Fer (élément chimique): caractéristiques, structure chimique, utilisations

Le fer est un métal de transition situé dans le groupe VIIIB ou 8 du tableau périodique. C'est l'un des métaux qui est au courant depuis les temps les plus reculés. Les Chinois, les Egyptiens et les Romains ont travaillé avec ce métal. Son extraction facile a marqué une étape de l'histoire connue sous le nom de l'âge du fer.

Son nom dérive du mot "ferrum" en latin, d'où son symbole chimique "Foi", c'est un élément très réactif, de sorte que son éclat argenté ne se trouve généralement pas dans la nature. Dans les temps anciens, ce métal était en fait catalogué avec une valeur supérieure à celle de l'or en raison de sa prétendue rareté.

Sa forme pure a été trouvée dans les régions du Groenland et dans les roches ignées des sols de Russie. Dans l’espace sidéral, on pense que c’est un composant abondant dans les météorites qui, après avoir percuté la Terre, ont conservé du fer cristallisé dans leurs poitrines rocheuses.

Mais, plus importants que le fer pur, ce sont ses composés; en particulier ses oxydes. Ces oxydes recouvrent la surface de la terre avec une grande famille de minéraux, tels que la magnétite, la pyrite, l'hématite, la goéthite et bien d'autres. En fait, les colorations observées dans les montagnes et les déserts martiens sont dues en grande partie à l'hématite.

Les objets de fer peuvent être trouvés dans les villes ou les champs. Ceux qui n'ont pas de film protecteur deviennent rougeâtres car ils se corrodent sous l'effet de l'humidité et de l'oxygène. D'autres, comme la lanterne de l'image principale, restent gris ou noirs.

On estime qu'il existe une concentration massive de ce métal dans le noyau terrestre. A tel point que, à l'état liquide, produit de températures élevées, il peut être responsable du champ magnétique de la Terre.

D'autre part, le fer complète non seulement l'enveloppe de notre planète, mais il fait également partie des nutriments nécessaires aux êtres vivants. Par exemple, il est nécessaire de transporter l'oxygène aux tissus.

Caractéristiques du fer

Le fer pur a ses propres caractéristiques qui le différencient de ses minéraux. C'est un métal brillant et grisâtre, qui réagit avec l'oxygène et l'humidité de l'air pour se transformer en son oxyde correspondant. S'il n'y avait pas d'oxygène dans l'atmosphère, tous les ornements et les structures en fer resteraient intacts et exempts de rouille rouge.

Il a une résistance mécanique et une dureté élevées, mais il est en même temps malléable et ductile. Cela permet aux forgerons de forger des pièces de formes et de conceptions variées en soumettant les masses de fer à des températures extrêmes. C'est également un bon conducteur de chaleur et d'électricité.

En outre, l’une de ses caractéristiques les plus précieuses est son interaction avec les aimants et sa capacité à magnétiser. Le grand public a reçu de nombreuses démonstrations de l’effet des aimants sur le mouvement des copeaux de fer, ainsi que du champ magnétique et des pôles d’un aimant.

Points de fusion et d'ébullition

Le fer fond à une température de 1535ºC et bout à 2750ºC. Ce métal est obtenu sous sa forme liquide et incandescente. De plus, ses chaleurs de fusion et d’évaporation sont de 13, 8 et 349, 6 kJ / mol.

La densité

Sa densité est de 7, 86 g / cm3. Cela signifie que 1 ml de ce métal pèse 7, 86 grammes.

Isotopes

Dans le tableau périodique, en particulier dans le groupe 8 de la période 4, on trouve du fer, avec une masse atomique d’environ 56 u (26 protons, 26 électrons et 30 neutrons). Cependant, il existe dans la nature trois autres isotopes stables du fer, c’est-à-dire qu’ils ont le même nombre de protons mais des masses atomiques différentes.

Le 56Fe est le plus abondant de tous (91, 6%), suivi du 54Fe (5, 9%), du 57Fe (2, 2%) et enfin du 58Fe (0, 33%). Ce sont ces quatre isotopes qui composent tout le fer contenu dans la planète Terre. Dans d'autres conditions (extraterrestres), ces pourcentages peuvent varier, mais 56Fe peut rester le plus abondant.

Les autres isotopes, dont les masses atomiques oscillent entre 46 et 69u, sont très instables et ont des durées de demi-vie inférieures aux quatre que nous venons de mentionner.

Toxicité

Avant tout, il s’agit d’un métal non toxique. Sinon, des traitements spéciaux (chimiques et physiques) seraient nécessaires, et des objets et des bâtiments incommensurables représenteraient un risque latent pour l'environnement et la vie.

Propriétés chimiques

La configuration électronique du fer est [Ar] 3d64s2, ce qui signifie qu'il fournit deux électrons de son orbitale 4s et six de ses orbitales 3d pour la formation de ses liaisons métalliques au sein du cristal. C'est cette structure cristalline qui explique certaines propriétés telles que le ferromagnétisme.

De plus, la configuration électronique prédit superficiellement la stabilité de ses cations. Lorsque le fer perd deux de ses électrons, Fe2 +, il reste avec la configuration [Ar] 3d6 (en supposant que l’orbite 4s est l’origine de ces électrons). Alors que s'il perd trois électrons, Fe3 +, sa configuration est [Ar] 3d5.

Expérimentalement, il a été démontré que de nombreux ions avec une configuration de valence nd5 sont d'une grande stabilité. Par conséquent, le fer a tendance à s'oxyder contre des espèces acceptant les électrons pour devenir le cation ferrique Fe3 +; et dans un environnement moins oxydant, dans le cation ferreux Fe2 +.

Ensuite, dans un milieu avec une faible présence d'oxygène, les composés ferreux devraient prédominer. Le pH influe également sur l'état d'oxydation du fer, car dans les milieux fortement acides, sa transformation en Fe3 + est favorisée.

Couleurs de ses composés

Le Fe2 + en solution est verdâtre et le Fe3 + en violet doux. De même, les composés du fer peuvent avoir des couleurs vertes ou rouges en fonction du cation présent et des ions ou molécules qui les entourent.

Les nuances de vert changent en fonction de l'environnement électronique de Fe2 +. Ainsi, FeO, oxyde ferreux, est un solide vert très foncé; tandis que FeSO 4, sulfate ferreux, présente des cristaux vert clair. D'autres composés Fe2 + peuvent même avoir des tons bleutés, comme dans le cas du bleu de Prusse.

Il se produit également avec les nuances violettes de Fe3 + dans ses composés, qui peuvent devenir rougeâtres. Par exemple, l'hématite, Fe 2 O 3, est l'oxyde responsable de nombreuses pièces de fer d'apparence rougeâtre.

Un nombre considérable de composés de fer sont cependant incolores. Le chlorure ferrique, FeCl 3, est incolore, car Fe3 + ne se trouve pas vraiment sous forme ionique mais forme des liaisons covalentes (Fe-Cl).

D'autres composés sont en fait des mélanges complexes de cations Fe2 + et Fe3 +. Leurs couleurs seront toujours sujettes aux interactions des ions ou des molécules avec le fer, bien qu’une grande majorité ait tendance à être bleuâtre, violet, rougeâtre (même jaune) ou vert foncé.

États d'oxydation

Comme expliqué, le fer peut avoir un état d'oxydation ou une valence de +2 ou +3. Cependant, il est également possible qu'il participe à certains composés avec une valence de 0; c'est-à-dire qu'il ne subit aucune perte d'électrons.

Dans ce type de composés, le fer participe à sa forme brute. Par exemple, Fe (CO) 5, fer pentacarbonyle, consiste en une huile obtenue en chauffant du fer poreux avec du monoxyde de carbone. Les molécules de CO sont logées dans les vides du liquide, le Fe étant coordonné avec cinq d'entre elles (Fe-C = O).

Agents oxydants et réducteurs

Lequel des cations Fe2 + ou Fe3 + se comporte comme un agent oxydant ou réducteur? Fe2 + en milieu acide ou en présence d'oxygène, perd un électron pour devenir Fe3 +; c'est donc un agent réducteur:

Fe2 + => Fe3 + + e-

Et Fe3 + se comporte comme un agent oxydant dans un milieu basique:

Fe3 + + e- => Fe2 +

Ou:

Fe3 + + 3e- => Foi

Structure chimique

Le fer forme des solides polymorphes, c'est-à-dire que ses atomes de métal peuvent adopter différentes structures cristallines. À la température ambiante, ses atomes cristallisent dans l'unité unitaire bcc: cubique centré dans le corps ( Body Centered Cubic ). Cette phase solide est connue sous le nom de ferrite, Fe α.

Cette structure cci peut être due au fait que le fer est un métal de configuration d6, avec une vacance électronique de quatre électrons.

Lorsque la température augmente, les atomes de Fe vibrent sous l'effet de la chaleur et adoptent, après 906 ° C, une structure compacte cubique: cubique : cubique le plus proche . C'est le Fe γ qui revient dans la phase Fe α à une température de 1401ºC. Après cette température, le fer fond à 1535ºC.

Et que dire de l'augmentation de la pression? Lorsque cela augmente, il oblige les atomes de cristal à se "comprimer" pour former une structure plus dense: Fe β. Ce polymorphe a une structure compacte hexagonale hcp ( Hexagonal Closed Pack ).

Usages / applications

Structurelle

Le fer seul a peu d'applications. Cependant, lorsqu'il est revêtu d'un autre métal (ou alliage, tel que l'étain), il est protégé de la corrosion. Ainsi, le fer est un matériau de construction présent dans les bâtiments, ponts, portails, statues, automobiles, machines, transformateurs, etc.

Lorsque de petites quantités de carbone et d'autres métaux sont ajoutés, leurs propriétés mécaniques sont renforcées. Ces types d'alliages sont connus sous le nom d'aciers. Les aciers construisent presque toutes les industries et leurs matériaux.

D'autre part, du fer mélangé à d'autres métaux (certaines terres rares) a été utilisé pour la fabrication d'aimants utilisés dans les équipements électroniques.

Biologique

Le fer joue un rôle essentiel dans la vie. Dans notre corps, il fait partie de certaines protéines, y compris l'enzyme hémoglobine.

Sans l'hémoglobine, transporteur d'oxygène grâce à son centre métallique en Fe3 +, l'oxygène ne pourrait pas être transporté dans différentes régions du corps, car il est très insoluble dans l'eau.

L'hémoglobine circule dans le sang jusqu'aux cellules musculaires, où le pH est acide et les concentrations plus élevées de CO 2 abondent. Ici, le processus inverse se produit, c'est-à-dire que de l'oxygène est libéré en raison des conditions et de sa faible concentration dans ces cellules. Cette enzyme peut transporter un total de quatre molécules d'O 2 .

Comment l'obtenez-vous?

En raison de sa réactivité, il se trouve dans la croûte terrestre et forme des oxydes, des sulfures et d'autres minéraux. Par conséquent, certains d'entre eux peuvent être utilisés comme matière première; tout dépendra des coûts et des difficultés pour réduire le fer dans son environnement chimique.

Industriellement, la réduction des oxydes de fer est plus réalisable que celle de ses sulfures. L'hématite et la magnétite, Fe 3 O 4, sont les principales sources de ce métal, qui réagissent avec le carbone (sous forme de coke).

Le fer obtenu par cette méthode est liquide et incandescent et il est vidé en lingots de lingots (comme une cascade de lave). De plus, de grandes quantités de gaz peuvent être formées, ce qui peut être nocif pour l'environnement. Par conséquent, l'obtention de fer implique la prise en compte de nombreux facteurs.

Réactions à l'intérieur des fours

Sans nommer les détails de leur extraction et de leur transport, ces oxydes sont transférés, ainsi que le coke et le calcaire (CaCO 3 ), dans des hauts fourneaux. Les oxydes extraits contiennent toutes sortes d’impuretés qui réagissent avec le CaO libéré par la décomposition thermique du CaCO 3 .

Une fois que le lot de matières premières a été chargé dans le four, un courant d’air à 2000 ° C passe dans sa partie inférieure, ce qui brûle le coke en monoxyde de carbone:

2C (s) + O 2 (g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Ce CO monte au sommet du four où il rencontre l'hématite et le réduit:

3Fe 2 O 3 (s) + CO (g) => 2Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) (200ºC)

Dans la magnétite, il y a des ions Fe2 +, produits de la réduction de Fe3 + avec CO. Ensuite, ce produit continue à être réduit avec plus de CO:

Fe 3 O 4 (s) + CO (g) => 3 FeO (s) + CO 2 (g) (700ºC)

Enfin, le FeO finit par être réduit en fer métallique, qui fond en raison des températures élevées du four:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO 2 (g)

Foi (s) => Foi (l)

Dans le même temps, le CaO réagit avec les silicates et les impuretés pour former ce que l’on appelle le laitier liquide. Ce laitier est moins dense que le fer liquide, c'est pourquoi il flotte au-dessus et les deux phases peuvent se séparer.