Par Kevin Beck Mis à jour le 30 août 2022
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Quand on pense au fer, les images d’aciéries et de forges nous viennent souvent à l’esprit. Pourtant, le fer n’est pas seulement un métal manufacturé; c'est un élément chimique fondamental (symbole Fe) qui peut être isolé atome par atome. Même si la plupart des matériaux du quotidien sont des composés, le fer existe sous sa forme élémentaire pure, ce qui le rend unique parmi les métaux que nous utilisons couramment.
Les humains connaissent et travaillent le fer depuis plus de 5 500 ans, soit environ 3 500 av. Le mot « fer » dérive de l'anglo-saxon « iren » et du latin « ferrum », à l'origine du symbole Fe. En chimie, des termes comme « ferreux » et « ferrique » signalent immédiatement qu'il est question du fer, contrairement à l'homophone « ironique », qui n'a pas sa place en science physique.
Le fer (Fe) est un métal de transition et l'un des 88 métaux parmi les 113 éléments connus. Son noyau contient 26 protons et 26 électrons, ce qui lui confère un numéro atomique de 26. Avec une masse atomique moyenne de 55,85u, un atome de fer neutre possède 30 neutrons. Physiquement, le fer est dense (7,87 g/cm³), solide à température ambiante et nécessite une chaleur extrême pour fondre (1 538°C) et bouillir (2 861°C).
Dans la croûte terrestre, le fer est le quatrième élément le plus abondant, mais on pense que le noyau fondu de la planète est en grande partie composé de fer, de nickel et de soufre. Le minerai de fer, principalement l'hématite, la magnétite et la taconite, contient du fer mélangé à du silicate et à d'autres minéraux. Étant donné que le fer s'oxyde facilement, le maintien de son intégrité constitue un défi technique majeur.
La majeure partie du fer extrait est convertie en acier, un alliage qui combine le fer avec de petites quantités de carbone et d'autres éléments. L'acier au carbone contient généralement entre 0,02 et 2 % de carbone, les nuances de carbone plus élevées approchant les 2 %. L'ajout de chrome (> 10 % en masse) produit de l'acier inoxydable, réputé pour sa résistance à la corrosion et sa brillance, ce qui le rend omniprésent dans l'architecture, les instruments médicaux et les appareils électroménagers. D'autres éléments d'alliage (nickel, vanadium, tungstène, manganèse) améliorent la dureté pour des applications telles que la construction de ponts, les outils de coupe et les composants de réseaux électriques. La fonte, avec 3 à 5 % de carbone, est moins chère mais moins ductile que l'acier, ce qui la rend adaptée à des articles tels que les blocs moteurs et les ustensiles de cuisine.
L'extraction du fer commence par la purification du minerai. Les premiers travaux du fer en Europe et au Moyen-Orient (Ve siècle avant J.-C.) utilisaient du charbon de bois pour réduire le minerai à des températures modestes. Le haut fourneau moderne, inventé dans les années 1400, permet de réduire à haute température l'hématite ou la magnétite à l'aide de coke (une source de carbone) et de calcaire (CaCO₃) pour éliminer les impuretés. Le produit obtenu – du fer fritté avec environ 3 % de carbone – est raffiné en acier. La production mondiale d'acier dépasse désormais 1,3 milliard de tonnes par an.
Les origines cosmiques du fer résident dans les supernovae, la mort cataclysmique d’étoiles massives. Lorsqu’une étoile épuise son combustible hydrogène, elle fusionne des éléments plus lourds pour former du fer, point final de la fusion productrice d’énergie. La supernova qui s’ensuit disperse le fer et d’autres éléments lourds dans le milieu interstellaire, où ils finissent par fusionner pour former de nouvelles étoiles, planètes et, finalement, la Terre. Sans ces explosions stellaires, les éléments plus lourds que le fer ne se seraient pas formés dans les quantités que nous observons.
La nucléosynthèse stellaire crée des éléments allant de l'hydrogène au fer par des réactions de fusion successives. Une fois qu’une étoile atteint le pic de fer, la poursuite de la fusion est énergétiquement défavorable; seuls les processus explosifs comme les supernovae peuvent synthétiser des éléments plus lourds que le fer, comme l’or, le plomb et l’uranium. Ces éléments lourds voyagent à travers l’espace, arrivant parfois sur Terre sous forme de météorites ou faisant partie du matériau primordial de la planète.
Le corps humain adulte moyen contient environ 4 g de fer élémentaire, une petite fraction mais vitale pour la vie. Le fer est un composant essentiel de l’hémoglobine, la protéine qui fixe l’oxygène dans les globules rouges et qui transporte l’oxygène des poumons vers les tissus. La carence en fer, souvent due à un apport alimentaire insuffisant en viande, en abats ou en céréales enrichies, entraîne une anémie, caractérisée par de la fatigue, un essoufflement et une faiblesse. Le traitement implique généralement des suppléments de fer par voie orale ou, dans les cas graves, des transfusions sanguines.