Fer.

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Le fer

Le fer (symbole : Fe) est un métal de transition. C'est le quatrième élément chimique le plus abondant dans la croûte terrestre et sans contredit le plus important des métaux, soit par son abondance, dans la nature, soit par les usages qu'on en fait.

Le fer est utilisé depuis des milliers d'années pour fabriquer des outils et des armes, et il est encore utilisé aujourd'hui dans de nombreux domaines, dans la production de matériaux tels que l'acier et la fonte, dans la construction, l'automobile, l'électronique, la médecine et l'industrie alimentaire. Il est également un élément essentiel pour les organismes vivants, jouant un rôle clé dans la production de l'hémoglobine et dans le transport de l'oxygène dans le sang.

Numéro atomique
Masse atomique (uma)
Point d'ébullition (°C)^*
Point de fusion (°C)
Masse volumique (g/cm³)
Structure électronique^*
^{Degrés
d'oxydation}

26
55,847
³⁰⁰⁰
1536
7,86
(Ar)3d⁶4s²
2, 3

Pur, le fer apparaît comme un métal argenté, malléable et ductile, qui se corrode rapidement lorsqu'il est exposé à l'air et à l'eau.

On le rencontre à l'état natif, surtout à l'état de magnétite, de limonite, de sidérite et de pyrite.
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Extraction du minerais de fer dans l'Illinois.

Vieilles installations d'extraction du minerai de fer dans l'Illinois (Etats-Unis).

Les minerais de fer.
Le fer est rare à l'état natif ou pur. A part quelques gros blocs trouvés dans les basaltes du Groenland où le fer est mêlé à du carbone, le fer natif ne se rencontre que dans les météorites ou pierres tombées du ciel.

La Magnétite (Fe3O4) constitue l'aimant naturel, capable d'agir sur la boussole et d'attirer à ses pôles la limaille de fer. Elle est, parfois en cristaux, plus souvent en masses compactes noires. Très répandue au milieu des roches basiques, dans les basaltes par exemple, elle forme en certains lieux, comme en Norvège, de véritables montagnes.

La Limonite (H6Fe4O9), appelée aussi hématite brune, est un oxyde hydraté de fer. C'est le minerai de fer le plus répandu. Elle ne cristallise point, cependant elle peut emprunter les formes de la pyrite, des sulfates de fer et de chaux; elle peut être en stalactites ou en rognons. Avec l'argile, elle constitue l'ocre jaune. On la trouve dans les terrains sédimentaires en concrétions brunes ou jaunâtres.

La Sidérite ou Sidérose (FeCO3) est un carbonate de fer qui cristallise comme la calcite dans le système rhomboédrique. La sidérite est tantôt en lamelles cristallines, transparentes et incolores, mais brunissant à l'air tantôt en oolites rougeâtres, tantôt en masses compactes, terreuses et jaunâtres. La sidérite est très riche en fer, très facile à fondre, et elle donne directement de l'acier. On la rencontre dans les terrains cristallins et dans les sédiments; dans l'Isère et les Pyrénées-Atlantiques, elle est en filons.

La Pyrite (FeS₂) est un sulfure de fer qui a l'aspect jaune clair du laiton. Cristallisée dans le système cubique, elle prend de nombreuses formes. Elle est moins recherchée pour le fer que pour le soufre qu'elle contient. Elle est très abondante dans les filons, dans les roches éruptives et même dans les roches sédimentaires.

Les minerais de fer, traités par la méthode des hauts fourneaux, fournissent le fer que l'industrie recherche. Le fer est employé en trois états : à l'état de fer, il est à peu près pur; à l'état d'acier, il contient une petite quantité de carbone; à l'état de fonte, il contient une assez grande quantité de carbone.
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Les formations ferrifères rubanées

Le fer rubané est une roche sédimentaire qui se caractérise par une alternance visible de fines couches riches en minéraux de fer, comme l'hématite ou la magnétite, et de couches plus claires composées de silice, souvent sous forme de chert ou de jaspe. Ces formations rocheuses constituent aujourd'hui la quasi-totalité des grandes réserves mondiales de minerai de fer. D'un point de vue géologique, elles sont remarquablement anciennes, s'étant presque toutes formées durant le Précambrien, principalement entre 3,8 et 1,8 milliard d'années, avec une brève résurgence il y a environ 700 millions d'années lors des grands épisodes glaciaires dits de la Terre boule de neige.

Pour comprendre l'origine de ces roches uniques, il faut se plonger dans les conditions extrêmes de la Terre primitive. À l'Archéen, l'atmosphère et les océans étaient presque totalement dépourvus d'oxygène libre. Dans cet environnement anoxique, le fer, principalement issu de l'activité volcanique sous-marine et des sources hydrothermales, se dissolvait abondamment dans les océans sous sa forme réduite et soluble, l'ion ferreux. Les mers de cette époque étaient donc de véritables réservoirs géants d'eau chargée en fer dissous, une situation impossible dans nos océans modernes oxygénés.

Le tournant décisif dans la formation du fer rubané coïncide avec l'émergence de la vie, et plus particulièrement avec l'apparition des cyanobactéries. Ces micro-organismes marins ont développé la photosynthèse oxygénique, un processus biologique révolutionnaire qui utilise l'énergie solaire, l'eau et le dioxyde de carbone pour produire de la matière organique tout en rejetant un déchet qui était alors hautement toxique pour la majorité des formes de vie de l'époque : le dioxygène.

Dès que les cyanobactéries ont commencé à libérer de l'oxygène dans les océans, une réaction chimique immédiate s'est produite. Le dioxygène s'est lié au fer dissous pour l'oxyder en fer ferrique. Contrairement au fer ferreux initial, le fer ferrique est totalement insoluble dans l'eau. L'eau de mer s'est alors mise à "rouiller", précipitant ces oxydes de fer sous forme de particules solides qui se sont lentement déposées sur les fonds marins, créant les couches sombres et riches en métal de la roche. Les couches claires de silice, quant à elles, proviendraient de la précipitation du silicium dissous, peut-être liée à une diminution de la température de l'eau, à des variations de pH ou à des processus biologiques impliquant des organismes microscopiques.

L'origine exacte du motif rubané, cette alternance millimétrique ou centimétrique entre le fer et la silice, reste un sujet de débat. Plusieurs hypothèses cycliques ont été avancées pour expliquer ces strates. Il pourrait s'agir de variations saisonnières dans la prolifération des cyanobactéries, entraînant des pics de production d'oxygène suivis de périodes de latence. D'autres chercheurs suggèrent des cycles liés aux courants océaniques profonds, à des variations périodiques de l'activité hydrothermale sur les dorsales océaniques, ou encore à des cycles glaciaires et interglaciaires influençant la chimie des océans et le lessivage des roches continentales.

La disparition progressive de ces formations il y a environ 1,8 milliard d'années marque un événement capital dans l'histoire de notre planète, au début du Protérozoïque, et connu sous le nom de Grande Oxydation. À cette époque, l'immense réservoir de fer dissous dans les océans a fini par être entièrement épuisé, oxydé et précipité au fond des mers. Privé de son principal puits chimique, l'oxygène produit par la photosynthèse a commencé à s'accumuler massivement dans l'atmosphère, rendant la planète progressivement habitable pour les organismes aérobies complexes tels que nous les connaissons aujourd'hui. Les quelques formations ferrifères plus récentes observées sur Terre, datant du Néoprotérozoïque, sont d'ailleurs généralement associées à des environnements locaux où la glace a isolé des bassins océaniques anoxiques avant de fondre, libérant soudainement de l'oxygène au contact de l'eau riche en fer piégée sous la banquise.

Les principaux composés du fer.
Le fer est un métal très réactif qui peut former des liaisons avec de nombreux autres éléments. Il réagit avec l'oxygène de l'air pour former de l'oxyde de fer (rouille). Il réagit également avec des acides forts tels que l'acide sulfurique pour former du sulfate de fer. D'autre composés du fer méritent d'être mentionnés du fait de leur rôle dans diverses applications industrielles et médicales, ou parce qu'ils interviennent dans les processus de formation des roches et des minéraux.

• Les oxydes de fer se constituent en fonction du degré d'oxydation des atomes de fer qu'ils contiennent :
+ L'oxyde de fer, oxyde ferreux ou encore wustite (FeO) zqt produit en laboratoire et se présente ordinairement comme une poudre noire inflammable;
+ L'oxyde ferrique (Fe2O3), communément appelé hématite lorsqu'il est cristallisé, que l'on rencontre dans les roches et les minéraux tels que les minerais de fer, qui donne aussi sa couleur rouge à la rouille et au sol la planète Mars;
+ L'oxyde magnétique ou magnétite (Fe3O4) est le minerai de fer évoqué plus haut.
• Les sulfates de fer se divisent de la même façon :
+ Le sulfate ferreux (FeSO4) est un sel souvent utilisé comme engrais ou en médecine pour traiter les carences en fer;
+ Le sulfate ferrique (Fe2(SO4)3) est utilisé comme coagulant dans le traitement des eaux usées.
• Les chlorures de fer son distingués également en fonction des degrés d'oxydation du fer
+ Le chlorure ferreux (FeCl2) est un sel métallique paramagnétique, jaune en solution aqueuse, dans lequel le fer est au degré d'oxydation +2.
+ Le chlorure ferrique ou perchlorure de fer (FeCl3) est, comme le sulfate ferrique, utilisé comme coagulant dans le traitement des eaux usées, ainsi que dans la production de pigments et de teintures, voire de médicaments. La réaction de dissolution dans l'eau dégage une forte chaleur et produit une solution acide marron.
• Le silicate de fer est représenté par la formule FeSiO3. On le rencontre dans de nombreux minéraux, tels que l'olivine et le pyroxène, et est utilisé dans la production de verre et de céramique.
• Le carbure de fer ou cémentite (Fe3C) se forme lors de la production de fonte. Il est utilisé dans la production d'acier (alliage de fer et de carbone) et d'autres alliages de fer.