Le fer est un élément chimique de numéro atomique 26 et de masse atomique moyenne 55,85 g/mole. Le symbole du fer est Fe. C'est le 6ème élément le plus abondant dans la Voie Lactée (0,1% en masse) derrière l'hydrogène, l'hélium, l'oxygène, le carbone et le néon. Il est plus abondant que l'azote (en 7ème position) et le silicium (8ème position).

A l'échelle de la Terre, le fer est de loin l'élément le plus abondant en masse : plus de 25% ! Il faut dire qu'il représente les 3/4 de la masse du noyau, sous forme liquide ou solide, et qu'on le trouve également sous forme d'oxyde de fer dans le manteau. Dans la croûte, il n'est cependant qu'en quatrième position, avec un peu moins de 6%, devant le calcium mais derrière l'oxygène, le silicium et l'aluminium. Il est présent sous la forme de cristaux cubiques à faces centrées (Fer alpha) mais aussi et surtout d'oxydes de fer.

Propriétés physicochimiques

Le fer est un élément de la quatrième rangée du tableau périodique des éléments. Il a pour numéro atomique 26 : il comporte donc 26 électrons qui remplissent les sous-couches 1s, 2s et 2p, 3s et 3p, 4s et occupent partiellement la sous-couche 3d (3 doublets sur 5). C'est donc un métal de transition.

Le noyau du fer comporte 26 protons. Il existe une vingtaine d'isotopes connus du fer mais seuls quatre d'entre eux sont stables. Le plus abondant est ⁵⁶Fe avec 30 neutrons. Les isotopes ⁵⁴Fe, ⁵⁷Fe et ⁵⁸Fe sont également stables. Le fer est l'élément qui possède la masse par nucléon la plus faible de tous les éléments connus. Cela veut dire qu'il est produit lors de l'étape ultime de la nucléosynthèse stellaire. Lorsque le coeur d'une étoile a atteint 3 milliards de degré, les atomes de silicium fusionnent pour donner du fer et du nickel ⁵⁶Ni qui se désintègre à son tour en fer. Seule l'explosion des supernovae peut expliquer la dissémination du fer dans l'Univers et sa relative abondance.

La masse molaire du fer vaut 55,85 g/mol et sa masse volumique est 7,88 g/cm³. Le point de fusion du fer à la pression atmosphérique est de 1538 degrés C et son point d'ébullition 2861 degrés C.

Comme nous l'avons indiqué plus haut, le fer est un métal de transition. Comme tous les métaux de transition, il est susceptible de former des cristaux dont les atomes sont reliés par une liaison métallique. La liaison métallique confère au fer des propriétés mécaniques remarquables. Il est résistant et dur mais il est également ductile. De ce fait, il n'est pas fragile. Ce sont ces propriétés mécaniques qui en font un matériau très largement utilisé dans l'industrie.

La forme cristalline la plus répandue du fer est le fer alpha qui forme un réseau cubique à faces centrées. Il existe d'autres allotropes du fer (d'autres formes cristallines) : le fer beta, le fer gamma et le fer delta par exemple. Ces allotropes n'existent que sous certaines conditions de température et de pression et on passe de l'un à l'autre par transition de phase.

La valence du fer peut avoir les valeurs 2, 3, 4 et 6. Elle est le plus souvent égale à 2 ou 3. Les seuls ions connus sont les ions Fe²⁺ et Fe³⁺. Le nombre d'oxydation du fer peut varier entre -2 et +6. Son potentiel d'électronégativité est égale à 1,83 (un peu inférieure à celle de l'hydrogène et très inférieure à celle de l'oxygène qui vaut 3,44). Les potentiels standard d'oxydoréduction du fer sont les suivants :

• Fe²⁺/Fe : -0,44 V
• Fe³⁺/Fe²⁺ : 0,77 V

Le potentiel d'ionisation d'un atome de fer vaut 7,83 eV.

Le fer est relativement bon conducteur, cela est dû à la liaison métallique entre les atomes de fer d'un cristal, une liaison caractérisée par l'existence d'un nuage délocalisé d'électrons. Le fer alpha est ferromagnétique.

Réactions d'oxydation

Dans la nature et au contact de l'oxygène, le fer existe à l'état oxydé :

• la wustite ou oxyde de fer (II) de formule FeO,
• l'hématite ou oxyde de fer (III) de formule Fe₂O₃,
• la magnétite ou oxyde de fer (II,III) de formule Fe₃O₄.

Nota : la magnétite est ferrimagnétique.

De fait, le fer est très sensible à la corrosion et forme de la rouille. La rouille est poreuse et l'oxydation se propage à l'intérieur du métal. Les potentiels d'oxydoréduction du fer sont en effet :

Fe²⁺/Fe : E⁰ = -0,44 V

Fe³⁺/ Fe²⁺ : E⁰ = 0,77 V

Ceci explique pourquoi l'ion Fe²⁺ n'est pas stable en présence d'oxygène dissous dans l'humidité. Le couple redox dioxygène/eau est en effet caractérisé par un potentiel plus élevé :

O₂/H₂O : E⁰ = 1,3 V

L'électronégativité de Pauling du fer vaut 1,83.

Réaction avec des acides

Le fer est dissous par la plupart de hydracides :

Il forme d'ailleurs des halogénures de fer (II) ou (III) avec tous les halogènes : FeF₃, FeCl₂, FeCl₃, FeBr₃, FeI₂… L'acide chlorhydrique sous sa forme solvatée est utilisé industriellement pour décaper les oxydes de fer :

Le fer est également attaqué par les oxacides :

Le fer dans le monde minéral

S'il n'existe pas sur Terre à l'état pur, le fer est néanmoins omniprésent dans le monde minéral. Sous forme de minerai et d'oxydes tout d'abord mais également dans de nombreux silicates.

Minerai, oxydes et hydroxydes

Le minerai de fer est principalement composé (avec des teneurs variables) d'oxydes de fer, de sulfures, de carbonates et de silicates à faible teneur en fer.

Il existe trois formes d'oxyde de fer :

• l'oxyde ferreux Fe (II) de formule FeO aussi appelé wustite,
• l'oxyde de fer Fe (II,III) de formule Fe₃O₄ aussi appelé magnétite, connu pour ses propriétés ferromagnétiques,
• l'oxyde ferrique Fe (III) de formule Fe₂O₃, qui existe sous différentes phases comme l'hématite (alpha-Fe₂O₃) ou la maghémite (gamma-Fe₂O₃). L'hématite est très utilisée dans l'industrie sidérurgique.

L'oxyde ferreux existe également en combinaison avec l'oxyde de magnésium. On appelle Les matériaux de ce type des ferropériclases. Ils ont pour formule générique (Mg,Fe)O. Ils cristallisent dans un réseau cubique simple. Les géologues pensent qu'ils sont très abondants dans le manteau à une profondeur comprise entre 670 km et 2700 km.

La pyrite (FeS₂) et la pyrrhotite (Fe_1-xS) sont les sulfures de fer les plus répandus. La présence de soufre dans ces minerais rend le fer obtenu après réduction cassant. La sidérite FeCO₃ est un carbonate de fer très abondant.

De tous temps les oxydes de fer ont été utilisés comme pigments. Mêlé à de l'argile, les oxydes de fer donnent de la terre de Sienne ainsi que différents types d'ocres, de l'orangé au rouge.

Le fer est également présent dans les roches sous forme d'hydroxydes, comme la goethite FeO(OH), l'hydroxyde de fer II Fe(OH)₂ de couleur verte et l'hydroxyde de fer III Fe(OH)₃ de couleur brune. Oxydes et hydroxydes se combinent souvent comme dans la latérite, une roche sédimentaire rouge riche en limonite 5Fe₂O₃.2SiO₂.9H₂O, en hydroxydes de fer et en goethite. On pense que la couleur rouge de la planète Mars est due à la présence d'oxydes de fer à la surface.

Silicates, carbonates et autres sels

Le fer est également très présent dans le manteau et dans la croûte terrestre sous forme de silicates. Les roches silicatées comportant du fer et du magnésium sont appelées roches mafiques. De nombreuses olivines comportent une solution solide de magnésium et de fer. Leur formule est (Mg,Fe)₂SiO₄. La fayalite Fe₂SiO₄ est le pôle ferreux de ces olivines. Il existe aussi d'autres formes d'olivines ferriques comme la kirchsteinite CaFeSiO₄ ou la knébélite MnFeSiO₄…).

Le fer entre également dans la composition de pyroxènes, en particulier dans les pigeonites (Mg,Fe,Ca)(Mg,Fe)(SiO₃)₂ qui comportent une solution solide de calcium, de magnésium et de fer. Le ferrosiliteFeSiO₃ et l'hédenbergite CaFeSi₂O₆ en sont des exemples. Calcium, magnésium et fer ne sont pas les seuls métaux entrant dans la composition des pyroxènes. L'aegirine NaFeSi₂O₆ est, par exemple, un pyroxène sodé.

A très haute pression il existe une forme polymorphe des pyroxènes ferromagnésiens (Mg,Fe)SiO₃ avec une structure pérovskite. On a donné à ce cristal le nom de bridgmanite. Dans la bridgmanite, la coordinence du silicium n'est pas de 4 mais de 6 (polyèdre de coordination octaédrique) et celle du fer (ou du magnésium) est de 12 (polyèdre de coordination cuboctaédrique).

Les spécialistes de la géologie du manteau terrestre pensent que la bridgmanite est l'une des phases cristallines les plus abondantes du manteau entre 670 km de profondeur et 2700 km. Les ferropériclases (Mg,Fe)O en sont une autre.

Le fer entre aussi dans la composition d'amphiboles et, en particulier, dans celle d'amiantes. C'est le cas pour l'amiante brun (Mg,Fe)₇Si₈O₂₂(OH)₂ et pour l'amiante bleu (crocidolite) Na₂(Fe,Mg)₃FeIII₂Si₈O₂₂(OH)₂ où il apparaît avec les degrés d'oxydation II et III. On le trouve également dans des serpentines ou des biotites.

Nota : Les olivines sont des nésosilicates qui ont pour formule générique XYSiO₄, X et Y étant des cations métalliques. Les pyroxènes sont des inosilicates de formule générique XY(SiO₃)₂. Pyroxènes et olivines sont les principaux minéraux composant le manteau. Les silicates comportant à la fois du magnésium et du fer sont dits ferromagnésiens. De nombreux basaltes sont des minéraux ferromagnésiens.

La sidérite FeCO₃ est un carbonate de fer que l'on trouve dans les roches sédimentaires. Le fer est rarement le seul métal présent dans les roches carbonatées : il peut être associé au calcium (calcium-sidérite(Ca, Fe)CO₃), au manganèse (manganosidérite (Mn, Fe)CO₃) ou à un autre métal.

Le fer réagit avec la plupart des oxacides courants pour former des sels dont certains sont présents dans la nature : orthophosphate de fer hydraté FePO₄.2H₂O, sulfates de fer FeSO₄ et Fe₂(SO₄)₃, nitrate de fer hydraté Fe(NO₃)₃.9H₂O.

L'anion ferrate (VI) FeO₄^2- s'associe quant à lui avec de nombreux métaux, et en premier lieu avec des métaux alcalins (ferrate de potassium K₂FeO₄, ferrate de sodium K₂FeO₄).

Le fer en chimie organique

Complexes et composés organométalliques

Le fer est aussi sujet à des réactions de complexation par des bases de Lewis :

L'ion [Fe(CN)₆]^4- est l'ion hexacyanoferrate (II) autrement appelé ferrocyanure. Le ferrocyanure de potassium K₄[Fe(CN)₆] est un composant du bleu de Prusse. L'ion [Fe(SCN)]²⁺ est l'ion thiocyanatofer (III). Il existe également des ions [FeCl₄]^- ou carbonylferrates [Fe(CO)₄]^2-.

Le fer pentacarbonyle est un bon exemple de la richesse de la chimie des composés complexes du fer. Le fer pentacarbonyle Fe(CO)₅, un liquide jaune et toxique, est un composé obtenu en faisant agir du monoxyde de carbone sur du fer métallique. Le monoxyde de carbone CO est un exemple type de base de Lewis. Il est en effet caractérisé par une triple liaison entre l'atome de carbone et l'atome d'oxygène : une double liaison covalente et une liaison de coordination par le biais de laquelle l'oxygène « prête » à l'atome de carbone un doublet d'électrons. De la sorte, la molécule de CO se trouve dans une configuration voisine de celle de la molécule de diazote N₂, chaque atome ayant 14 électrons. On notera cependant que, dans cette molécule, l'atome de carbone dispose d'un doublet non liant dans sa bande de valence, ce qui en fait une base de Lewis.

Le fer possède quant à lui 8 électrons sur sa couche de valence et peut accueillir 5 doublets supplémentaires pour satisfaire à la règle des 18 électrons. La réaction qui conduit à produire du pentacarbonyle de fer est donc bien une réaction acide-base de Lewis puisqu'elle se traduit par le transfert de 5 doublets.

Le sodium réduit le pentacarbonyle de fer pour donner un sel complexe, le tétracarbonylferrate de disodium Na2[Fe(CO)₄] :

Dans le tétracarbonylferrate de disodium, le doublet électronique emporté par la molécule de monoxyde de carbone CO partante est remplacé par les électrons donnés par les atomes de sodium. C'est donc une réaction de réduction. La liaison entre les cations Na⁺ et l'anion tétracarbonylferrate Fe(CO)₄^2- est une liaison ionique. On a ici un bel exemple de la diversité des liaisons chimiques : double liaison covalente entre atome de carbone et atome d'oxygène, liaison de coordination entre atome de carbone et atome d'oxygène et entre atome de fer et molécules de monoxyde de carbone, liaison ionique entre ion tétracarbonylferrate et ions sodium.

Le pentacarbonyle de fer peut également être oxydé par les halogènes pour former des complexes tels que le dichlorure de tétracarbonyle de fer Fe(CO)₄Cl₂. Après chauffage, ce composé donne du chlorure de fer (II) FeCl₂. Lorsqu'on fait réagir du pentacarbonyle de fer avec de l'hydroxyde de potassium KOH, on peut isoler l'anion tétracarbonylferrate. Ceci permet de produire par protonation un acide formule H₂Fe(CO₄) (c'est un monoacide, l'ion HFe(CO₄)^- agit comme une base).

Le fer dans la chimie du vivant

Dans la représentation que nous nous faisons des éléments, le fer est associé à la matière inanimée et certainement pas au vivant. Pourtant, c'est un oligoélément essentiel à notre métabolisme. C'est d'ailleurs, en abondance, le 12ème élément en masse dans le corps humain, avec 0,01%. Il joue un rôle essentiel en tant que composant de certaines enzymes et, surtout, de l'hémoglobine. Chaque cellule d'hémoglobine comporte 4 cations de fer (II). Ces ions sont oxydés en fer (III) par l'oxygène qui forme avec eux une liaison covalente de coordination. Chaque cellule d'hémoglobine est donc capable de transporter quatre molécules de dioxygène O₂. Le dioxygène est ensuite libéré et les cations de fer (III) retournent à l'état de cations de fer (II).

Le fer dans l'histoire

Age du fer

La maîtrise de la métallurgie du fer a entraîné une véritable révolution à la préhistoire. Il semble que les premiers à avoir maîtrisé cette technique complexe soient les Hittites au XVème siècle avant notre ère. Les Celtes, alors cantonnés dans la région de Halstatt (entre le -1200 et -500) sont également passés maîtres dans la maîtrise de la métallurgie. C'est ce qui a conduit à la diffusion de la culture de la Tène à partir de -500 au travers de toute l'Europe occidentale (second âge du fer). La fusion se faisait alors dans ce qu'on appelle maintenant un bas-fourneau et donnait un fer de qualité moyenne qu'il était nécessaire de retravailler à la forge.

Industrie du fer

La révolution industrielle est indissociable du développement de l'industrie du fer. L'élément déclencheur a été l'utilisation du charbon, qui présente l'avantage d'être à la fois un combustible et un agent réducteur (sous forme de monoxyde de carbone), en lieu et place du charbon de bois pour fondre le minerai :

L'adoption du charbon (le coke) et la construction de hauts-fourneaux a permis d'obtenir des alliages (fonte et acier) beaucoup plus résistants. C'est en Angleterre au début du XVIIIème siècle que les premiers fourneaux à coke ont été utilisés. Cette innovation s'est ensuite répandue en France, en Allemagne et aux Etats Unis. Le XIXème siècle a connu un boom de l'industrie de la métallurgie qui est devenue l'industrie reine, le signe principal de la puissance d'une nation. Si la métallurgie était encore un pilier de l'économie des grandes puissances industrielles au lendemain de la deuxième guerre mondiale, son importance n'a cessé de décroître ensuite, entraînant des régions entières jadis prospères dans une spirale de pauvreté et de chômage.

Fonte, acier et alliages

L'acier est caractérisé par une teneur en carbone comprise entre 0,02% et 2%. La teneur en carbone de la fonte est supérieure à 2% et peut aller jusqu'à 4%. D'autres éléments peuvent être ajoutés aux aciers pour modifier leurs caractéristiques : le nickel (ductilité à basse température), le chrome (résistance mécanique à chaud et protection contre l'oxydation), le molybdène (résistance à haute température et au fluage), le tungstène (dureté)… On parle alors d'alliage. La teneur en éléments autres que le fer des alliages dépasse rarement 4%. Les alliages fer-silicium (fer doux) ou à base de chrome sont utilisés pour leurs caractéristiques magnétiques.