LE FER

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LE FER
Parmi les métaux que le sous-sol renferme, le fer occupe une place particulière par son abon-
dance et son intérêt technologique et économique. Certains métaux tels l’or, l’argent, parfois le cuivre,
se trouvent directement sous la forme métallique à l’état naturel et sont par conséquent directement
utilisables.
Pour le fer c’est différent. A part lorsqu’il est sous forme météoritique, ce qui est plutôt excep-
tionnel, le fer se trouve sous la forme de composés à l’état naturel, oxydes, sulfures, carbonates etc.,
ce qui nécessite une opération chimique pour l’obtenir sous une forme métallique utilisable.
La métallurgie du fer a démarré il y a environ 5000 ans en Anatolie et en Iran, puis s’est étendue
en Grèce et dans le reste de l’Europe pendant les siècles suivants. Il y a environ 1000 ans, dans notre
région, le fer était extrait à partir de minerai du Jura selon la technique dite du bas fourneau. Quelques
siècles plus tard est venue la méthode dite du haut fourneau qui permit d’obtenir la fonte.
1. Le fer et ses composés
Les atomes de fer se lient entre
eux par une liaison dite métallique. Il
s’agit d’un type de liaison concernant la
majorité des atomes du tableau périodi-
que, dans laquelle les atomes «baignent»
dans une sorte de pâte constituée par
leurs e- périphériques. Ces e- périphéri-
ques sont communs à d’autres atomes
métalliques voisins. Ce modèle permet
d’expliquer la malléabilité et la conduc-
tibilité électrique des métaux.
«Il est très difficile de conjecturer comment
les hommes sont parvenus à connoître et employer
le fer: car il n’est pas croyable qu’ils ayent imaginé
d’eux-même de tirer la matière de la mine et de lui
donner les préparations nécessaires pour la mettre
en fusion. Il ne reste donc que la circonstance
extraordinaire de quelque volcan qui , vomissant
des matières métalliques en fusion, aura donné
aux Observateurs l’idée d’imiter cette opération
de la nature»
Jean-Jacques Rousseau,
Discours sur l’origine et les fondements de
l’inégalité parmi les hommes, 1754
La liaison métallique
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Dans un morceau de fer pur, les atomes de Fe occupent une structure cristalline dite cubique
centrée en dessous de 910°C (fer α). Entre 910 et 1392°C, les atomes changent d’architecture et la stru-
cure cristalline devient cubique à faces centrées (fer γ) et, au dessus de 1392°C, la structure redevient
cubique centrée (fer δ). A partir de 1536°C, le fer est liquide, donc ses atomes ne possèdent plus une
structure géométrique régulière.
Exercice 1
a. Représenter un cube avec des atomes de fer aux sommets et au centre du cube. Les atomes sont
représentés par des sphères : structure cubique centrée (CC).
b. Même exercice avec des atomes de fer aux sommets et aux centres des faces : structure cubique
faces centrées (CFC).
c. Dans les 2 cas, calculer le nombre d’atomes qui appartiennent au cube délimité par ses arêtes.
Quel est l’arrangement le plus compact ?
d. Pour l’arrangement CFC relier les centres des atomes placés aux milieu des faces. Quel est le nom
du volume obtenu ?
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Il est à noter que ces arrangements cristallins laissent apparaître des lacunes entre les atomes
de fer. Cette observation est très importante car c’est dans ces lacunes que des atomes tel le carbone
peuvent venir s’installer et former des composés métallurgiques comme l’acier, contenant une petite
proportion de carbone.
Ces phénomènes illustrent deux principes naturels qu’on pourrait appeler ceux d’économie et
d’abondance. Cela signifie en d’autres termes que la nature économise l’espace en favorisant les structures
les plus compactes et que les éléments chimiques les plus courants s’unissent d’abord en créant leur
propre structure. Les éléments moins abondants se casent dans les lacunes disponibles ou prennent la
place de certains atomes dont les propriétés chimiques sont semblables.
A l’état naturel, le fer se trouve sous forme de minerais dont les principaux sont les suivants:
Exercice Trouver les nombres d’oxydation des atomes dans les composés oxygénés du fer.
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Pyrite FeS2 Goethite FeOOH
Magnétite Fe3O4
Hématite Fe2O3

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2. Formation des minerais de fer, aspect géologique
Dans la croûte terrestre, le fer occupe une place importante puisque c’est le 2e métal le plus
abondant après l’aluminium. La formation des différents minerais résulte de la réaction du métal avec
divers agents chimiques.
Dans le Jura, massif montagneux calcaire, le fer existe parfois comme minerai de remplissage des fis-
sures de la roche ou comme inclusions dans la roche elle-même.
L’histoire géologique du Jura remonte à environ 200 millions d’années. Une mer tropicale ap-
pelée Thétys, formée de lagunes, recouvrait à cette époque l’emplacement actuel des Alpes. Il s’agit de
la mer jurassique peuplée d’éponges et de corail notamment. Au fond de la mer se forment des dépôts
qui s’accumulent en couches superposées de sel, de gypse, de marnes (mélange de craie et d’argile)
puis de squelettes de coquillage et de poissons formant le calcaire.
Il y a environ 145 millions d’années la mer se retire, c’est la fin de la période jurrassique. Mais
la mer revient il y a environ 130 millions d’années et de nouveaux dépôts sédimentaires calcaires se
forment, dont certains contiennent des composés de fer qui seront piégés dans la roche naissante. Il
s’agit de l’époque dite crétacée. La mer se retire une dernière fois il y a 80 millions d’années, c’est la
fin de l’ère secondaire.
A l’ère tertiaire, il y a environ 40 millions d’années, le continent africain, sorte de «radeau» conti-
nental flottant sur le magma, dérive vers le nord en déplaçant les couches sédimentaires de l’ère secon-
daire faisant apparaître la Dôle et la Barillette entre autres, mais pas encore dans leur état actuel.
Expériences :
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L’histoire du Jura est encore très mouvementée jusqu’à notre époque, parsemée d’érosion, d’altéra-
tion, de dissolution de la roche, de déplacement de certains composés chimiques dont ceux de fer. Ces
derniers se sont concentrés dans les crevasses calcaires formant du minerai de fer que les géologues
ont appelé le sidérolithique. Ce minerai sera exploité des millions d’années plus tard par nos ancêtres
du haut Moyen-Age.
Echelle géologique partielle. Echantillons de roches du Jura
Que remarque-t-on ?
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Age
m.a
Ere Epoque Etage
65
secondaire
crétacé
barrémien
hauterivien
valanginien
purbéckien
130
jurassique
portlandien
kimméridgien
séquanien
argovien