Fèrre

L'Edat dau Fèrre modificar

Segon lei conoissenças actualas, lo fèrre meteoritic foguèt trabalhat per lo premier còp en 3500 avC en Egipte^[3]. Pasmens, d'utilizacions pus ancianas son sospichadas car aqueu fèrre es ductil e relativament deformable^[4]. 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^[5]. 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^[6]. 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 fixat en Anatolia vèrs 1200 avC.

De l'Antiquitat a la Revolucion Industriala modificar

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^[7].

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^[8].

Dempuei la Revolucion Industriala modificar

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.

Occuréncia, distribucion e reparticion modificar

Lo fèrre es lo seisen element quimic pus abondós de l'Univèrs^[9]. 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^[10]. 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])^[11]. Aquelei mineraus son relativament frequents dins la natura.

Proprietats fisicas modificar

Lo fèrre es un metau que se presenta sota diferentei formas en foncion de la temperatura e de la pression^[12][13][14]. 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 1 384 °C, l'estructura vèn tornarmai cubica centrada. Aquela fasa es dicha fèrre δ. Son ponch de fusion, 1 538 °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^[15].

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 modificar

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 modificar

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^[16][17]. 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 modificar

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 modificar

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 modificar

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 modificar

La quimia organometallica de fèrre apareguèt en 1951 amb la sintèsi de ferrocèn. Dempuei aquela descubèrta, divèrsei compausats son estats trobats, siá a partir de l'estructura dau ferrocèn, siá a partir d'assemblatges diferents.

Isotòpia modificar

En 2024, lo fèrre aviá 28 isotòps coneguts que sei nombras de massa anavan de 45 a 72. Entre aqueleis isotòps, quatre son estables (⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe e ⁵⁸Fe). Lo pus abondós es lo fèrre-56 (91,574 %) seguit per lo fèrre-54 (5,845 %^[18]), lo fèrre-57 (2,119 %) e lo fèrre-58 (0,282 %). La crosta oceanica contèn tanben de traças de fèrre-60, un isotòp de periòde radioactiu egau a 2,6 milions d'ans. La massa atomica dau fèrre naturau es ansin de 55,845 u.

La metallurgia dau fèrre modificar

En causa de l'importància dau fèrre dins la societat umana, fòrça procès d'extraccion d'aqueu metau existisson. Lor desvolopament permetèt l'esplecha de mineraus de qualitat variabla e necessitèt d'adaptacions frequentas per tractar una impuretat donada. Pasmens, quauquei principis generaus dictan lo debanament d'aquelei metòdes. Per començar, lo fèrre es obtengut per una reaccion d'oxidoreduccion entre lo monoxid de carbòni e leis oxids de fèrre presents dins lo minerau^[19]. Dempuei lo sègle XIX, aquela procès a sistematicament luòc dins un aut-fornèu en preséncia de silici. Aquela installacion permet de realizar d'un biais simultanèu la reduccion dau minerau e la recuperacion de la fonda liquida. Lo silici permet la separacion espontanèa de la fonda e de la màger part deis impuretats que forman una fasa, dicha lachier, que floteja au dessüs dau metau en fusion^[20]. Lo monoxid de carbòni necessari a la reduccion es eissit de la combustion de còc^[21]. En lei país productors de gas naturau, es tanben possible d'utilizar una partida d'aquelei gas.

Puei, per obtenir un metau utilizable per fabricar de pèças metallicas utilizablas, es necessària de purificar la fonda. Dos ensembles de procès de purificacion son més en òbra. Lei premiers son basats sus l'injeccion d'oxigèn per entraïnar de reaccions de combustion. Aquò permet de redurre la preséncia de carbòni e de transformar la fonda en acier^[22]. Leis autrei procès de purificacion son destinats a eliminar d'impuretats non desideradas. Lo sofre es eliminat per injeccion de soda, de calci ò de magnèsi, lo silici per una reaccion de combustion^[23] e lo fosfòr per injeccion de cauç.

Uei, lo reciclatge dei pèças d'acier e de fonda ocupa egalament una plaça importanta dins la produccion. D'efiech, coma la màger part deis aliatges a basa de fèrre son magnetics, sa triada es relativament simpla. De forns electrics son utilizats per fondre la ferralha, sovent en vista de fabricar d'aciers especiaus.

Utilizacions modificar

Representant 90 % de la produccion de l'industria metallurgica mondiala, lo fèrre es lo metau pus utilizat per la societat modèrna. Pasmens, l'utilizacion dau fèrre pur es relativament rara e limitada a quauquei domenis coma la fabricacion de produchs alimentaris ò de supòrts d'enregistrament magnetics. Aquò es una consequéncia dei proprietats dau metau pur qu'es sensible a la corrosion e que se deforma quand es somés a de fòrças importantas. La màger part de la produccion de minerau de fèrre es ansin destinada a la fabricacion d'aliatges.

Leis aliatges principaus a basa de fèrre son d'aliatges fèrre-carbòni :

• lei fondas contènon de 2,1 % a 6,67 % de carbòni. An una temperatura de fusion situada entre 1 135 e 1 350 °C e una bòna colabilitat. Son devesidas en plusors grops diferents en foncion de sei proprietats mecanicas coma la fonda blanca qu'es resistenta a l'abrasion mai relativament fragila^[24].
• leis aciers contènon de 0,025 % a 2,1 % de carbòni. Pòdon subir de tractaments variats (recuech, tremp, revengut, cementacion, nitruracion, carbonitruracion, etc.) que permèton de crear d'aliatges variats capables de resistir a mai d'una constrencha ò a la corrosion. En particular, l'acier permet de fabricar de pèças plegadissas, çò qu'a d'interès major dins la construccion.
• lei fèrres industriaus contènon mens de 0,025 %.

Aqueleis aliatges pòdon contenir d'autreis elements quimics, de còps dins de proporicions importantas. Per exemple, l'acier inoxidable es constituït de mens de 1,2 % de carbòni e de mai de 10,5 % de cròme^[25].

Leis aliatges entre lo fèrre e un autre element (a l'excepcion dau carbòni) son dichs ferroaliatges. Lei pus produchs son lo ferrocròme, lo ferromanganès, lo ferroniquèl e lo ferrosilici. Son utilizats en siderurgia coma « ingredients » per la fabricacion d'aciers especiaus^[26].

Produccion modificar

Coma lo fèrre es pauc utilizat a l'estat pur, sa produccion es pas dirèctament mesurada. En plaça, son puslèu mesuradas lei produccions de minerau de fèrre e deis aliatges a basa de fèrre. En 2023, la produccion de minerau de fèrre èra estimada a 2,5 miliards de tonas. Aqueu minerau conteniá una quantitat de fèrre estimada a 1,5 miliards de tonas. Lei país productors principaus èran Austràlia (960 Mt), Brasil (440 Mt), China (280 Mt), Índia (270 Mt), Russia (88 Mt), Iran (77 Mt), Canadà (70 Mt) e Sud-Africa (61 Mt). Lei resèrvas actualament esplechablas èran estimadas a 190 miliards de tonas e se trobavan mai que mai en Austràlia (58 Gt), en Brasil (34 Gt), en Russia (29 Gt), en China (20 Gt), en Ucraïna (6,5 Gt) e en Canadà (6 Gt). La quantitat de fèrre dins aquelei resèrvas seriá de 87 miliards de tonas. Lei resèrvas totalas de minerau, esplechablas e non esplechablas amb lei mejans actuaus, serián d'aperaquí 800 miliards de tonas^[27].

La produccion de fonda bruta èra estimada a 1,3 miliards de tonas en 2023. Amb 890 milions de tonas, China èra largament lo premier productor mondiau. Leis autrei productors importants èra Índia (80 Mt), Japon (63 Mt), Russia (54 Mt), la Corèa dau Sud (44 Mt), Brasil (26 Mt), Alemanha (22 Mt) e leis Estats Units (21 Mt). Per l'acier, lei país productors èran relativament similars. China produguèt un miliard de tonas en 2023, siá 53 % de la produccion mondiala. Leis autrei productors importants èran Índia (140 Mt), Japon (87 Mt), leis Estats Units (80 Mt), Russia (75 Mt), la Corèa dau Sud (68 Mt), Turquia (42 Mt), Brasil (34 Mt), Alemanha (33 Mt) e Iran (30 Mt)^[28].

La produccion de ferroaliatges es pus limitada. En 2015, èra estimada a 52,8 milions de tonas. China, Sud-Africa, Índia, Russia e Cazacstan èran a l'origina de 84 % de la produccion mondiala^[29].

Lo fèrre es un element indispensable au còrs uman, especialament per fabricar l'emoglobina que permet lo transpòrt de l'oxigèn per lei globuls roges e la mioglobina que permet l'estocatge de l'oxigèn dins lei muscles^[30]. 95 % d'aqueu fèrre es reciclat. Lei besonhs nutritius son donc relativament febles e l'èsser uman en bòna santat absorbís e excreta de quantitats fòrça feblas de fèrre.

Tot desequilibri pòu aver de consequéncias negativas. Lei caréncias pòdon menar a una anemia. En l'enfant, aquò es egalament susceptible de redurre lei facultats cognitivas (anemia ferripriva). Leis excès de fèrre favorizan l'aparicion de patologias epaticas, pulmonaras e renalas e aurián un ròtle dins lo desvolopament de la malautiá de Parkinson e de formas raras de cancèr. De transfusions sanguinas frequentas, certanei malautiás e certaneis aliments favorizan l'aumentacion de la concentracion de fèrre dins l'organisme^[31]. De mai, fau nòtar que la consumacion excessiva d'aliments animaus contenent de quantitats importantas de fèrre (carn roja e carnsalada) aumenta la probabilitat de formacion d'un cancèr dau colon.

Liames intèrnes modificar

Bibliografia modificar

Istòria de la metallurgia e dei tecnicas :

• (fr) Bertrand Gille, Histoire des techniques, Gallimard, coll. « La Pléiade », 1978.
• (en) H. R. Schubert, History of the British Iron and Steel Industry ... to 1775 AD, Londres, Routlege, 1957.
• (en) R. F. Tylecote, History of Metallurgy, Londres, Institute of Materials, 1992.
• (en) R. F. Tylecote, « Iron in the Industrial Revolution », dins J. Day e R. F. Tylecote, The Industrial Revolution in Metals, Institute of Materials, 1991, pp. 200–260.
• (en) Mary Elvira Weeks e Henry M. Leichester, « Elements known to the ancients », Discovery of the elements, Easton, Journal of Chemical Education, 1968.

Procès e metòdes siderurgics :

• (en) G. Reginald Bashforth, The manufature of iron and steel, vol. 2 : Steel production, Londres, Chapman & Hall Ltd, 1951.
• (fr) Louis Colombier, Métallurgie du fer, Dunod, 1957.
• (fr) Adolf Ledebur (trad. Barbary de Langlade), Manuel théorique et pratique de la métallurgie du fer, Librairie polytechnique Baudry et Cie éditeur, 1895.
• (fr) Daniel Rivet, L'acier et l'industrie sidérurgique, París, Presses universitaires de France, coll. « Que sais-je? » (n° 561), 1978.

Toxicologia, efiechs biologics e patologias :

• (fr) M. Bourel e M. Simon, « Physiopathologie et classification des hémochromatoses », La Revue du Praticien, vol. 27, n° 7,‎ febrier de 1977, pp. 339-350.
• (fr) Yves Deugnier, « Surcharges en fer », La Revue du praticien, vol. 56, n° 19,‎ decembre de 2006, pp. 2109-2110.
• (en) L. F. Grimsley, « Iron and cobalt », dins E. Bingham, B. Cohrssen e C. H. Powell (dir.), Patty's Toxicology, Nòva York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore e Toronto, John Wiley & Sons, Inc., 2001, pp. 169-193.
• (en) C. C. Wu e H. M. Liu, « Determinants of metals exposure to metalworking fluid among metalworkers in Taiwan », Arch Environ Occup Health, vol. 69, n° 3, 2014, pp. 131-138.

Nòtas e referéncias modificar