Contenu
- Une brève histoire du fer
- Faits sur la chimie du fer
- Usages du fer
- Comment le fer est-il fabriqué?
- D'où vient le fer?
- Comment les éléments sont-ils formés dans la nature?
- Fer dans le corps humain
Lorsque vous réfléchissez à l’origine du fer, votre esprit s’intéresse probablement aux aciéries, aux forges médiévales ou à un autre procédé de fabrication caractérisé par un travail dur et manuel et des températures très élevées. 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 vrai 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’eux, l’oxygène et l’autre, l’hydrogène.
Fait intéressant, bien que les gens associent le fer à des températures inhabituellement élevées dans les environnements de fabrication ici sur Terre, le fer, en tant qu'élément, doit son existence à des événements si chauds et si lointains que les chiffres en jeu ont peu de sens.Par conséquent, entreprendre une étude sur la fabrication du fer nécessite deux processus parallèles: Explorer comment le fer est apparu et comment il a atteint la Terre, et comment les gens sur Terre fabriquent et utilisent le fer pour des activités quotidiennes et spécialisées. Ces sujets invitent à leur tour à discuter de l'utilisation du fer dans et par les systèmes vivants et à donner un aperçu général de la manière dont les divers éléments sont à la fois originaires et répandus dans le cosmos.
Une brève histoire du fer
L'homme connaît le fer depuis environ 3500 av. 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 périodique, Fe, vient du mot latin désignant le 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" (par exemple sulfate ou gluconate). Chaque fois que vous voyez le mot "ferreux" ou "ferrique" dans un con de chimie, vous devez immédiatement reconnaître que le fer est en discussion; "ironique", bien que splendide et utile mot, n'a aucun rôle dans le monde des sciences physiques.
Faits sur la chimie du fer
Le fer (Fe abrégé) est classé comme un métal non seulement pour les besoins quotidiens mais également dans le tableau périodique des éléments (voir Ressources pour un exemple interactif). Cela n’a sans doute rien d’étonnant, mais en réalité, les métaux dépassent largement les non-métaux dans la nature; sur les 113 éléments découverts ou créés par les humains en laboratoire, 88 sont classés comme métaux.
Comme vous le savez peut-être déjà, les atomes consistent en 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 importance, 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, ne dépasse pas 56 grammes par mole, ce qui signifie que sa forme la plus stable chimiquement contient (56 - 26) = 30 neutrons.
Le fer possède de formidables propriétés physiques. Il a une densité de 7,87 g / cm3, ce qui en fait près de huit fois plus dense que l'eau. (La masse volumique est la masse par unité de volume; les eaux sont définies à 1,0 g / cm3 par convention.) Le fer est un solide à 20 degrés Celsius (68 ° F), généralement considéré comme "température ambiante" aux fins de la chimie. Son point de fusion est extrêmement élevé à 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 gazeux - est à 2861 ° C (5182 ° F). Il n’est donc pas étonnant que, dans le travail des métaux, les types de fours utilisés doivent être extrêmement puissants.
Le fer, en masse, est le quatrième élément le plus abondant de la croûte terrestre. La part totale de la Terre dans la Terre peut être considérablement plus grande, cependant, étant donné que le noyau en fusion des planètes serait principalement constitué de fer, de nickel et de soufre liquéfiés. Lorsque le fer est extrait du sol lors d'opérations minières, il se présente sous la forme de minerai, qui est du fer élémentaire mélangé à un ou plusieurs types de roches. 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 pose des problèmes aux ingénieurs car à l'heure actuelle, les neuf dixièmes du métal affiné incluent du fer.
Usages du fer
La plupart du fer extrait à des fins humaines se présente sous forme d'acier. "Acier" est un alliage, ce qui signifie un mélange de métaux. Une forme populaire de ce produit s'appelle aujourd'hui l'acier au carbone, ce qui est quelque peu trompeur, car le carbone ne représente qu'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 / 10ème de 1% sans que le métal ne perde le titre "d'acier au carbone".
L'acier au carbone peut à son tour être stratégiquement adultéré avec d'autres métaux pour donner des alliages présentant 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 résistance élevée à la corrosion. L’acier inoxydable occupe une place importante dans l’architecture, les roulements à billes, les instruments chirurgicaux et les articles de table. Les chances sont bonnes que si vous pouvez voir votre reflet clairement 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 à l'acier, la substance déjà dure est encore plus dure; ces aciers alliés sont donc bien adaptés à l'inclusion dans les ponts, les instruments de coupe et les composants de réseaux électriques.
Une fonte de type non-acier appelée 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. Par conséquent, lors du passage de l’acier à la fonte, vous faites le même compromis que lorsque vous passez d’un hamburger maigre à 70%.
Comment le fer est-il fabriqué?
Le fer sur Terre est fabriqué ou plus précisément extrait du minerai de fer. La partie "roche" du minerai de fer contient de l'oxygène, des sables et des argiles en quantités variables en fonction du type de minerai. Le travail d'une usine de fer, comme on l'appelait auparavant, consistait à enlever le plus possible la roche et les autres particules tout en laissant le fer derrière soi - peu en principe différent du bombardement d'une cacahuète ou de l'épluchage d'une orange pour en tirer le meilleur parti. partie, sauf que dans le cas du minerai de fer, le fer n'est pas simplement entouré de matériel à usage unique; son mélangé droit avec elle.
Malgré les températures décourageantes et les défis physiques généraux des ouvrages en fer, les humains les utilisaient déjà à l'époque préchrétienne. Le travail du fer a d'abord atteint les îles britanniques par le continent européen et l'Asie occidentale au Ve siècle av. J.-C. À l'époque, le fer était physiquement séparé du matériau indésirable 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 allait suivre. En tout état de cause, la fusion était en cours à 1500 av. J.-C., mais près de 30 siècles plus tard, dans les années 1400, le haut fourneau a été inventé, transformant radicalement et à jamais "l'industrie" (telle qu'elle était).
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 (CaCO).3), mieux connu sous le nom de calcaire. Cela donne un composé contenant environ 3% de carbone et d'autres adultérants - de qualité non idéale, mais suffisamment 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 entier.
D'où vient le fer?
La provenance du fer à repasser dans votre lave-vaisselle en acier inoxydable ou votre poêle à bois est peut-être une question beaucoup moins intéressante que la manière dont le fer a commencé à exister n'importe où dans l'univers. Le fer est considéré comme un élément lourd, et de tels éléments ne peuvent être créés que lors d'événements catastrophiques de "mort d'étoiles" appelés supernovae. Tandis que la plupart des stars disparaissent en brûlant leur réserve d'hydrogène, certaines sortent littéralement avec un bang.
Ce sont des événements statistiquement rares, qui se produisent seulement quelques fois tous les cent ans dans toute l'étendue de la galaxie de la Voie lactée, de l'immense pile d'étoiles en rotation lente et de toute autre matière que les humains appellent à la maison. Mais ils sont aussi d'une importance vitale. Sans eux, les forces nécessaires pour provoquer la fusion d’importants éléments plus petits et créer des éléments encore plus volumineux 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 parcourt l’espace sur de longues distances et s’installe sur Terre, parfois sous la forme de frappes de météorites.
Comment les éléments sont-ils formés dans la nature?
On pense que le fer représente le seuil approximatif en termes d'éléments pouvant être générés par des processus de combustion stellaire ordinaires (comme si ces processus eux-mêmes étaient véritablement "ordinaires" de quelque manière que ce soit) et de ceux qui ne peuvent être créés que par des supernovae.
La plupart des éléments - oxygène, numéro atomique 8, traversant, mais probablement pas le fer, numéro atomique 26 - sont fabriqués dès qu'une étoile commence à épuiser ses réserves d'hydrogène. Une étoile "brûle" parce qu’elle subit en permanence d’innombrables réactions de fusion, l’hydrogène, élément le plus léger (numéro atomique 1) se heurtant à 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 se croisent en groupes pour former du carbone (numéro atomique 6).
Fer dans le corps humain
Vous reconnaissez probablement le fer comme essentiel dans le régime alimentaire humain, en vous basant uniquement sur les allégations publicitaires des fabricants de produits alimentaires ("Cette céréale contient 100% de l'apport journalier recommandé en fer des États-Unis!"). Vous ne pouvez pas savoir pourquoi, cependant.
Il se trouve que le corps humain typique contient environ 4 grammes de fer élémentaire. Cela peut ne pas sembler beaucoup, mais pourquoi votre corps aurait-il besoin de métal, que ce soit? En fait, le fer est une partie essentielle de l'hémoglobine, la protéine de liaison à l'oxygène présente dans les globules rouges. Les globules rouges transportent l'oxygène des poumons jusqu'aux tissus, où il est utilisé pour la respiration cellulaire.
Lorsque les personnes deviennent carencées en fer à cause d'un apport alimentaire insuffisant (le fer se trouve dans la viande, en particulier les organes, ainsi que dans certaines céréales) ou dans des états pathologiques systémiques, leurs globules rouges ne peuvent pas faire leur travail correctement. Dans cette situation, appelée anémie, les personnes sont à bout de souffle après un effort modéré et souffrent souvent de fatigue, de maux de tête et de faiblesses générales. 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 en comprimés et en liquides contenant du fer.