Lorsque vous réfléchissez aux origines du fer, votre esprit s'égare probablement dans des visions d'aciéries, de forge médiévale ou de tout autre processus de production caractérisé par un travail dur et pratique et des températures très élevées. Mais 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. Cela ne s'applique pas aux matériaux les plus familiers ; 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 industriels 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. Réaliser une étude sur la fabrication du fer nécessite donc deux processus parallèles : explorer comment le fer a été fabriqué 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. Le nom est dérivé 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 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). Chaque fois que vous voyez le mot « ferreux » ou « ferreux » dans un contexte chimique, vous devez immédiatement reconnaître qu'il s'agit de fer ; « ironique », bien que ce soit un mot magnifique 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 métal non seulement pour les usages quotidiens, mais également pour les éléments périodiques (voir Ressources pour un exemple interactif). Cela n’est probablement pas surprenant, mais en fait, les métaux surpassent largement les non-métaux ; Sur les 113 éléments que les humains ont découverts ou créés en laboratoire, 88 sont classés comme métaux.
Comme vous le savez peut-être 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. La masse atomique, qui lorsqu'elle est arrondie est simplement la somme des protons et des neutrons, est juste inférieure à 56 grammes par mole, ce qui signifie que la 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 ; celle de l'eau est définie par convention à 1,0 g/cm3.) Le fer est un solide à 20 degrés Celsius, généralement considéré comme « température ambiante » à des fins chimiques. Le point de fusion est extrêmement élevé de 1 538 °C (2 800 °F), tandis que le 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 lorsqu’il s’agit de travail des métaux, les fours utilisés doivent être extrêmement puissants.
Le fer est, en masse, le quatrième élément le plus abondant dans la croûte terrestre. La part totale du fer sur Terre pourrait toutefois être bien plus importante, étant donné 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 une ou plusieurs 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 aujourd’hui, 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 environ 2 pour cent de la masse du métal ; 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, à son tour, peut être forgé stratégiquement 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 et 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 la vaisselle. Il y a de fortes chances que si vous voyez clairement votre reflet sur une surface métallique propre, vous ayez affaire à une sorte d'acier inoxydable.
Lorsque des quantités sensibles 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 sont donc bien adaptés pour être inclus dans les ponts, les instruments de coupe et les composants de réseaux électriques.
Un type de fonte non sidérurgique appelé fonte comprend beaucoup de carbone (au moins selon les normes de travail des métaux ferreux) : 3 à 5 pour cent. La fonte n'est pas aussi résistante que l'acier, mais elle est nettement moins chère, donc lorsque vous passez de l'acier à la fonte, vous faites 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 fabriqué, ou plus exactement extrait, à partir de minerai de fer. La « 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 pierre et d'autres grains 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. partie, sauf que dans le cas du minerai de fer, le fer n'est pas seulement entouré de matériel jetable ; il y est mélangé.
Malgré les températures terrifiantes et les difficultés physiques générales des usines sidérurgiques, les gens les utilisaient déjà à l’époque préchrétienne. Le travail du fer a atteint pour la première fois les îles britanniques au large de l’Europe continentale et de l’Asie occidentale au 5ème siècle avant JC. Ensuite, le fer a été physiquement séparé des matériaux indésirables dans la mesure du possible 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 déjà en cours vers 1 500 avant JC, mais près de 30 siècles plus tard, au XVe siècle, le haut fourneau fut inventé, modifiant radicalement et pour toujours « l'industrie » (telle qu'elle était).
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 environ 3 pour cent de carbone et d’autres adultérants – pas d’une qualité idéale, mais suffisamment bon 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 est arrivé quelque part dans l'univers au départ. 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 trébuchent alors qu’elles brûlent leur réserve d’hydrogène, certaines s’éteignent littéralement en grand.
Il s’agit d’événements statistiquement rares, qui ne se produisent que quelques fois tous les cent ans dans toute la galaxie de la Voie lactée, le vaste 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 stellaire 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, 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 la plus 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 que le fer est essentiel dans l'alimentation humaine, en vous basant uniquement sur les allégations publicitaires des fabricants de produits alimentaires (« Cette céréale contient 100 % de l'apport journalier recommandé en fer aux États-Unis ! »). Vous ne savez peut-être pas pourquoi.
Il s’avère que le corps humain typique contient environ 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 (GR). Les globules rouges transportent l'oxygène des poumons vers les tissus, où nous l'utilisons dans la respiration cellulaire.
Lorsque les personnes souffrent d’une carence en 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, les 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 se fasse généralement en complétant avec des pilules et des liquides contenant du fer.