Le fer et sa densité : tout ce que vous devez savoir

1.0 Le fer (Fe) : la base des matériaux de structure et un élément vital pour la vie

Fer (symbole chimique Fe, dérivé du latin fer) est un métal de transition du groupe 8 du tableau périodique, avec un numéro atomique de 26, masse atomique relative de 55,845, d'une masse volumique de 7,86 g/cm³ et d'un point de fusion de 1 539 °C. De couleur gris argenté, il est l'un des métaux les plus abondants de la croûte terrestre. Dans la nature, il existe couramment à l'état d'oxydation ferreux (Fe²⁺) et ferrique (Fe³⁺).

1.1 Propriétés physiques et chimiques :

• Lustre métallique, aspect gris argenté, dur mais ductile ;
• Point de fusion élevé (1539°C), adapté au traitement à haute température ;
• Un métal réactif, réagit facilement avec l’oxygène, l’eau et les acides ;
• Les états d’oxydation courants sont +2 et +3.

1.2 Principales applications :

Fabrication de l'acier :

L'application la plus importante du fer est la production d'acier. L'acier est un alliage de fer et de carbone, souvent mélangé à du manganèse, du chrome, du nickel et d'autres éléments pour améliorer la résistance, la ténacité ou la résistance à la corrosion. L'acier est largement utilisé dans :

• Construction structurelle (par exemple, ponts, immeubles de grande hauteur)
• Fabrication de machines et d'équipements
• Transports (voitures, bateaux, chemins de fer)
• Appareils électroménagers et biens de consommation courante

Produits chimiques industriels et engrais :

Les composés de fer sont utilisés pour produire des colorants, des catalyseurs, des agents de traitement de l'eau et engrais à base de fer.

1.3 Rôle biologique :

Le fer est un oligo-élément essentiel aux organismes vivants. Ses principales fonctions sont les suivantes :

• Constituant l'hémoglobine et la myoglobine, impliquées dans le transport de l'oxygène ;
• Participer au métabolisme énergétique mitochondrial ;
• Agissant comme composant de diverses enzymes et protéines.

1.4 Importance historique et culturelle :

• L’utilisation du fer par l’homme remonte à l’âge du fer (vers 1200 avant J.-C.), lorsque les outils et les armes en fer ont remplacé ceux en bronze, faisant progresser considérablement la production agricole et les capacités militaires ;
• L’adoption généralisée de la technologie de fusion du fer a marqué une étape clé dans la civilisation humaine.
• À ce jour, le fer reste le matériau métallique le plus utilisé au monde.

Densités des éléments sélectionnés

2.0 Comprendre la densité : définition, calcul et le fer comme exemple

2.1 Qu'est-ce que la densité ?

La densité est une mesure de la quantité de matière contenue dans une unité de volume. Elle reflète la densité des particules d'une substance. Plus les particules sont denses, plus elles peuvent tenir dans un espace donné. Puisque les particules ont une masse, les matériaux de densité élevée pèseront plus lourd pour un même volume.

Les unités courantes de densité comprennent :

• unité SI: kilogrammes par mètre cube (kg/m³)
• Unités de laboratoire: grammes par centimètre cube (g/cm³) ou grammes par millilitre (g/mL)
• La densité est généralement représentée par la lettre grecque ρ (rho)

2.2 Formule de calcul de la densité

Densité (ρ) = Masse (m) / Volume (V)

Où:

• La masse est généralement mesurée en grammes (g)
• Le volume peut être exprimé en millilitres (mL)ou centimètres cubes (cm³)
  (Remarque : 1 ml = 1 cm³)

2.3 Exemple : densité d'un bloc de fer

Un bloc de fer a une masse de 23,6 grammes, avec des dimensions de 2,0 cm × 2,0 cm × 0,75 cm. Déterminez sa densité et s'il est susceptible d'être constitué de fer.

Volume = 2,0 × 2,0 × 0,75 = 3,0 cm³
Densité = 23,6 g ÷ 3,0 cm³ = 7,87 g/cm³

Conclusion:
L'objet a une densité d'environ 7,87 g/cm³, ce qui est très proche de la densité standard du fer pur. Il s'agit donc très probablement de fer pur ou d'un alliage à base de fer.

2.4 Densité du fer et des alliages de fer

La densité de fer pur est approximativement 7,874 g/cm³
(ou 491,5 lb/pi³, 0,284 lb/po³)

Le tableau ci-dessous répertorie les densités des types courants de fer et d'alliages de fer à température ambiante. Ces valeurs sont utiles pour le choix des matériaux et les calculs techniques.

Remarque 1 : 6,95 à 7,35 g/cm3 (0,251 à 0,265 lb/po3).

Remarque 2 : 7,20 à 7,34 g/cm3 (0,260 à 0,265 lb/po3).

3.0 Facteurs affectant la densité du fer

3.1 Structure atomique

La densité du fer est influencée par sa structure cristalline :

• Structure cubique centrée sur le corps (BCC):La ferrite (fer α, BCC) a une densité légèrement inférieure à celle de l'austénite (fer γ, FCC) en raison de son efficacité de compactage atomique.
• Structure cubique à faces centrées (FCC): Trouvé dans austénite (fer γ), qui a un densité plus élevée

3.2 Température et transitions de phase

À mesure que la température augmente, le fer subit des transitions de phase qui affectent sa structure cristalline et donc sa densité :

• α-fer (BCC)transitions vers fer γ (FCC) à environ 912°C
• fer γ (FCC)se transforme en δ-fer (BCC) vers 1394°C
• Le point de fusionde fer est d'environ 1538°

3.3 Ajout d'éléments d'alliage

• Ajout d'éléments tels que carbonemodifie la structure et la densité du fer
• Par exemple, l’augmentation de la teneur en carbone de l’acier conduit à la formation de perlite, et abaisse le température de transition de phaseà environ 727°C.

4.0 Questions fréquemment posées sur la densité du fer

Autre: Densité de l'aluminium

Références:

https://www.princeton.edu/~maelabs/mae324/glos324/iron.htm

https://web.fscj.edu/Milczanowski/psc/lect/Ch4/slide6.htm

https://www.sciencedirect.com/topics/agricultural-and-biological-sciences/iron-fertilizers