LE FER
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LE FER WWW.PONT-A-MOUSSON.COM «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 Parmi les métaux que le sous-sol renferme, le fer occupe une place particulière par son abondance 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 exceptionnel, 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. v 1.0 08.07.03 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 périodique, dans laquelle les atomes «baignent» dans une sorte de pâte constituée par leurs e- périphériques. Ces e- périphériques sont communs à d’autres atomes métalliques voisins. Ce modèle permet d’expliquer la malléabilité et la conductibilité électrique des métaux. Le fer La liaison métallique page 1 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 strucure 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. v 1.0 08.07.03 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 ? Le fer page 2 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: Hématite Fe2O3 Goethite FeOOH Pyrite FeS2 Trouver les nombres d’oxydation des atomes dans les composés oxygénés du fer. v 1.0 08.07.03 Exercice Magnétite Fe3O4 Le fer page 3 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. Expériences : Dans le Jura, massif montagneux calcaire, le fer existe parfois comme minerai de remplissage des fissures 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 appelée 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. v 1.0 08.07.03 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» continental flottant sur le magma, dérive vers le nord en déplaçant les couches sédimentaires de l’ère secondaire faisant apparaître la Dôle et la Barillette entre autres, mais pas encore dans leur état actuel. Le fer page 4 L’histoire du Jura est encore très mouvementée jusqu’à notre époque, parsemée d’érosion, d’altération, 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. Age m.a Ere Epoque Etage 65 crétacé barrémien hauterivien valanginien purbéckien jurassique secondaire 130 Echantillons de roches du Jura portlandien kimméridgien séquanien argovien v 1.0 08.07.03 Que remarque-t-on ? Le fer page 5 3. Extraction du fer, réduction. L’élaboration du fer métallique à partir du minerai est apparue il y a environ 5000 ans pour atteindre son degré de développement le plus poussé aux XIXe et XXe siècles. HANK HUFNAGEL A part l’aspect de l’extraction et de la concentration du minerai, la phase essentielle pour arriver au fer métallique consiste à inverser le processus naturel d’oxydation du métal. Pour obtenir le fer métallique, il s’agit d’effectuer une réduction des oxydes par le charbon, plus précisément par le monoxyde de carbone CO gazeux, à haute température. La réduction est le phénomène inverse de l’oxydation. Au cours d’une oxydation, les atomes perdent des e−, au cours de la réduction les atomes en capturent. Le CO gazeux à haute température est capable de s’infiltrer dans la structure cristalline des oxydes de fer et de donner des e− aux ions Fe2+ ou Fe3+ pour former du fer Fe métallique. Le CO est obtenu par oxydation incomplète du carbone. Quand le carbone C brûle il se forme du CO2 lorsque la combustion est totale et du CO lorsque la réaction est incomplète: Exercice Dans chacune de ces combustions, déterminer l’élément qui se fait oxyder et celui qui se fait réduire. C + O2 CO2 2C + O2 2CO Une autre réaction peut se faire, mais réversible celle-ci, entre le carbone C, le CO2 et le CO. v 1.0 08.07.03 C + CO2 2CO Cet équilibre représente une sorte de réaction oscillante qui peut évoluer vers la gauche ou vers la droite selon la température à laquelle se fait la réaction. La quantité de CO est plus ou moins importante à haute ou basse température respectivement. Le fer page 6 Le diagramme suivant montre le domaine de stabilité des composés Fe3O4, FeO et Fe selon la composition de l’atmosphère CO/CO2. 100 % CO/CO2 Fe FeO 2C O 50 0 C CO2 + 500 Fe3O4 1000 T [°C ] v 1.0 08.07.03 Exercices a. Etablir la composition du mélange gazeux à 500°C, 700°C et 900°C. b. A 1200°C, quelles doivent être les proportions minimales de CO pour obtenir du FeO et du Fe. Même question à 800°C. c. Pourrait-on obtenir du fer métallique à 500°C d. Mentionner les conditions idéales qui permettent une réduction optimale. e. Mentionner les réactions qui ont lieu à 1000°C lorsque la proportion de CO augmente. Equilibrer ces équations à l’aide des nombre d’oxydation. Le fer page 7 Ces conditions de réduction, basées sur un ensemble assez complexe de réactions chimiques et d’équilibre entre gaz, ont été découvertes par nos ancêtres et leur ont permis d’extraire le précieux métal en utilisant du charbon de bois et une ventilation forcée à une température d’environ 1000°C. Le dispositif employé, appelé bas fourneau, permet d’obtenir le fer métallique sous la forme d’un amas spongieux dans le voisinage de l’amenée d’air. Le fer n’est pas obtenu sous forme pure car il est encombré de scories provenant de la roche encaissante du minerai. 4. Haut fourneau, fonte, acier La méthode de réduction par le bas fourneau pour obtenir le fer est un processus discontinu qui était satisfaisant à l’époque où les besoins en fer se limitaient à environ 20 kg par personne pour la vie entière. Avec le développement de l’ère industrielle est apparue la méthode du haut fourneau. Basée sur le même principe chimique de réduction par le CO, cette technologie permet d’atteindre des températures nettement plus élevées de l’ordre de 1800°C. le produit obtenu est liquide, ce qui lui permet de s’écouler directement par l’ouverture inférieure du haut fourneau. Cependant, vu la température atteinte le produit obtenu n’est pas du fer plus ou moins pur comme dans le bas fourneau, mais un mélange de fer et de carbone appelé fonte. Cette fonte est un matériau très dur, mais très cassant, inutilisable directement pour en faire des outils ou autres applications habituelles de l’acier. Pour transformer la fonte en acier il est nécessaire d’enlever en partie le carbone, le silicium, le phosphore et autres impuretés qui altèrent les qualités du métal. v 1.0 08.07.03 Question GAZ DE H.F. Monoxyde de carbone CO Dioxyde de carbone CO2 Azote N2 Hydrogène H2 Vapeur d'eau H2O Poussières 300°C CHARGE Coke Minerai fondant Gueulard Dessication 350°C Cuve Réduction 750°C Carburation Ventre 1150°C Fusion 1800°C Liquation 1600°C Etalages Ouvrage Creuset Tuyères air chaud Fuel Laitier Fonte Sur le schéma du haut fourneau apparaît le terme de «laitier» qui n’a évidemment rien à voir avec un fabricant de fromage. Sachant que ce laitier est un liquide qui s’écoule, de quoi peut-il s’agir du point de vue chimique ? Corrosion du fer, rouille. Le fer page 1 Expériences : Le fer rouille ! Cette affirmation que chacun a pu vérifier dans la vie quotidienne provient du fait que le fer métallique est capable de donner des e- à un oxydant, pour se transformer en oxyde de fer. La boucle est ainsi refermée car le fer retourne à l’état naturel dans lequel il avait été trouvé avant la réduction. L’oxydant est l’oxygène O2 mais en milieu aqueux. L’oxygène sec ne peut pas oxyder le fer. Sachant que le fer forme par oxydation successivement les composés Fe(OH)2, Fe(OH)3 puis Fe2O3, établir les équations de ces 3 réactions. Montrer les réducteurs et les oxydants. v 1.0 08.07.03 Exercice Le fer page 2 Exercices supplémentaires Equilibrer les équations suivantes à l’aide des nombre d’oxydation. CH4 + O2 CO2 + H2O PbO + CO Pb + CO C2H6 + O2 CO2 + H2O Mg + HCl Mg2+ + ClFe3+ + Mn2+ + H2O KI + KIO3 + HCl I2 + KCl + H2O v 1.0 08.07.03 H+ + MnO4- + Fe2+ Le fer page 1
