Fer - Définition et Explications

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Histoire de la métallurgie du fer

Le fer était connu dès le chalcolithique à travers les météorites ferreuses, et sa métallurgie demeura très confidentielle jusqu'au XIIe siècle av. J.-C., époque qui marque, précisément, le début de « l'Âge du fer » : les Hittites, en Anatolie, avaient développé une assez bonne maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) du travail du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du XVe siècle av. J.-C., dont leur tradition attribuait l'origine dans la région du Caucase, et cette technique semble également avoir été connue assez tôt en Inde du nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.), notamment dans l'Uttar Pradesh. Jusqu'au Moyen Âge, l'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un...) raffina le fer au moyen de bas fourneaux, qui ne produisent pas de fonte ; la technique du haut fourneau (Un haut fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la...), qui, elle, produit de la fonte brute à partir de charbon de bois (Le charbon de bois est obtenu en carbonisant du bois en atmosphère contrôlée (en...) et de minerai de fer, a été mise au point (Graphie) en Chine au milieu du Ve siècle av. J.-C. et a donc mis plus d'un millier d'années à diffuser jusqu'en Occident (L'Occident, ou monde occidental, est une zone géographique qui désignait initialement...).

Occurrence et gisements

Le fer est le 6e élément le plus abondant dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.), il est formé comme « élément final » de fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...), par fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) dans les étoiles massives. Tandis qu'il compose environ 5 % (en masse) de la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre....), le noyau terrestre est censé être en grande partie un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) de fer-nickel, constituant ainsi 35 % de la masse de la Terre (La masse de la Terre (M) est estimée à 5,9736×1024 kg. Elle est obtenue à...) dans son ensemble ! Le fer est peut-être, en fait, l'élément le plus abondant sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) ou du moins comparable (en juste 2e position) en masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...), mais seulement le 4e le plus abondant dans la croûte terrestre.

La coloration orangée rougeâtre de cette rivière (En hydrographie, une rivière est un cours d'eau qui s'écoule sous l'effet de la...) est due à l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais,...) ferrique, Fer(III) ou Fe3+, dans les roches.

La majeure partie du fer dans la croûte est combinée avec l'oxygène, formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) des minerais d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) de fer, tels que l'hématite (L’hématite, est une espèce minérale composée d’oxyde de fer(III)...) (FeO), la magnétite (FeO) et la limonite (FeO.nHO).
L'oxyde magnétique ou magnétite FeO est connu depuis l'Antiquité grecque. Il tire son nom du mont Magnetos (le grand mont), une montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la...) grecque particulièrement riche en ce minéral.

Environ 1 météorite (Une météorite est un corps matériel provenant de l’espace...) sur 20 comprennent de la taenite unique alliage de minéral de fer-nickel (fer 35-80 %) et la kamacite (fer 90-95 %). Bien que rares, les météorites de fer sont la forme principale de fer natif (métallique) sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) terrestre.

La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes...) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) de la surface de Mars est due à un régolithe riche en oxyde de fer. la « planète rouge » est en quelque sorte une « planète rouillée ».

Propriétés

Propriétés physiques

Phases solides du fer en fonction de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) et de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...).

C'est un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) qui, en fonction de la température, se présente sous plusieurs formes allotropiques :

  • Dans les conditions normales de pression et de température, c'est un solide cristallin de structure cubique centré (fer α ou ferrite).
  • À partir de 912 °C, il devient cubique à faces centrées (fer γ ou austénite).
  • Au-delà de 1 394 °C, il redevient cubique centré (fer δ).
  • Il fond à 1 535 °C.
  • La transformation en fer ε (structure hexagonale compacte)[réf. souhaitée] ne se rencontre qu'à des pressions supérieures à 110 kilobars.

Sa capacité calorifique (La capacité thermique (ou capacité calorifique) d'un corps est une grandeur permettant de...) est de 0,5 kJ/kg/°C.

Le fer est ferromagnétique : les moments magnétiques des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) s'alignent sous l'influence d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) extérieur et conservent leur nouvelle orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) après la disparition de ce champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:).

Des courants de convection (La convection est un mode de transfert d'énergie qui implique un déplacement de...) dans la couche externe (  Ne pas confondre couche de valence et valence) du noyau terrestre (noyau externe), de « l'alliage » liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) principalement fer-nickel, sont supposés être à l'origine du champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe –...).

S'il est exposé à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) libre ou mis dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) salée, il rouille et s'il n'est pas entretenu, il va progressivement se dégrader jusqu'à ce que plus rien ne reste de son état solide naturel.

Il a une dureté (Il existe différentes définitions de la dureté : pour un solide (minéral ou métal) et...) entre 4 et 5 sur l'échelle de mohs (L'échelle de dureté de Mohs fut inventée en 1812 par le minéralogiste allemand Friedrich Mohs...).

Propriétés chimiques

Fragments purs (à plus de 99,97 %) de fer, raffinés par électrolyse (Dans l'industrie chimique, l'électrolyse est une méthode de séparation d'éléments ou de...), à coté d’un cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées....) d’1 cm³ de fer de haute pureté (99,9999 %), pour comparaison. Attention : la comparaison est faussée du fait du polissage du cube seul.

Le fer,combiné à l'oxygène, forme trois oxydes : FeO (oxyde ferreux), FeO (oxyde ferrique),FeO (oxyde magnétique).

A l'air libre en présence d'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance...), il se corrode en formant de la rouille FeO ,n(HO). La rouille étant un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) poreux, la réaction d'oxydation peut se propager jusqu'au cœur du métal, contrairement, par exemple, à l'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....), qui forme une couche fine d'oxyde imperméable.

En solution, il présente deux valences principales :

  • Fe2+ (le fer ferreux) qui présente une faible couleur verte ;
  • Fe3+ (le fer ferrique) qui possède une couleur rouille caractéristique. Fe3+ peut être réduit par du cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) métallique, par exemple, réaction à l'origine du procédé de gravure des circuits imprimés par le trichlorure de fer, FeCl3.

L'hémoglobine du sang (Le sang est un tissu conjonctif liquide formé de populations cellulaires libres, dont le...), qui permet aux globules rouges de transporter le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2,...), contient du fer.

Propriétés nucléaires

Le noyau de fer 56 (Le fer 56, noté 56Fe, est l'isotope du fer dont le nombre de masse est égal à...) possède la masse par nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons...) la plus faible de tous les nucléides mais pas l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de liaison la plus élevée, en raison d'une proportion de protons un peu plus élevée que le nickel 62 (Le nickel 62, noté 62Ni, est l'isotope du nickel dont le nombre de masse est égal à...) qui, lui, a l'énergie de liaison la plus élevée par nucléon.

Le fer 56 résulte de la désintégration naturelle du nickel 56 (Le nickel 56, noté 56Ni, est l'isotope du nickel dont le nombre de masse est égal à...), isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) instable produit au cœur d'étoiles massives par fusion du silicium 28 au cours de réactions alpha en cascade qui s'arrêtent au nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) précisément parce que ce dernier possède l'énergie de liaison nucléaire (La liaison nucléaire est le phénomène qui assure la cohésion d'un noyau atomique.) par nucléon la plus élevée : poursuivre la fusion, pour produire par exemple du zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément...) 60, consommerait de l'énergie au lieu d'en libérer.

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