manche recouvert d'or a été découvert dans la ville d'Ur , dont la fabrication remonte aux environs de 3100 av. est daté. ^[23]

Production de fer à partir de minerai

Pour les débuts de la fonte du fer, voir

Méditerranée et Asie Mineure

L'utilisation de fer sans nickel, c'est-à-dire terrestre, doit également avoir eu lieu au début de la Mésopotamie, comme en témoigne un poignard en fer sans nickel avec un manche en bronze de la période entre 3000 et 2700 av. J.-C. trouvé dans les ruines d' Ešnunna près de Tell Asmar dans l'actuel Irak. ^[23] Les archives hittites des archives de Boğazkale (anciennement Boğazköy ) en Anatolie centrale montrent que le fer était connu dès l'époque du roi Anitta (vers 1800 av. J.-C.) et que la fonte du fer se poursuivait depuis au moins vers 1300. v. [ ^24]Entre 1600 et 1200 avant JC La production de fer est restée en grande partie un monopole de l'empire hittite et a été un facteur de son essor. À partir de 1200 avant JC L'acier a été produit au Levant en augmentant la teneur en carbone. ^[25] Les Hittites utilisaient le fer, qui pesait initialement jusqu'à huit fois son poids en or, ^[25] principalement pour fabriquer des bijoux. ^[26]A la fin de l'époque hittite, le fer était déjà si répandu que les inventaires ne l'incluaient plus avec les métaux précieux, mais avec le cuivre. Cependant, il ne peut être question d'un monopole hittite : des pièces individuelles de fer terrestre de l'âge du bronze moyen et tardif ont également été trouvées en Grèce et à Chypre, en Jordanie, au Liban, en Israël et en Égypte. ^[14]

Le début de l'âge du fer est généralement daté de 1200 avant JC pour le Proche-Orient . BC - non pas parce que le fer a joué un rôle important à partir de ce moment, mais parce que les cultures de l'âge du bronze se sont effondrées en très peu de temps. Les premiers siècles de l'âge du fer sont un « âge sombre » dans cette région, au cours duquel de nombreuses villes ont été détruites, le commerce à longue distance s'est effondré et la production de métal s'est pratiquement éteinte. Ce n'est qu'à partir d'environ 700 av. J.-C., à mesure que les cultures se remettaient de l'effondrement, le fer est redevenu plus courant. Depuis 1200 avant JC Dans cette région, l'acier de Damas porte également le nom de la ville de Damasou le damas fondu, qui a une teneur en carbone très élevée d'environ 1,5 % et un motif caractéristique lorsqu'il est poli. Cependant, ce matériau n'est pas seulement connu au Moyen-Orient, mais aussi plus tôt dans d'autres régions, par exemple dans le sud de l'Inde, où il est utilisé depuis 300 avant JC au plus tard. est produit. ^[14]

La fonte du fer n'est pratiquée dans l'Égypte ancienne que depuis le VIe siècle av. éprouvé. Le fer de météorite est utilisé depuis l' Ancien Empire . Cela a été mentionné dans les textes ultérieurs comme bj-n-pt ("fer du ciel") et a été principalement utilisé pour fabriquer des amulettes et des modèles d'outils pour le rituel d'ouverture de la bouche . ^[27] Une découverte bien connue est une lame de poignard d'environ 1350 av. J.-C. qui faisait partie de la tombe de Toutankhamon . Chr., qui, selon des recherches récentes, est très probablement constitué de fer météorique. ^[22] Une autre découverte de fer dans une tombe à Abydos de la 6ème dynastie(2347-2216 av. J.-C.) a pu être déterminé comme étant sans nickel et donc d'origine terrestre, mais son utilisation antérieure n'a pas pu être déterminée car la pièce était complètement rouillée. ^[20] Un couteau en fer trouvé dans les articulations de la pyramide de Khéops en 1837, initialement datée de la IVe dynastie, ^[28] s'est avéré être une pièce moderne. ^[29]

Les Chalybers appartenaient également aux peuples de la région méditerranéenne et d'Asie Mineure qui avaient déjà acquis une bonne connaissance de l'utilisation du fer comme matériau métallurgique. Leur nom a survécu dans le mot grec pour l'acier ( chalybs ), par opposition au fer commun ( sideros ). ^[30] Les premières traces de fonte du fer sur le territoire grec ont été trouvées sous la forme de scories de fer d'environ 2000 av. à Agia Triada en Crète. ^[31]

Dans l'Égypte ancienne et à Gerar (Palestine), la fonte du fer était courante depuis environ 1000 av. (mise en évidence pour Gerar par des fours de fusion de fer et des outils agricoles fabriqués localement ^[30] ) et en Chine depuis au moins la dynastie Han (206 avant JC à 222 après JC) ^[32] .

L'Europe 

Parmi les pièces européennes les plus anciennes figurent les tentes et les lances en fer découvertes par le comte Gozzadini en 1853 dans des tombes étrusques près de Bologne . Ils datent du IXe au Xe siècle av. ^[33] En Europe centrale en général, l'âge du fer pré-romain est généralement divisé en période Hallstatt (800-450 av. J.-C.) et période de La Tène (à partir de 450 av. J.-C.), les premiers objets en fer apparaissant déjà au bronze tardif. Âge. ^[14]

L'une des plus anciennes découvertes de fer connues en Allemagne est un rivet en fer reliant la pointe de la lance en bronze et le fût en bois, qui a été trouvé à Helle (Ostprignitz) et date d'environ 800 av. date de. ^[30] Dans les pays germanophones, cependant, la période de La Tène, qui ne commence qu'environ 300 ans plus tard dans toute l'aire culturelle celtique, marque la première haute culture avec de nombreux sites de fusion de fer et des découvertes de fer (par exemple à Siegerland et à Teltow ). ^{[14] [34]}Les cultures de l'âge du bronze ont survécu dans le nord de l'Allemagne pendant la période Hallstatt. Au sud des Alpes, en revanche, il y avait une haute culture avec les Étrusques, qui produisaient de grandes quantités de bronze et de fer et dont les produits arrivaient également en Europe centrale. Entre autres choses, ils ont extrait un skarn de fer sur l'île d' Elbe . ^[14]

Jusqu'au XVIIIe siècle, les fours et les fours à forges attenantes étaient répandus en Europe. Jusqu'à la fin du Moyen Âge, ils étaient la seule méthode de production de fer forgeable. A partir de ce moment, le « raffinage » permet une diminution de la teneur en carbone de la fonte brute ou de la fonte. ^[14] Cependant, la fonte liquide n'a pas été produite avec ce procédé, car un four ne pouvait atteindre que des températures comprises entre 1000 et 1200 °C, mais le point de fusion du fer pur est de 1538 °C (point de fusion de la cémentite pure , Fe ₃ C : 1250 °C). Le développement des hauts fourneaux et donc de la fonte a eu lieu plus tard en Europe. Les premières pièces en fonte ont été fabriquées en Suède( Lapphyttan et Vinarhyttan ) découvert et daté de 1150-1300. ^[35] Avec le boulet de canon coulé (à partir de 1400 ^[36] ), le traitement de la fonte se répandit rapidement comme les campagnes à travers l'Europe.

Lorsque les forêts en déclin en Europe ne pouvaient plus répondre à la demande croissante de charbon de bois pour la production de fer, des alternatives ont été recherchées. En 1709, Abraham Darby en Grande-Bretagne a été le premier à utiliser le charbon (plus précisément le coke produit du charbon ) comme alternative. En Allemagne, ce n'est qu'en 1796 qu'un haut-fourneau peut fonctionner au coke. ^[37] Cette conversion, avec l'invention de la machine à vapeur, est considérée comme le début de la révolution industrielle . Les fonderies produisaient de la fonte et du fer forgé . Avec l'introduction du processus de flaque d'eauVers 1784, le charbon de bois utilisé jusqu'alors peut être remplacé par de la houille moins chère. ^[14]

Utilisation du fer et découvertes hors d'Europe et d'Asie Mineure

En Afrique également, il y avait une très ancienne tradition de production de fer, qui a commencé il y a environ 3000 ans. Les métallurgistes africains étaient très expérimentaux et innovants, les méthodes de construction et les formes des fours montrent une variété qu'on ne retrouve pas sur d'autres continents. À quelques exceptions près - à savoir la Mauritanie et le Niger - il n'y avait pas d'âge du cuivre ou du bronze dans la plupart des sites au sud du Sahara qui ont précédé la fusion du fer : le néolithique a été immédiatement suivi par l'âge du fer. Les archéologues ont daté le plus ancien fourneau connu d'Afrique, découvert dans le massif des termites au Niger , à 800 av. Chr. D'autres sites de traitement du fer ont été trouvés, par exemple à Walalde dans leSénégal , République centrafricaine , Rwanda , Taruga , la région de Nsukka et la bordure nord des monts Mandara dans la région frontalière nigéro - camerounaise . ^[14]

A partir du 7ème siècle avant JC Outre les cultures du Moyen-Orient et de certaines parties de l'Europe, le fer était également connu dans de nombreuses autres régions : en Inde et au Sri Lanka, en Chine, en Europe de l'Est avec les Scythes et aussi au sud du Sahara en Afrique. Colchis , Géorgie occidentale moderne, était un important producteur de fer au 7ème siècle. Environ 400 fours y ont été trouvés, dans lesquels l'hématite et la magnétite ont été fondues. ^[14]

En Chine, les premières expériences avec le fer ont été acquises à partir de fer de météorite. Les premières traces archéologiques de fer forgé se trouvent dans le nord-ouest, près du Xinjiang , dès le VIIIe siècle av. On pense que ces produits, fabriqués selon des méthodes moyen-orientales, sont arrivés en Chine par le biais du commerce. Cela a changé à la fin de la période Zhou au 5ème siècle avant JC. avec la production de masse de fonte dans les hauts fourneaux. La Chine a continué à développer la technologie et est restée un centre très innovant de la métallurgie. ^[14]

Des objets en fer et des gisements de fer plus importants ont été découverts dans les ruines de Khorsabad , dans les tombes de Turan , une région s'étendant sur l'est de l'Iran, le sud de l'Afghanistan et le sud-ouest du Pakistan . Des anneaux et des pièces de chaîne ont été découverts par Victor Place ainsi qu'environ 160 000 kg de barres de fer. ^[38] Au cours de ses fouilles à Nimrud , Layard a rencontré des armes de fer telles que des casques, des lances et des poignards. ^[39] Le pilier de fer à Delhi est célèbre , un pilier en fer forgé de sept mètres de haut du 4ème/5ème siècle. Siècle. ^[40]

En revanche, en Australie et dans les îles environnantes peuplées de Polynésie, l'utilisation du fer était inconnue jusqu'à ce qu'il soit découvert par des explorateurs européens. Même dans la culture par ailleurs élevée des Incas et des Aztèques d' Amérique centrale et du Sud, l'or, l'argent, le cuivre et le bronze de bonne qualité et d'un grand savoir-faire étaient traités, mais le fer n'était utilisé qu'en petites quantités et uniquement du fer météorique. ^[41]

Se produire

Le fer occupe la neuvième place dans la série des abondances relatives d'éléments liés au silicium dans l'univers avec 8,7 · 10 ⁵ atomes pour 1 · 10 ⁶ atomes de silicium. ^[42] La fusion des éléments dans les étoiles se termine par le fer, puisque la fusion des éléments supérieurs ne libère plus d'énergie mais doit être dépensée (voir nucléosynthèse ). Les éléments plus lourds se forment de manière endothermique dans les explosions de supernova , qui sont également responsables de la dispersion de la matière formée dans l'étoile. ^[43]

Dans la série des abondances d'éléments en masse , le fer est classé 2e dans l'ensemble de la terre (28,8 % ^[44] ), 4e dans le manteau terrestre (4,70 % ^[1] ) et 4e dans la croûte continentale (5,63 % ^[45] ) ; l'eau de mer n'en contient que 0,002 mg/L ^[10] . Le fer est probablement le composant principal du noyau terrestre , avec le nickel . Vraisemblablement entraînés par des forces thermiques, les courants de convection du fer liquide dans le noyau externe créent le champ magnétique terrestre . ^[46]

La majeure partie du fer de la croûte terrestre est combinée à divers autres éléments , formant plusieurs centaines de minéraux de fer différents. ^[47] Une classe importante et économiquement significative sont les minéraux d'oxyde de fer tels que l'hématite (Fe ₂ O ₃ ), la magnétite (Fe ₃ O ₄ ) et la sidérite (FeCO ₃ ), la limonite (Fe ₂ O ₃ nH ₂ O) et la goethite ( FeO OH), qui sont les principaux minerais de fer. ^[48] ​​De nombreuses roches ignéescontiennent également la pyrrhotite minérale sulfurée et sa pentlandite minérale de nickel-fer intercalée . ^[49] Pendant l' altération , le fer a tendance à s'échapper des dépôts de sulfure sous forme de sulfate et des dépôts de silicate sous forme de bicarbonate . Les deux sont oxydés en solution aqueuse et précipitent sous forme d' oxyde de fer(III) à un pH légèrement élevé . ^[50]

Les grands gisements de fer sont des minerais en bandes , un type de roche composé de fines couches répétées d'oxydes de fer alternant avec des bandes de schiste à faible teneur en fer et de roche siliceuse ( chert ). Les minerais en bande se sont principalement déposés entre 3700 millions d'années et 1800 millions d'années (les plus jeunes se sont formés il y a 350 millions d'années), par la réaction du fer avec l' oxygène produit par la photosynthèse des cyanobactéries. ^[51]

Les matériaux contenant des oxydes ou des hydroxydes ferriques finement broyés tels que l' ocre ont été utilisés comme pigments jaunes (ocre), rouges (hématite), bruns (ombre) et noirs (magnétite) depuis la préhistoire . ^[52] Ils contribuent également à la couleur de diverses roches et argiles , y compris des formations géologiques entières telles que les collines peintes de l'Oregon ^[53] et le Buntsandstein ^[54] . À travers le grès de fer en Allemagne et Bath Stoneen Grande-Bretagne, les composés de fer sont responsables de la couleur jaunâtre de nombreux bâtiments et sculptures historiques. La couleur rouge proverbiale de la surface martienne provient d'un régolithe riche en oxyde de fer . ^[55]

La pyrite minérale de sulfure de fer ( FeS ₂ ) contient des quantités importantes de fer. Cependant, il est principalement utilisé pour la production d' acide sulfurique , le gravier brûlé lors de la production ayant une forte teneur en fer. ^[56] Cependant, il n'est possible de l'utiliser que pour la production de fer avec des procédés modernes, car les résidus de soufre, qui rendent le fer cassant, doivent être éliminés. ^[57] En fait, le fer est si courant que la production se concentre généralement uniquement sur les minerais à très haute teneur en fer. ^[52]

fer dans les minerais

Les premiers gisements à être exploités étaient la pierre de fer des tourbières et les minerais exposés. Aujourd'hui, on extrait principalement de la magnétite ( Fe ₃ O ₄ ), de l'hématite et de la sidérite. ^[52] Les plus grands gisements de minerai de fer se trouvent dans les soi-disant formations de fer en bandes (BIF, minerai de fer en bandes ou minerai en bandes ) , qui sont également connues sous le nom de taconite ou itabirite et contiennent du fer principalement dans les minéraux hématite et magnétite. ^[58]

le fer comme minéral

Le fer est rarement présent dans la nature en tant que tel , principalement sous forme de petites bulles ou d'épaississements dans la roche environnante, mais aussi sous forme d'agrégats minéraux massifs pesant jusqu'à 25 t ^[59] et est donc reconnu comme un minéral . L' Association minéralogique internationale (IMA) le répertorie sous le système no. "1.AE.05" (Eléments - Métaux et composés intermétalliques - Famille fer-chrome) ^[60] ( 8e édition : I/A.07-10 ). La classification des minéraux selon Dana, qui est également courante dans les pays anglophonesdirige l'élément minéral sous le système no. "1.1.11.0".

Le fer natif a jusqu'à présent (en 2010) été détecté sur 120 sites dans le monde, la grande majorité étant constituée de découvertes de fer météoritique de la variété Kamacit . ^[61]

Le fer cristallise dans le système cristallin cubique , a une dureté Mohs comprise entre 4 et 5 ^[62] et une couleur gris acier à noire ( noir de fer ^[63] ) , selon les conditions de formation et le degré de pureté . La couleur de la ligne est également grise.

En raison de la réaction avec l'eau et l'oxygène ( rouille ), le fer natif n'est pas stable. On le retrouve donc dans les alliages avec le nickel soit sous forme de kamacite (4 à 7,5 % Ni) soit de taénite (20 à 50 % Ni) uniquement dans les météorites ferreuses et dans les basaltes , dans lesquels on observe parfois une réduction des minéraux ferrifères. Les fers à faible teneur en nickel sont considérés comme une variété du même et sont connus sous le nom de josephinite , ^[64] bien que ce nom soit également synonyme du minéral awaruit (Ni ₃Fe) ^[65] .

Les minerais de fer, d'autre part, se trouvent relativement fréquemment; des exemples importants sont les minéraux magnétite ( lodestone , Fe ₃ O ₄ ), hématite ( pierre de fer rouge , Fe ₂ O ₃ ), pyrrhotite ( pyrite magnétique , FeS ), pyrite ( pyrite de fer , FeS ₂ ), sidérite ( spath de fer , FeCO _{3 ) et la} limonite en tant que roche valide ( pierre de fer brune , Fe ₂ O ₃ n H ₂O). L' oolite de fer de roche sédimentaire , parfois appelée pierre de fer , est constituée de minéraux d'hydroxyde de fer cimentés avec des liants argileux ou calcaires. Les minéraux chlorite , glauconite et pyrite sont moins intéressants pour l'industrie, mais assez communs dans la nature. Un total de 1424 minéraux de fer sont actuellement (en date de 2010) connus. ^[66]

fer dans les aliments

De nombreux aliments contiennent des traces de fer. Contient donc de l' avoine (décortiquée) 58 mg/kg, de l'orge (décortiquée) et du seigle 28 mg/kg, du blé 33 mg/kg, du cacao (légèrement déshuilé) 125 mg/kg, des épinards 3,8 mg/kg, des pommes de terre 5 mg / kg kg, persil 55 mg/kg, pomme 2 à 9 mg/kg, boeuf 21 mg/kg, foie de boeuf 70 mg/kg, rognons de boeuf 11 mg/kg, foie de porc 154 mg/kg, porc 18 mg/kg, rognons de porc 100 mg/kg, sang de porc 550 mg/l, sang bovin 500 mg/l, lait de vache 0,5 mg/l et jaune d'œuf 60 à 120 mg/l. ^[67]

aide financière

Avec 888 millions de tonnes (67,8 %), la République populaire de Chine est de loin le plus important producteur de fonte en 2020, suivie de l'Inde avec 68 millions de tonnes (5,2 %), du Japon avec 62 millions de tonnes (4,7 %) et de la Russie . avec 52 millions de tonnes (4,0 pour cent). Les quatre États représentaient ensemble 81,7 % de la production mondiale de 1 310 millions de tonnes. En Europe, d'autres producteurs importants étaient l'Ukraine , l' Allemagne et la France . ^[68]

Environ 2,5 milliards de tonnes de minerai de fer ont été extraites dans le monde en 2020. Les principaux fournisseurs de minerai de fer étaient l'Australie , suivie du Brésil , de la République populaire de Chine, de l'Inde et de la Russie. Ensemble, ils représentaient 79,5 % de la production mondiale. De plus, le nouveau fer est fabriqué à partir de ferraille. ^[69]

Les plus grands producteurs de fonte au monde (2016)

rang	pays	Production (en millions de t )		rang	pays	Production (en millions de t)
1	République populaire de Chine les gens de la République de Chine	700.7		11	Taïwan Taïwan	0 14,9
2	Japon Japon	0 80,2		12	Turquie Turquie	0 12,5
3	Inde Inde	0 77,3		13	France France	0 0 9,7
4	Russie Russie	0 51,9		14	Canada Canada	0 0 7,6
5	COREE DU SUD Corée du Sud	0 46,3		15	Royaume-Uni Royaume-Uni	0 0 6.1
6	Brésil Brésil	0 35,0		16	Pays-Bas Pays-Bas	0 0 6.1
sept	Allemagne Allemagne	0 27,3		17	Italie Italie	0 0 6,0
8ème	États-Unis États-Unis	0 22,3		18	L'Autriche L'Autriche	0 0 5,6
9	Ukraine Ukraine	0 21,9		19	Mexique Mexique	0 0 5,2
dix	L'Iran L'Iran	0 18,3		20	Afrique du Sud Afrique du Sud	0 0 5,0

Évolution de la production mondiale de minerai de fer (en millions de tonnes) [70] [69]

Évolution de la production mondiale d'acier brut (en millions de tonnes) [71] [68]

acquisition et présentation

Extraction et traitement du minerai

Le minerai de fer est principalement extrait de l'exploitation minière à ciel ouvert et moins fréquemment de l'exploitation minière souterraine (exploitation minière souterraine , comme à la mine de minerai de fer de Kiruna ). Là où apparaissent les gisements de minerai de fer reconnus dignes d'être exploités, le minerai peut être extrait dans des mines à ciel ouvert moins complexes. La plupart du minerai de fer est extrait au Brésil, en Australie, en Chine, en Inde, aux États-Unis et en Russie. ^{[72] [73]}

Ces dernières années, ces pays ont remplacé les pays producteurs de minerai de fer les plus importants à l'origine, tels que la France, la Suède et l'Allemagne, dont la dernière mine de minerai de fer dans le Haut-Palatinat a été fermée en 1987. ^{[74] [75]}

Pour des raisons technologiques et économiques, les minerais utilisés pour le traitement dans les hauts fourneaux doivent avoir des propriétés chimiques et physiques uniformes. En conséquence, les minerais grossiers obtenus lors de l'extraction doivent être concassés, broyés et tamisés, et les minerais trop fins doivent être mis en morceaux. C'est ce qu'on appelle la préparation du minerai. Les irrégularités dans les minerais d'un site minier ou de différents sites miniers sont compensées en mélangeant les minerais sur des lits dits mixtes. Seule une petite partie du minerai peut être utilisée directement dans le haut fourneau sous forme de minerai en morceaux . ^[76]L'essentiel du minerai de fer se présente sous forme de minerai fin et doit être rendu grumeleux pour être utilisé dans le haut fourneau, car le minerai fin altérerait voire empêcherait l'alimentation en air (vent) dans le haut fourneau. ^[77] Les processus les plus importants pour cela sont le frittage et la granulation . En Allemagne, les minerais sont principalement rendus grumeleux par frittage. Dans d'autres pays, par exemple aux États-Unis, on utilise davantage de granulés, la granulométrie apparaissant lors du traitement étant déterminante pour le choix du procédé. Le frittage nécessite une granulométrie supérieure à 2 mm, tandis que les minerais broyés encore plus fins sont pastillés. ^[76]

Dans les installations d'agglomération, les grains de minerai plus grossiers sont triés en fonction de leur taille et frittés. Pour ce faire, de petits grains de minerai doivent être placés avec des additifs de chaux sur des grilles mobiles alimentées au gaz et motorisées (bandes transporteuses de grilles) et fondus par un chauffage puissant et ainsi "cuits ensemble" (frittés). Le minerai très fin est broyé en une fine poudre, ce qui est souvent nécessaire pour séparer la gangue. Ensuite, il est mélangé intensivement avec du calcaire, du coke à grains fins (poussière de coke) et de l'eau et placé sur une grille mobile motorisée. Les gaz sont extraits par le bas à travers la grille mobile. Il est allumé par le haut et un front brûlant se déplace de haut en bas à travers le mélange, qui est brièvement fondu (fritté). Lors de la granulation, les liants,^[78] est lancé. Ceux-ci sont brûlés en granulés avec chauffage au gaz à 1000 °C sur une grille mobile, dans des fours à cuve ou des fours rotatifs. L'aggloméré n'est pas facile à transporter et est donc produit dans les fonderies, les usines de bouletage sont généralement exploitées à proximité des mines de minerai. ^{[77] [76]}

Production de fer dans le haut fourneau

Le fer est obtenu en réduisant chimiquement l'oxyde de fer des minerais de fer oxydés (ou des minerais de fer sulfurés après qu'ils aient été grillés à l'oxygène atmosphérique) et du carbone (coke). La fonte brute est produite presque exclusivement dans des hauts fourneaux (hauts fourneaux). La production dans les fours électriques ne joue qu'un rôle limité dans les pays dotés de centrales hydroélectriques bon marché et de charbon coûteux. Dans le haut fourneau, le coke et le minerai sont alternativement versés dans le haut du fourneau en couches. ^[79] A cet effet, deux bunkers sont généralement disposés au-dessus de la cuve du four, qui servent de sas à gazentre la cuve du four et l'environnement. Tout en haut de l'enveloppe du four se trouve une goulotte rotative, avec laquelle le matériau est distribué en spirale sur la surface de chargement. Dans la zone inférieure du four, lorsque le minerai devient plastique, les couches de coke maintiennent le flux de gaz de procédé à travers le lit (fenêtre à coke). ^[80]

L'insert descend dans la cuve du four et est séché et chauffé par la montée du gaz de procédé, qui est d'environ 1600 à 2200 ° C (au point d'injection) et se compose de monoxyde de carbone et d'azote . Les oxydes de fer sont réduits et finalement fondus ( rédox réaction ). Le gaz de procédé est généré en insufflant de l'air préchauffé à environ 900 à 1300 °C dans le fond du four à travers des moules de soufflage (buses en cuivre refroidies à l'eau ^[81] ) . L' oxygène de l'air brûle avec le coke pour former du monoxyde de carbone. L'ensemble du processus prend environ huit heures. ^[79]

La soi-disant "réduction indirecte" a lieu dans la zone de température entre 500 et 900 °C. Les différents oxydes de fer réagissent chacun avec le monoxyde de carbone ou l'hydrogène en trois étapes jusqu'à ce que le fer métallique soit enfin présent : ^[79]

${\displaystyle {\ce {3Fe2O3 + CO -> 2Fe3O4 + CO2}}}$ou.${\displaystyle {\ce {3Fe2O3 + H2 -> 2Fe3O4 + H2O}}}$

La magnétite , qui contient plus de fer, est formée à partir d' hématite .

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + CO -> 3FeO + CO2}}}$ou.${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + H2 -> 3FeO + H2O}}}$

La wustite est formée de magnétite .

${\displaystyle {\ce {FeO + CO -> Fe + CO2}}}$ou.${\displaystyle {\ce {FeO + H2 -> Fe + H2O}}}$

Le fer métallique est formé à partir de wustite et s'accumule au fond du haut fourneau.

Dans la plage de température de 900 à 1600 °C, une "réduction directe" avec du carbone a également lieu : ^[79]

${\displaystyle {\ce {3Fe2O3 + C -> 2Fe3O4 + CO}}}$

${\displaystyle {\ce {Fe3O4 + C -> 3FeO + CO}}}$

${\displaystyle {\ce {FeO + C -> Fe + CO}}}$

Le gaz de gueulard sortant du haut fourneau est débarrassé des poussières qu'il a transportées et est utilisé pour faire fonctionner les fourneaux à air chaud, les soufflantes, les pompes, l'éclairage, les dispositifs d'épuration et de transport des gaz nécessaires au processus de haut fourneau. Le surplus est utilisé pour le fonctionnement de l'aciérie ou à d'autres fins industrielles. ^[79]

En plus de la fonte liquide, le four produit également du laitier liquide . Le point de fusion d'un mélange de SiO ₂ et Al ₂ O ₃ étant trop élevé pour former un laitier liquide à 1450°C, des additifs sont utilisés pour produire des silicates d'aluminium et de calcium qui peuvent être fondus plus facilement pour abaisser le point de fusion. . Est-ce z. B. aux gangues argileuses et siliciques, ce qui est généralement le cas, on propose en conséquence des calcaires, i. H composants de base (par exemple calcaire , dolomite ). Dans le cas des gangues calcaires, à l'inverse, des gangues argileuses et siliceuses, i. H additifs acides (par exemple feldspath ,Ardoise d'argile ) ajoutée. La fonte et le laitier sont mélangés dans le haut fourneau, ont une température d'environ 1450 °C et sont soutirés par un trou de coulée, qui est ouvert toutes les deux heures environ par forage et obturé au bout d'une heure environ par un bouchage avec une masse céramique . Le fer et le laitier sont séparés à l'extérieur du four. Le fer est rempli dans des poches de transport et acheminé vers l' aciérie . ^{[79] [82]}

Le fer est liquide à 1450 °C car le carbone dissous dans le fer abaisse le point de fusion . Le laitier est atomisé avec de l'eau. Il se solidifie sous forme de verre à grain fin (sable de laitier) lorsqu'il est trempé . Ce sable de laitier est finement broyé et utilisé comme additif pour béton (remplissage) . Dans l'ensemble du processus de production, selon le processus dans le haut fourneau, entre 200 ^[83] et 1000 kg de laitier ^[84] sont produits par tonne de fer .

Le minerai et le coke contiennent du dioxyde de silicium ( sable de quartz , silicates ) SiO ₂ et de l' oxyde d' aluminium Al ₂ O ₃ comme principales impuretés . Une petite partie de la silice est réduite en silicium , qui est dissous dans le fer. Le reste, avec l'oxyde d'aluminium, forme le laitier ( silicates de calcium et d'aluminium ^[79] ).

La fonte du haut fourneau ( fonte brute ) n'a qu'une teneur en fer d'environ 95 %. Il contient 0,5 à 6 % de manganèse, ainsi que trop de carbone (2,5 à 4 %), de soufre (0,01 à 0,05 %), de silicium (0,5 à 3 %) et de phosphore pour la plupart des applications (0 à 2 %). ^[79] Habituellement donc, les aciéries subissent d'abord une désulfuration réductrice par insufflation de carbure de calcium , de magnésium ou de chaux vive , une désulfuration optimale étant une condition préalable à la production de fonte à graphite nodulaire . ^[85]Si la fonte est refroidie très lentement, par ex. B. dans les moules à sable (« lingotières »), le carbone dissous se sépare sous forme de graphite et on obtient de la « fonte grise » (surface de rupture grise, point de fusion autour de 1200 °C). Une condition à cela est que la teneur en silicium soit supérieure à la teneur en manganèse (> 2 % Si ; < 0,2 % Mn). Avec refroidissement rapide, par ex. B. dans les coques en fer ("moules"), le carbone reste sous forme de carbure de fer dans la fonte, de sorte qu'une "fonte blanche" (surface cassée blanche, point de fusion d'environ 1100 °C, principalement utilisée pour la production d'acier) est formé. Une prédominance de la teneur en manganèse (< 0,5 % Si ; > 4 % Mn), qui s'oppose à la précipitation du graphite, est ici un facteur. ^[79]

Production de fer sans haut fourneau

Les hauts fourneaux nécessitent une grande quantité de matière et d'énergie, qui ne peuvent pas toujours être fournies lorsque les conditions de matière première et d'énergie sont défavorables. Pour cette raison et des préoccupations environnementales, des méthodes alternatives de traitement du fer ont été développées. Dans ceux-ci, les minerais de fer existants doivent être réduits avec peu ou pas de coke ou, alternativement, avec de la houille , du lignite , du pétrole brut ou du gaz naturel . Dans la plupart des procédés dits de "réduction directe du fer", la fonte brute produite se présente sous une forme solide et poreuse, appelée fonte spongieuse ou fonte "directe" et pour laquellela production d'acier est appropriée.

Deux réactions principales impliquent le processus de réduction directe : en utilisant du méthane ( gaz naturel ) et de l'oxygène (alternativement de la vapeur d'eau ou du dioxyde de carbone), celui-ci est partiellement oxydé (avec de la chaleur et un catalyseur ) : ^[86]

${\displaystyle {\ce {2CH4 + O2 -> 2CO + 4H2}}}$

Le minerai de fer est ensuite traité avec ces gaz dans un four , produisant de l ' éponge de fer solide :

${\displaystyle {\ce {Fe2O3 + CO + 2H2 -> 2Fe + CO2 + 2H2O}}}$

La silice est éliminée par addition d'un fondant calcaire comme décrit ci-dessus. ^[87]

Les procédés de réduction directe connus, triés selon le récipient de réduction respectif, comprennent : ^[88]

1. Production de fonte en four à cuve :

   • Procédé Wiberg , développé vers 1918 en Suède
   • Procédé Purofer , développé à Oberhausen
   • Processus Midland-Ross / Processus Midrex , développé par la Midland-Ross Corporation de Cleveland , Ohio

   Les trois procédés utilisent un four à cuve plus ou moins courte et utilisent des minerais en morceaux riches en fer, des agglomérés ou des boulettes comme matières premières, qui sont préchauffés et introduits en tête de four. Un mélange gazeux réducteur de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H ₂ ), de dioxyde de carbone (CO ₂ ), d'eau (H ₂ O) et éventuellement de méthane (CH ₄ ) est insufflé en pied de four. L'éponge de fer produite a une pureté de 85 à 95 %.

   • Processus Corex

2. Production de fer dans la cornue :

   • Procédé Höganäs , développé en 1908 par E. Sieurin à Höganäs , Suède
   • Procédé HyL , développé en 1957 par H ojalata - y - L amina SA à Monterry , Mexique

   Les concentrés de minerai de fer très riches sont placés dans des cornues ou des moufles en céramique et réduits soit avec du charbon à grain fin, du poussier de coke et du calcaire, soit avec du gaz naturel. L'éponge de fer produite a une pureté de 80 à 95 % et est utilisée soit pour produire des aciers spéciaux , soit comme poudre de fer pour la métallurgie des poudres .

3. Production de fer dans la cuve rotative :

   • Processus de fer à l'éponge Krupp
   • Méthode RN développée par la Republic Steel Corporation et la National Lead Corporation
   • Procédé SL développé par la Steel Company of Canada et la Lurgi Chemical and Metallurgical Society

   Ici, le minerai en morceaux ou les pellets sont combinés avec du calcaire ou de la dolomite dans des fours rotatifs jusqu'à 110 m de long , qui sont chauffés jusqu'à 1050 °C avec du lignite, du gaz de four à coke ou du mazout. Le fer spongieux est produit avec une pureté de 85 à plus de 90 %.

   • Méthode Dored (méthode de réduction Domnarf), développée à Stora Kopparbergs bergslag en Suède

   Le minerai de fer préchauffé est introduit dans un four rotatif avec du charbon ou du coke sur un puisard en fonte brute. En insufflant de l' oxygène pur , le monoxyde de carbone contenu dans le gaz réducteur est brûlé pour former du dioxyde de carbone et le four rotatif est chauffé à environ 1300 à 1350 °C. De la fonte liquide est produite.

4. Production de fer dans le réacteur à lit fluidisé

   • Procédé H-Iron développé par Hydrocarbon Research Inc. (USA)
   • Procédé FIOR (Fluid Iron Ore Reduction) développé par Standard Oil Company , New York

   Le fer spongieux est produit à partir de minerais de fer à grains fins, qui sont tourbillonnés et réduits avec de l'hydrogène injecté, du gaz naturel ou du gaz résiduaire de raffinerie.

   • Procédé Finex

5. Production de fer dans le four électrique

   • Le procédé Tysland Hole et le procédé Demag se passent de préchauffage et de préréduction des matières entrantes .
   • Les procédés Electrokemisk et les procédés Strategic-Udy , d'autre part, nécessitent que le minerai soit préchauffé et pré-réduit dans des fours rotatifs.

   Cependant, la production de fer dans des fours électriques n'a d'intérêt que si l'électricité peut être fournie en quantité suffisante et à faible coût. Selon la qualité du minerai de fer et du transporteur de carbone, la consommation d'énergie se situe entre 2000 et 2500 kWh par tonne de fonte brute.

réaction aluminothermique

L'inflammation d'un mélange de poudre d'aluminium et d'oxyde de fer(III) produit du fer métallique liquide via la réaction aluminothermique :

${\displaystyle {\ce {Fe2O3 + 2Al -> 2Fe + Al2O3}}}$

La réaction n'est pas pertinente pour l'extraction du fer à partir de minerai, en partie parce que l'aluminium requis nécessite une quantité importante d'énergie électrique pour sa production. Le soudage aluminothermique utilise l'énergie restante de la fonte liquide après la réduction de l'oxyde de fer avec de l'aluminium pour le soudage par fusion, par ex. de voies ferrées .

production d'acier

Dans le fer γ, le carbone est soluble jusqu'à 2,06 % maximum, l'acier contient 0 à 2 % de carbone, il peut être forgé et laminé, mais il ne peut être trempé qu'à partir de 0,5 % de carbone . Si la valeur est inférieure, il s'agit d'acier non trempable ou de fer forgé. ^[89]

Divers procédés ont été développés pour la fabrication de l' acier , notamment les fours à puddler , les convertisseurs Bessemer , les fours à foyer ouvert, les fours à oxygène et les fours à arc électrique . Dans tous les cas, l'objectif est d' oxyder une partie ou la totalité du carbone avec d'autres impuretés . D'autre part, d'autres métaux peuvent être ajoutés pour fabriquer des aciers alliés. ^[79]

Selon le procédé, le laitier de désulfuration éventuellement formé est soutiré ou soutiré et la fonte brute est ensuite utilisée pour produire de l'acier dans un convertisseur ( procédé de soufflage d'oxygène , procédé d'affinage au vent tel que le procédé Thomas , procédé d' affinage à sole tel que le procédé Siemens-Martin ) avec addition de chaux vive et insufflation d'air ou soufflage d'oxygène oxydant . Le silicium est brûlé pour former du dioxyde de silicium et du carbone pour former du dioxyde de carbone. Le phosphore est appelé phosphate de calciumbondir. La fonte liquide a alors une température d'environ 1600 °C. Il contient tellement d'oxygène que des bulles de monoxyde de carbone se forment à partir du carbone restant lorsqu'il se solidifie. Ceci n'est pas souhaitable pour la coulée continue qui est surtout utilisée aujourd'hui . Lorsque l'acier est prélevé du convertisseur dans la poche de coulée, de l'aluminium est donc ajouté pour lier l'oxygène sous forme d'oxyde d'aluminium. En cas d'exigences élevées en matière de qualité de l'acier, le processus de conversion est suivi d'autres étapes de processus, par ex. B. un traitement sous vide ( métallurgie secondaire ). ^[79]

Alternativement, la fonte brute peut également être transformée en acier (avec jusqu'à 2% de carbone ) en utilisant d'autres procédés tels que le processus de puddlage ou la trempe , ainsi que le fer forgé (fer commercialement pur) par cémentation . ^[79]

Les caractéristiques

Propriétés physiques

Le fer chimiquement pur est un métal blanc argenté, relativement mou, ductile et assez réactif avec une densité de 7,873 g/cm³, qui fond à 1535 °C et bout à 3070 °C. ^[79]

L'atome de fer moyen a environ 56 fois la masse d'un atome d'hydrogène . Le noyau atomique de l' isotope du fer ⁵⁶ Fe a l'un des plus grands défauts de masse et donc l'une des énergies de liaison les plus élevées par nucléon de tous les noyaux atomiques. Par conséquent, il est considéré comme l'étape finale de la génération d'énergie par fusion nucléaire dans les étoiles . ^{Cependant, 62} Ni a le défaut de masse le plus élevé absolu , suivi de ⁵⁸ Fe, et seulement en troisième place est ⁵⁶ Fe. ^{[90] [91]}

A température ambiante, la modification allotropique du fer pur est la ferrite ou le fer α. Cette modification cristallise en une structure cristalline cubique centrée ( type tungstène ) dans le groupe d'espace Im 3 m (groupe d'espace n° 229) avec le paramètre de réseau a = 286,6 pm et deux unités de formule par cellule unitaire . Cette modification est stable en dessous de 910 °C. Au-dessus de cette température, il se transforme en modification γ ou austénite . Il a une structure cubique face centrée ( cuivre Vorlage:Raumgruppe/229-type) avec le groupe d'espace  Fm 3 m (n° 225) et le paramètre de réseau a = 364,7 pm. Un troisième changement structurel se produit à 1390 ° C, au-dessus de cette température jusqu'au point de fusion à 1535 ° C, la δ-ferrite cubique centrée sur le corps est à nouveau stable. ^[92] Les transitions de phase se produisent également à haute pressionVorlage:Raumgruppe/225au lieu de cela: à des pressions supérieures à environ 10 à 15 GPa et à des températures d'au plus quelques centaines de degrés Celsius, le fer α se convertit en fer ε, dont le réseau cristallin est hexagonal compact (hcp); à des températures plus élevées jusqu'au point de fusion, une conversion correspondante du fer γ en fer ε a lieu, la pression de la transition de phase augmentant avec la température. De plus, il peut y avoir une autre transition de phase du fer ε au fer β, située autour de 50 GPa et supérieure à 1500 K ; cependant, l'existence de cette phase β est contestée, et il existe également diverses découvertes sur sa structure cristalline, par ex. une structure orthorhombique ou double hcp. ^[93] Ces transformations sont aussi appelées « polymorphisme du fer ». ^[6]

L'absence d'une phase β dans la nomenclature standard des allotropes de fer provient du fait que l'on pensait auparavant que le changement de magnétisme au point de Curie à 766 ° C du ferro- au paramagnétisme s'accompagnait d'un changement structurel, et donc d'un autre il existe une modification entre 766 et 910 ° C, qui a été appelée modification β ou fer β. Cependant, cela s'est avéré incorrect après des mesures plus précises. ^[79]

La solubilité du carbone dans le fer α est très faible et atteint au maximum 0,018 % à 738 °C, comme le montre le diagramme fer-carbone . Beaucoup plus de carbone (jusqu'à 2,1% à 1153 ° C) peut se dissoudre dans le fer γ. La solubilité du carbone dans le fer fondu à 1153 ° C est d'environ 4,3%, et cela augmente avec l'augmentation de la température. ^[79]

Le point de fusion du fer n'est bien déterminé expérimentalement que pour des pressions allant jusqu'à environ 50 GPa. À des pressions plus élevées, différentes techniques expérimentales donnent des résultats très différents. Par exemple, différentes études localisent le point triple γ-ε à des pressions qui diffèrent de plusieurs dizaines de gigapascals, et diffèrent de 1000 K et plus à des températures de fusion à haute pression. En général, les calculs de modèles dynamiques moléculaires et les expériences de choc donnent des températures plus élevées et des courbes de fusion plus raides que les expériences statiques dans des cellules à enclume de diamant. ^[94]

Le spectre du fer montre des raies spectrales dans toutes les gammes spectrales. ^[95] En astronomie, plus précisément en astronomie des rayons X, les fortes raies d'émission du fer neutre dans le domaine des rayons X sont d'un grand intérêt. Les astronomes les observent dans les noyaux galactiques actifs , les binaires à rayons X , les supernovae et les trous noirs . ^[96]

Propriétés magnétiques

En tant que métal de transition, le fer a un moment magnétique permanent dans chaque atome. ^[98] En dessous de son point de Curie de 770 °C, le fer α passe du paramagnétique au ferromagnétique : les spins des deux électrons non appariés dans chaque atome s'alignent généralement avec les spins de ses voisins, créant un champ magnétique net . ^[99] 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 participent donc pas à la liaison métallique . ^[100]

En l'absence de source de champ magnétique externe, les atomes sont spontanément scindés en domaines magnétiques d'environ 10 microns de diamètre, ^[101] . Ce sont des zones cristallines délimitées par des parois de Bloch ( domaines de Weiss ). En raison de l'orientation aléatoire de ces domaines magnétiques, aucun moment n'est perceptible de l'extérieur. Ainsi, un morceau de fer macroscopique a un champ magnétique global proche de zéro. ^[98]

Une autre possibilité est l'arrangement antiparallèle des moments dans les alliages de fer en dessous de la température de Néel T _N ( antiferromagnétisme ). Ici les moments se compensent déjà au niveau atomique. Alors qu'aucune polarisation appréciable ne peut être obtenue dans l'état para- et antiferromagnétique en utilisant des champs magnétiques externes techniquement standards, cela peut être réalisé très facilement dans l'état ferromagnétique par migration des parois de Bloch et rotation de la direction de polarisation des domaines. ^[98]

L'application d'un champ magnétique externe provoque la croissance de domaines magnétisés dans la même direction générale aux dépens de domaines adjacents pointant dans des directions différentes, augmentant ainsi le champ externe. Cet effet est exploité dans les appareils électroniques qui doivent canaliser des champs magnétiques, par ex. B. transformateurs électriques , têtes d'enregistrement magnétiques et moteurs électriques . Les impuretés, les défauts de réseau ou les joints de grains et de particules peuvent "fixer" les domaines aux nouvelles positions, de sorte que l'effet persiste même après la suppression du champ externe et que l'objet en fer devienne ainsi un aimant permanent .^[99]

Un comportement similaire est présenté par certains composés de fer tels que les ferrites et la magnétite minérale , une forme cristalline d' oxyde ferreux mixte (bien que le mécanisme atomique, le ferrimagnétisme, soit quelque peu différent). Des morceaux de magnétite à aimantation permanente naturelle ( aimants ) ont été les premières boussoles utilisées pour la navigation. Les particules de magnétite ont été largement utilisées dans les supports d'enregistrement magnétiques tels que la mémoire centrale , les bandes magnétiques , les disquettes et les disques jusqu'à ce qu'elles soient remplacées par des matériaux à base de cobalt .

propriétés chimiques

États d'oxydation du fer
	exemples	remarque
−2	[Fe(CO) 4 ] 2− , [Fe(CO) 2 (NO) 2 ]
−1	[Fe2 ( CO) 8 ] 2−
0	Fe(CO) 5 , Fe 2 (CO) 9 , Fe 3 (CO) 12
+1	[Fe( H2O ) 5NO ] 2+	extrêmement inhabituel. ( ring test , détection de NO 3 − )
+2	FeCl 2 , FeSO 4 , FeO , Fe(OH) 2 , ferrocène	quasi libération des électrons 4s
+3	FeCl 3 , Fe 2 O 3 , Fe(NO 3 ) 3 , FeO(OH)	nombre d'oxydation principal, quasi libération des électrons 4s et occupation égale des orbitales 3d en donnant un électron 3d ; ces ions sont presque incolores.
+4	Li2FeO3 , BaFeO3 _ _ _	se produit également dans les cycles catalytiques certaines enzymes (ex. cytochrome c oxydase , cytochrome P450 , peroxydases )
+5	FeO 4 3−
+6	K2FeO4 , BaFeO4 _ _ _ _	Rare

Le fer résiste à l'air sec, au chlore sec , à l'acide sulfurique concentré , à l' acide nitrique concentré et aux agents basiques (sauf la soude caustique chaude ) de pH supérieur à 9. Cette résistance résulte de la présence d'une peau protectrice continue d'oxyde. Le fer se dissout rapidement dans les acides non oxydants tels que l'acide chlorhydrique et l'acide sulfurique ou nitrique dilué, avec dégagement d' hydrogène . ^{[102] [79]}

${\displaystyle {\ce {Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2}}}$

Il est également décomposé par l'eau au-dessus de 500 °C, ainsi que par les alcalis chauds dans une réaction réversible : ^[79]

${\displaystyle {\ce {3Fe + 4H2O <-> Fe3O4 + 4H2}}}$

${\displaystyle {\ce {Fe + 4OH^- +2H2O <-> [Fe(OH)_6]^{4-}{}+ H2}}}$

La soude caustique concentrée attaque également le fer en l'absence d'air, qui se dissout avec formation d'hydroxoferrate(II). Dans l'air humide et dans l'eau contenant de l'oxygène ou du dioxyde de carbone, le fer s'oxyde facilement pour former de l'oxyde de fer hydraté ( rouille ). Étant donné que la couche d'oxyde résultante est douce et poreuse, le processus de rouille peut se poursuivre sans entrave. L'eau de mer contenant des électrolytes ou l'eau contenant du SO ₂ est particulièrement agressive dans les zones industrielles. Si le fer est chauffé à l'air sec, il se forme une fine couche d'oxyde de fer(II,III) (Fe ₃ O ₄ , coup de marteau de fer ) fortement colorée ( revenu). Très finement réparti, le fer pyrophorique réagit avec l'oxygène de l'air à température ambiante, provoquant un incendie. La laine d'acier en combustion réagit vigoureusement dans le chlore gazeux humide, produisant des vapeurs brunes de chlorure ferrique . Si un mélange de poudre de fer et de soufre (dans un rapport pondéral de 7:4) est chauffé, le sulfure de fer (II) est le produit principal . ^[103] Le fer forme également des phosphures , des siliciures , des sulfures ou des carbures avec d'autres non-métaux tels que le phosphore , le silicium , le soufre et le carbone à des températures élevées .^{[102] [79]}

odeur de fer

Le fer pur est inodore. L'odeur typique, classée comme métallique, lorsque vous touchez des objets en fer est causée par une réaction chimique des substances de la sueur et de la graisse sur la peau avec les ions de fer bivalents qui se forment au cours du processus. ^[104]

L'un des vecteurs de parfum les plus importants est le 1-octen-3-one , qui sent encore le champignon métallique dans de grandes dilutions. ^[67] Cela représente environ un tiers de l'odeur. Le reste sont d'autres aldéhydes et cétones. Les précurseurs des substances odorantes sont les peroxydes lipidiques. ^[105] Celles-ci surviennent lorsque les lipides cutanés sont oxydés par certaines enzymes ou processus non enzymatiques (par exemple, la lumière UV). Ces peroxydes lipidiques sont ensuite décomposés par les ions de fer divalent pour former les parfums. Les ions fer divalents se forment par corrosion du fer lorsqu'il entre en contact avec la transpiration des mains , qui contient des acides organiques et des chlorures corrosifs. ^[105]

Une odeur similaire est produite lorsque le sang est frotté sur la peau, car le sang contient également des ions de fer (II) et ceux-ci forment des substances odorantes par des réactions similaires. ^[105]

Les objets à peine rouillés (y compris la formation de composés de fer (III)) n'émettent pas d'odeur métallique au toucher, comme l'expérience quotidienne nous l'a appris. En accord avec ceci est l'observation que la décomposition des peroxydes lipidiques n'est pas catalysée par les ions ferriques. ^[105]

Étiquetage des matières dangereuses

consignes de sécurité
Nom de famille	poudre de fer
Étiquetage SGH des substances dangereuses [12] danger Phrases H et P H :228​‐​251 P :210​‐​260​‐​370+378 [12]

Alors que le fer sous forme massive n'est pas une matière dangereuse, la poudre de fer peut être combustible , et même pyrophorique sous sa forme la plus finement divisée . Par conséquent, ces poudres doivent être munies d'une étiquette de substance dangereuse supplémentaire. ^[12]

isotopes

Le fer a 27 isotopes et deux isomères nucléaires , dont quatre sont des isotopes stables naturels . Ils ont les abondances relatives : ⁵⁴ Fe (5,8 %), ⁵⁶ Fe (91,7 %), ⁵⁷ Fe (2,2 %) et ⁵⁸ Fe (0,3 %). L'isotope ⁶⁰ Fe a une demi-vie de 2,62 millions d'années, ^{[11] 55} Fe de 2,737 ans et l'isotope ⁵⁹ Fe de 44,495 jours. ^[106] Les isotopes restants et les deux isomères principaux ont des demi-vies allant de moins de 150 ns à 8,275 heures. ^[107] L'existence de ⁶⁰Fe au début de la formation du système planétaire a pu être déterminé en démontrant une corrélation entre les abondances de ⁶⁰ Ni , le produit de désintégration de ⁶⁰ Fe et les abondances d'isotopes stables de Fe dans certaines phases de certaines météorites (par exemple dans le Semarkona et les météorites Chervony Kut ^{[108 ]} ) peuvent être détectées. Il est possible que l'énergie libérée lors de la désintégration radioactive du ⁶⁰ Fe ait joué un rôle aux côtés de l'énergie de désintégration atomique du ²⁶ Al radioactif qui était également présent., un rôle dans la fusion et la différenciation des astéroïdes juste après leur formation il y a environ 4,6 milliards d'années. Aujourd'hui, le ⁶⁰ Fe présent à l'origine s'est désintégré en ⁶⁰ Ni. La distribution des isotopes de nickel et de fer dans les météorites permet de mesurer les abondances isotopiques et élémentaires lors de la formation du système solaire et d'en déduire les conditions prévalant avant et pendant la formation du système solaire. ^{[109] [110]}

Parmi les isotopes stables du fer, seul le ^{57 Fe a un} spin nucléaire non nul . Il convient donc à la spectroscopie Mössbauer . ^[111]

utilisation

Contrairement au fer contenant du carbone, le fer chimiquement pur n'a qu'une importance technique secondaire et est utilisé comme matériau pour les catalyseurs , par ex. le procédé Haber-Bosch ou la synthèse Fischer-Tropsch . ^[79]

La majeure partie du fer produit est le composant principal de l' acier et de la fonte . Le fer est le métal le plus couramment utilisé dans le monde, représentant 95 % en poids des métaux utilisés. La raison en est sa grande disponibilité, ce qui le rend assez peu coûteux, et le fait que l'acier atteint une excellente résistance et ténacité lorsqu'il est allié à d'autres métaux tels que le chrome, le molybdène et le nickel, ce qui en fait un élément essentiel de nombreux domaines de l'ingénierie. Matériel. ^[112] Il est utilisé dans la fabrication de véhicules terrestres, de navires et dans tout le secteur de la construction ( construction en béton armé , construction métallique ). D'autres domaines d'application sont l'emballage ( boîtes, paquets, conteneurs, seaux, ruban adhésif), pipelines, récipients sous pression, bouteilles de gaz et ressorts . ^[78] Différents aciers sont utilisés industriellement ; en Allemagne, environ 7 500 variétés sont standardisées. ^[113]

Le fer est utilisé comme matériau sous les formes suivantes :

• La fonte brute contient quatre à cinq pour cent de carbone, ainsi que des proportions variables de soufre , de phosphore et de silicium . C'est un intermédiaire dans la fabrication de la fonte et de l'acier. ^[79]
• La fonte contient plus de 2,06 % de carbone et d'autres éléments d'alliage tels que le silicium et le manganèse qui améliorent la coulabilité . La fonte est très dure et cassante. Il ne peut généralement pas être déformé plastiquement (forgé), mais très bien coulé en raison du point de fusion relativement bas et de la masse fondue à faible viscosité. ^[114]
• L'acier contient au maximum 2,06 % de carbone. Contrairement à la fonte, elle est malléable . Les propriétés mécaniques de l'acier peuvent être modifiées dans de larges limites par alliage et par une combinaison appropriée de traitement thermique (voir trempe ) et de plastification ( laminage à froid ). ^[79]

Le fer est (avec le cobalt et le nickel ) l'un des trois métaux ferromagnétiques dont les propriétés permettent l'utilisation à grande échelle de l'électromagnétisme, par ex. dans les générateurs , les transformateurs , les selfs , les relais et les moteurs électriques . ^[115] Il est pur ou par ex. allié avec du silicium, de l'aluminium, du cobalt ou du nickel (voir mu-métal ) et sert de matériau de noyau magnétique doux pour guider les champs magnétiques, pour protéger les champs magnétiques ou pour augmenter l'inductance. A cet effet, il est massif et sous forme de feuilles et de poudre ( noyaux de poudre) produit. ^{[116] [117]}

La poudre de fer est également utilisée en chimie (par exemple comme catalyseur dans la synthèse d'ammoniac ^[118] ) et est utilisée dans les types de bandes correspondants pour l'enregistrement de données magnétiques. Le fil de fer a été utilisé pour enregistrer les données dans l' enregistreur à fil ^[119] et est utilisé par ex. utilisé pour fabriquer des câbles métalliques .

En médecine, les préparations contenant du fer sont utilisées comme antianémiques , de manière causale dans le traitement des anémies ferriprives et de manière additive dans le traitement des anémies causées par d'autres causes . ^[120]

Importance biologique

partie des êtres vivants

Le fer est un oligo-élément essentiel pour presque tous les êtres vivants, en particulier pour la formation du sang chez les animaux.

Dans les organismes végétaux, il influence la photosynthèse ainsi que la formation de chlorophylle et de glucides , ^[103] puisque les enzymes contenant du fer sont impliquées dans la photosynthèse, la chlorophylle et la formation de glucides chez les plantes. Dans les plantes, le fer se présente presque exclusivement sous la forme d'ions de fer inorganiques libres. Le fer est également contenu dans la nitrogénase (fixation de l'azote) (tout comme l'élément molybdène ). Il existe des plantes qui rendent les ions de fer biodisponibles à partir des sols calcaires par le biais de phytosidérophores (composés complexant le fer) en combinaison avec la libération locale d'ions hydrogène, ainsi Fe ³⁺réduit en Fe ²⁺ puis complexé. Chez les plantes, le fer est lié aux phytoferritines de la même manière que le foie. Il est essentiel à la synthèse de la chlorophylle chez les plantes. Lorsque la teneur en fer des plantes tombe en dessous d'un minimum critique, les parties vertes de la plante blanchissent et jaunissent ( chlorose ). ^[67]

Les composés de fer jouent également un rôle important dans les champignons (par exemple en tant que ferrichrome , un sidérophore aux propriétés favorisant la croissance), les bactéries (la ferrioxamine B est formée dans Streptomyces) et les vers de mer ( l' hémérythrine , une protéine de fer non hémique, est présente dans ceux-ci et dans la lingula ). ^[67]

Dans le corps des humains et des animaux, il est oxydé sous forme de fer ²⁺ et de fer ³⁺ . En tant qu'atome central de l' hème b cofacteur de l'hémoglobine , de la myoglobine et des cytochromes , il est responsable du transport et du stockage de l'oxygène ainsi que du transfert d'électrons chez de nombreux animaux et chez l'homme. Dans ces protéines, il est entouré d'un anneau de porphyrine planaire. ^[67]

Le fer est également un composant des complexes fer-soufre (appelés clusters fer-soufre ) dans de nombreuses enzymes , par exemple les nitrogénases , les hydrogénases ou les complexes de la chaîne respiratoire . La troisième classe importante d'enzymes ferreuses sont les enzymes ferreuses dites non héminiques , par exemple la méthane monooxygénase , la ribonucléotide réductase et l' hémérythrine . Ces protéines effectuent des tâches dans divers organismes : activation de l' oxygène, transport de l'oxygène , réactions redox et hydrolyse . ^[67]Le fer trivalent est tout aussi important en tant qu'ion central de l'enzyme catalase , qui décompose la toxine cellulaire, le peroxyde d'hydrogène, qui est produit au cours du métabolisme, dans les peroxysomes des cellules. ^[121]

Le fer est stocké de manière intracellulaire dans l'enzyme ferritine (teneur en fer de 20 %) et son produit de dégradation, l' hémosidérine (teneur en fer de 37 %). Le fer est transporté par la transferrine . ^[122]

L'homme contient 2,5 à 4 g de fer, dont 60 % (2,0 à 2,5 g) se trouvent dans l'hémoglobine des érythrocytes, environ 1 g dans le foie et la moelle osseuse (protéines de stockage ferritine et hémosidérine), environ 10 % à 15 % dans la myoglobine (env. 400 mg de fer), 250 mg dans les systèmes enzymatiques 0,1 à 0,2 % de fer dans les protéines de transport (par ex. soufre, protéines de fer, cytochromes) (cytochrome : 0,1 % du fer total). ^[67]

Donneur et accepteur d'électrons externes

Certaines bactéries utilisent le Fe(III) comme accepteur d'électrons pour la chaîne respiratoire. Ils le réduisent ainsi en Fe(II), ce qui signifie une mobilisation du fer, puisque la plupart des composés de Fe(III) sont peu solubles dans l'eau, mais la plupart des composés de Fe(II) sont facilement solubles dans l'eau. Certaines bactéries phototrophes utilisent le Fe(II) comme donneur d'électrons pour la réduction du CO ₂ . ^[123]

Importance médicale

Besoin en fer et carence en fer

^{Dans l'état d'oxydation Fe 2+} et Fe ³⁺ , le fer est essentiel pour tous les organismes. Les besoins quotidiens sont de 1 mg pour les hommes et de 2 mg pour les femmes. En raison de l'absorption inefficace, l'apport alimentaire doit être d'environ 5 à 9 mg chez l'homme et de 14 à 18 mg chez la femme. La carence en fer est plus susceptible de se produire chez les femmes enceintes et les athlètes. Un nourrisson peut absorber environ 50 % du fer du lait maternel, mais seulement 20 % du lait de vache. ^[67]

Surtout les femmes avant la ménopause ont souvent une carence en fer , la raison en est la menstruation . Vous devriez obtenir environ 15 milligrammes de fer par jour, alors que les besoins quotidiens d'un homme adulte ne sont que d'environ 10 milligrammes. De plus, les femmes perdent environ 1000 milligrammes de fer lorsqu'elles accouchent. Prendre de la vitamine C en même temps augmente significativement le taux d'absorption du fer . Le boudin noir, le foie, les légumineuses et le pain complet contiennent une quantité particulièrement importante de fer, tandis que la viande (musculaire) n'en contient qu'une petite quantité. Cependant, la consommation simultanée de produits laitiers, de café ou de thé noir inhibe l'absorption du fer. ^[124]

Toxicité et surcharge en fer

personnes

Le fer est un oligo-élément important pour l'homme, mais il peut aussi être nocif en cas de surdosage. ^{[125] [126] [127]} Cela touche particulièrement les personnes qui souffrent d' hémochromatose , un trouble de la régulation de l'absorption du fer dans l'intestin. Au cours de la maladie, le fer s'accumule dans le foie , où il entraîne une sidérose et d'autres lésions organiques. ^[67]

De plus, le fer est soupçonné de provoquer des maladies infectieuses, par ex. B. pour favoriser la tuberculose , puisque les pathogènes ont aussi besoin de fer pour se reproduire. ^[128] Une offre excédentaire de fer entraîne une susceptibilité accrue aux maladies infectieuses (tuberculose, salmonellose , SIDA , yersiniose ). ^[67] De plus, certaines maladies neurodégénératives telles que la maladie de Parkinson ou la maladie d'Alzheimer entraînent des dépôts de fer dans certaines zones du cerveau. On ignore actuellement s'il s'agit d'une cause ou d'une conséquence de la maladie. ^[129]

Par conséquent, les préparations de fer et autres compléments alimentaires ne sont recommandés qu'en cas de carence en fer diagnostiquée par un médecin .

Plante

Le fer est également un oligo-élément essentiel dans les organismes végétaux . Il affecte la photosynthèse ainsi que la formation de chlorophylle et de glucides. ^[103] Cependant, la surcharge en fer peut se manifester sous la forme d' une toxicité ferreuse . _{Dans les sols, il est présent sous forme de Fe(OH) 3} à des valeurs de pH normales . Lorsque la teneur en oxygène du sol est faible, le fer(III) est réduit en fer(II) par réduction. Cela convertit le fer en une forme soluble disponible pour les plantes. Diminue cette disponibilité dans des conditions anaérobies , par exemple en raison du compactage du sol, trop, des dommages aux plantes peuvent survenir du fait de la toxicité ferreuse, phénomène particulièrement bien connu dans les zones rizicoles. ^[130]

preuve

Il existe plusieurs méthodes de détection du fer. En plus des méthodes d'analyse spectrale (le fer fournit un spectre très riche en raies), une variété de méthodes de détection chimique sont également connues. Dans la réaction de détection des ions fer, les deux cations Fe ²⁺ et Fe ³⁺ sont d'abord distingués. ^[131]

Détection du fer avec l'acide thioglycolique

Les ions Fe ²⁺ et Fe ³⁺ peuvent être détectés avec l'acide thioglycolique : ^[115]

${\displaystyle \mathrm {Fe^{2+}+2\ HS{-}CH_{2}{-}COOH\longrightarrow [Fe(SCH_{2}COO)_{2}]^{2-}+4\ H^{+}} }$

Si des ions Fe ²⁺ ou Fe ³⁺ sont présents, une coloration rouge intense se produit.

Détection du fer avec les hexacyanoferrates

Les ions Fe ²⁺ peuvent être détectés avec le sel de lessive rouge du sang :

${\displaystyle \mathrm {3\ Fe^{2+}+2\ K_{3}[Fe(CN)_{6}]\longrightarrow Fe_{3}[Fe(CN)_{6}]_{2}+6\ K^{+}} }$

Les ions Fe ³⁺ peuvent être détectés avec le sel de lessive jaune du sang :

${\displaystyle \mathrm {4\ Fe^{3+}+3\ K_{4}[Fe(CN)_{6}]\longrightarrow Fe_{4}[Fe(CN)_{6}]_{3}+12\ K^{+}} }$

Les deux réactions de détection produisent du bleu de Prusse bleu profond , un colorant important. Il n'y a pas de réaction de formation de complexe , seulement un échange de cations.

Les deux pigments sont en grande partie identiques car il existe un équilibre chimique entre eux. Dans le processus, Fe ³⁺ est transformé en Fe ²⁺ et vice versa : ^{[132] [133] [134]}

${\displaystyle \mathrm {Fe^{2+}+[Fe(CN)_{6}]^{3-}\ \rightleftharpoons \ Fe^{3+}+[Fe(CN)_{6}]^{4-}} }$

La couleur bleue particulièrement intense du complexe est due au transfert de charge métal sur métal entre les ions de fer. Il est à noter que ce réactif de détection du fer bien connu contient lui-même du fer, qui est bien masqué chimiquement par les ions cyanure ( complexe orbital interne ) et montre ainsi les limites de l'analyse chimique.

Détection du fer avec les thiocyanates

Alternativement, des sels de fer(III) avec des thiocyanates (rhodanides) peuvent être détectés. Ceux-ci réagissent avec les ions fer(III) pour former du thiocyanate de fer(III) : ^[135]

${\displaystyle \mathrm {Fe^{3+}+3\ SCN^{-}\longrightarrow Fe(SCN)_{3}} }$

Le thiocyanate de fer(III) rouge foncé (Fe(SCN) ₃ ) se forme, qui reste en solution. Cependant, certains ions d'accompagnement interfèrent avec cette détection (par exemple Co ²⁺ , Mo ³⁺ , Hg ²⁺ , acides minéraux en excès ), de sorte qu'une étape de séparation des cations peut devoir être effectuée.

liens

Dans ses composés chimiques, le fer se présente principalement aux états d'oxydation +2 (par exemple chlorure de fer(II) ), +3 (par exemple fluorure de fer(III) ) et +6 (par exemple ferrate de baryum(VI) ), mais il existe également des composés avec les états d'oxydation -2, -1 et 0 (par exemple fer pentacarbonyle ) ainsi que +1, +4 et +5. Dans aucun composé, le fer n'apparaît à l'état d'oxydation correspondant à son numéro de sous-groupe VIII. Même les composés contenant du fer à l'état d'oxydation +7 sont inconnus. ^[79]

oxydes

Le fer forme des oxydes divalents et trivalents avec l'oxygène :

• L'oxyde de fer(III) (Fe ₂ O ₃ ) est une substance rouge à brune et est formé par l' oxydation du fer dans un excès d'oxygène. Il se produit naturellement sous la forme des minéraux hématite et maghémite .
• L'oxyde de fer(II,III) (Fe ₃ O ₄ ) est formé naturellement parprocessus volcaniques ou lorsque le fer est brûlé directement, par ex. B. avec le chalumeau coupant comme un coup de marteau en fer et est appelé un minéral comme la magnétite .
• L'oxyde de fer(II) (FeO) ne se forme que lors de la décomposition soigneuse de l'oxalate de fer(II) FeC ₂ O ₄ sous vide . Il est noir et instable jusqu'à 560 °C. En tant que wustite minérale, elle est principalement formée de la transformation de la magnétite à haute température.

Un autre oxyde de fer connu est FeO _{2 .} ^[136]

Comme ces oxydes ne forment pas une couche protectrice solide, un corps en fer exposé à l'atmosphère s'oxyde complètement. La couche d'oxyde poreuse ralentit le processus d'oxydation mais ne peut pas l'empêcher, c'est pourquoi la finition noire sert de faible protection contre la corrosion . ^[137] Si les corps en fer sont collectés et recyclés avant de finalement rouiller , le fer rouillé et l' acier rouillé sont un transporteur d'oxygène recherché et précieux dans la production d'acier au four électrique . Cet oxygènedans la ferraille agit comme un agent oxydant lors de "l'ébullition de l'acier" afin d'oxyder les mélanges indésirables qui réduisent la qualité (par exemple les métaux légers ).

L'oxyde d'hydroxyde de fer(III) (FeO(OH)) appartient au groupe des hydroxydes de fer ou des oxydes de fer(III) hydratés, qui diffèrent par leur degré d' hydratation . Lorsqu'il est chauffé, l'hydroxyde d'oxyde de fer (III) se transforme en oxyde de fer (III). La forme α se présente naturellement sous forme de minerai de fer à aiguilles ou de goethite . La forme y se présente naturellement sous forme de mica rubis ou de lépidocrocite . Sous la forme α, il a une structure cristalline orthorhombique , groupe d'espace Pbnm (groupe d'espace n° 62, position 3) . ^[138] Vorlage:Raumgruppe/62.3

Les oxydes de fer et les hydroxydes de fer sont utilisés comme additifs alimentaires (E 172).

sels

Le fer forme des sels divalents et trivalents :

• Le chlorure de fer(II) (FeCl ₂  · 6 H ₂ O) est utilisé pour la précipitation des sulfures ,, la désulfuration des biogaz , la réduction des chromates et l'élimination des phosphates ; ceci inclut les précipitations simultanées . Il a une structure cristalline de type chlorure de cadmium (II) avec le groupe d'espace R 3 m (groupe d'espace n° 166).Vorlage:Raumgruppe/166
• A l'état pur, le fluorure ferreux est un solide blanc peu soluble dans l'eau. Il a une structure cristalline detype rutile , groupe d'espace P 4 ₂ / mnm (groupe d'espace n° 136).Vorlage:Raumgruppe/136
• Le bromure de fer(II) et l'iodure de fer(II) sont des solidescristallins hygroscopiques qui ont une structure cristalline trigonale de type hydroxyde de cadmium(II) avec le groupe d'espace P 3 m 1 (groupe d'espace n° 164).Vorlage:Raumgruppe/164
• Le sulfate de fer(II) (FeSO ₄  · 7 H _{2 O) est aussi appelé} sel vert en raison de sa couleur, en tant que minéral mélantérite. Applications telles que le chlorure de fer (II) et le sulfate de fer (II) séché comme réducteur de chromate , en particulier dans le ciment contre l'allergie au chromate .
• Le chlorure de fer(III) (FeCl ₃  · _{6H 2} O) peutoxyder et dissoudre le cuivre ; par conséquent, des solutions aqueuses de chlorure de fer (III) peuvent être utilisées pour graver doucement les cartes de circuits imprimés.

${\displaystyle \mathrm {Cu+2\ FeCl_{3}\longrightarrow CuCl_{2}+2\ FeCl_{2}} }$

Le chlorure ferrique anhydre est une substance noire avec une odeur légèrement piquante d'acide chlorhydrique . En tant que composé anhydre, il est extrêmement hygroscopique, ce qui signifie qu'il extrait l'eau de l'air. Avec l'augmentation de la teneur en eau, la nature hygroscopique diminue et la couleur passe du brun rougeâtre au jaunâtre. Le chlorure de fer(III) a une structure cristalline trigonale avec le groupe d'espace R 3 (groupe d'espace n° 148) . Vorlage:Raumgruppe/148

• Le nitrate ferrique est utilisé dans le tannage . Dans l' industrie textile, il est utilisé comme mordant pour les tissus de coton et pour teindrela soie en noir en précipitant de l'hydroxyde ferrique . De plus, il a longtemps été utilisé comme inhibiteur de corrosion . Récemment, il a été utilisé, pas toujours avec succès, pour réduire la concentration de sulfure d'hydrogène dans les conduites d'eaux usées sous pression.
• Le sulfate de fer(III) est utilisé dans les grandespour la désodorisation et la précipitation des phosphates (dans le traitement de l'eau potable et l' élimination des eaux industrielles ) et dans l' industrie métallurgique comme agent de décapage (par exemple pour l'aluminium et l' acier ). ^[139] En médecine , un effet hémostatique et astringent est connu.
• Sulfate de chlorure ferrique (FeClSO ₄ )

Tous les sels de fer sont utilisés, entre autres, comme floculants et pour l'élimination des phosphates, y compris la pré-précipitation , la précipitation simultanée , la post- précipitation et la filtration sur flocons ainsi que la précipitation des sulfures , la désulfuration des gaz de digestion et la désulfuration du biogaz .

Autres composés de fer

Composés de fer individuels :

• Carbure de fer (Fe ₃ C)
• Le fer pentacarbonyle (Fe(CO) ₅ ), aussi appelé IPC (from iron pentacarbonyl ) , se forme à partir de fer et de monoxyde de carbone sous pressionet, après sa décomposition, forme, en plus du monoxyde de carbone, une poudre de fer particulièrement pure, le carbonyle fer . D'autres carbonyles de fer sont Fe ₂ (CO) ₉ et Fe ₃ (CO) ₁₂ .
• Ferrocène (Fe(C ₅ H ₅ ) ₂ ), a ( composé sandwich ) du groupe des métallocènes .
• Le bleu de Prusse (Fe ₄ [Fe(CN) ₆ ] _{3 ) est un} pigment inorganique bleu foncé résistant à la lumière. Il est fabriqué à partir d'une solution de sel de fer (III) et de sel de lessive de sang jaune et est utilisé comme peinture et pour l'impression de papier peint et comme antidote en cas d'empoisonnement au césium ou au thallium radioactif . En raison de son grain fin et de la capacité de glacis qui en résulte , ainsi que de sa grande force de couleur , il est encore utilisé aujourd'hui pour l' aquarelle , l' huile etCouleurs d'impression utilisées. ^[140]

Littérature

• Wilhelm Baer : Le fer : son histoire, son extraction et son traitement. Manuel pour les fondeurs de fer, les constructeurs de machines, les commerçants, les fabricants et les constructeurs . Leipzig 1862 (copie numérique)
• Ludwig Beck : L'histoire du fer en relation technique et historico-culturelle. Volume 1-5, Vieweg, Brunswick 1884-1903.
  • Numérisé : partie 1 partie 2 partie 3 partie 4
• Harry H. Binder : Lexique des éléments chimiques - le tableau périodique en faits, chiffres et dates. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3 .
• Vagn Fabritius Buchwald : Le fer et l'acier dans l'Antiquité. Kong. Danske Videnskab. Selskab, Copenhague 2005, ISBN 87-7304-308-7 .
• A.F. Holleman , E. Wiberg , N. Wiberg : Manuel de chimie inorganique . 102e édition. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1 , pp. 1636–1666.
• Otto Johannsen (au nom de l'Association des forges allemandes) : Histoire du fer. 3e édition. Verlag Stahleisen, Düsseldorf, 1953.
• Otto Johannsen : Histoire du fer. Düsseldorf 1925 (copie numérique)
• Hans Schoppa : Ce que l'opérateur de haut-fourneau doit savoir sur son travail . Verlag Stahleisen, Düsseldorf 1992, ISBN 3-514-00443-9 .
• Association des forgerons allemands : Description générale des forges. 17e édition. Stahleisen, Düsseldorf 1970/71.

liens web

• Littérature par et sur le fer dans le catalogue de la Bibliothèque nationale allemande
• Atlas minéral : Fer dans l' atlas minéral
• Atlas minéral : portrait minéral/fer dans l' atlas minéral
• Production de fer à l'époque romaine sur die-roemer-online.de
• L'exploitation du fer à l'époque préhistorique sur le site du musée du paysage d'Obermain

les détails