Fèrre

Lo fèrre (var. fer, fèr, ferri, hèrLo Congrès Permanent de la Lenga Occitana, Dicod'Òc, cèrca « fer », consultat lo 3 de febrier de 2024, .) es l'element quimic de simbòl Fe e de numèro atomic 26. Es lo metau pus frequent dins la vida vidanta car intra dins la fabricacion d'aliatges coma la fonda e l'acier.

Lo fèrre es un element probablament conegut dempuei la Preïstòria car lo fèrre meteoritic es un materiau que se trabalha aisament. Sa metallurgia apareguèt durant l'Edat dau Bronze e venguèt preponderanta a partir de avC. Sa difusion dins lo monde marca l'intrada dins l'Edat dau Fèrre qu'es una etapa importanta de l'istòria umana. Conoguèt de melhoraments nombrós coma l'invencion de l'aut-fornèu. Pasmens, lei progrès s'accelerèron amb la Revolucion Industriala, çò que permetèt d'aumentacions considerables de la produccion.

Au nivèu fisicoquimic, lo fèrre es un metau de transicion que tèn de proprietats ferromagneticas importantas. A l'estat pur, es ductil e fòrça sensible a la corrosion. Pasmens, leis aliatges a basa de fèrre e de carbòni, coma l'acier e la fonda, son fòrça resistents. La siderurgia es lo domeni industriau que s'ocupa de la produccion d'aqueleis aliatges. Ocupa una plaça importanta dins l'economia modèrna car, en 2023, la produccion cumulada d'acier e de fonda èra de 2,3 miliards de tonas.

Istòria

L'Edat dau Fèrre

Segon lei conoissenças actualas, lo fèrre meteoritic foguèt trabalhat per lo premier còp en 3500 avC en Egipte(en) Mary Elvira Weeks e Henry M. Leichester, « Elements known to the ancients », Discovery of the elements, Easton, Journal of Chemical Education, 1968, pp. 29-40.. Pasmens, d'utilizacions pus ancianas son sospichadas car aqueu fèrre es ductil e relativament deformable(de) Andrew Ure, Technisches wörterbuch oder Handbuch der Gewerbskunde ... : Bearb. nach Dr. Andrew Ure's Dictionary of arts, manufactures and mines, G. Haase, 1843, p. 492.. L'aparicion de la metallurgia dau fèrre es pas clara. Quauqueis objèctes mòstran una aparicion durant l'Edat dau Bronze en Anatolia ò en Siria, probablament entre 3000 e 2700 avC(en) Mary Elvira Weeks e Henry M. Leichester, « Elements known to the ancients », Discovery of the elements, Easton, Journal of Chemical Education, 1968, p. 32.. Durant la segonda mitat dau millenari II avC, leis Ititas introduguèron l'usatge d'armas de fèrre sus lo prat batalhier, mai leis armas de bronze contunièron de largament dominar(fr) Jacques Freu e Michel Mazoyer, L'apogée du nouvel Empire hittite, París, L'Harmattan, 2008.. De mai, lei descubèrtas arqueologics permèton pas de ben comprendre lo nivèu de mestritge dei metallurgistas ititas. Ansin, lo començament de l'Edat dau Fèrre es donc encara tradicionalament fixat en Anatolia vèrs 1200 avC.

De l'Antiquitat a la Revolucion Industriala

La metallurgia dau fèrre se difusèt, ò foguèt descubèrta d'un biais independent, dins mai d'una region d'Euròpa, d'Asia e d'Africa. Leis aciers e fondas produchas èran de qualitats relativament mediòcras segon lei critèris actuaus, mai la preséncia d'impuretats nombrosas permetiá sovent de protegir leis objèctes metallics còntra lo rovilh. Ansin, dins lei tèxtes de Plini lo Vièlh, lo fèrre es descrich coma un element comun au sen de la societat romana(en) Mary Elvira Weeks e Henry M. Leichester, « Elements known to the ancients », Discovery of the elements, Easton, Journal of Chemical Education, 1968, p. 31..

Au sègle I apC, l'aut-fornèu apareguèt en China. En Euròpa, aqueu sistèma apareguèt en Escandinàvia durant lo sègle XII. Son usatge se generalizèt sus lo continent a partir dau sègle XIV. Divèrsei metòdes, coma lo metòde valon, permetèron de produrre d'aciers naturaus d'una qualitat sufisenta per fabricar de canons. D'efiech, lei besonhs de l'artilhariá foguèron un vector important dau progrès de la metallurgia europèa durant aqueu periòde. Aquò necessitèt d'organizar de bacins protoindustriaus per gerir la produccion e l'extraccion dei matèrias premieras. En particular, de mesuras de proteccion dei seuvas foguèron presas car l'activitat èra a l'origina d'importants movements de deforestacion.

La produccion de fonda e d'acier foguèt un dei premiers sectors tocats per la Revolucion Industriala. En 1783, Henry Cort (1740-1800) descurbiguèt lo puddlage, una tecnica que permet de braçar la fonda per i favorizar la circulacion d'aire. Aquò permet de redurre son taus de carbòni e de facilitar l'afinatge. Regularament melhorat, aqueu procès marca la fondacion de la siderurgia modèrna en aumentant considerablament lei quantitats d'acier e de fonda disponiblas(fr) Bertrand Gille, Histoire des techniques, Gallimard, coll. « La Pléiade », 1978..

Dempuei la Revolucion Industriala

Durant la Revolucion Industriala, la siderurgia venguèt un sector estrategic que son importància s'observèt durant lei dos conflictes mondiaus. La produccion conoguèt d'aumentacions sensa precedents dins l'istòria umana e l'acier venguèt un element de basa de la tecnologia dei país desvolopats. Per sostenir aquela evolucion, fòrça trabalhs de recèrca aguèron luòc. Permetèron de concebre de procès capables d'esplechar de fònts novèlas de mineraus e d'aliatges adaptats a de besonhs novèus. Lo reciclatge venguèt tanben un element important de la siderurgia car lei ferralhas son desenant de materiaus comuns. Dempuei la fin dau sègle XX, aquela activitat s'intègra egalament dins lei preocupacions ecologicas car la produccion d'acier demòra una activitat polluenta.

La quimia dau fèrre

Occuréncia, distribucion e reparticion

Lo fèrre es lo seisen element quimic pus abondós de l'Univèrs(en) I. McDonald, G. C. Sloan, A. A. Zijlstra, N. Matsunaga, M. Matsuura, K. E. Kraemer, J. Bernard-Salas e A. J. Markwick, « Rusty Old Stars: A Source of the Missing Interstellar Iron? », The Astrophysical Journal Letters, vol. 717, n° 2, 2010, L92-L97.. Es l'element finau dei reaccions de fusion que se debanan dins leis estelas pus massisas. Es un compausant major de la Tèrra que constituís 5 % de la massa de la crosta terrèstra(en) John W. Morgan e Edward Anders, « Chemical composition of Earth, Venus, and Mercury », Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 77, n° 12, 1980, pp. 6973-6977.. I forma aisament de mineraus amb l'oxigèn, lo sofre e l'idrogèn. Entre lei pus coneguts, se pòdon citar l'ematita (Fe2O3), la magnetita (Fe3O4), la limonita (Fe2O3, n H2O), la pirita (FeS2) e l'olivina ((Mg,Fe)2[SiO4])(de) Arnold F. Holleman, Egon Wiberg e Nils Wiberg, « Iron », Lehrbuch der Anorganischen Chemie (91–100 ed.), Walter de Gruyter, 1985, pp. 1125-1146.. Aquelei mineraus son relativament frequents dins la natura.

Proprietats fisicas

thumb|left|Diagrama de fasas dau fèrre en foncion de la temperatura e de la pression.

Lo fèrre es un metau que se presenta sota diferentei formas en foncion de la temperatura e de la pression(en) R. L. Clendenen e H. G. Drickamer, « The effect of pressure on the volume and lattice parameters of ruthenium and iron », Journal of Physics and Chemistry of Solids, vol. 25, n° 8, 1964, pp. 865-868.(en) Ho-Kwang Mao, William A. Bassett e Taro Takahashi, « Effect of Pressure on Crystal Structure and Lattice Parameters of Iron up to 300 kbar », Journal of Applied Physics, vol. 38, n° 1, 1967, pp. 272-276.(en) Reinhard Boehler, « High-pressure experiments and the phase diagram of lower mantle and core materials », Review of Geophysics, vol. 38, n° 2, 2000, pp. 221-245.. Dins lei condicions normalas de temperatura e de pression, es un substància solida que tèn una estructura cristallina cubica centrada. Dich fèrre α, a una massa volumica de 7,874 g.cm-3 a 20 °C e una duretat situada entre 4 e 5. Es relativament dur, mai es ductil e sa resisténcia mecanica es ben inferiora a l'acier.

Se la temperatura contunia d'aumentar, d'autrei fasas aparéisson. A partir de 912 °C, l'estructura cristallina vèn cubica fàcias centradas. Aquela fasa es dicha fèrre γ. Es a la basa de l'austenita, una forma d'acier qu'a un ròtle important en siderurgia dins la fabricacion d'aciers inoxidables. A partir de °C, l'estructura vèn tornarmai cubica centrada. Aquela fasa es dicha fèrre δ. Son ponch de fusion, °C, es aqueu dau fèrre sota pression atmosferica. Quand la temperatura demòra a 20 °C e que la pression aumenta, una estructura cristallina exagonala compacta se forma a partir de 130 kbar. Es dicha fèrre ε. Lo ponch triple dau fèrre se situa a 750 K e 10,5 GPa(en) Simone Anzellini e Daniel Errandonea, « Properties of Transition Metals and Their Compounds at Extreme Conditions », Crystals, vol. 11, n° 10, 2021, p. 1185..

Lo fèrre es egalament ferromagnetic. Es a dire que lei moments magnetics deis atòms se pòdon alinhar sota l'influéncia d'un camp magnetic exterior e conservar aquela orientacion novèla après la disparicion d'aqueu camp. Aquela proprietat es a l'origina dei fenomèns d'aimantacion.

Proprietats quimicas

Lo fèrre es un metau de transicion que sei proprietats quimicas presentan de similituds amb lo rutèni, l'òsmi, lo cobalt e lo niquèl. Pòu prendre d'estats d'oxidacion anant de -IV a +VII, mai leis estats 0, +II e +III son lei pus importants per la quimia modèrna. Lo fèrre es donc un element que pòu s'engatjar dins mai d'una reaccion. Lo paragraf se limita donc a la presentacion dei proprietats pus frequentament utilizada ò observada.

Corrosion e oxidacion

thumb|right|Tòla d'acier rosigada per lo rovilh.

A l'aire liure, lo fèrre es sensible a la corrosion. Aquò es lo resultat de la formacion d'oxids e d'idroxids onte lo fèrre es a l'estat +II ò +III(fr) G. Bresch, « La formation de la rouille », Revue de Métallurgie, vol. 7, n° 6, 1910, pp. 433-446.Leis estats -II, 0, +I, +IV e +VI pòdon tanben èsser presents, mai son pus rars.. Lo tèrme rovilh designa la mescla d'aquelei compausats. Coma es un materiau porós e fragil, l'oxidacion pòu se propagar dins la prefondor d'un materiau ferrós e o degrada pauc a cha pauc. La proteccion còntra la corrosion es donc un enjòc important per leis industriaus. Necessita l'utilizacion de produchs especiaus aplicats a la superficia dei materiaus (pintura, vernís, etc.), d'anòde sacrificiau (sovent de zinc) ò d'aliatges especiaus (aciers inoxidables, etc.).

Comportament en solucion aquosa

thumb|left|Riu que son aiga es acolorida per la preséncia d'ions Fe3+.

En solucion aquosa, lo fèrre forma generalament leis ions ferrós (Fe2+) e ferric (Fe3+). Lo premier, a l'estat d'oxidacion +II, es estable en solucion per de pH inferiors a 6. Segon l'environament quimic, pòu prendre diferentei colors. Per exemple, la solucion eissida de la dissolucion d'una mòstra de sau de Mohr es de color verd clar. Per lei pH superiors a 6, l'ion ferrós precipita per formar d'idroxid de fèrre (II) (Fe(OH)2) mai, segon leis ions presents, pòu participar a la formacion d'autrei precipitats.

L'ion ferric es estable dins de solucions acidas de pH inferiors a 2. En delà, precipita per formar d'idroxid de fèrre (III) (Fe(OH)3). Pasmens, coma per l'ion ferrós, pòu integrar d'autrei precipitats segon leis ions presents. Lei solucions contenent d'ions ferrics presentan egalament una granda diversitat de coloracions.

Oxidoreduccion dau fèrre

Lo fèrre tèn dos pareus que sei potenciaus de referéncias son Fe2+ / Fe : E0 = -0,44 V e Fe3+ / Fe2+ = +0,77 V. Lo fèrre metallic es donc pas estable en solucion aquosa e son oxidacion es d'aitant mai importanta que lo pH es feble. D'autra part, aquelei valors mòstran egalament qu'en preséncia de dioxigèn O2, leis ions Fe2+ son pas estables en solucion.

Complexacion

Lo fèrre pòu formar un nombre important de complèxes, especialament en solucion aquosa. Lei pus frequents son leis ions CN-, F-, 1,10-fenantrolin (utilizat per la titracion deis ions Fe2+) e tiocianats SCN- (utilizat per detectar la preséncia de fèrre en solucion gràcias a una coloracion caracteristica).

Quimia organometallica