Fer

Le fer a donné son nom à une époque entière de l’histoire humaine, l’âge du fer. Il représente aujourd’hui environ 95 % de la masse de tous les métaux produits dans le monde, sous forme d’acier et de fonte. Il est aussi au cœur de la vie : c’est lui qui transporte l’oxygène dans notre sang.

Fiche d’identité

Propriétés

Le fer pur est un métal gris argenté, assez mou et malléable, de masse volumique 7,87 g/cm³. Il est ferromagnétique : il s’aimante fortement en présence d’un champ magnétique, propriété qu’il perd au-dessus de 770 °C, son point de Curie (voir magnétisme).

Il existe sous plusieurs structures cristallines selon la température, ce qui permet de modifier les propriétés de l’acier par des traitements thermiques comme la trempe.

En présence d’eau et d’oxygène, le fer s’oxyde en rouille, un oxyde-hydroxyde de fer poreux et friable qui ne protège pas le métal : la corrosion progresse jusqu’à le détruire (voir oxydoréduction). Ses deux ions principaux sont Fe²⁺ (ferreux) et Fe³⁺ (ferrique).

Isotopes

Le fer 56 a l’un des noyaux les plus stables qui soient. Dans les étoiles massives, la fusion nucléaire s’arrête au fer : fusionner des noyaux plus lourds consomme de l’énergie au lieu d’en produire. L’accumulation de fer au cœur de l’étoile déclenche son effondrement en supernova (voir cycle de vie des étoiles).

Où le trouve-t-on ?

Le noyau terrestre est composé surtout de fer, allié à du nickel ; ses mouvements dans la partie liquide engendrent le champ magnétique de la Terre (voir structure de la Terre). Dans la croûte, les principaux minerais sont l'hématite (Fe₂O₃) et la magnétite (Fe₃O₄), concentrées dans d’immenses formations de fer rubané apparues il y a 2 à 3 milliards d’années, quand l’oxygène des premiers organismes photosynthétiques a fait précipiter le fer dissous des océans. Les météorites métalliques sont faites de fer et de nickel. La couleur rouge de Mars est due aux oxydes de fer de sa surface.

Production

L'Australie et le Brésil sont les premiers producteurs de minerai de fer, la Chine le premier consommateur et producteur d’acier, avec plus de la moitié des quelque 1,9 milliard de tonnes produites chaque année dans le monde.

1. Dans le haut fourneau, le minerai est réduit par le monoxyde de carbone issu du coke vers 1 500 °C. On obtient la fonte, contenant environ 4 % de carbone.
2. Dans le convertisseur à oxygène, on brûle l’excès de carbone pour obtenir l'acier, qui en contient en général moins de 2 %.
3. La filière électrique refond des ferrailles dans des fours à arc.

La sidérurgie, surtout par ses hauts fourneaux, émet environ 7 à 9 % du CO₂ d’origine humaine. La réduction directe du minerai par l’hydrogène est développée pour décarboner la sidérurgie.

Usages

L’acier est le matériau le plus recyclé au monde : il se sépare facilement des déchets par aimant.

Rôle biologique

Le corps adulte contient environ 3 à 4 g de fer, dont les deux tiers dans l'hémoglobine des globules rouges, qui fixe l’oxygène dans les poumons et le libère dans les tissus (voir circulation sanguine). Il entre aussi dans la myoglobine des muscles et dans des enzymes de la respiration cellulaire.

La carence en fer est la carence nutritionnelle la plus répandue au monde ; elle provoque une anémie, avec fatigue et essoufflement, et touche surtout les enfants, les femmes enceintes et les femmes ayant des règles abondantes. Le fer des viandes et poissons (fer héminique) est mieux absorbé que celui des végétaux ; la vitamine C favorise l’absorption de ce dernier.

À l’inverse, l'hémochromatose, maladie génétique fréquente en France, entraîne une accumulation toxique de fer dans le foie, le cœur et le pancréas. L’ingestion de comprimés de fer par un enfant est une intoxication grave : appeler le 15 ou le 112.

Histoire du nom

Les premiers objets en fer, il y a plus de 5 000 ans, étaient taillés dans du fer météoritique, comme certaines perles égyptiennes et un poignard de Toutankhamon (voir Égypte antique). La réduction du minerai se développe en Anatolie et au Proche-Orient au IIᵉ millénaire av. J.-C. ; l'âge du fer commence vers 1200 av. J.-C. au Proche-Orient et plus tard en Europe. Le haut fourneau, connu en Chine dès l’Antiquité, se répand en Europe à la fin du Moyen Âge ; l’usage du coke par Abraham Darby en 1709 ouvre la voie à la révolution industrielle. Le nom vient du latin ferrum, qui donne aussi le symbole Fe.

Questions fréquentes

Quelle différence entre fer, fonte et acier ?

Ce sont des alliages fer-carbone. L’acier contient moins de 2 % de carbone : il est résistant et déformable. La fonte en contient plus : elle se moule bien mais elle est cassante.

Pourquoi le sang est-il rouge ?

L’hémoglobine contient un groupe hème dont l’atome de fer, lié à l’oxygène, absorbe la lumière bleue et verte : le sang oxygéné paraît rouge vif, le sang moins oxygéné rouge plus sombre.

Quels aliments sont riches en fer ?

Le boudin noir, le foie, les viandes rouges, les fruits de mer, puis les légumes secs, le tofu et certaines céréales. Un dosage sanguin est nécessaire avant toute supplémentation.