Lorsque vous réfléchissez à l'origine du fer, votre esprit erre probablement dans des visions d'aciéries, de l'âge médiéval forges ou tout autre procédé de fabrication caractérisé par un travail manuel dur et très élevé températures. Mais en plus d'être un type de métal utilisé de diverses manières dans l'industrie humaine, le fer est également un élément, et non un composé ou un alliage, ce qui signifie qu'il est possible d'isoler un seul atome de fer. Ce n'est pas le cas de la plupart des matériaux familiers; par exemple, la plus petite quantité d'eau que l'on puisse encore appeler eau comprend trois atomes, l'un d'oxygène et les deux autres d'hydrogène.
Fait intéressant, bien que les gens associent le fer à des températures inhabituellement élevées dans les paramètres de fabrication ici sur Terre, le fer en tant qu'élément doit son existence à des événements si chauds et si lointains que les nombres impliqués font à peine sens. Ainsi, entreprendre une étude de la fabrication du fer nécessite deux processus parallèles: Explorer comment le fer est né et comment il a atteint la Terre, et comment les gens sur Terre fabriquent et utilisent du fer pour la vie quotidienne et spécialisée Activités. Ces sujets invitent à leur tour à une discussion sur l'utilisation du fer dans et par les systèmes vivants et à un aperçu général de la façon dont les divers éléments naissent et se propagent dans le cosmos.
Une brève histoire du fer
Le fer est connu de l'humanité depuis environ 3 500 avant J.-C., soit il y a plus de 5 500 ans. Son nom est dérivé de la version anglo-saxonne, qui était « iren ». Le symbole du fer du tableau périodique Fe vient du mot latin pour fer, qui est ferrum. Si vous parcourez une pharmacie et que vous voyez des suppléments de fer, vous remarquerez que la plupart de leurs noms sont "ferreux" quelque chose ou autre (comme sulfate ou gluconate). Chaque fois que vous voyez le mot « ferreux » ou « ferrique » dans un contexte de chimie, vous devez immédiatement reconnaître que le fer est discuté; "Ironique", bien qu'un mot splendide et utile, n'a aucun rôle dans le monde de la science physique.
Faits de chimie sur le fer
Le fer (en abrégé Fe) est classé comme un métal non seulement à des fins quotidiennes, mais également dans le tableau périodique des éléments (voir Ressources pour un exemple interactif). Cela n'est probablement pas surprenant, mais en fait, les métaux sont largement plus nombreux que les non-métaux dans la nature; sur les 113 éléments que les humains ont découverts ou créés en laboratoire, 88 sont classés comme métaux.
Les atomes, comme vous le savez peut-être déjà, sont constitués d'un noyau contenant un mélange de protons et de neutrons de masse à peu près égale entouré d'un "nuage" d'électrons presque sans masse. Les protons et les électrons portent une charge de même magnitude, mais la charge des protons est positive tandis que celle des électrons est négative. Le numéro atomique du fer est 26, ce qui signifie que le fer a 26 protons et 26 électrons dans son état électriquement neutre. Sa masse atomique, qui, une fois arrondie, est simplement la somme des protons et des neutrons, est juste inférieure à 56 grammes par mole, ce qui signifie que sa forme la plus chimiquement stable contient (56 - 26) = 30 neutrons.
Le fer possède des propriétés physiques formidables. Il a une densité de 7,87 g/cm3, ce qui la rend près de huit fois plus dense que l'eau. (La densité est la masse par unité de volume; l'eau est définie comme 1,0 g/cm3 par convention.) Le fer est un solide à 20 degrés Celsius (68 F), généralement considéré comme « température ambiante » à des fins chimiques. Son point de fusion est extrêmement élevé de 1538 C (2800 F), tandis que son point d'ébullition - c'est-à-dire la température à laquelle le fer liquide commence à s'évaporer et à devenir du gaz - est de 2861 C (5182 F). Il n'est donc pas étonnant que dans le travail des métaux, les types de fours utilisés doivent être en effet extraordinairement puissants.
Le fer, en masse, est le quatrième élément le plus abondant de la croûte terrestre. Cependant, la part totale du fer sur Terre pourrait être considérablement plus importante, étant donné que le noyau en fusion de la planète serait principalement composé de fer liquéfié, de nickel et de soufre. Lorsque le fer est extrait du sol dans le cadre d'opérations minières, il se présente sous forme de minerai, qui est du fer élémentaire mélangé à un ou plusieurs types de roche. Le type de minerai de fer le plus courant est l'hématite, mais la magnétite et la taconite sont également des sources importantes de ce métal.
Le fer rouille ou se corrode très facilement par rapport aux autres métaux. Cela crée des problèmes pour les ingénieurs car à l'heure actuelle, les neuf dixièmes du métal raffiné comprennent du fer.
Utilisations du fer
La plupart du fer extrait pour l'usage humain se retrouve sous forme d'acier. « Acier » est un alliage, c'est-à-dire un mélange de métaux. Une forme populaire de ce produit aujourd'hui est appelée acier au carbone, ce qui est quelque peu trompeur car le carbone ne contribue qu'à une infime fraction de la masse de cet acier sous toutes ses formes. Dans la forme d'acier au carbone la plus carbonée, le carbone représente environ 2 % de la masse du métal; ce chiffre peut aller jusqu'à 1/10e de 1 pour cent sans que le métal ne perde le titre d'« acier au carbone ».
L'acier au carbone peut à son tour être stratégiquement falsifié avec d'autres métaux pour produire des alliages avec certaines propriétés souhaitables. L'acier inoxydable, par exemple, est une forme d'acier au carbone qui contient une quantité importante de chrome – plus de 10 % en masse. Ce matériau est réputé pour sa durabilité et sa tendance à conserver son aspect brillant et lustré pendant de longues périodes en raison de sa haute résistance à la corrosion. L'acier inoxydable occupe une place prépondérante dans l'architecture, les roulements à billes, les instruments chirurgicaux et la vaisselle. Il y a de fortes chances que si vous voyez clairement votre reflet sur une surface purement métallique, vous regardez une sorte d'acier inoxydable.
Lorsque des quantités judicieuses de métaux tels que le nickel, le vanadium, le tungstène et le manganèse sont intégrées dans l'acier, cela rend une substance déjà dure encore plus dure; ces aciers alliés sont donc bien adaptés pour être inclus dans les ponts, les instruments de coupe et les composants de réseau électrique.
Un type de fer non métallique appelé fonte contient une grande quantité de carbone (au moins selon les normes de la métallurgie du fer): 3 à 5 %. La fonte n'est pas aussi résistante que l'acier, mais elle est considérablement moins chère, donc en passant de l'acier à la fonte fer à repasser, vous faites le même compromis général que vous faites en passant de la côte de bœuf à 70 pour cent de maigre Hamburger.
Comment est fait le fer ?
Le fer sur Terre est fabriqué, ou plus correctement extrait, à partir de minerai de fer. La partie « roche » du minerai de fer contient de l'oxygène, des sables et des argiles en quantités variables selon le type de minerai. Le travail d'une usine sidérurgique, comme les premières usines de ce type étaient appelées, est d'enlever autant de roche et autres gravillons que possible tout en laissant le fer derrière - peu différent en principe de décortiquer une cacahuète ou d'éplucher une orange pour obtenir la bonne partie, sauf que dans le cas du minerai de fer, le fer n'est pas simplement entouré de Matériel; il y est mêlé.
Malgré les températures intimidantes et les défis physiques généraux des ouvrages en fer, les humains les utilisaient déjà à l'époque préchrétienne. Le travail du fer a atteint les îles britanniques pour la première fois via l'Europe continentale et l'Asie occidentale au 5ème siècle avant JC. À l'époque, le fer était physiquement séparé du matériaux indésirables dans toute la mesure du possible en utilisant uniquement du charbon de bois, de l'argile et le minerai lui-même, chauffés à des températures modestes par rapport à ce qui serait poursuivre. Quoi qu'il en soit, la fusion était en cours vers 1500 avant JC, mais près de 30 siècles plus tard, dans les années 1400, le haut fourneau a été inventé, changeant "l'industrie" (telle qu'elle était) radicalement et pour toujours.
Aujourd'hui, le fer est fabriqué en chauffant de l'hématite ou de la magnétite dans un haut fourneau avec une forme de carbone appelée « coke » ainsi que du carbonate de calcium (CaCO3), mieux connu sous le nom de calcaire. Cela donne un composé qui contient environ 3% de carbone et d'autres adultérants - pas de qualité idéale, mais assez bon pour fabriquer de l'acier. Chaque année, environ 1,3 milliard de tonnes métriques (environ 1,43 milliard de tonnes américaines, soit près de 3 000 milliards de livres) d'acier brut sont produites dans le monde.
D'où vient le fer ?
D'où « vient » le fer de votre lave-vaisselle en acier inoxydable ou de votre poêle à bois est peut-être une question beaucoup moins intéressante que la façon dont le fer est apparu n'importe où dans l'univers. Le fer est considéré comme un élément lourd, et les éléments de ce type ne peuvent être créés que lors d'événements catastrophiques de "mort d'étoiles" appelés supernovae. Alors que la plupart des étoiles s'éteignent lorsqu'elles brûlent leur alimentation en hydrogène, certaines étoiles s'éteignent littéralement avec un bang.
Ce sont des événements statistiquement rares, se produisant seulement quelques fois tous les cent ans dans toute l'étendue de toute la Voie Lactée, l'énorme tas d'étoiles en rotation lente et d'autres matières que les humains appellent domicile. Mais ils sont aussi d'une importance vitale. Sans eux, les forces nécessaires pour faire fusionner des éléments plus petits et importants lors de l'impact et créer des éléments encore plus gros tels que le fer, le cuivre, le mercure, l'or, l'iode et le plomb n'existeraient pas. Et tout le temps, une certaine fraction de ces éléments parcourent de longues distances à travers l'espace et s'installent sur Terre, parfois sous la forme d'impacts de météorites.
Comment les éléments se forment-ils dans la nature ?
On pense que le fer représente le point de coupure approximatif en termes d'éléments pouvant être générés par des les processus de combustion stellaire (comme si ces processus eux-mêmes étaient vraiment "ordinaires" de quelque manière que ce soit) et ceux qui ne peuvent être créés que par les supernovae.
La plupart des éléments – l'oxygène, numéro atomique 8, mais probablement sans compter le fer, numéro atomique 26 – sont fabriqués une fois qu'une étoile commence à épuiser son approvisionnement en hydrogène. La raison pour laquelle une étoile "brûle" est qu'elle subit constamment d'innombrables réactions de fusion, avec de l'hydrogène, l'élément le plus léger (numéro atomique 1) entrant en collision avec d'autres atomes d'hydrogène pour former de l'hélium (numéro atomique 2). Finalement, dans la partie la plus interne de l'étoile, les atomes d'hélium entrent en collision en groupes pour former du carbone (numéro atomique 6).
Le fer dans le corps humain
Vous reconnaissez probablement le fer comme étant essentiel dans l'alimentation humaine en vous basant uniquement sur les allégations publicitaires de fabricants de produits alimentaires ("Cette céréale contient 100 pour cent de l'apport quotidien recommandé aux États-Unis de le fer!"). Cependant, vous ne savez peut-être pas pourquoi.
Il s'avère que le corps humain typique contient environ 4 grammes de fer élémentaire. Cela peut sembler peu, mais pourquoi votre corps aurait-il besoin de quelque métal que ce soit? En fait, le fer est un élément essentiel de l'hémoglobine, la protéine de liaison à l'oxygène présente dans les globules rouges (RBC). Les globules rouges transportent l'oxygène des poumons vers les tissus, où il est utilisé dans la respiration cellulaire.
Lorsque les gens deviennent carencés en fer à cause d'un apport alimentaire insuffisant (le fer se trouve dans les viandes, en particulier les abats, ainsi que certaines céréales) ou les états pathologiques systémiques, leurs globules rouges ne peuvent pas faire leur travail correctement. Dans cette condition, appelée anémie, les gens s'essoufflent après un effort modeste et souffrent souvent de fatigue, de maux de tête et de faiblesse générale. Dans les cas graves, une transfusion sanguine peut être nécessaire pour corriger l'anémie, bien que la correction soit généralement effectuée en utilisant une supplémentation avec des pilules et des liquides contenant du fer.
