Le fer : Généralités et propriétés
Le fer est l'élément de transition le plus abondant, constituant 4,7 % en masse de la croûte terrestre. On ne le trouve pas sous l'état métallique à la surface terrestre. Par contre, on trouve les minerais principaux : \(\textrm{Fe}_2 \textrm O_3\) et \(\textrm{Fe}_3 \textrm O_4\). Dans l'industrie, l'extraction du fer consiste à séparer le fer de l'oxygène, et est réalisée selon un procédé utilisé dès la fin du XVIII éme siècle. Il est effectué à température élevée par un traitement de réduction par le carbone (ou coke) dans un haut fourneau (cf. figure ci-dessous). Le fer est recueilli à l'état liquide, formant en refroidissant la fonte. La fonte contient 4 à 5 % de carbone et en moindre quantité d'autres éléments (\(\textrm{Si}\), \(\textrm{Mn}\), \(\textrm P\) et \(\textrm S\)). La fonte est cassante, difficile à souder et peu résistante. Pour être utilisée, elle doit donc être transformée en acier.
Propriétés
Couleur : Le fer pur est un métal blanc argenté.
Malléabilité et plasticité : Le fer est un métal très ductile et malléable.
Degré d'oxydation et de réactivité
Le fer se limite aux degrés d'oxydation +2 et +3.
Le fer métallique est très sensible à la corrosion, réaction rédox sous l'action de l'oxygène présent dans l'air. Cette réaction a lieu en présence d'air humide transformant le métal en oxyde de fer (III), la rouille \(\textrm{Fe}_2 \textrm O_3\). Le mécanisme peut être décrit par les équations redox suivantes :
\(\mathbf{\textrm{Oxydation} : \textrm{Fe}_{solide} + 2.\textrm{OH}_{aqueux}^- \to{\textrm{ Fe}(\textrm{OH})_2}_{solide} + 2.\textrm {e}^-}\)
\(\mathbf{\textrm{Réduction} : 2.\textrm H_2\textrm O_{aqueux} + {\textrm O_2}_{gazeux} + 4.\textrm e^- \to 4.\textrm{OH}_{aqueux}^-}\)
L'hydroxyde de fer(II) formé est rapidement oxydé en hydroxyde de fer(III),
\(4.{\textrm{ Fe}(\textrm{OH})_2}_{solide}+ {\textrm O_2}_{gazeux} + 2.\textrm H_2\textrm O_{liquide} \to 4. {\textrm{ Fe}(\textrm{OH})_3}_{solide}\)
qui se transforme spontanément en oxyde de fer(III), \(\textrm{Fe}_2\textrm O_3\) hydraté.
\(2.{\textrm{Fe}(\textrm{OH})_3}_{solide}\to\textrm{ Fe}_2\textrm O_3\bullet3.\textrm H_2\textrm O\)
La présence d'eau est indispensable pour amorcer la corrosion, milieu dans lequel se dissolvent les ions Fe(II) formés au cours de la réaction. Ainsi, l'eau contenant les sels de Fe(II) augmente les zones de contact entre les régions actives favorisant le phénomène (cf. figure ci-dessous). La couche d'oxyde formée à la surface ne protège pas le métal car elle se craquelle, et le processus de corrosion se poursuit conduisant à la destruction totale du métal.
Le pouvoir réducteur de \(\textrm{Fe}^{2+}\) augmente avec la formation de complexes. Cette propriété est utilisée en chimie analytique : le sel de Mohr de formule \((\textrm{NH}_4)_2 \textrm{Fe}(\textrm{SO}_4)_2\bullet 6.\textrm H_2\textrm O\) dans le fer est coordiné à six molécules d'eau, permet de doser des oxydants puissants tel que \(\textrm{MnO}_4^-\), \(\textrm{Cr}_2 \textrm O_7^{2-}\) ou \(\textrm H_2 \textrm O_2\).
Les solutions d'acides minéraux attaquent le fer, formant en absence d'oxygène l'ion Fe(II) hydraté et de l'hydrogène dissous. En présence d'oxygène, l'ion Fe(II) est oxydé en ion Fe(III). L'acide nitrique concentré réagit en surface avec le fer, ce qui rend le fer passif.