Lorsque vous réfléchissez aux origines du fer, votre esprit s'égare probablement dans des visions d'aciéries, de forges médiévales ou de tout autre processus de fabrication caractérisé par un travail manuel dur et des températures très élevées. Cependant, en plus d'être un type de métal utilisé de diverses manières dans l'industrie humaine, le fer est également un élément, et non un composé ou un alliage, ce qui signifie qu'il est possible d'isoler un seul atome de fer. Ceci ne s'applique pas à la plupart des matériaux connus ; par exemple, la plus petite quantité d’eau que l’on peut encore appeler eau comprend trois atomes, l’un d’oxygène et les deux autres d’hydrogène.
Il est intéressant de noter que même si les gens associent le fer à des températures inhabituellement élevées dans les environnements de production ici sur Terre, le fer en tant qu'élément doit son existence à des événements si chauds et si lointains que les chiffres impliqués n'ont guère de sens. Étudier comment le fer est fabriqué nécessite donc deux processus parallèles : étudier comment le fer est apparu et comment il a atteint la Terre, et comment les humains sur Terre fabriquent et utilisent le fer pour leurs activités quotidiennes et spécialisées. Ces sujets invitent à une discussion sur l'utilisation du fer dans et par les systèmes vivants et à un aperçu général de la manière dont les différents éléments proviennent et se propagent dans le cosmos.
Une brève histoire du fer
Le fer est connu de l’humanité depuis environ 3 500 avant JC, soit il y a plus de 5 500 ans. Son nom dérive de la version anglo-saxonne, qui était « l'Irlandais ». Le symbole périodique du fer Fe vient du mot latin pour fer, qui est ferrum. Si vous parcourez une pharmacie et que vous voyez des suppléments de fer, vous remarquerez que la plupart de leurs noms contiennent quelque chose ou autre « contenant du fer » (comme le sulfate ou le gluconate). Lorsque vous voyez le mot « fer » ou « fer » dans un contexte chimique, vous devez immédiatement reconnaître qu'il s'agit de fer ; « ironique », bien qu'il s'agisse d'un mot splendide et utile, n'a pas sa place dans le monde des sciences physiques.
Faits chimiques sur le fer
Le fer (en abrégé Fe) est classé comme un métal non seulement pour des usages quotidiens, mais également dans le tableau périodique des éléments (voir Ressources pour un exemple interactif). Cela n’est probablement pas surprenant, mais en fait, les métaux sont largement plus nombreux que les non-métaux dans la nature ; sur les 113 éléments que les humains ont découverts ou créés en laboratoire, 88 sont classés comme métaux.
Comme vous le savez déjà, les atomes sont constitués d'un noyau contenant un mélange de protons et de neutrons de masse à peu près égale, entouré d'un « nuage » d'électrons presque sans masse. Les protons et les électrons ont une charge de même ampleur, mais la charge des protons est positive, tandis que celle des électrons est négative. Le numéro atomique du fer est 26, ce qui signifie que le fer possède 26 protons et 26 électrons dans son état électriquement neutre. Sa masse atomique, qui, une fois arrondie, est simplement la somme des protons et des neutrons, est d'un peu moins de 56 grammes par litre. Mole, ce qui signifie que sa forme chimiquement la plus stable contient (56 - 26) = 30 neutrons.
Le fer possède des propriétés physiques formidables. Sa densité est de 7,87 g/cm3, ce qui la rend presque huit fois plus dense que l'eau. (La densité est la masse par unité de volume ; l'eau est définie comme 1,0 g/cm3 par convention). Le fer est un solide à 20 degrés Celsius (68 F), ce qui est généralement considéré comme « température ambiante » à des fins chimiques. Son point de fusion est extrêmement élevé de 1 538 °C (2 800 °F), tandis que son point d'ébullition, c'est-à-dire la température à laquelle le fer liquide commence à se vaporiser et à devenir un gaz, est de 2 861 °C (5 182 °F). Il n’est pas étonnant que les fours utilisés dans le travail des métaux soient en effet exceptionnellement puissants.
Le fer est, en masse, le quatrième élément le plus riche de la croûte terrestre. Cependant, la part totale de fer sur Terre pourrait être considérablement plus importante, car on suppose que le noyau en fusion de la planète est principalement constitué de fer liquide, de nickel et de soufre. Lorsque le fer est extrait du sol lors d’une exploitation minière, il se présente sous forme de minerai, qui est du fer élémentaire mélangé à un ou plusieurs types de roches. Le type de minerai de fer le plus courant est l’hématite, mais la magnétite et la taconite sont également des sources importantes de ce métal.
Le fer rouille ou se corrode très facilement par rapport aux autres métaux. Cela crée des problèmes pour les ingénieurs, car actuellement les neuf dixièmes du métal raffiné contiennent du fer.
Utilisation du fer
La majeure partie du fer extrait pour l’usage humain est transformée sous forme d’acier. « L'acier » est un alliage, c'est-à-dire un mélange de métaux. Une forme populaire de ce produit aujourd'hui est appelée acier au carbone, ce qui est quelque peu trompeur car le carbone ne représente qu'une petite fraction de la masse de cet acier sous toutes ses formes. Dans la forme d'acier au carbone la plus riche en carbone, le carbone représente env. 2 pour cent de la masse métallique ; ce nombre peut varier jusqu'à 1/10 de 1 pour cent sans que le métal perde le titre d'« acier au carbone ».
L'acier au carbone peut à nouveau être stratégiquement frelaté avec d'autres métaux pour produire des alliages présentant certaines propriétés souhaitables. L’acier inoxydable, par exemple, est une forme d’acier au carbone qui contient une quantité importante de chrome – plus de 10 % en poids. Ce matériau est connu pour sa durabilité et sa tendance à conserver son aspect brillant pendant de longues périodes en raison de sa haute résistance à la corrosion. L'acier inoxydable occupe une place importante dans l'architecture, les roulements à billes, les instruments chirurgicaux et les services. Il y a de fortes chances que si vous pouvez voir clairement votre reflet sur une surface métallique propre, vous regardez une sorte d'acier inoxydable.
Lorsque des quantités raisonnables de métaux tels que le nickel, le vanadium, le tungstène et le manganèse sont intégrées à l'acier, cela rend une substance déjà dure encore plus dure ; ces aciers alliés conviennent donc à une utilisation dans les ponts, les instruments de coupe et les composants de réseaux électriques.
Un type de fonte non sidérurgique appelé fonte comprend une grande quantité de carbone (selon les normes pour au moins le travail des métaux ferreux) : 3 à 5 pour cent. La fonte n'est pas aussi dure que l'acier, mais elle est nettement moins chère, donc passer de l'acier à la fonte entraîne le même compromis général que lorsque vous passez d'une côte de bœuf à un hamburger maigre à 70 %.
Comment est fabriqué le fer ?
Le fer sur terre est produit ou plus exactement extrait du minerai de fer. La partie « roche » du minerai de fer contient de l'oxygène, du sable et de l'argile en quantités variables selon le type de minerai. Le travail d'une usine sidérurgique, comme on appelait les premières usines de ce type, est d'enlever autant de roches et d'autres céréales que possible tout en laissant le fer derrière soi - ce qui est en principe peu différent de décortiquer une cacahuète ou d'éplucher une orange pour obtenir le bon. sauf que le minerai de fer n'est pas seulement entouré de matériaux jetables dans le cas du minerai de fer ; il est mélangé avec cela.
Malgré les températures terrifiantes et les défis physiques généraux des usines sidérurgiques, les gens les utilisaient déjà à l’époque préchrétienne. L’exploitation du fer a atteint pour la première fois les îles britanniques via l’Europe continentale et l’Asie occidentale au 5ème siècle avant JC. À l’époque, le fer était physiquement séparé autant que possible des matières indésirables, en utilisant uniquement du charbon, de l’argile et le minerai lui-même, chauffés à des températures modestes par rapport à ce qui allait suivre. Quoi qu'il en soit, la fusion était en cours vers 1500 avant JC, mais près de 30 siècles plus tard, au XVe siècle, le haut fourneau a été inventé, changeant « l'industrie » (telle qu'elle était) radicalement et pour toujours.
Aujourd'hui, le fer est fabriqué en chauffant de l'hématite ou de la magnétite dans un haut fourneau avec une forme de carbone appelée « coke » ainsi que du carbonate de calcium (CaCO3), mieux connu sous le nom de calcaire. Cela donne un composé contenant env. 3 pour cent de carbone et autres adultérants - pas de qualité idéale, mais suffisant pour fabriquer de l'acier. Chaque année, environ 1,3 milliard de tonnes (environ 1,43 milliard de tonnes américaines, soit près de 3 000 milliards de livres) d'acier brut sont produites dans le monde.
D’où vient le fer ?
D'où « vient » le fer de votre lave-vaisselle en acier inoxydable ou de votre poêle à bois est peut-être une question beaucoup moins intéressante que de savoir comment le fer a existé pour la première fois quelque part dans l'univers. Le fer est considéré comme un élément lourd, et des éléments de ce type ne peuvent être créés que lors d’événements catastrophiques de « mort d’étoiles » appelés supernovae. Alors que la plupart des étoiles s'évanouissent lorsqu'elles brûlent leur réserve d'hydrogène, certaines étoiles s'éteignent littéralement en grand.
Il s’agit d’événements statistiquement rares, qui ne se produisent que quelques fois tous les cent ans sur toute l’étendue de la Voie lactée, l’énorme amas d’étoiles et d’autres matières en rotation lente que les humains habitent. Mais ils sont aussi très importants. Sans eux, les forces nécessaires pour faire fusionner des éléments beaucoup plus petits lors de l’impact pour créer des éléments encore plus gros tels que le fer, le cuivre, le mercure, l’or, l’iode et le plomb n’existeraient pas. Et tout le temps, une certaine fraction de ces éléments parcourt de longues distances à travers l’espace et se dépose sur Terre, parfois sous la forme d’impacts de météorites.
Comment se forment les éléments dans la nature ?
On pense que le fer représente le point de coupure approximatif en termes d'éléments qui peuvent être générés par des processus de combustion ordinaires (comme si ces processus eux-mêmes étaient vraiment « ordinaires » dans un sens quelconque) et ceux qui ne peuvent être créés que par des supernovae.
La plupart des éléments – l’oxygène, numéro atomique 8, mais probablement pas le fer, numéro atomique 26 – sont produits lorsqu’une étoile commence à épuiser ses réserves d’hydrogène. La raison pour laquelle une étoile « brûle » est qu’elle subit constamment d’innombrables réactions de fusion, l’hydrogène étant l’élément le plus léger (numéro atomique 1) entrant en collision avec d’autres atomes d’hydrogène pour former de l’hélium (numéro atomique 2). Enfin, dans la partie interne de l’étoile, les atomes d’hélium entrent en collision en groupes pour former du carbone (atome numéro 6).
Le fer dans le corps humain
Vous reconnaissez probablement le fer comme étant important dans l’alimentation humaine en vous basant uniquement sur les mandats publicitaires des fabricants de produits alimentaires (« Cette céréale contient 100 pour cent de l’apport journalier recommandé aux États-Unis pour le fer ! »). Vous ne savez peut-être pas pourquoi.
Il s’avère que le corps humain typique contient env. 4 grammes de fer élémentaire. Cela peut sembler peu, mais pourquoi votre corps a-t-il besoin de métal ? En fait, le fer est un élément essentiel de l’hémoglobine, la protéine liant l’oxygène présente dans les globules rouges (RBC). Les globules rouges transportent l'oxygène des poumons vers les tissus où il est utilisé dans la respiration cellulaire.
Lorsque les gens manquent de fer en raison d’un apport alimentaire insuffisant (le fer se trouve dans la viande, en particulier dans les abats, ainsi que dans certaines céréales) ou de maladies systémiques, leurs globules rouges ne peuvent pas faire leur travail correctement. Dans cette condition, appelée anémie, les gens deviennent essoufflés après un effort même modeste et souffrent souvent de fatigue, de maux de tête et de faiblesse générale. Dans les cas graves, une transfusion sanguine peut être nécessaire pour corriger l'anémie, bien que la correction soit généralement réalisée en complétant avec des pilules et des liquides de fer.