Fer
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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 « maître ». Il existe dans plusieurs pays et correspond à...) du travail du fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou...) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) 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 continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité...) raffina le fer au moyen de bas fourneaux, qui ne produisent pas de fonte ; la technique du haut fourneau, qui, elle, produit de la fonte brute à partir de charbon de bois (Le charbon de bois est obtenu en carbonisant du bois de manière contrôlée en l'absence d'oxygène. Le procédé permet de retirer du bois, son humidité et toute...) 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 l'Europe. L'extension de l'espace considéré a...).

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 deux principaux types de réactions nucléaires appliquées. Il ne faut pas confondre la fusion...), par fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire...) du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) 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. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui constitue les plaques tectoniques).), 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 chimiques.) de fer-nickel, constituant ainsi 35 % de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...) dans son ensemble ! Le fer est peut-être, en fait, l'élément le plus abondant sur Terre ou du moins comparable (en juste 2e position) en masse à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), 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 gravité et qui se jette dans une autre rivière ou dans un fleuve, contrairement au fleuve qui se jette, lui,...) est due à l'ion (Un ion est une espèce chimique électriquement chargée. Le terme vient de l'anglais, à partir de l'adjectif grec ἰόν (ion), se...) 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 hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur...) des minerais d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de fer, tels que l'hématite (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 surface d'astres de type tellurique (planète tellurique, satellites comme...) grecque particulièrement riche en ce minéral.

Environ 1 météorite (Une météorite est un corps matériel provenant de l’espace extra-atmosphérique de taille comparativement petite qui atteint la surface de...) 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) terrestre.

La couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.) 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 à la surface sur laquelle elle s'applique.) et de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...).

C'est un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons...) 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 quantifier la possibilité qu'a un corps d'absorber ou restituer de l'énergie par échange...) 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 diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) s'alignent sous l'influence d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité...) extérieur et conservent leur nouvelle orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) 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 de chaleur où celle-ci est advectée (transportée-conduite, mais ces termes sont en fait impropres) par au moins un fluide. Ainsi durant la cuisson des pâtes, l'eau se met en mouvement spontanément :...) 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 facilement déformable mais difficilement compressible.) 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 – composé essentiellement de fer et de nickel en fusion conducteurs – qui se comporte comme une...).

S'il est exposé à l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les cabines des...) libre ou mis dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) 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 pour l'eau.) 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 afin de mesurer la dureté des minéraux. Elle est basée sur dix minéraux facilement disponibles.).

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 composés chimiques liés utilisant l'électricité.), à coté d’un cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de...) 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 (linge, pain, produit chimique, etc.).), 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 pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) 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. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse...), 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 pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...) 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 plasma est la substance fondamentale et est...), qui permet aux globules rouges de transporter le dioxygène (Le dioxygène est une molécule composée de deux atomes d'oxygène, notée O2, qui est à l'état de gaz aux conditions normales de pression et de...), contient du fer.

Propriétés nucléaires

Le noyau de fer 56 possède la masse par nucléon (Le terme nucléon désigne de façon générique les composants du noyau atomique, i.e. les protons et les neutrons qui sont tous deux des baryons. Le nombre de...) 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 chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de liaison la plus élevée, en raison d'une proportion de protons un peu plus élevée que le nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) 62 qui, lui, a l'énergie de liaison la plus élevée par nucléon.

Le fer 56 résulte de la désintégration naturelle du nickel 56, isotope (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique nucléaire, deux atomes sont dits isotopes s'ils ont le même nombre de protons. Le nombre de protons dans le noyau d'un atome est...) instable produit au cœur d'étoiles massives par fusion du silicium 28 au cours de réactions alpha en cascade qui s'arrêtent au nickel précisément parce que ce dernier possède l'énergie de liaison nucléaire (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 chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.) 60, consommerait de l'énergie au lieu d'en libérer.

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